三种模式应用于聚合物分离
通常来讲,对于聚合物的分离,主要方法为体积排阻色谱(SEC)和液体吸附色谱(LAC),然而在这两个模式之间,存在着所谓的临界条件下液相吸附色谱法(LACCC)。原理上,对于所有的模式都是根据分子的特性来对聚合物进行分离。
其实,在这三种模式中使用超临界 CO2 只是停留在早期的研究中,但是随着 SFC 领域的快速发展,又燃起了我们对于这些模式研究的希望!本篇文章,我们将会以聚乙二醇(PEG)为模型展示这三种模式下的分离状态。为了确定临界条件下的色谱参数,采用了质量设计(QbD)的方法来减少所需的实验。
聚合物分离的色谱原理
超临界条件下 体积排阻色谱 scSEC | 临界条件下 超临界流体吸附色谱 SFACCC | 超临界流体 吸附色谱 SFAC |
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表1. 超临界流体色谱法对聚合物不同分离方式的比较。哪种模式占主导地位取决于色谱条件,主要是溶剂强度。
实验材料与设备
实验条件 | ||
色谱柱 | 250 mm x 20 mm, 5μm (制备柱) Reprosil SEC 200Å (Dr. Maisch, Germany) 150 mm x 2.1 mm, 1.9μm (分析柱) | |
仪器 | 分析型:Waters UPC2 with Acquity ELSD(Waters) 制备型:Sepiatec SFC-250 with ELSD(Sepiatec) | |
软件 | Fusion QbD software (S-Matrix Corp.) |
SFACCC 中使用 QbD 对聚合物进行条件筛选与分离
QbD 法确定关键色谱条件:
在第一次筛选后,使用 QbD 方法以最少的实验确定关键色谱条件
在较小的条件区域内,所有共洗脱的聚乙二醇都可以得到,图中用白色背景表示
这一点通过实验得到了验证
PEG-400 与聚多卡醇(端基为 C12-烷基的 PEG-400)在如下条件分离:
名称 | 目标 | 下界 | 上界 | 颜色 |
所有PEGs最大保留时间差 | 最小 | 0.030 | —— | 红色 |
聚多卡醇/PEG400保留时间差 | 最大 | —— | 0.100 | 绿色 |
▲图1.由 Fusion QbD 软件生成的方法设计;
在临界色谱条件 T 中进行
▲图2.在临界色谱条件:36% 甲醇和 56℃ 下,不同 PEG 的共洗脱(上图)和 PEG-400 与聚多卡醇的分离(下图)
在相同系统下采用 SEC 与吸附色谱对聚乙二醇进行实验
实验条件 | ||
色谱柱 | 200 Å; 1.9μm | |
背压调节阀 | 1800psi(124bar) | |
洗脱液 | CO2(A)/甲醇(B) | |
流速 | 1 mL/min | |
温度 | 40℃ | |
检测器 | ELSD |
▲图3.scSEC:等度模式;10/90(CO2/甲醇)
▲图4.SFAC:梯度模式;
十分钟之内 90/10 – 50/50(CO2/甲醇)
▲5.SFAC:等度模式;90/10(CO2/甲醇)
scSEC色谱法在亚临界条件下通过高比例的强溶剂进行等度洗脱,高分子量的 PEG 更早的洗脱出来。
SFAC色谱法通过梯度洗脱模式对 20kDa – 200Da 分子量范围内的 PEG 进行洗脱。后续采用低比例改性剂的等度模式对可将 PEG-200 和 PEG-400 分散剂分解为其单分散组分。分子量的确认通过 SFC-MS 联用技术进行确认。
SEC校准:将衍生化均匀聚合物与常规 PEGs 分散剂进行校准比较,以此来证明均匀聚合物的可用性。
制备分离 PEG-400 里均匀聚合物
实验条件 | ||
仪器 | Sepiatec SFC-250 | |
色谱柱 | 200 Å; 5μm | |
洗脱液 | CO2(A)/甲醇(B)= 93/7 | |
流速 | 60 mL/min | |
温度 | 40℃ | |
检测器 | ELSD |
▲图6.通过 SFAC 色谱模式对 PEG-400 均匀聚合物进行分离效果图谱
聚合物纯度验证:在分析层面上使用开发的 SFAC 色谱法对均匀聚合物的纯度进行检测,结果表明即使在不优化分离条件的情况下,所有聚合物的纯度都>99%。
结论
通过改变 CO2 和甲醇的比例,三种模式均可在相同的系统中实现。除此之外,在实际应用中,通过将开发的分析方法顺利转移到制备规模中,对不同分子量的聚乙二醇进行分离纯化且得到了均匀的聚合物。
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