DE68916934T2

DE68916934T2 - Viskositätsbestimmungsverfahren für Flüssigkeitschromatographiesysteme mit Trägerflüssigkeiten mit zeitvariierender Viskosität.

Info

Publication number: DE68916934T2
Application number: DE68916934T
Authority: DE
Inventors: Wallace Wen-Chuan Yau
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1989-01-30
Filing date: 1989-10-13
Publication date: 1994-11-03
Anticipated expiration: 2009-10-14
Also published as: JPH02208540A; EP0380864A2; US4876882A; CA2000637A1; EP0380864A3; ATE108901T1; EP0380864B1; ES2056225T3; DE68916934D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Das U.S.-Patent Nr. 4 793 174 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Eigenviskosität oder inhärenten Viskosität eines mit einem Lösungsmittel gelösten Lösungsproduktes. Bei einem Ausführungsbeispiel trennt eine Gelpermeationssäule eine Mehrkomponentenprobe in ihre einzelnen Lösungsproduktkomponenten, von denen jede einer separaten Viskositätsbestimmmung unterzogen wird.
In einigen Anwendungsgebieten kann es von Interesse sein, eine Mehrkomponentenprobe auf der Basis von Verteilung und chemischer Wechselwirkung und nicht ihrer Molekulargröße in die einzelnen Komponenten des gelösten Stoffes zu trennen. In solchen Fällen könnte die oben beschriebene Gelpermeationssäule beispielsweise durch eine Säule ersetzt werden, die ein Füllmaterial enthält, das imstande ist, jede Komponente der Mehrkomponentenprobe zu binden. Das durch die Säule strömende Lösungsmittel könnte dann im Hinblick auf einige relevante chemische Eigenschaften kontinuierlich verändert werden, wodurch bewirkt würde, daß jede Komponente des gelösten Stoffes sequentiell unter den gewünschten Bedingungen von Analysezeit und chemischer Auflösung herausgelöst wird. Unter diesen Umständen kann sich die Lösungsmittelviskosität selbst von einem Anfangs- bis zu einem Endwert verändern, wodurch ein sich verändernder "Hintergrund" entsteht, vor dem die Viskosität des gelösten Materials gemessen wird. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Messung der Eigen- oder inhärenten Viskosität eines mit einem derartigen Lösungsmittel von variierender Viskosität gelösten Lösungsproduktes zu schaffen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Messung der inhärenten Viskosität einzelner Lösungsproduktkomponenten in einer mit einem Lösungsmittel gelösten Mehrkomponentenprobe, mit den Schritten:
sequentielles Leiten eines Trägerflüssigkeitsstroms mit einer als eine Funktion der Zeit variierenden Viskosität mit einer Strömungsrate R durch (1) eine Einrichtung zum Trennen der Probe in ihre einzelnen Lösungsproduktkomponenten, (2) ein erstes Kapillarröhrchen und (3) ein zweites Kapillarröhrchen, wobei die Röhrchen durch ein Versatzvolumen ΔV voneinander getrennt sind, wobei 0< ΔV≤RT, wobei T wie folgt definiert ist;
Einleiten eines vorbestimmten Volumens einer die Probe und das Lösungsmittel enthaltenden Lösung in den Trägerflüssigkeitsstrom stromaufwärts der Einrichtung zum Trennen der Probe in ihre einzelnen Lösungsproduktkomponenten, wodurch die Probe in ihre einzelnen Lösungsproduktkomponenten getrennt wird,
Messen der Druckdifferenzen ΔP&sub1;(t) und ΔP&sub2;(t) an dem ersten bzw. dem zweiten Kapillarröhrchen als Funktion der Zeit, wobei ΔP&sub1;(t) und ΔP&sub2;(t) durch eine Anstiegszeit T gekennzeichnet sind;
Messen der Konzentration C(t) der einzelnen Lösungsproduktkomponenten in der Trägerflüssigkeit als Funktion der Zeit;
Erhalten einer Funktion S(t), wobei
S(t) = ln [ΔP&sub1;(t)/ΔP&sub2;(t)];
Erhalten einer Funktion So(t), wobei
So(t) = ln [ΔP&sub1;(t)/ΔP&sub2;(t)], wenn sowohl durch das erste als auch durch das zweite Kapillarröhrchen nur Trägerflüssigkeit strömt;
Erhalten einer Funktion I(t), wobei
I(t) = [S(t)-So(t)]dt; und
C(t), I(t) und ΔV zu der inhärenten Viskosität der einzelnen Lösungsproduktkomponenten in Beziehung setzen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

FIG. 1 ist eine stilisierte Ansicht einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
FIG. 2 ist ein die Viskosität η einer Trägerflüssigkeit als eine Funktion der Zeit t darstellendes stilisiertes Diagramm.
FIG. 3 ist ein stilisiertes Diagramm der Konzentration C als eine Funktion der Zeit t für die einzelne Lösungsproduktkomponente, deren Druckdifferenzwirkungen in FIG. 4 dargestellt sind.
FIG. 4 ist ein stilisiertes Diagramm der Druckdifferenzen ΔP&sub1; und ΔP&sub2; an dem ersten und dem zweiten Kapillarröhrchen als Funktionen der Zeit t für eine einzelne Lösungsproduktkomponente.
FIG. 5 ist ein stilisiertes Diagramm von ΔP&sub1;/ΔP&sub2; als eine Funktion der Zeit t.
FIG. 6 ist ein stilisiertes Diagramm der Funktion S als eine Funktion der Zeit t.
FIG. 7 ist ein stilisiertes Diagramm der Funktion So als eine Funktion der Zeit t.
FIG. 8 ist ein stilisiertes Diagramm der Funktion [S-So] als eine Funktion der Zeit t.
FIG. 9 ist ein stilisiertes Diagramm der Funktion I als eine Funktion der Zeit t.
FIG. 10 ist ein stilisiertes Diagramm der inhärenten Viskosität ηinh als eine Funktion der Zeit t.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Wie aus der Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, hervorgeht, ist in Figur 1 eine Vorrichtung 10 nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Von einer Pumpe/Mischvorrichtung 16 werden Trägerflüssigkeiten 12,12' mit der Viskosität η&sub1; bzw. η&sub2; aus den Reservoirs 14,14' durch einen Pulsationsdämpfer 18 zu einem Probeneinspritzventil 22 gepumpt. Die Pumpe/Mischvorrichtung ist zum Mischen der beiden Trägerflüssigkeiten 12,12' mit einer vorbestimmten Rate eingestellt. Figur 2 zeigt ein Diagramm, das die Viskosität der gemischen Trägerflüssigkeit als eine Funktion der Zeit darstellt. Das Diagramm zeigt eine lineare Zunahme von einem vorbestimmten Minimum auf ein vorbestimmtes Maximum. Nichtlineare Funktionen können ebenfalls verwendet werden. Unter erneutem Verweis auf Figur 1 sei angemerkt, daß die Pumpe/Mischvorrichtung 16 jegliche Art von Pumpe/Mischvorrichtung sein kann, die üblicherweise bei der Flüssigkeitschromatographie verwendet wird. Ein Beispiel für eine geeignete Pumpe/Mischvorrichtung 16 ist ein Hewlett-Packard Model 150. Der Dämpfer 18 ist nur erforderlich, wenn eine Reziprokkolbenpumpe verwendet wird. Üblicherweise wird der Dämpfer gewählt, um die Hochfrequenzimpulse zu dämpfen, ohne die Gesamtströmungsrate der gemischten Trägerflüssigkeiten 12,12' zu behindern. Die in der Vorrichtung verwendete Rohrleitung ist nicht von Bedeutung. Generell kann jede Rohrleitung mit geringem Innendurchmesser verwendet werden, die im Hinblick auf die Trägerflüssigkeiten und das Lösungsprodukt im wesentlichen chemisch inert ist. Bevorzugte Rohrleitungen werden aus rostfreiem Stahl oder Teflon (Polytetrafluorethylen), was bei E.I. du Pont de Nemours and Company, Wilmington, Delaware, erhältlich ist, hergestellt.
Das Probeneinspritzventil 22 kann ein Ventil mit 2 Stellungen und 6 Ports sein. Von Valco Instruments, Inc. (Houston, Texas) wird ein geeignetes Ventil unter der Bezeichnung CV6UHPA vertrieben.
Geeigneterweise kann zum Füllen der Probenschleife 26 mit Probenlösung eine Spritze 24 verwendet werden, welche ein aus mehreren Komponenten bestehendes gelöstes Material in Lösungsmittel ("Probenlösung") enthält. Das Probeneinspritzventil 22 wird auf die "Lade"-Position eingestellt, in der die gemischte Trägerflüssigkeit 12,12' über das Ventil strömen kann, während ein Befüllen der Probenschleife 26 aus der Spritze 24 ermöglicht ist.
Nachdem die Probenschleife 26 mit Probenlösung befüllt ist, wird das Ventil 22 auf "Einspritz"-Stellung eingestellt, wodurch der Strom der gemischten Trägerflüssigkeit 12,12' zu der Probenschleife 26 geleitet wird. Dann wird die Probenlösung als im wesentlichen lokalisiertes Volumen in den fließenden Strom der gemischten Trägerflüssigkeit 12,12' zugeführt.
Alternativ kann die Probenlösung unmittelbar in den fließenden Strom der gemischten Trägerflüssigkeit 12,12' eingespritzt werden.
Der eine zeitlich variierende Viskosität aufweisende und das Mehrkomponenten-Lösungsprodukt enthaltende Strom der strömenden gemischten Trägerflüssigkeit 12,12' durchläuft eine Einrichtung zum Trennen des Mehrkomponenten-Lösungsproduktes in seine einzelnen Lösungsproduktkomponenten. Eine bevorzugte Trenneinrichtung ist eine Säule 52, die ein Füllmaterial enthalten kann, für das die einzelnen Lösungsproduktkomponenten verschiedene Affinitäten haben. Zu geeigneten Füllmaterialien zählen Zorbax _ODS. Zu anderen geeigneten Trenneinrichtungen gehören Zorbax C-8- Säulen; beides sind im Handel erhältliche Produkte vou E.I. du Pont de Nemours and Company, Wilmington, Delaware.
Nach dem Eintreten in die Säule 52 werden die einzelnen Lösungsproduktkomponenten nacheinander herausgelöst, wenn sich die Viskosität der Trägerflüssigkeit von einem ersten Wert ηA zu einem zweiten Wert ηB ändert. ηA kann gleich η&sub1; sein oder gleich einer vorbestimmten Viskosität, die auf einer anfänglichen Zusammensetzung basiert, für die die Flüssigkeiten 12 und 12' verwendet wurden. Gleichermaßen kann ηB gleich η&sub2; sein oder gleich einer vorbestimmten Viskosität auf der Basis einer Endzusammensetzung, für die die Flüssigkeiten 12 und 12' verwendet wurden. Es sei darauf hingewiesen, daß nicht unbedingt die Veränderung in der Viskosität der Trägerflüssigkeit das sequentielle Herauslösen der einzelnen Komponenten bewirkt, sondern eher die Veränderung der chemischen und/oder physikalischen Zusammensetzung der Trägerflüssigkeit, was wiederum zu einer unvermeidlichen Veränderung der Viskosität führen kann. Ferner sei darauf hingewiesen, daß es zum sequentiellen Herauslösen der Komponenten des gelösten Stoffes nicht erforderlich ist, die chemische Zusammensetzung der Trägerflüssigkeit zu verändern. Chromatographische Trennungen unter Verwendung einer Trägerflüssigkeit mit gleichbleibender Zusammensetzung werden als isokratische Trennungen bezeichnet. Isokratische Trennungen können häufig dazu führen, daß die Analyse sehr lange dauert und die experimentelle Auflösung sehr ungleichmäßig ist. Diese Probleme können manchmal durch Anwenden einer sogenannten Temperaturprogrammierung vermieden werden, mittels derer die Temperatur der Trägerflüssigkeit mit der Zeit verändert wird, was zu einer Veränderung der Viskosität mit der Zeit führt.
Der Strom der fließenden gemischten Trägerflüssigkeit 12,12', die nun die getrennten einzelnen Lösungsproduktkomponenten enthält, kann an einer Kreuzung 30 geteilt werden, so daß ein Teil des Stromes durch einen Konzentrationsdetektor 32 in einem Abfallbehälter 34 läuft und ein anderer Teil erste und zweite im folgenden beschriebene Kapillarröhrchen passiert. Alternativ kann der Konzentrationsdetektor 32 in Reihe mit den im folgenden beschriebenen Kapillarröhrchen 36 und 42 angeordnet sein. Der Konzentrationsdetektor 32 kann jegliche Art von Detektor sein, die üblicherweise bei der Flüssigkeitschromatographie verwendet wird. Ein bevorzugter Konzentrationsdetektor 32 ist ein Differentialrefraktometer. Andere Arten von Konzentrationsdetektoren, wie beispielsweise Ultraviolett- oder Infrarotvorrichtungen können ebenfalls verwendet werden, abhängig von der speziellen Art des Lösungsproduktes, dessen Viskosität gemessen wird. Figur 3 zeigt das Ausgangssignal des Konzentrationsdetektors 32 als eine Funktion der Zeit für eine einzelne Lösungsproduktkomponente.
Nochmals auf Figur 1 verweisend, sei angemerkt, daß die strömende gemischte Trägerflüssigkeit 12,12' -- die getrennten einzelnen Lösungsproduktkomponenten enthaltend -- ein erstes Kapillarröhrchen 36 durchläuft, an dem Druckdifferenzen als eine Funktion der Zeit von einem Meßwandler 38 ermittelt werden. Die Trägerflussigkeit strömt weiter durch ein Versatzvolumenelement 40 in ein zweites Kapillarröhrchen 42, an dem Druckdifferenzen als eine Funktion der Zeit von einem Meßwandler 44 ermittelt werden. Schließlich wird die Trägerflüssigkeit in einen Abfallbehälter 46 entleert.
Der Innendurchmesser der Kapillarröhrchen 36,42 ist nicht wesentlich. Generell ist der Innendurchmesser so gewählt, daß die jedem Kapillarröhrchen zugeordneten Druckmeßwandler maximale Leistung bringen. Generell ist der Innendurchmesser größer als 7 mil. Es ist bevorzugt, daß die Kapillarröhrchen 36 und 42 physisch so identisch wie möglich sind.
Die Druckmeßwandler können vom bekannten Membrantyp sein, wie die von Celesco Transducers Products, Inc. (Conoga Park, California) hergestellten. Üblicherweise sind die Meßwandler 38,44 an ihren jeweiligen Kapillarröhrchen 36,42 durch "T"-Verbinder verbunden. Jeder Druckmeßwandler 38,44 ist jeweils mit seiner eigenen Verstärkungseinrichtung 38',44' mit variabler Verstärkungsregelung verbunden. Vorzugsweise weist die Verstärkungseinrichtung einen Gleichstromverstärker auf. Die variablen Verstärkungsregler werden zum Regeln der Größe der Ausgangssignale der beiden Druckmeßwandler verwendet. Genauer gesagt, die beiden Verstärkungsgrade werden so eingestellt, daß sie gleiche Ausgangssignale liefern, wenn dieselbe Trägerflüssigkeit durch die Kapillarröhrchen 36 und 42 strömt. Figur 4 stellt die Druckveränderungen an den Kapillarröhrchen 36,42 als eine Funktion der Zeit dar. Es sei angemerkt, daß die Kurven bis auf einen Zeitversatz identisch sind.
Vorteilhafterweise wird der von der Vorrichtung 10 gebildete Fluidkreis in einem (nicht dargestellten) Bad mit einer vorgewählten Temperatur angeordnet. Das Bad unterstützt die Minimierung von Temperaturgradienten innerhalb der Vorrichtung.
Wie aus Figur 1 hervorgeht, können die Ausgangssignale der Meßwandler 38 und 44 an die (nicht dargestellten) Eingänge eines logarithmischen Differenzverstärkers 48 angelegt werden. Das Ausgangs signal des logarithmischen Differenzverstärkers 48 kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:
S(t) = ln [ΔP&sub1;(t)/ΔP&sub2;(t)]
Dieses Ausgangssignal ist eine Funktion der Zeit. Das Ausgangssignal S(t) wird dann über die Zeit integriert.
Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung ermöglicht, daß ein einzelne Lösungsproduktkomponenten enthaltender Trägerflüssigkeitsstrom nacheinander zwei durch ein geringes Versatzvolumen getrennte Kapillarröhrchen durchläuft. Da jede Komponente jedes Kapillarröhrchen passiert, steigt die Druckdifferenz an dem Röhrchen in einer charakteristischen Anstiegszeit (T) von einer Basislinie zu einem Maximalwert an. Wenn jede Komponente jedes Kapillarröhrchen verläßt, fällt die Druckdifferenz an dem Kapillarröhrchen in einer charakteristischen Abfallzeit, die der Anstiegszeit angenähert sein sollte, wieder zur Basislinie ab. Nachdem jede Komponente beide Kapillarröhrchen durchlaufen hat, haben die jeweiligen Druckmeßwandler zwei im wesentlichen identische Druck-zu-Zeit-Kurven, welche durch eine Zeitdifferenz ΔT voneinander getrennt sind, die gleich dem Versatzvolumen ΔV geteilt durch die Strömungsrate R ist. Wenn ΔT gering genug ist, sind die beiden Druck-zu-Zeit-Kurven geringfügig in bezug zueinander versetzt, wodurch ermöglicht wird, daß eine Kurve zur Annäherung an einen Wert auf der anderen Kurve verwendet werden kann. Generell wird dieser Zustand erreicht, wenn das Versatzvolumen ΔV zwischen 0 und RT liegt.
Um den Beitrag von ΔP&sub1;(t) und ΔP&sub2;(t) auszugleichen, der nicht von der einzelnen Lösungsproduktkomponente, sondern von der Veränderung in der Viskosität der gemischten Trägerflüssigkeit 12,12' verursacht wird, ist es notwendig, eine Funktion So(t) zu bestimmen, die nur den Beitrag der gemischten Trägerflüssigkeit 12,12' wiedergibt. Eine geeignete Art zur Bestimmung dieser Funktion besteht in der Extrapolation der Basislinie der S(t)-Kurve durch beliebige sinusförmige Reaktionen. Die sich ergebende Kurve gibt So(t) wieder. Figur 7 zeigt das Ergebnis einer derartigen Extrapolation. Die sinusförmige Reaktion des Lösungsproduktes ist gestrichelt dargestellt. Die durchgezogene Linie repräsentiert die Funktion So(t).
Zur Berechnung der inhärenten Viskosität wird eine neue Funktion [S(t)-So(t)] gebildet. Im wesentlichen subtrahiert diese Funktion die Basislinie der gemischten Trägerflüssigkeit 12,12' von der S(t)-Kurve. Figur 8 zeigt diese neue Funktion, bei der die sinusförmige Reaktion auf die Basislinie abgesenkt worden ist.
Als nächstes ergibt sich eine Funktion I(t):
I(t) = [S(t)-So(t)]dt.
Diese Funktion ist in Figur 9 dargestellt. Schließlich wird die Funktion I(t) für jede einzelne Lösungsproduktkomponente für diese Komponente durch C(t) dividiert. Die Höhe der sich ergebenden Kurve repräsentiert die inhärente Viskosität. Die Integration kann durch bekannte manuelle Rechenverfahren oder mittels eines elektronischen Integrator oder digitalen Computers erfolgen.

Claims

1. Verfahren zur Messung der inhärenten Viskosität einzelner Lösungsproduktkomponenten in einer mit einem Lösungsmittel gelösten Mehrkomponentenprobe, mit den Schritten:

sequentielles Leiten eines Trägerflüssigkeitsstroms mit einer als eine Funktion der Zeit variierenden Viskosität mit einer Strömungsrate R durch (1) eine Einrichtung zum Trennen der Probe in ihre einzelnen Lösungsproduktkomponenten, (2) ein erstes Kapillarröhrchen und (3) ein zweites Kapillarröhrchen, wobei die Röhrchen durch ein Versatzvolumen ΔV voneinander getrennt sind, wobei 0< ΔV≤RT, wobei T wie folgt definiert ist;

Einleiten eines vorbestimmten Volumens einer die Probe und das Lösungsmittel enthaltenden Lösung in den Trägerflüssigkeitsstrom stromaufwärts der Einrichtung zum Trennen der Probe in ihre einzelnen Lösungsproduktkomponenten, wodurch die Probe in ihre einzelnen Lösungsproduktkomponenten getrennt wird,

Messen der Druckdifferenzen ΔP&sub1;(t) und ΔP&sub2;(t) an dem ersten bzw. dem zweiten Kapillarröhrchen als Funktion der Zeit, wobei ΔP&sub1;(t) und ΔP&sub2;(t) durch eine Anstiegszeit T gekennzeichnet sind;

Messen der Konzentration C(t) der einzelnen Lösungsproduktkomponenten in der Trägerflüssigkeit als Funktion der Zeit;

Erhalten einer Funktion S(t), wobei

S(t) = In [ΔP&sub1;(t)/ΔP&sub2;(t)];

Erhalten einer Funktion So(t), wobei

So(t) = ln [ΔP&sub1;(t)/ΔP&sub2;(t)], wenn sowohl durch das erste als auch durch das zweite Kapillarröhrchen nur Trägerflüssigkeit strömt;

Erhalten einer Funktion I(t), wobei

I(t) = [S(t)-So(t)]dt; und

C(t), I(t) und AV zu der inhärenten Viskosität der einzelnen Lösungsproduktkomponenten in Beziehung setzen.