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2D Chromatographie

Gleichzeitige Bestimmung zweier verschiedener Verteilungen

Alle chromatographischen Trennverfahren leiden unter einer begrenzten Auflösung in Bezug auf Peakreinheit, Peakkapazität, Bestimmung mehrerer Eigenschaftsverteilungen und mehr. Dieses Dilemma kann selbst dann nicht gelöst werden, wenn leistungsfähige und teure Detektionsmethoden wie Massenspektrometrie oder Lichtstreuung zu einem chromatographischen System hinzugefügt werden.

Die Kombination verschiedener Trenntechniken in einem einzigen Experiment (mehrdimensionale Chromatographie; auch 2D-Chromatographie, orthogonale Chromatographie und Kreuzfraktionierung genannt) ermöglicht hingegen, das Problem der begrenzten chromatographischen Auflösung direkt anzugehen, da die Peakkapazität erheblich größer wird. Dies ist besonders wichtig für die Analyse komplexer Polymermaterialien. Ein Merkmal aller Polymere ist die Heterogenität, die unausweichlich aus der Statistik jedes Polymerisationsprozesses resultiert. Sogar Homopolymere, die durch (ideale) lebende Polymerisationstechniken hergestellt wurden, enthalten Ketten mit unterschiedlichen Molmassen und weisen eine Molmassenverteilung (MMD) auf. Zusätzlich sind bei Copolymerisationen die verschiedenen Comonomere über die verschiedenen Polymerketten verteilt, was zu wiederum zu Ketten führt, deren Zusammensetzung mit der Molmasse variiert (chemische Zusammensetzungsverteilung). Andere Heterogenitäten ergeben sich aus Unterschieden in der Endgruppenfunktionalisierung, der Verzweigung, den Mikrostrukturen usw.
In Polymerproben erreicht die Anzahl der verschiedenen Strukturen leicht einige Hundert oder sogar Tausende, so dass eine hohe Peakkapazität für eine Trennung eindeutig von Vorteil wäre.

Um solche komplexen Polymere zu charakterisieren, ist die zweidimensionale Chromatographie die Methode der Wahl. Bei der zweidimensionalen Chromatographie wird die Probe in einer ersten Dimension nach einem Strukturparameter fraktioniert und die Fraktionen gesammelt. Diese Fraktionen werden anschließend in einem zweiten chromatographischen Experiment nach einem zweiten Strukturmerkmal getrennt.

2D Lösungen

2D-Chromatographielösungen sind von manuellen und offline-Lösungen bis zu vollautomatischen Online-Lösungen und für den Transfer von nur wenigen ausgewählten Fraktionen bis hin zum vollständigen Transfer aller Fraktionen (comprehensive) verfügbar.

Typische 2D-LC Trennverfahren
Die Auswahl der Separationstechniken für 2D-Setups resultiert aus den Informationen, die für die zu charakterisierenden Proben erhalten werden sollen. Häufig eingesetzte Techniken sind GPC/SEC für die Größentrennung in einer Dimension kombiniert mit einer IPC-Technik für die Bestimmung der Zusammensetzungs- oder Endgruppenverteilung in der anderen Dimension. FFF-Techniken, HDC, SFC, CE oder andere Trenntechniken werden ebenfalls bei Bedarf eingesetzt. Orthogonalität, d. h. das für beide Trennungen völlig unabhängige Trennmechanismen vorliegen, ist nützlich für zweidimensionale Trennungen, aber keine notwendige Vorraussetzung. Selbst wenn die Trennung in beiden Dimensionen von den gleichen strukturellen Merkmalen abhängt, ist der zusätzliche Informationsgewinn gegeben.
Die richtige Reihenfolge der eingesetzten Trennmethoden ist wichtig um die bestmögliche Auflösung und die genaue Bestimmung der Eigenschaftsverteilungen zu erreichen. Dabei hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, die Methode mit der höchsten Selektivität in der ersten Dimension einzusetzen.

Comprehensive 2D
Eine umfassende Charakterisierung kann durch direkte Kopplung von zwei Flüssigkeitschromatographen über ein softwaregesteuertes 8- oder 10-Wege-Ventil erreicht werden. Dieses mit zwei identischen Probenschleifen ausgestattete Ventil übernimmt dabei die Funktion des Autosamplers für die zweite chromatographische Dimension. Während eine Schleife mit einer Fraktion aus der ersten Dimension gefüllt wird, wird der Inhalt der zweiten Probenschleife gleichzeitig in der zweiten Dimension analysiert. Nach jeder abgeschlossenen Füllung der Schleife in der ersten Dimension wird das Ventil geschaltet, damit die gerade gefüllte Schleife nun analysiert wird während die zuvor analysierte Schleife nun mit der nächsten Fraktion gefüllt wird.

Heart-Cutting 2D
Heart-Cutting ist dann sinnvoll, wenn nur für einige wenige Fraktionen der ersten Dimension eine Colelution vorliegt, z.B. wenn für Polymerblends in der ersten Dimension klar getrennt Peaks für die chemisch unterschiedlichen Komponenten erhalten werden und diese bezüglich der Molekulargewichtsverteilungen charakterisiert werden sollen. Realisiert werden diese zweidimensionale Trennungen oft unter Verwendung eines Probensammelventils. Die gewünschten Fraktionen der ersten chromatographischen Trennung werden in den Schleifen eines Sammelventils gespeichert und nach dem Wechsel der Säule und des Eluenten (automatisch) in der zweiten Dimension analysiert.

2D Fractions
Den einfachsten Ansatz zur Realisierung zweidimensionaler chromatographischer Trennungen bietet der Einsatz eines Fraktionssammlers. Die gewünschten Fraktionen werden nach der ersten chromatographischen Trennsäule gesammelt, in Probenvials überführt und nach Wechsel der Trennsäule und/oder des Eluenten mit dem gleichen oder einem anderen Chromatographen unter veränderten Trennbedingungen analysiert.

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