DE102010002316B4

DE102010002316B4 - Analysesystem mit Kopplung von GPC und NMR-Spektroskopie, insbesondere für die Analyse von polymerhaltigen Messproben

Info

Publication number: DE102010002316B4
Application number: DE102010002316A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kamlowski Andreas; Thorsten Hofe; Markus Cudaj; Prof. Wilhelm Manfred; Dr. Guthausen Gisela
Original assignee: Bruker Biospin GmbH; Karlsruher Institut fuer Technologie KIT; PSS Polymer Standards Service GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH; Agilent Technologies Inc
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2030-02-25
Also published as: US20110204894A1; DE102010002316A1; US8624599B2

Abstract

Analysesystem (1) zur Untersuchung einer Messprobe, umfassend einen Gelpermeations-Chromatographen (14), der mit einem Kernspinresonanz(= NMR)-Spektrometer gekoppelt ist, wobei der Chromatograph (14) eine GelpermeationsChromatographie(= GPC)-Trennsäule (6) aufweist, die mit porösen Partikeln (21) gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das NMR-Spektrometer als ein Niederfeld-NMR-Spektrometer (8) mit einem Permanentmagnetsystem (9) zur Erzeugung eines B0-Feldes des NMR-Spektrometers ausgebildet ist, wobei das Niederfeld-NMR-Spektrometer (8) ein Shim-Systemn (10) umfasst, mit welchem in einem kreiszylindrischen Probenvolumen (27) von wenigstens 5 mm Durchmesser und wenigstens 15 mm Länge eine Homogenität des B0-Feldes von 0,5 ppm oder besser, bevorzugt 0,1 ppm oder besser, erreichbar ist, und wobei das Niederfeld-NMR-Spektrometer (8) weiterhin eine Lockfunktion (29) zur Kompensation einer Drift des B0-Feldes umfasst, und dass der Chromatograph (14) ein GPC-Trennsäulensystem (6a) aufweist, das zumindest die eine GPC-Trennsäule (6) umfasst, wobei alle GPC-Trennsäulen (6) des GPC-Trennsäulensystems (6a) zusammen ein Innenvolumen von wenigstens 45 cm3, bevorzugt...

Description

Die Erfindung betrifft ein Analysesystem zur Untersuchung einer Messprobe, umfassend einen Gelpermeations-Chromatographen, der mit einem Kernspinresonanz(= NMR)-Spektrometer gekoppelt ist, wobei der Chromatograph eine Gelpermeations-Chromatographie(= GPC)-Trennsäule aufweist, die mit porösen Partikeln gefüllt ist.
Ein solches Analysesystem ist beispielsweise erwähnt in A. Nordon et al., Analyst (2001), No. 126, Seite 260–272.
Für die Entwicklung bzw. Fertigung von leistungsfähigen Polymeren, polymerhaltigen Verbundwerkstoffen und Makromolekülen ist die Analyse bzw. Überwachung der Polymerqualität, insbesondere hinsichtlich Molekülgröße, Kettenlängenverteilung, molekularer Verknüpfung und chemischer Zusammensetzung, eine grundlegende Voraussetzung. Zur Überwachung der Polymerqualität werden Messverfahren eingesetzt, die einerseits bezüglich der Molekülgrößen selektiv und andererseits bezüglich der chemischen Zusammensetzung sensitiv sein müssen.
Die Messverfahren zur Überwachung der Polymerqualität basieren vorwiegend auf flüssig-chromatographischen Separationsmethoden, insbesondere Gelpermeations-Chromatographie (= GPC), auch bezeichnet als size exclusion chromatography (= SEC) oder GPC/SEC. Die zu untersuchende Messsubstanz (meist ein Gemisch von Makromolekülen verschiedener Größe) wird in einem Laufmittel (Eluent) gelöst und durch eine Trennsäule, die eine stationäre Phase enthält, geführt; die stationäre Phase verzögert den Fortschritt der verschiedenen Makromoleküle in der Messprobe unterschiedlich lange. Bei der GPC erfolgt eine Separation der in der Messprobe enthaltenen Makromoleküle nach der Größe (hydrodynamischer Radius). Die Trennwirkung der GPC beruht dabei auf einer entropischen Wechselwirkung mit der stationären Phase und ermöglicht daher keine Aussage über die chemische Zusammensetzung der Makromoleküle. Bei anderen Chromatographieverfahren wie der High Performance Liquid Chromatography (= HPLC) beruht hingegen die Trennwirkung auf einer enthalpischen Wechselwirkung.
Die eigentliche chemische Analyse der Messprobe kann mit einem der chromatographischen Auftrennung nachgeschalteten Spektrometer erfolgen.
Alleinstehende Spektrometer könnten nur eine gemittelte Information über die chemische Zusammensetzung des in der Messprobe enthaltenen Molekülgemisches liefern; erst durch die vorgeschaltete Separation können Informationen über einzelne Fraktionen des Molekülgemischs gewonnen werden.
Derzeit werden vorwiegend Ultraviolett(= UV)-Spektrometer und Infrarot(= IR)-Spektrometer gekoppelt mit der GPC eingesetzt. UV- und IR-Spektrometer sind kostengünstig, haben aber physikalisch bedingte, enge messtechnische Grenzen, so dass deren Aussagekraft über die chemische Zusammensetzung der Messprobe qualitativ wie quantitativ recht begrenzt ist.
Als aktuell leistungsfähigste Methode zur chemischen Analyse von polymerhaltigen Messproben hat sich hochauflösende NMR-Spektroskopie im Hochfeld unter Verwendung von supraleitenden Magneten (entsprechend einer Protonenfrequenz von typischerweise 500 MHz oder mehr) etabliert. Die Hochfeld-NMR-Spektroskopie, üblicherweise eingesetzt als FT-NMR, ist die derzeit am vielseitigsten einsetzbare und präziseste Methode zur Identifikation von chemischen Substanzen. Allerdings kann auch bei Einsatz von Hochfeld-NMR-Spektroskopie eine vollständige chemische Deformulierung aller Bestandteile einer Messprobe enthaltend ein Poylmergemisch nur durch eine vorgeschaltete Separation erreicht werden.
Eine Kopplung von GPC und Hochfeld-NMR ist beispielsweise zusammengefasst in einem Review von T. Kitayama, K. Ute, ”on-line SEC-NMR”, in ”Modem Magnetic Resonance”, S. 395–401, editiert von G. A. Webb, 2006.
Der Einsatz von Hochfeld-NMR-Spektroskopie gekoppelt mit der GPC erfordert aber einen sehr hohen apparative Aufwand. Das für die qualitative und quantitative chemische Analyse der Fraktionen eingesetzte Hochfeld-NMR-Spektrometer ist in der Anschaffung und im Unterhalt sehr teuer, insbesondere wegen des Einsatzes von schwierig zu fertigenden und in der Regel großen und schweren supraleitenden Magnetspulen und wegen deren Kühlung mit teurem flüssigem Helium im laufenden Betrieb. Die Handhabung von kryogenen Flüssigkeiten sowie die komplexen Messmöglichkeiten und die komplizierte Bedienung machen auch den laufenden Betrieb aufwändig und schwierig.
Für einzelne Aufgaben in der Qualitätskontrolle und Prozessüberwachung werden auch Niederfeld-NMR-Spektrometer eingesetzt. Kommerziell erhältliche Niederfeld-NMR-Geräte wie das ”the minispec” der Firma Bruker Optics GmbH, Ettlingen, DE, beruhen auf Permanentmagnetsystemen und sind deutlich kleiner und preiswerter als Hochfeld-NMR-Geräte. Sie erlauben jedoch in der Regel nur eine geringe bis keine Dispersion, so dass eine chemische Differenzierung und Identifikation von Bestandteilen von Messproben über die chemische Verschiebung kaum möglich ist.
A. Nordon et al., Analyst (2001), No. 126, Seite 260–272, beschreiben in ihrem Review die Möglichkeiten der Niederfeld-NMR im Hinblick auf einen online Einsatz. Hier ist auch der Hinweis auf spektroskopische Messungen im Niederfeld zu finden. In der Zusammenfassung wird zudem darauf hingewiesen, dass Methoden der Hochfeld-NMR, wie sie beispielsweise bei 500 MHz im Zusammenhang mit einer GPC-Kopplung eingesetzt werden, für die online NMR-Analyse interessant sein könnten.
Es ist auch bekannt, HPLC und NMR im Labor zu koppeln, siehe z. B. K. Albert, J. Chromatography A, No. 703(1995), S. 123–147. Hierbei wurden auch Elektromagnete zur Felderzeugung eingesetzt, vgl. N. Watanabe, E. Niki, Proc. Japan. Acad. 54, Ser. B, 194(1978), oder auch E. Bayer et al., J. Chromatography 186, S. 497–507(1979).
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Analysesystem bereit zu stellen, mit dem eine quantitative und qualitative chemische Analyse von Messproben, die Substanzen mit unterschiedlicher Molekülgröße enthalten, bei reduziertem apparativem Aufwand möglich ist.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Analysesystem der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass das NMR-Spektrometer als ein Niederfeld-NMR-Spektrometer mit einem Permanentmagnetsystem zur Erzeugung eines B₀-Feldes des NMR-Spektrometers ausgebildet ist,
wobei das Niederfeld-NMR-Spektrometer ein Shim-System umfasst, mit welchem in einem kreiszylindrischen Probenvolumen von wenigstens 5 mm Durchmesser und wenigstens 15 mm Länge eine Homogenität des B₀-Feldes von 0,5 ppm oder besser, bevorzugt 0,1 ppm oder besser, erreichbar ist,
und wobei das Niederfeld-NMR-Spektrometer weiterhin eine Lockfunktion zur Kompensation einer Drift des B₀-Feldes umfasst,
und dass der Chromatograph ein GPC-Trennsäulensystem aufweist, das zumindest die eine GPC-Trennsäule umfasst,
wobei alle GPC-Trennsäulen des GPC-Trennsäulensystems zusammen ein Innenvolumen von wenigstens 45 cm³, bevorzugt wenigstens 100 cm³, aufweisen.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass auch durch GPC gekoppelt mit einem Niederfeld-NMR-Spektrometer eine umfassende Analyse von polymerhaltigen Messproben möglich ist, insbesondere eine chemische Identifizierung und Quantifizierung der Wiederholeinheiten der Polymergemische in der Messprobe in Korrelation mit der Molekulargewichtsverteilung. Allerdings benötigt das Analysesystem dazu einige spezifische Anpassungen bezüglich einer Shim- und einer Lockfunktion im Niederfeld-NMR-Spektrometer, und weiterhin eine Anpassung der GPC-Trennsäule, welche dem Niederfeld-NMR-Spektrometer vorgeschaltet ist. Bei Berücksichtung der erfindungsgemäßen Maßnahmen kann eine ausreichende Sensitivität des Analysesystems erreicht werden, so dass Polymergemische hinsichtlich ihrer Zusammensetzung separiert, einzeln identifiziert und quantifiziert werden können. Trotz der erforderlichen Anpassungen gestattet das erfindungsgemäße System eine sehr viel einfachere und kostengünstigere Analyse als die bekannte Kopplung von GPC und Hochfeld-NMR.
Zum Niederfeld-NMR-Spektrometer
Das NMR-Spektrometer des erfindungsgemäßen Analysesystems basiert auf einem Permanentmagnetsystem, welches das statische B₀-Feld für die NMR-Messung erzeugt. Typischerweise entspricht das durch das Permanent-Magnetsystem erzeugte Magnetfeld seiner Stärke nach einer Protonenfrequenz von 2 bis 60 MHz, bei Einsatz der gegenwärtig verfügbaren Materialien für Permanentmagnete. Bevorzugt werden im Rahmen der Erfindung Permanentmagnetsysteme der Stärke 20 MHz bis 50 MHz eingesetzt. Das Permanentmagnetsystem ist einfach im Aufbau, wartungsarm und kostengünstig in Anschaffung und Unterhalt.
Das Permanentmagnetsystem wird durch ein Shimsystem ergänzt, welches in einem Mindestvolumen von 15 mm Länge und 5 mm Durchmesser eine Homogenität von 0,5 ppm oder besser sicherstellt. Der Bereich des NMR-Spektrometers, in dem die geforderte Homogenität erreicht wird, wird im Rahmen der Erfindung als das zur Verfügung stehende Probenvolumen bezeichnet (man beachte, dass die Messzelle des NMR-Probenkopfes, in der die Messprobe für die NMR-Messung angeordnet ist, einen Raum innerhalb oder entsprechend dem Probenvolumen einnehmen sollte). Bei herkömmlichen Niederfeld-NMR-Spektrometern wird üblicherweise keine vergleichbare Feldhomogenisierung betrieben. Die erfindungsgemäße erhöhte Homogenität verbessert die Auflösung von chemischen Verschiebungen und J-Kopplungen. Das Shim-System kann passive Shimelemente und/oder elektrische Shims aufweisen. Ein elektrischer Shim kann dabei eine Shimspule oder eine Gruppe von Shimspulen umfassen; ein elektrischer Shim dient typischerweise jeweils zur separaten Einstellung eines einzelnen Entwicklungskoeffizienten des B₀-Feldes. Bevorzugt sind wenigstens 8, besonders bevorzugt wenigstens 12 elektrische Shims vorgesehen; im Einzelfall können auch weniger elektrische Shims (etwa 3) ausreichen.
Weiterhin ist das NMR-Spektrometer erfindungsgemäß mit einer Lockfunktion ausgestattet. Die Lockfunktion kann insbesondere realisiert werden

a) durch einen separaten Kanal, insbesondere im Fall der ¹H-NMR mit einer ¹⁹F-Referenzprobe, oder
b) softwareseitig über eine interne oder externe Referenz. Bei Einsatz eines separaten Kanals wird typischerweise eine B₀-Drift über einen direkte Korrektur des B₀-Feldes durch einen elektrischen z⁰ Shim vorgenommen. Im Falle einer softwareseitigen Lockfunktion werden Spektren typischerweise direkt (bei der Aufnahme) vor Addition der Scans entsprechend des Drifts frequenzkorrigiert und eine Rückkopplung hinsichtlich der Spektrometerfrequenz vorgenommen; teilweise ist es auch möglich, eine Vielzahl erhaltener Spektren zunächst zu speichern und später eine Frequenzkorrektur vorzunehmen, etwa im Rahmen einer Kreuzkorrelation oder einer Maximumsuche. Durch die Lockfunktion wird die Auswirkung des Drifts des B₀-Feldes, die bei Permanentmagnetsystemen die Messergebnisse merklich verfälschen kann, kompensiert.

Zur GPC-Trennsäule
Der Chromatograph (bzw. das GPC-Trennsäulensystem) trennt die in der Messprobe enthaltenen Anteile nach ihrem hydrodynamischen Volumen auf, und das nachgeschaltete NMR-Spektrometer ermöglicht dann die Analyse der einzelnen Anteile, insbesondere über chemische Verschiebung oder J-Kopplungen.
Der Gelpermeations-Chromatograph umfasst zumindest einen Probengeber, eine Pumpe und eine GPC-Trennsäule (Trennstufe). Zusätzlich kann insbesondere eine Entgasungseinrichtung für die Messprobe und/oder das Laufmittel vorgesehen sein. Man beachte, dass die Messprobe die zu vermessende Messsubstanz (meist ein Polymergemisch) und ein Lösungsmittel, in dem die Messsubstanz gelöst ist, umfasst. Das Lösungsmittel und das Laufmittel sind bevorzugt identisch gewählt.
Erfindungsgemäß ist ein GPC-Trennsaulensystem vorgesehen, umfassend eine oder mehrere parallel angeschlossene GPC-Trennsäulen. Das GPC-Trennsäulensystem ist im Vergleich zu einer herkömmlichen GPC-Trennsäule in der Analytik von polymerhaltigen Proben mit einem deutlich größeren Innenvolumen aufgebaut. Das Innenvolumen (der Innenraum), in welchem die stationäre Phase in Form von porösen Partikeln enthalten ist, von erfindungsgemäß wenigstens 45 cm³ (verteilt auf eine oder mehrere GPC-Trennsäulen) ermöglicht eine im Vergleich zu einer herkömmlichen Trennsäule vergrößerte Probenaufgabemenge. Diese vergrößerte Probenaufgabemenge kann dann dazu genutzt werden, eine größere Menge an Messsubstanz nach der chromatographischen Auftrennung in das Probenvolumen des Niederfeld-NMR-Spektrometers einzubringen, und so die Konzentration bzw. absolute Menge der Messsubstanz im Probenvolumen zu erhöhen. Dadurch kann das Signal-zu-Rausch(= S/N)-Verhältnis bei den NMR-Messungen an der Messsubstanz deutlich verbessert werden.
Wird eine einzelne GPC-Trennsäule eingesetzt, so hat diese im Rahmen der Erfindung typischerweise einen Durchmesser des Innenraums (welcher das Innenvolumen bestimmt) von wenigstens 15 mm (bzw. eine Grundfläche von wenigstens ca. 2 cm²), bevorzugt wenigstens 20 mm (bzw. eine Grundfläche von wenigstens ca. 3 cm²). Man beachte, dass die Grundfläche des Innenraums einer Trennsäule typischerweise als Kreisfläche ausgebildet ist; es sind jedoch auch andere Arten von Grundflächen möglich. Bei Verwendung von mehreren, parallelen GPC-Trennsäulen addieren sich die Grundflächen der GPC-Trennsäulen zu einer Summe SGFL, die bevorzugt wenigstens ca. 1,5 cm², und besonders bevorzugt wenigstens 3 cm² beträgt.
Anwendungen
Die Erfindung stellt ein modulares, flexibel konfigurierbares Analysesystem (Messsystem) zur chemisch selektiven Separation und Identifizierung von Polymeren und Polymermischungen bereit, wobei die chemisch selektive Identifizierung über Niederfeld-NMR-Spektroskopie, basierend auf einer Permanentmagnettechnologie, die Trennung hingegen über GPC erfolgt. Das aus der Kopplung und Optimierung der Einzelgeräte resultierende Analysesystem kann branchenübergreifend für die chemische Analyse von Polymeren, z. B. für Lacke, Farben, Folien, Kunststoffe und Dämmstoffe, sowie von medizinischen und pharmazeutischen Produkten in der industriellen Fertigung, Verarbeitung bzw. Forschung und Entwicklung, aber auch zur chemischen Analyse von Biopolymeren eingesetzt werden.
Anwendungsgebiete der Erfindung sind insbesondere die Materialeingangs- und Produktendkontrolle, die Produktionssteuerung und die Qualitätsüberwachung von polymeren und biopolymeren Grundstoffen bzw. fertigen Produkten. Das erfindungsgemäße Analysesystem kann insbesondere für die spektrale Trennung und Identifikation der industriell polymer- und biopolymer-relevanten aromatischen, olefinischen und an Sauerstoff gebundenen Protonen sowie der aliphatischen Protonen als Funktion der Molekularmasse eingesetzt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Analysesystems ist vorgesehen, dass das GPC-Trennsäulensystem genau eine GPC-Trennsäule umfasst, und dass die GPC-Trennsäule ein Aspektverhältnis ASP = L/R von wenigstens 5, bevorzugt wenigstens 15, aufweist, mit L: Länge der Trennstrecke der GPC-Trennsäule in Durchflussrichtung, und R: Radiusäquivalent der Querschnittsfläche QFL des Innenraums der GPC-Trennsäule senkrecht zur Durchflussrichtung mit R = (QFL/π)^1/2. Ein Aufbau mit genau einer Trennsäule ist besonders einfach zu realisieren. Die einzige Trennsäule weist dann zumindest ein Innenvolumen von 45 cm³ für die stationäre Phase (also die porösen Partikel) auf. Das vorgesehene Aspektverhältnisse der GPC-Trennsäule stellt einen ausreichenden Laufzeitunterschied der einzelnen Fraktionen sicher.
Bei einer alternativen, besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst das GPC-Trennsäulensystem mehrere, parallel zueinander angeschlossene GPC-Trennsäulen, insbesondere wobei die GPC-Trennsäulen über einen Diffusor angeschlossen sind. In den parallel angeschlossenen Trennsäulen können große Probeaufgabemengen aufgetrennt werden, wobei ein Verlaufen der Messprobe verringert ist. Das erfindungsgemäße Innenvolumen von wenigstens 45 cm³ des GPC-Trennsäulensystems, in welchem die stationäre Phase angeordnet ist, verteilt sich auf die parallelen Trennsäulen, so dass deren Durchmesser jeweils relativ klein gewählt werden kann. Die parallelen GPC-Trennsäulen sind typischerweise baugleich, einschließlich der Partikelfüllung. Der optionale Diffusor gleicht Eingangsdruckunterschiede und bevorzugt auch Laufzeitunterschiede, etwa aufgrund von Fertigungstoleranzen, zwischen den parallelen GPC-Trennsäulen aus. Bei jeweils gleich langer Trennstrecke der parallelen GPC-Trennsäulen kann für ein Radiusäquivalent, das aus der Summe SGFL der Grundflächen aller Trennsäulen (senkrecht zur Flussrichtung) gemäß R = (SQFL/π)^1/2 bestimmt wird, und für die einheitliche Länge L der Trennstrecken aller Trennsäulen (parallel zur Flussrichtung) ein Aspektverhältnis ASP = L/R bestimmt werden, das bevorzugt 5 oder mehr, besonders bevorzugt 15 oder mehr, beträgt. Bei diesen Aspektverhältnissen ist wiederum ein ausreichender Laufzeitunterschied der einzelnen Fraktionen sichergestellt.
Bei einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Analysesystems weisen wenigstens 25%, bevorzugt wenigstens 50%, der Partikel in der zumindest einen GPC-Trennsäule einen Durchmesser von wenigstens 15 μm, bevorzugt von wenigstens 20 μm, auf. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden in der stationären Phase bevorzugt Partikelgrößenverteilungen eingesetzt, die einen im Vergleich zu herkömmlichen GPC-Trennsäulen hohen Anteil an großen Partikeln mit einem Durchmesser von 15 μm oder mehr aufweisen. Dadurch wird der Strömungswiderstand, den die Trennsäule bzw. das Trennsäulensystem der Messprobe und dem Laufmittel entgegensetzt, verringert. Diese Verringerung des Strömungswiderstands ermöglicht es, auch große Probenaufgabemengen im Analysesystem gut und insbesondere zügig zu handhaben. Der hohe Anteil an großen Partikeln ist insbesondere bei hohen Flussraten (typischerweise entsprechend einem linearen Fluss von 2 cm/min und mehr, bei Molekülen > 10⁶ Da (Dalton) auch von 1 cm/min und mehr) bevorzugt. Man beachte, dass insbesondere bei kleineren Flussraten (typischerweise entsprechend einem linearen Fluss von 1 cm/min und weniger) auch Partikelgrößenverteilungen mit einem höheren Anteil von kleinen Partikeln erfindungsgemäß gut eingesetzt werden können.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der das Niederfeld-NMR-Spektrometer eine digitale Datenakquisition mit digitalen Filtern umfasst.
Als digitaler Filter kann insbesondere ein FIR-Filter (finite impulse response) eingesetzt werden. Durch die digitale Datenakquisition und die Anwendung von digitalen Filtern kann die Empfindlichkeit des NMR-Systems gesteigert werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung dieser Ausführungsform ist eine Auswerteeinheit zur Anwendung numerisch mathematischer Manipulationen zur Steigerung der Sensitivität und/oder Selektivität vorhanden. Als numerisch mathematische Operationen können insbesondere Faltungsoperationen in der Auswerteeinheit eingerichtet sein und angewandt werden.
Vorteilhaft ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der das Analysesystem eine Messprobe umfasst, die ein deuteriertes Lösungsmittel enthält. Bei Verwendung eines deuterierten Lösungsmittels treten bei ¹H-NMR praktisch keine Lösungsmittelsignale auf.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der eine gemeinsame Steuereinheit für den Chromatographen und das Niederfeld-NMR-Spektrometer vorgesehen ist. Die gemeinsame Steuerung erleichtert die Abstimmung der Vorgänge bzw. der Steuerung im NMR-Spektrometer auf die Vorgänge bzw. die Steuerung im Chromatographen. Insbesondere können Messvorgänge im NMR-Spektrometer gezielt gestartet werden, wenn einzelne Fraktionen aus dem Chromatographen den NMR-Messkopf erreichen. Die gemeinsame Steuerung kann ein ganzheitliches (auf einander abgestimmtes) und auf den Typus der Messprobe angepasstes Vorgehen im gesamten Analysesystem sicherstellen.
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinheit eine Steuerungs-Bibliothek umfasst, in welcher Steuerparameter zum Steuern des NMR-Spektrometers und des Chromatographen für verschiedene Typen von Messproben und/oder für verschiedene Konfigurationen des Chromatographen und/oder für verschiedene Messköpfe des NMR-Spektrometers hinterlegt sind. Mit der Steuerungs-Bibliothek kann für das jeweilige Experiment (für das zumindest die Totalkonzentration der Messsubstanz in der Messprobe und die Art des Lösungsmittels in der Messprobe vorgegeben sein sollten) ein geeigneter Messablauf für das Analysesystem bevorzugt automatisch ermittelt (vorgeschlagen) werden, und bevorzugt automatisch ausgeführt (angesteuert) werden. Dadurch wird das Analysesystem besonders anwenderfreundlich. Gleichfalls kann die Steuereinheit eine Datenanalyse-Funktion beinhalten, umfassend NMR-Spektren- und Modellbibliotheken.
Vorteilhaft ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der der Chromatograph eine temperierbare Probenstrecke umfasst. Dadurch können die Messbedingungen für bestimmte Probentypen optimiert werden, etwa um die physikalischen Eigenschaften, insbesondere die Lösungseigenschaften, der Messprobe zu stabilisieren. Ebenso können die Messbedingungen ausreichend stabil und reproduzierbar für eine Quantifizierung gehalten werden. Bevorzugt ist die Probenstrecke zwischen dem GPC-Trennsäulensystem und dem Probenvolumen im Messkopf vollständig temperierbar.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Analysesystems ist vorgesehen, dass in einer Probenstrecke des Analysesystems zwischen dem GPC-Trennsäulensystem des Chromatographen und einem Messkopf des NMR-Spektrometers und/oder jenseits des Messkopfes des NMR-Spektrometers eine weitere analytische Messeinrichtung wie z. B. ein Konzentrationsdetektor, insbesondere einen Refraktometer(= RI)-, Infrarot(= IR)-, Ultraviolett(= UV)- oder Brechungsindex-Detektor, angeordnet ist. Mit der zusätzlichen analytischen Messeinrichtung kann eine Unterscheidung und insbesondere der Beginn oder das Ende einzelner Fraktionen auf der Probenstrecke hinter dem GPC-Trennsäulensystem ermittelt werden. Diese Information kann beispielsweise zur Triggerung der Aufnahme von NMR-Spektren genutzt werden.
Vorteilhaft ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der in oder an einer Probenstrecke des Analysesystems vor einem Messkopf des NMR-Spektrometers ein Polarisationssystem angeordnet ist. Dadurch kann die NMR-Signalintensität gesteigert werden. Das Polarisationssystem kann in der zumindest einen Trennsäule integriert und/oder im Bereich einer Zuleitung zum Messkopf angeordnet sein. Ein Hyperpolarisationssystem basiert beispielsweise auf Licht- oder Mikrowelleneinstrahlung unter Zusatz von chemischen Substanzen. Zusätzlich möglich ist (vor allem bei niedrigen Magnetfeldern B₀ im NMR-Detektionsbereich) eine Vorpolarisierung über ein zusätzliches Magnetfeld entlang der Flussstrecke.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der das Analysesystem weiterhin eine HPLC-Trennsäule umfasst. Diese Anordnung ermöglicht mehrdimensionale Chromatographie, insbesondere SEC-LAC(= liquid adsorption chromatography)-NMR. Die HPLC-Trennsäule und das GPC-Trennsäulensystem sind in beliebiger Reihenfolge hintereinander geschaltet, und das NMR-Spektrometer ist hinter die Trennsäulen geschaltet. In der Regel ist zwischen den Trennsäulen der HPLC und der GPC ein Speicher für mehrere Probenfraktionen eingefügt; ein weiterer Speicher für mehrere Probenfraktionen kann hinter die zweite Trennstufe geschaltet sein. Man beachte, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein eine Kopplung von mehrdimensionalen Chromatographie-Verfahren mit der Niederfeld-NMR, beispielsweise ausgestaltet als Spektroskopie oder Relaxometrie oder Diffusometrie, möglich ist. Beispiele für diese Kopplungen sind SEC-LCCC(= liquid chromatography at critical conditions of adsorption)-NMR oder auch SEC-TGIC(= temperature gradient interaction chromatography)-NMR oder auch SEC-LAC Kopplung.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Messkopf des NMR-Spektrometers

– für einen Druck der Messprobe von wenigstens 40 bar, bevorzugt wenigstens 60 bar, ausgelegt ist,
– und/oder eine HF-Güte (Q-Faktor) von wenigstens 100, bevorzugt wenigstens 140, aufweist,
– und/oder einen Füllfaktor von wenigstens 40%, bevorzugt wenigstens 60%, aufweist,
– und/oder Zuleitungen mit einem Innendurchmesser von 0,4 mm oder weniger, bevorzugt 0,25 mm, aufweist. Ein entsprechend gebauter Messkopf (NMR-Probenkopf) gestattet eine verbesserte Sensitivität der NMR-Messungen. Durch enge Zuleitungen wird ein Verlaufen der Messprobe (oder einer ihrer Fraktionen) im Laufmittel vermindert, so dass die Separation erhalten bleibt und insbesondere über einen nachgeschalteten RI-Detektor detektiert werden kann. Das Laufmittel bzw. die Messprobe müssen dann aber mit höherem Druck durch die Zuleitungen gepumpt werden. Ein entsprechend robuster Messkopf kann diesem Druck standhalten und wird bevorzugt im Rahmen der Erfindung eingesetzt.

Ebenfalls möglich ist eine Ausführungsform, bei der das Niederfeld-NMR-Spektrometer einen Q-Switch umfasst. Der Q-Switch kann insbesondere bei festkörperartigen (schnell relaxierenden) Signalen zur Verbesserung der Detektionsempfindlichkeit eingesetzt werden.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Analysesystems zur Analyse von polymerhaltigen Messproben, insbesondere zur chemischen Identifizierung und Quantifizierung der Wiederholeinheiten der Messprobe in Korrelation mit der Molekulargewichtsverteilung. Durch das erfindungsgemäße Analysesystem kann der apparative Aufwand für die umfassende Analyse von polymerhaltigen Messproben gegenüber einer GPC gekoppelt mit Hochfeld-NMR-Spektroskopie erheblich reduziert werden.
Ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt ein Verfahren zur Analyse einer Messprobe, insbesondere einer polymerhaltigen Messprobe,
wobei die Messprobe in einem Gelpermeations-Chromatographen mit einer GPC-Trennsäule gefüllt mit porösen Partikeln aufgetrennt wird und die Fraktionen der Messprobe in einem gekoppelten NMR-Spektrometer untersucht werden, dadurch gekennzeichnet,
dass das NMR-Spektrometer als Niederfeld-NMR-Spektrometer ausgebildet ist, in welchem ein Permanentmagnetsystem zur Erzeugung eines B₀-Feldes des NMR-Spektrometers eingesetzt wird,
wobei im Niederfeld-NMR-Spektrometer ein Shim-System eingesetzt wird, mit dem in einem kreiszylindrischen Probenvolumen von wenigstens 5 mm Durchmesser und wenigstens 15 mm Länge eine Homogenität des B₀-Feldes von 0,5 ppm oder besser, bevorzugt 0,1 ppm oder besser, eingestellt wird,
und wobei im Niederfeld-NMR-Spektrometer weiterhin eine Lockfunktion zur Kompensation einer Drift des B₀-Feldes eingesetzt wird,
und dass zur Auftrennung der Messprobe ein GPC-Trennsäulensystem umfassend zumindest die eine GPC-Trennsäule eingesetzt wird, wobei alle GPC-Trennsäulen des GPC-Trennsäulensystems zusammen ein Innenvolumen von wenigstens 45 cm³, bevorzugt wenigstens 100 cm³, aufweisen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann mit geringem Aufwand eine umfassende Analyse einer Messprobe, insbesondere enthaltend ein Polymergemisch, durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren oder eines seiner Varianten kann mit einer erfindungsgemäßen Analyseeinrichtung oder einer ihrer Ausführungsformen durchgeführt werden.
Bevorzugt ist dabei eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der als GPC-Trennsäulensystem ein GPC-Trennsäulensystem eingesetzt wird, das genau eine GPC-Trennsäule umfasst, wobei die GPC-Trennsäule ein Aspektverhältnis ASP = L/R von wenigstens 5, bevorzugt wenigstens 15, aufweist, mit L: Länge der Trennstrecke der GPC-Trennsäule in Durchflussrichtung, R: Radiusäquivalent der Querschnittsfläche QFL des Innenraums der GPC-Trennsäule senkrecht zur Durchflussrichtung, wobei R = (QFL/π)^1/2. Diese Variante ist besonders einfach.
Gleichfalls bevorzugt ist eine alternative Verfahrensvariante, bei der als GPC-Trennsäulensystem ein GPC-Trennsäulensystem umfassend mehrere, parallel zueinander angeschlossene GPC-Trennsäulen eingesetzt wird, insbesondere wobei die GPC-Trennsäulen über einen Diffusor angeschlossen werden. Bei dieser Variante wird das Verlaufen der Messprobe im Laufmittel minimiert, insbesondere bei großen Probenaufgabemengen.
Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass in der zumindest einen GPC-Trennsäule Partikel mit einer Partikelgrößenverteilung eingesetzt werden, bei der wenigstens 25%, bevorzugt wenigstens 50%, der Partikel einen Durchmesser von wenigstens 15 μm, bevorzugt von wenigstens 20 μm, aufweisen. Dadurch kann der Strömungswiderstand der zumindest einen GPC-Trennsäule reduziert werden und so der Druck im Analysesystem reduziert werden (siehe dazu auch oben).
Bevorzugt ist eine Verfahrensvariante, bei der die Untersuchung der Messprobe mit Flussunterbrechungen (stopped flow) oder im kontinuierlichen Durchfluss (continuous flow) erfolgt. Im stopped flow-Betrieb können Fraktionen der Messprobe gesammelt werden, etwa in Multi-Port-Ventilen, und anschließend als ganzes während einer frei wählbaren Dauer im NMR-Spektrometer vermessen werden, wodurch ein besseres S/N-Verhältnis erreichbar ist und/oder weiterführende Experimente (1D und 2D), die zur Verbesserung der Identifizierung führen, durchgeführt werden können. Im continuous flow-Betrieb wird die Verweildauer der Fraktionen im NMR-Spektrometer durch die laufende Auftrennung im Trennsäulensystem und die Laufmittelgabe bestimmt; der continuous flow-Betrieb ist apparativ einfacher zu realisieren und ermöglicht oftmals schnellere Messungen.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Variante, bei der die Untersuchung der Messprobe im NMR-Spektrometer die spektrale Analyse und quantitative Bestimmung von ¹H und/oder von Nicht-Wasserstoff-Kernen X umfasst, insbesondere wobei X als ¹³C bzw. ¹⁹F gewählt ist. Für X-Kerne kann eine in der Regel größere chemische Verschiebungsdispersion als für H genutzt werden. Aufgrund der inhärent geringeren NMR-Empfindlichkeit der X-Kerne werden hierbei bevorzugt ein stopped flow und/oder NMR-Methoden zur Steigerung der Sensitivität, beispielsweise Doppelresonanzmethoden, eingesetzt. Im Falle von ¹⁹F-Analysen wird nötigenfalls das Locksystem modifiziert oder ein separater NMR-Probenkopf verwendet.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Verfahrensvariante, bei der die Untersuchung der Messprobe im NMR-Spektrometer die Anwendung

– von Pulssequenzen zur Lösungsmittelunterdrückung, insbesondere von Relaxationsfiltern und/oder von frequenzselektiven Pulssequenzen und/oder gradient-assisted NMR Verfahren,
– und/oder spektraler Auflösung zur Analytenseparation,
– und/oder von multi-variaten Datenanalyseverfahren, insbesondere PLS (partial least square regression) oder MCR (multivariate curve resolution) oder FID-DECRA (free induction decay direct exponential curve resolution),
– und/oder Multipulsverfahren zur Verbesserung des S/N√t-Verhältnisses auch im dynamischen Magnetisierungsgleichgewicht, umfasst. Die vorgeschlagenen Maßnahmen ermöglichen eine Lösungsmittelunterdrückung (vor allem erste Maßnahme), eine verbesserte quantitativen Analyse (zweite und dritte Maßnahme) und eine Verbesserung des Signal-zu-Rausch(= S/N)-Verhältnisses unter Beibehaltung der spektralen Auflösung (vierte Maßnahme).

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein ¹HFT-NMR-Spektrum einer Polystyrollösung in ¹H-THF, aufgenommen in einem Niederfeld-NMR-Spektrometer bei 20 MHz;
2 ein Diagramm auftragend die Verhältnisse der NMR-Signalamplituden des aromatischen Teils von Polystyrol und dem Lösungsmittel THF als Funktion der Flussrate, bei verschiedenen Wiederholzeiten des NMR-Experimentes, ebenfalls aufgenommen bei 20 MHz;
3 ein Korrelationsdiagramm der NMR-Signalamplitude des aromatischen Teils von Polystyrol als Funktion von dessen Einwaage, ebenfalls aufgenommen bei 20 MHz;
4 eine schematische Übersicht über ein erfindungsgemäßes Analysesystem;
5 eine schematische Übersicht über den GPC-Teil eines erfindungsgemäßen Analysesystems;
6a eine schematische Ansicht eines GPC-Trennsäulensystems umfassend genau eine GPC-Trennsäule, für ein erfindungsgemäßes Analysesystem;
6b eine schematische Ansicht eines GPC-Trennsäulensystems umfassend mehrere, parallel angeschlossene GPC-Trennsäulen, für ein erfindungsgemäßes Analysesystem;
7 eine schematische Übersicht über den NMR-Teil eines erfindungsgemäßen Analysesystems.
Überblick
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren, die eine kostengünstige, schnelle und umfassende chemische Deformulierung von beispielsweise komplexen Polymerstrukturen und polymeren Verbindungen erlauben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein zweistufiges Analysesystem, das sich aus einem Niederfeld-NMR-Spektrometer und einer vorgeschalteten Gelpermeations-Chromatographie (GPC) zusammensetzt; die GPC wird auch als SEC (size exclusion chromatography) oder GPC/SEC bezeichnet. Eine bezüglich der Molekülgröße selektive Trennung und eine chemische Identifikation der aufgetrennten Moleküle sind so in einer einzigen Vorrichtung möglich. Der Anwender kommuniziert bevorzugt über ein maßgeschneidertes Interface, das beide Techniken umfasst.
Im Gegensatz zur bisher bekannten Kopplung von GPC und Hochfeld-NMR werden in der vorliegenden Erfindung Niederfeld-NMR-Geräte eingesetzt, die bezüglich des Anschaffungspreises, der Bedienbarkeit und Größe sowie der Anforderungen an Unterhalt und Umgebungsparameter auf der Skala eines Gelpermeations-Chromatographen angesiedelt sind. Ein weiterer Unterschied liegt im Einsatz von Permanentmagnetsystemen, die eine hohe Robustheit und Resourceneinsparung im Vergleich zu supraleitenden Magnetsystemen mit sich bringen.
Die Erfindung schlägt über die Kopplung des Chromatographen und des NMR-Spektrometers mit einer gemeinsamen Flussstrecke hinaus auch Maßnahmen zur Steuerung, der Datenbearbeitung und zur Benutzerschnittstelle mit dem Ziel einer universalen Einsetzbarkeit in Labor und Prüffeld vor. Die Komponenten der NMR-Spektroskopie und der GPC (SEC) sind im Rahmen der Erfindung aufeinander abgestimmt. Die Erfindung gestattet auch einen modularen und damit flexiblen Aufbau des gesamten Analysesystems.
Durch spezifische Maßnahmen, insbesondere den Einsatz eines Shim-Systems, die Anwendung einer Lock-Funktion und ein größenmäßig angepasstes GPC-Trennsäulensystem, wird im Analysesystem eine ausreichende Sensitivität für eine qualitative und quantitative chemische Analyse der Zusammensetzung von Messproben, insbesondere enthaltend Polymergemische, erreicht.
Explorative Messergebnisse
1 zeigt das Spektrum einer Polystyrollösung in ¹H-THF, welches in einer Durchflussmessung (continuous flow) bei einer Flussrate von V = 2 ml/min in einem mq20 Niederfeld-NMR-Spektrometer mit elektrischen Shims bei 20 MHz ohne GPC-Trennsäulensystem in der Flussstrecke aufgenommen wurde. Die Konzentration des Polystyrols (= PS) betrug hierbei 20 g/l (22.5 mg PS/g THF). Bei 1.6 ppm und 3.4 ppm sind die beiden Peaks des Lösungsmittels (Tetrahydrofluran, THF) zu erkennen. Der aromatische Signalanteil des Polystyrols befindet sich bei 6.8 ppm. Der aliphatische Anteil wird durch den viel intensiveren Peak des THF überlagert und ist somit nicht zu erkennen. Diese Abbildung demonstriert die Machbarkeit der Niederfeld-Spektroskopie.
2 zeigt eine Darstellung des Verhältnisses der Signalamplituden des aromatischen Teils von Polystyrol und dem Lösungsmittel THF als Funktion der Flussrate; die Messung erfolgte wiederum bei 20 MHz am einem mq20 mit elektrischen Shims. Implizierter Parameter ist die Wiederholzeit der Einzelexperimente, bezogen auf die Relaxationszeit T₁ des Polystyrols. Aus der Abbildung geht hervor, dass das Verhältnis der Signalamplituden zugunsten des Polystyrols deutlich verschoben werden kann, insbesondere bei kleinen Volumenströmen und kurzen Wiederholzeiten. Eine weitere Optimierung kann über die geeignete Wahl des Anregungsimpulses (,Flipwinkel') erfolgen. Exemplarisch ist durch die 2 gezeigt, dass im Niederfeld eine Lösungsmittelunterdrückung durch Nutzung der unterschiedlichen Relaxationseigenschaften zwischen Lösungsmittel und Polymerprobe gelingen kann.
3 zeigt ein Korrelationsdiagramm: Dargestellt ist die Signalamplitude des aromatischen Polystyrolsignals als Funktion der Polystyrol-Einwaage, wiederum gemessen bei 20 MHz. Eine lineare Korrelation ergibt einen quadrierten Korrelationskoeffizient R² = 0.997 für die aromatischen Anteile. Damit ist gezeigt, dass selbst über eine einfache Amplitudenbestimmung eine quantitative Mengenbestimmung im Niederfeld möglich ist.
Die experimentellen Ergebnisse der 1 bis 3 wurden an einem Bruker ”the minispec”-System der mq-Baureihe mit zusätzlichem elektrischen Shimsystem gewonnen.
Aufbau von Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Analysesystemen
4 zeigt beispielhaft eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Analysesystems 1 im Überblick.
Das Analysesystem 1 weist einen Injektor 2 auf, an dem eine Messprobe in eine sich an den Injektor 2 anschließende Probenstrecke 3 eingebracht werden kann. Zur Förderung der Messprobe wird mit einer Pumpe 4 ein Laufmittel aus einem Laufmittelvorrat (Lösungsmittelvorrat) 5 ebenfalls in die Probenstrecke 3 gepumpt.
Die Probensstrecke 3 enthält ein GPC-Trennsäulensystem 6a, umfassend eine oder mehrere parallele GPC-Trennsäulen, in welchem die Messprobe nach Größe (hydrodynamischem Radius) über eine unterschiedliche Zeit zum Passieren der Trennsäule(n) in Fraktionen aufgetrennt wird. Die Probenstrecke 3 passiert dann optional eine analytische Messeinrichtung 7a, wie einen RI-Detektor, oder auch optional ein Polarisationssystem 7c, und führt schließlich in ein Niederfeld-NMR-Spektrometer 8. Die Probenstrecke 3 bzw. die darin transportierte Messprobe kann dabei mittels Temperiereinrichtungen 7d (nur schematisch gezeigt) auf einer gewünschten Temperatur gehalten werden. Optional kann hier ein Fraktionensammler 7e in die Flussstrecke eingebaut sein.
Man beachte, dass Teile des Chromatographen 14, etwa das Trennsäulensystem 6a, Messeinrichtungen 7a, 7b, das Polarisationssystem 7c oder der Fraktionensammler 7e, innerhalb oder außerhalb des Gehäuses des NMR-Spektrometers 8 angeordnet sein können.
Das Niederfeld-NMR-Spektrometer 8 umfasst ein Permanentmagnetsystem 9 mit einem Shimsystem 10. Die Probenstrecke 3 führt durch einen Messkopf (NMR-Probenkopf) 11 mit einem Locksystem (nicht näher dargestellt).
Jenseits des Messkopfs 11 führt die Probenstrecke 3 optional durch eine analytische Messeinrichtung 7b, wie ein UV-Spektrometer (UV-Detektor), und schließlich in einen Behälter für Abfall 12 (oder alternativ einen weiteren optionalen Fraktionensammler).
Das Analysesystem 1 verfügt über eine gemeinsame Steuereinheit 13 für den Gelpermeations-Chromatographen 14 und das Niederfeld-NMR-Spektrometer 8. Die gemeinsame Steuereinheit 13 steuert insbesondere die Pumpe 4, den Injektor 2, das Shimsystem 10 und den Messkopf 11, und wertet Informationen des Messkopfs 11 und der analytischen Messeinrichtungen 7a, 7b aus. Die Steuereinheit 13 umfasst dabei eine Funktion zur Experiment-Konfiguration auf Basis einer Steuerungs-Bibliothek 13a, und eine Datenanalyse-Funktion (Auswerteeinheit) auf Basis einer Spektren- und Modellbibliothek 13b.
Typischerweise sind der Messkopf 11 (einschließlich der Messprobe im Messvolumen, im Inneren des Messkopfs), das Permanentmagnetsystem 9 (meist bei 35–45°C) und die GPC-Trennsäule 6 (meist bei 20–80°C) separat temperiert.
Die 5 zeigt detaillierter einen alternativ ausgestalteten Gelpermeations-Chromatographen 14 eines erfindungsgemäßen Analysesystems. Der Aufbau aus der 5 kann an ein Niederfeld-NMR-Spektrometer wie in 4 dargestellt angeschlossen (gekoppelt) werden.
Ein Laufmittelvorrat (Lösungsmittelvorrat) 5 ist über einen Degaser 15 an eine Pumpe 4 angeschlossen. Die Pumpe 4 kann sowohl Laufmittel aus dem Vorrat 5 als auch Messprobe aus einem Autosampler 16 (oder einem Handinjektor) in ein GPC-Trennsäulensystem 6a, hier umfassend genau eine GPC-Trennsäule 6, fördern. Die Trennsäule 6 ist von einem Säulenofen 17 zur Temperierung der Trennsäule 6 umgeben.
Die Probenstrecke 3 führt dann zu einer analytischen Messeinrichtung (Detektor) 7a und schließlich in einen Fraktionensammler 7e, etwa ein Multiportventil oder eine Loop Collector. Die Messeinrichtung 7a und der Fraktionensammler 7e sind an eine Steuereinrichtung 13 angeschlossen. Im Fraktionensammler 7e können aus der Trennsäule 6 austretende Fraktionen durch Sammeln ausgeförderter Messprobe über einen spezifischen Zeitraum isoliert werden. Die Fraktionen können dann gezielt in den Messkopf des NMR-Spektrometers eingefördert und dort so lange wie erforderlich (ohne Einfluss durch einen vorgeschalteten Trennprozess) vermessen werden.
Der Aufbau von 5 kann optional durch eine HPLC-Trennsäule 19 ergänzt werden, die nach dem Fraktionensammler 7e angeschlossen wird. Dadurch können gesammelte einzelne Fraktionen für eine zweidimensionale Chromatographie weiter aufgetrennt werden.
Die 6a illustriert in einem schematischen Querschnitt ein Trennsäulensystem 6a mit nur einer GPC-Trennsäule 6 für ein erfindungsgemäßes Analysesystem. Die Trennsäule 6 weist einen Innenraum 20 auf, in welchem poröse Partikel 21 als stationäre Phase angeordnet sind. Moleküle der Messsubstanz, die in einer Messprobe enthalten sind, verteilen sich in den Poren der Partikel 21 und diffundieren wieder aus diesen heraus. Kleinere Partikel dringen dabei nacheinander in viele Poren ein, und brauchen jeweils eine gewisse Zeit, bis sie wieder herausgelangen. Größere Moleküle können hingegen kaum in die Poren eindringen und werden daher durch Diffusionsprozesse weniger stark aufgehalten. Auf diesem entropischen Prozess beruht die Trennwirkung der GPC.
Das Innenvolumen des zumindest näherungsweise zylindrischen Innenraums 20 ergibt sich aus der Querschnittsfläche QFL und der Länge L der Trennstrecke der Trennsäule 6, jeweils bezogen auf die Flussrichtung 22. Erfindungsgemäß ist das Innenvolumen der Trennsäule 45 cm³ oder größer, und das Aspektverhältnis ASP ist 5 oder mehr, bevorzugt 15 oder mehr, wobei das Aspektverhältnis definiert ist als ASP = L/R, mit R = (QFL/π)^1/2, wobei R das Radiusäquivalent der Grundfläche QFL bezeichnet. Im Falle einer kreisförmigen Querschnittsfläche QFL ist R der Radius der kreisförmigen Querschnittsfläche QFL.
6b zeigt in einem schematischen Querschnitt ein GPC-Trennsäulensystem 6a, umfassend mehrere, (hier) baugleiche GPC-Trennsäulen 6.
Die über eine Zuleitung 34 herangeförderte Messprobe (vgl. Flussrichtung 22) wird in einem Diffuser 33 auf mehrere Leitungsstränge 36a–c gleichmäßig aufgeteilt (in 6b sind zur Vereinfachung nur die äußeren Leitungsstränge 36a, 36c vollständig gezeigt; die Anzahl N der Leitungsstränge 36a–c beträgt typischerweise zwei bis acht). In jedem Leitungsstrang 36a–c ist eine Trennsäule 6, die in ihrem Innenraum mit porösen Partikeln gefüllt ist, angeordnet. Die Leitungsstränge 36a–c werden schließlich an einem Zusammenfluss 35 wieder vereint, und die aufgetrennte Messprobe wird über eine Ableitung 37 in Richtung Messkopf (NMR-Probenkopf) weitergeleitet. Der Zusammenfluss 35 ist bevorzugt symmetrisch bezüglich der Leitungsstränge 36a–c ausgebildet (etwa durch eine Zähligkeitssymmetrie entsprechend der Anzahl N der Leitungsstränge 36a–c), um jedem Leitungsstrang 36a–c einen ähnlichen Leitungswiderstand entgegenzusetzen. Am Zusammenfluss 35 kommen die in den verschiedenen Trennsäulen 6 der Leitungsstränge 36a–c aufgetrennten Fraktionen der Messprobe jeweils gleichzeitig an.
Mit dem Diffuser 33 kann der Druck, mit dem Messprobe und Laufmittel weitergeleitet wird, für jeden Leitungsstrang 36a–c individuell eingestellt werden. Dadurch können geringe Unterschiede im Strömungsverhalten zwischen den Leitungssträngen 36a–c (etwa eine zufällig unterschiedliche Packungsdichte der porösen Partikel in den Trennsäulen 6) ausgeglichen werden. Bevorzugt ist im Diffuser 33 auch je Leitungsstrang 36a–c eine variabel einstellbare Verzögerungsstrecke eingerichtet, so dass Laufzeitunterschiede zwischen den Leitungssträngen 36a–c (etwa aufgrund geringfügig unterschiedlicher Kapillarlängen in den Leitungssträngen 36a–c) ausgeglichen werden können.
Die einheitliche Querschnittsfläche QFL (senkrecht zur Flussrichtung 22), die einheitliche Länge L der Trennstrecken (in Flussrichtung 22) und die Anzahl N der baugleichen, parallelen GPC-Trennsäulen 6 sind bevorzugt so gewählt, dass ein Aspektverhältnis ASP = L/R größer oder gleich 5 ist, und besonders bevorzugt größer oder gleich 15 ist, mit R = (SQFL/π)^1/2 und SQFL = N·QFL. SQFL bezeichnet dabei die Summe der Querschnittsflächen aller parallelen GPC-Trennsäulen 6 des Trennsäulensystems 6a, und R ein zugehöriges Radiusäquivalent.
Zusätzlich können in einem oder mehreren der Leitungsstränge 36a–c analog zur Ausführungsform von 4 weitere analytische Messeinrichtungen, insbesondere RI-Detektoren, vorgesehen sein.
Die 7 illustriert beispielhaft den Bereich eines Niederfeld-NMR-Spektrometers 8 für ein erfindungsgemäßes Analysesystem.
Das Niederfeld-NMR-Spektrometer 8 umfasst ein im Wesentlichen spiegelsymmetrisches Permanentmagnetsystem 9 mit zwei Permanentmagneten 23, die über ein Joch 24 verbunden sind, mit zwei Polschuhen 25 und mit einem elektrischen Shimsystem 10, das über eine Steuereinheit 13 betrieben wird. In einem Probenvolumen 27, welches hier mit einer Messzelle für die Messprobe im Messkopf (NMR-Probenkopf) 11 zusammenfällt, wird durch das Permanentmagnetsystem 9 ein homogenes statisches Magnetfeld B₀ erzeugt. Man beachte, dass die Messzelle auch kleiner als das homogene Probenvolumen 27 sein kann. Die Messprobe wird über eine Zuleitung 3a und eine Ableitung 3b einer Probenstrecke in Flussrichtung 22 transportiert.
Der Messkopf 11 umfasst (hier) eine HF-Spule 28, die NMR-Impulse in das Probenvolumen 27 einstrahlen kann und eine HF-Antwort der Messprobe im Probenvolumen 27 detektieren kann (alternativ können auch mehrere HF-Spulen vorgesehen sein, etwa für getrennte Sende- und Empfangsfunktionen). Der Messkopf 11 weist eine Locksonde 29 im Bereich des B₀-Feldes mit Zu- und Ableitung auf.
Das Niederfeld-NMR-Spektrometer 8 weist weiterhin einen TX/RX-Switch (Umschalter zwischen HF-Einstrahlung und HF-Detektion) einschließlich Vorverstärker 30 sowie einen optionalen Q-Switch 31 auf. Weiterhin ist eine Temperierung des Permanentmagnetsystems 9 mit einer Sonde 32 vorgesehen.
Die Steuereinheit 13 steuert bzw. wertet aus auf der NMR-Seite insbesondere das Shimsystem 10, die Temperierung/Sonde 32 und die HF-Einheit, insbesondere umfassend den Messkopf 11 mit HF-Spule 28, den TX/RX-Swich 30, und den optionalen Q-Switch 31.
Es wird angemerkt, dass in 7 zur Vereinfachung der Messkopf 11 um 90° gedreht dargestellt ist.
Bevorzugte Ausbildung des Magnetsystems
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Permanentmagnet-System, wie es in der Basisausführung bei der so genannten zeitauflösenden NMR (engl.: time-domain) oder niedrig auflösenden NMR (engl.: low resolution) Industriestandard ist, in abgeänderter Form eingesetzt. Das Permanentmagnet-System, mit magnetisch aktiven Material aus Legierungen wie AlNiCo oder NdBFe oder SmCo, wird thermisch isoliert und temperiert (typischerweise bei 35–45°C). Die Temperierung (bevorzugt stabiler als 1/100 K) stabilisiert den magnetischen Fluss, der materialbedingt vergleichsweise stark temperaturabhängig ist. Die Temperierung führt zu einer Homogenität über das Probenvolumen von ca. 2–10 ppm, je nach Größe des Probenvolumens, Geometrie und Magnetfeldstärke (B₀-Feld). Um zu der geforderten Homogenität von 0,5·10^–6 zu kommen („medium resolution”), werden weitere Maßnahmen ergriffen. Vorzugsweise wird ein passiver Shim eingefügt (beispielsweise über Optimierung und Justage der Polschule am Magneten). Damit wird typischerweise eine Homogenität von ca. 1–2 ppm erzielt. Dann wird vorzugsweise in den freien Luftspalt (zwischen den Polschuhen) ein elektrisches Shimsystem positioniert. Ein bevorzugtes Shimsystem hat mehrlagige Spulensätze (mehrlagige Kupferplatten), die mit einem entsprechend dimensionierten und stromstabilen Strom-Netzteil einzeln angesteuert werden können. Durch die gewählten Geometrien der verschiedenen Shimspulen können nun die Inhomogenitäten des Magnetsystems kompensiert werden. In Abhängigkeit von der Grundhomogenität und den Ordnungen der Inhomogenitäten kann auch ein spezifisch optimiertes Shimsystem eingesetzt werden. Ein typisches Shimsystem hat 8 bis 12 Shims (mit Termen 0., 1., und 2. Ordnung sowie Kreuztermen, z. B. X, Y, Z, Z¹, XY, Z²). Optional wird der Messkopf (NMR-Probenkopf) separat vom Permanentmagnetsystem temperiert; weiterhin optional wird das GPC-Trennsäulensystem einschließlich der Flussstrecke separat temperiert.
Bevorzugte Ausbildung der GPC
Für einen Gelpermeations-Chromatographen in einem erfindungsgemäßen Analysesystem mit Kopplung zu einem Niederfeld-NMR-Spektrometer ist bevorzugt

• ein variables Injektvolumen im Bereich von 10 μl–500 μl, typischerweise 100 μl,
• eine Trennsäule mit Dimensionen von 8–40 mm Innendurchmesser, besonders bevorzugt wenigstens 20 mm Innendurchmesser, 15–60 cm Länge, alternativ mehrere parallele Trennsäulen mit Dimensionen von 5–30 mm Innendurchmesser, bevorzugt wenigstens 8 mm Innendurchmesser, 15–60 cm Länge,
• eine Probenaufgabe von 20 μg–2 g, bevorzugt wenigstens 500 μg, besonders bevorzugt wenigstens 2 mg, in der Regel nicht mehr als 100 mg,
• ein Trägermaterial für die Säule mit Partikelgrößen im Bereich 5–30 μm, und besonders bevorzugt wenigstens 15 μm Partikeldurchmesser,
• ein Konzentrationsdetektor, typischerweise RI.

Für ein GPC-Experiment zur Deformulierung komplexer Polymermischungen wird als Pumpe bevorzugt eine isokratische (bei allen Gegendrücken gleiche Volumina pro Zeit fördernde) High Performance Pumpe für Liquid Chromatography eingesetzt. Der Probengeber ist bevorzugt programmierbar und automatisiert bezüglich Injektvolumen, Injektzeit und Injektanzahl (”Autosampler”). Das GPC-Trennsäulensystem ist je nach Messaufgabe oder Messprobe entweder für organische oder für wässrige Eluenten eingerichtet. Der Detektor, typischerweise ein Konzentrationsdetektor und bevorzugt basierend auf Brechungsindex/Refraktive Index (RI) oder Ultraviolett (UV)-Messung, ist in der Lage, die separierten Polymere zu detektieren.
Die zu untersuchende Probe (Messsubstanz) wird in einem geeigneten Eluenten gelöst, welches damit die Messprobe darstellt, und über einen Autosampler in den Gelpermeations-Chromatographen injiziert. Der Eluent entspricht dem Lösungsmittel der Messprobe.
Zur Datenerfassung und -auswertung wird als Teil des Steuersystems 13 eine GPC-Analysesoftware eingesetzt, die es erlaubt, die gemessenen Elugramme unter Berücksichtigung einer geeigneten Kalibrationskurve in die korrespondieren Molmassenmittelwerte und Molmassenverteilungen umzurechnen. Hierzu werden die Detektordaten A/D gewandelt an einen PC übergeben, der mit einer entsprechenden Software ausgestattet ist, um die Messdaten entsprechend zu prozessieren.
Das GPC-Trennsäulensystem ist durch seine Dimension und die Chemie des Trägermaterials einerseits sowie die Größe der in der oder den Säulen befindlichen Partikel und die Porosität der Partikel andererseits definiert. Welches Trägermaterial eingesetzt wird, wird durch die chromatographische Fragestellung bestimmt. In der Regel werden für wässrige Applikationen, beispielsweise bei Biopolymeren, hydrophile polymere Trägermaterialien mit OH-Funktionalität auf der Oberfläche eingesetzt (z. B. PSS SUPREMA), und für organische Applikationen werden hydrophobe polymere Trägermaterialien mit Aromaten oder Esterfunktionalität (z. B. PSS-SDV oder PSS-GRAM) eingesetzt. Die Dimension des GPC-Trennsäulensystems bestimmt die Probenaufgabemenge.
Zur Verwendung einer einzelnen GPC-Trennsäule: Auf einer 8 × 300 mm (Angabe in Durchmesser × Länge) Trennsäule werden typischerweise Probenmengen von 20–100 μl mit einer Konzentration von 1–3 g/l injiziert. Die Probenaufgabemenge ist auch von der Polydispersität D = M_w/M_n der untersuchten Probe abhängig. Je breiter die Massenverteilung bzw. je polydisperser die Probe ist, desto größer kann die Aufgabemenge gewählt werden. Entscheidend ist die Konzentration pro Streifen (wenn das Chromatogramm oder Flugramm in n äquidistante Streifen unterteilt wird). Auf eine 20 × 300 mm oder eine 40 × 250 mm Trennsäule kann die Probenaufgabemenge um einen Faktor 6 bzw. 20 vergrößert werden, daher sind letztere Dimensionen der Trennsäule bzw. die entsprechenden Volumina bevorzugt; im Rahmen der Erfindung können also sehr gut Innenvolumina der Trennsäule von 200 cm³ oder mehr, oder auch 300 cm³ oder mehr, eingesetzt werden. Wichtig ist hierbei, dass der Säulendurchmesser nicht zu groß wird, damit die Flussrate bei optimalem linearen Fluss nicht zu groß wird.
Auch bei erfindungsgemäßer Verwendung von mehreren parallelen Trennsäulen kann die Probenaufgabemenge in analoger Weise vergrößert werden. Die addierten Innenvolumina der parallelen Trennsäulen können dabei entsprechend 200 cm³ oder mehr, oder auch 300 cm³ oder mehr, betragen.
Das GPC-Trennsäulensystem ist das „Herzstück” des „Chromatographen”. Hier findet die eigentliche Separation der Polymermischung statt. Die Effektivität der Trennung wird primär durch die Auflösung der Trennsäule(n) und das Porenvolumen bestimmt. Die Auflösung wiederum wird durch die Porengröße und die Porengrößenverteilung definiert. Das Porenvolumen definiert sich über die Anzahl der Poren pro Partikel, die Partikelgröße bzw. die Packungsdichte der Partikel in der Säule. Neben den angegebenen Parameter für die Trennsäule(n) wird die Separation auch noch durch die Temperatur an der Trennsäule und die Flussrate beeinflusst. Typischerweise und je nach Fragestellung liegt die Temperatur an der oder den Trennsäulen zwischen 20°C und 80°C, und die Flussrate zwischen 0,2 ml/min und 10 ml/min. Die geeignete Flussrate wird durch die „Van Deemter Kurve” (geeigneter linearer Fluss) und die Molmasse der Polymere sowie die gewünschte Verweilzeit der Probe im NMR-Probenkopf bestimmt.
Zur bevorzugten Steuerung des Analysesystems
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist die direkte Kopplung (”online”-Kopplung) der Niederfeld-NMR mit GPC-Verfahren. Das GPC-Trennsäulensystem kann dabei sowohl im NMR-Gerät (Spektrometer) insbesondere modular integriert sein oder auch als externes Gerät angekoppelt sein. Die Steuerung übernimmt eine gemeinsame Software mit einem gemeinsamen ,Userinterface'.
Abhängig vom gewählten Stoffsystem und den Parametern der GPC (Flussparameter, Säulendimension, Temperatur, Eluent und Injektmenge) sind entsprechende NMR Experimente zu wählen. Idealerweise wird dies über eine hinterlegte Steuerungs-Bibliothek realisiert.
Bevorzugt wird die GPC-NMR-Kopplung durch eine graphische Benutzeroberfläche bedient, vorzugsweise durch die PSS WinGPC Software. Dies erleichtert den täglichen Betrieb durch den Anwender und steigert die Anwenderakzeptanz. Dabei wird vorzugsweise das ,NMR-Spektrometer' als ,ein weiterer Detektor oder Sensor' konfiguriert und gesteuert. Die Steuerung erfolgt bidirektional, vorzugsweise über einen Client-Server-Mechanismus auf der Betriebssystem-Ebene (z. B. Windows, Kommunikation via ActiveX oder Corba). Die führende Software, etwa die PSS WinGPC, gibt der NMR-Datenaufnahmesoftware den Befehl zur Aufnahme der Daten (Die Übergabe und Konfiguration des NMR-Experiments wird separat gehalten), der NMR-Teil des kombinierten Gerätes nimmt die Daten auf und prozessiert sie bestimmungsgemäß (z. B. automatische Phasenkorrektur, ,zero filling', Faltung mit Exponentialfunktionen und Fourier-Transformation sowie Kalibrierung der Feldachse). Die Daten oder eine Auswertung dazu (z. B. Amplituden/Integralauswertung oder Peak-Liste oder auch das Ergebnis multivariater Datenauswertung) werden dann zurückgemeldet. Dort zurück werden die erhaltenen Daten weiter ausgewertet (z. B. mit einem Referenzspektrum aus einer Spektren-Bibliothek verglichen), gespeichert und in Beziehung zum Chromatogramm gesetzt, u. a. durch die Möglichkeit der automatischen Peaksuche bzw. der vollautomatischen Datenauswertung in der PSS WinGPC-Software mit zugeordnetem NMR Spektrum (z. B.: NMR-Spektrum von Fraktion i, sicher identifiziert als Polystyrol mit einem Anteil von 3%). Zur weiteren Auswertung und Rückverfolgbarkeit besteht die Möglichkeit zur NMR Spektroskopiesoftware (z. B. TopSpin^TM von Bruker) zu wechseln. Die punktgenaue Triggerung des NMR-Experiments wird durch Vorkalibration der Förderstrecken und durch die Konzentrationsdetektoren gewährleistet.
In einer weiteren Ausführung werden die Fraktionen in einem Multiport-Ventil gesammelt und die NMR-Analyse erfolgt dann zeitlich verzögert. Dies hat den Vorteil, dass auch komplexe, mehrere oder lang anhaltende, hochsensitive oder sogar Multikern-(X-Kerne, z. B. ¹³C, ¹⁹F) und multidimensionale NMR-Experimente (z. B. COSY, HSQC, Indept) im Stopped-flow gemessen werden können (üblicherweise über Nacht) und somit die Informationstiefe deutlich gesteigert werden kann. Eine Kombination von Durchfluss (continuous flow) und stopped-flow ist ebenso möglich. Dazu kann nach dem ersten Durchfluss ein Fraktionssammler die Proben aufnehmen und dem NMR-Spektrometer wieder zuführen.
Zu bevorzugten NMR-Verfahren im erfindungsgemäßen Analysesystem
Im Rahmen der Erfindung wird die Empfindlichkeit des Niederfeld-NMR-Spektrometers im Vergleich zu herkömmlichen Niederfeld-NMR-Geräten gezielt verbessert. Neben den Maßnahmen zur Feldhomogenisierung über Shims können insbesondere digitale Filter eingesetzt werden und auch ein für die gekoppelte GPC konstruierter Probenkopf.
Neben NMR-Impulssequenzen zur Optimierung des Kontrastes der Spektren zum Beispiel über die Berücksichtigung der Relaxationszeiten können weitere Parameter zur Diskriminierung von Polymersignalen untereinander sowie zur Verbesserung des Kontrasts zwischen Nutzsignal und Lösungsmittelsignal herangezogen werden. Insbesondere sind hier neben dem Relaxationskontrast die spektrale Unterdrückung und der Diffusionskontrast zu nennen.
Das Niederfeld-NMR-Spektrometer ist dergestalt, dass die spektrale Dispersion in hinreichendem Maß durch einen hinreichend homogenen Permanentmagneten realisiert ist, so dass die Bestandteile der Messprobe quantifiziert werden können. Insbesondere chemische Verschiebung und J-Kopplungen (skalare Protonen-Protonen-Kopplungen) sind in diesem „medium resolution” NMR-Spektrometer für eine quantitative Stoffmengenanalyse insbesondere bei Messproben, die Polymergemische enthalten, hinreichend messbar. Das Verfahren ist dergestalt, dass die Sensitivität des Niederfeld-NMR-Spektrometers und der verwendeten NMR- und GPC-Parameter den Anforderungen der Quantifizierung in einer gegebenen Messzeit (bevorzugt von der Größenordnung eine Minute) genügt.
Die erhaltenen Signale können beispielsweise durch die Signalamplitude am Signalmaximum oder Integration direkt quantifiziert werden. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz multivariater Datenanalyseverfahren wie z. B. der Partial least square Regression (PLS) oder der MCR (multivariate curve resolution). Zudem können weitere Parameter wie Relaxationszeiten oder auch Diffusionskoeffizienten gemessen werden, die für Stoffcharakterisierungen von Interesse sind.

Claims

Analysesystem (1) zur Untersuchung einer Messprobe, umfassend einen Gelpermeations-Chromatographen (14), der mit einem Kernspinresonanz(= NMR)-Spektrometer gekoppelt ist, wobei der Chromatograph (14) eine GelpermeationsChromatographie(= GPC)-Trennsäule (6) aufweist, die mit porösen Partikeln (21) gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das NMR-Spektrometer als ein Niederfeld-NMR-Spektrometer (8) mit einem Permanentmagnetsystem (9) zur Erzeugung eines B₀-Feldes des NMR-Spektrometers ausgebildet ist, wobei das Niederfeld-NMR-Spektrometer (8) ein Shim-Systemn (10) umfasst, mit welchem in einem kreiszylindrischen Probenvolumen (27) von wenigstens 5 mm Durchmesser und wenigstens 15 mm Länge eine Homogenität des B₀-Feldes von 0,5 ppm oder besser, bevorzugt 0,1 ppm oder besser, erreichbar ist, und wobei das Niederfeld-NMR-Spektrometer (8) weiterhin eine Lockfunktion (29) zur Kompensation einer Drift des B₀-Feldes umfasst, und dass der Chromatograph (14) ein GPC-Trennsäulensystem (6a) aufweist, das zumindest die eine GPC-Trennsäule (6) umfasst, wobei alle GPC-Trennsäulen (6) des GPC-Trennsäulensystems (6a) zusammen ein Innenvolumen von wenigstens 45 cm³, bevorzugt wenigstens 100 cm³, aufweisen.
Analysesystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das GPC-Trennsäulensystem (6a) genau eine GPC-Trennsäule (6) umfasst, und dass die GPC-Trennsäule (6) ein Aspektverhältnis ASP = L/R von wenigstens 5, bevorzugt wenigstens 15, aufweist, mit L: Länge der Trennstrecke der GPC-Trennsäule (6) in Durchflussrichtung (22), und R: Radiusäquivalent der Querschnittsfläche QFL des Innenraums (20) der GPC-Trennsäule (6) senkrecht zur Durchflussrichtung (22) mit R = (QFL/π)^1/2.
Analysesystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das GPC-Trennsäulensystem (6a) mehrere, parallel zueinander angeschlossene GPC-Trennsäulen (6) umfasst, insbesondere wobei die GPC-Trennsäulen (6) über einen Diffusor (33) angeschlossen sind.
Analysesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens 25%, bevorzugt wenigstens 50%, der Partikel (21) in der zumindest einen GPC-Trennsäule (6) einen Durchmesser von wenigstens 15 μm, bevorzugt von wenigstens 20 μm, aufweisen.
Analysesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Niederfeld-NMR-Spektrometer (8) eine digitale Datenakquisition mit digitalen Filtern umfasst.
Analysesystem (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit (13b) zur Anwendung numerisch mathematischer Manipulationen zur Steigerung der Sensitivität und/oder Selektivität vorhanden ist.
Analysesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Analysesystem (1) eine Messprobe umfasst, die ein deuteriertes Lösungsmittel enthält.
Analysesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Steuereinheit (13) für den Chromatographen (14) und das Niederfeld-NMR-Spektrometer (8) vorgesehen ist.
Analysesystem (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (13) eine Steuerungs-Bibliothek (13a) umfasst, in welcher Steuerparameter zum Steuern des NMR-Spektrometers (8) und des Chromatographen (14) für verschiedene Typen von Messproben und/oder für verschiedene Konfigurationen des Chromatographen (14) und/oder für verschiedene Messköpfe (11) des NMR-Spektrometers (8) hinterlegt sind.
Analysesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Chromatograph (14) eine temperierbare Probenstrecke (3) umfasst.
Analysesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Probenstrecke (3) des Analysesystems (1) zwischen dem GPC-Trennsäulensystem (6a) des Chromatographen (14) und einem Messkopf (11) des NMR-Spektrometers (8) und/oder jenseits des Messkopfes (11) des NMR-Spektrometers (8) eine weitere analytische Messeinrichtung (7a, 7b) wie z. B. ein Konzentrationsdetektor, insbesondere einen Refraktometer(= RI)-, Infrarot(= IR)-, Ultraviolett(= UV)- oder Brechungsindex-Detektor, angeordnet ist.
Analysesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an einer Probenstrecke (3) des Analysesystems (1) vor einem Messkopf (11) des NMR-Spektrometers (8) ein Polarisationssystem (7c) angeordnet ist.
Analysesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Analysesystem (1) weiterhin eine HPLC-Trennsäule (19) umfasst.
Analysesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messkopf (11) des NMR-Spektrometers (8) – für einen Druck der Messprobe von wenigstens 40 bar, bevorzugt wenigstens 60 bar, ausgelegt ist, – und/oder eine HF-Güte (Q-Faktor) von wenigstens 100, bevorzugt wenigstens 140, aufweist, – und/oder einen Füllfaktor von wenigstens 40%, bevorzugt wenigstens 60%, aufweist, – und/oder Zuleitungen (3a) mit einem Innendurchmesser von 0,4 mm oder weniger, bevorzugt 0,25 mm, aufweist.
Analysesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Niederfeld-NMR-Spektrometer (8) einen Q-Switch (31) umfasst.
Verwendung eines Analysesystems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Analyse von polymerhaltigen Messproben, insbesondere zur chemischen Identifizierung und Quantifizierung der Wiederholeinheiten der Messprobe in Korrelation mit der Molekulargewichtsverteilung.
Verfahren zur Analyse einer Messprobe, insbesondere einer polymerhaltigen Messprobe, wobei die Messprobe in einem Gelpermeations-Chromatographen (14) mit einer GPC-Trennsäule (6) gefüllt mit porösen Partikeln (21) aufgetrennt wird und die Fraktionen der Messprobe in einem gekoppelten NMR-Spektrometer untersucht werden, dadurch gekennzeichnet, dass das NMR-Spektrometer als Niederfeld-NMR-Spektrometer (8) ausgebildet ist, in welchem ein Permanentmagnetsystem (9) zur Erzeugung eines B₀-Feldes des NMR-Spektrometers eingesetzt wird, wobei im Niederfeld-NMR-Spektrometer (8) ein Shim-System (10) eingesetzt wird, mit dem in einem kreiszylindrischen Probenvolumen (27) von wenigstens 5 mm Durchmesser und wenigstens 15 mm Länge eine Homogenität des B₀-Feldes von 0,5 ppm oder besser, bevorzugt 0,1 ppm oder besser, eingestellt wird, und wobei im Niederfeld-NMR-Spektrometer (8) weiterhin eine Lockfunktion (29) zur Kompensation einer Drift des B₀-Feldes eingesetzt wird, und dass zur Auftrennung der Messprobe ein GPC-Trennsäulensystem (6a) umfassend zumindest die eine GPC-Trennsäule (6) eingesetzt wird, wobei alle GPC-Trennsäulen (6) des GPC-Trennsäulensystems (6a) zusammen ein Innenvolumen von wenigstens 45 cm³, bevorzugt wenigstens 100 cm³, aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass als GPC-Trennsäulensystem (6a) ein GPC-Trennsäulensystem (6a) eingesetzt wird, das genau eine GPC-Trennsäule (6) umfasst, wobei die GPC-Trennsäule (6) ein Aspektverhältnis ASP = L/R von wenigstens 5, bevorzugt wenigstens 15, aufweist, mit L: Länge der Trennstrecke der GPC-Trennsäule (6) in Durchflussrichtung (22), R: Radiusäquivalent der Querschnittsfläche QFL des Innenraums (20) der GPC-Trennsäule (6) senkrecht zur Durchflussrichtung (22), wobei R = (QFL/π)^1/2.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass als GPC-Trennsäulensystem (6a) ein GPC-Trennsäulensystem (6a) umfassend mehrere, parallel zueinander angeschlossene GPC-Trennsäulen (6) eingesetzt wird, insbesondere wobei die GPC-Trennsäulen (6) über einen Diffusor (33) angeschlossen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in der zumindest einen GPC-Trennsäule (6) Partikel (21) mit einer Partikelgrößenverteilung eingesetzt werden, bei der wenigstens 25%, bevorzugt wenigstens 50%, der Partikel (21) einen Durchmesser von wenigstens 15 μm, bevorzugt von wenigstens 20 μm, aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Untersuchung der Messprobe mit Flussunterbrechungen (stopped flow) oder im kontinuierlichen Durchfluss (continuous flow) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Untersuchung der Messprobe im NMR-Spektrometer (8) die spektrale Analyse und quantitative Bestimmung von ¹H und/oder von Nicht-Wasserstoff-Kernen X umfasst, insbesondere wobei X als ¹³C bzw. ¹⁹F gewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Untersuchung der Messprobe im NMR-Spektrometer (8) die Anwendung – von Pulssequenzen zur Lösungsmittelunterdrückung, insbesondere von Relaxationsfiltern und/oder von frequenzselektiven Pulssequenzen und/oder gradient-assisted NMR Verfahren, – und/oder spektraler Auflösung zur Analytenseparation – und/oder von multi-variaten Datenanalyseverfahren, insbesondere PLS (partial least square regression) oder MCR (multivariate curve resolution) oder FID-DECRA (free induction decay direct exponential curve resolution), – und/oder Multipulsverfahren zur Verbesserung des S/N√t-Verhältnisses auch im dynamischen Magnetisierungsgleichgewicht, umfasst.