myکلمات کلیدی
حجم هیدرودینامیک
موضوع این صفحه درباره‌ی چگونگی اندازه‌گیری وزن مولکولی پلیمرها است. قبل از خواندن این صفحه بهتر است اول مطلب مربوط به وزن مولکولی را مطالعه کنید. اگر آن را نخوانده اید، اینجا کلیک کنید تا به صفحه‌ی مربوطه بروید. پس از آن برگردید و این صفحه‌ی ستودنی را بخوانید.
اکنون، آیا همگی صفحه‌ی وزن مولکولی را خواندید؟ خوشتان آمد؟ به نظرتان شگفت انگیزترین مطلبی نبود که تا به حال خوانده اید؟ عالیه!
به خاطر بیاورید که وقتی با یک پلیمر سروکار داریم، در مورد یک وزن مولکولی خاص صحبت نمی کنیم، بلکه یک پراکندگی وزن مولکولی مانند آنچه در شکل می‌بینید، وجود دارد. بهترین کاری که می‌شود انجام داد صحبت در مورد وزن مولکولی متوسط و تعیین پراکندگی وزن‌های مولکولی حول این متوسط است. یعنی بشماریم که چه تعداد از مولکول‌های پلیمر در یک نمونه، واقعاً دارای وزن مولکولی متوسط هستند، و چه تعداد و به چه میزان وزن‌های مولکولی بالاتر و پایین‌تر از این مقدار را دارند .
این دقیقاً همان اطلاعاتی است که شکل بالا به ما می گوید. این شکل متوسط عددی وزن مولکولی Mn را که بالاترین نقطه منحنی است، به ما می دهد، و همچنین از این نمودار می توان فهمید که چه تعداد از مولکول های پلیمری واقعاً دارای این وزن مولکولی هستند و چه تعداد از مولکول ها، وزن های مولکولی متفاوت با آن را دارند. (پیکانی را که بر روی محور x ها قرار گرفته و به سمت چپ اشاره می کند، می بینید؟ اشتباه نشده؛ وزن های مولکولی بالاتر در سمت چپ نمودار قرار دارند. اگر به خواندن ادامه دهید علت را خواهید فهمید.)
این یک نمودار کاملاً کاربردی است، مطمئن باشید، امّا چگونه می توان نموداری مانند این را به دست آورد؟ این نمودارها با استفاده از SEC به دست می آیند. در اینجا SEC به جای “کروماتوگرافی اندازه طردی” (Size Exclusion Chromatography ) به کار می رود.
حالا این تکنیک شگفت آور چگونه انجام می شود؟ ابتدا پلیمر را در یک حلال، معمولاً تتراهیدروفوران (که مخفف آن THF است)، حل می کنند.
اگر می خواهید ببینید مولکول THF را در حالت ۳ بعدی ببینید، روی آن کلیک کنید! سپس این محلول پلیمری را به درون یک لوله، تزریق می کنیم. این لوله را ستون می نامیم، اگرچه بلند و مستقیم نیست، امّا به صورت یک مارپیچ انحنا داده شده است. این لوله، یک لوله ی عادی نیست، بلکه با دانه های کوچکی هم پر شده است.
اما این دانه ها هم، هر دانه ای نیستند. آنها از پلی استایرن شبکه‌ای ساخته شده اند. شبکه ای بودن دانه ها مانع از حل شدن آنها در THF می شود. این دانه ها حفره های کوچک و خلل و فرج بسیار ریزی هم دارند. اندازه ی این خلل و فرج ها متفاوت می باشد، برخی بسیار بزرگ و برخی بسیار کوچک.
نکته ی مهم اینجاست که اگر حفره ها یک اندازه باشند، روش SEC دیگر کار نمی کند. حفره ها باید در اندازه های مختلف باشند. دلیلش این است که: وقتی شما محلول پلیمری را از میان ستون عبور می دهید، مولکول های پلیمر از مسیرشان منحرف می شوند. زنجیرها داخل سوراخ های دانه ها گیر می افتند. اما در نظر داشته باشید که زنجیرها برای همیشه انجا باقی نمی مانند. یک مولکول پلیمری داخل یک حفره به دام می افتد، سپس بیرون می آید، در داخل لوله کمی حرکت می کند و دوباره داخل حفره ی دیگری به دام می افتد. در آن جا مدتی باقی می ماند، سپس بیرون می آید و مسافت کمی را داخل لوله طی می کند تا حفره ی مناسب دیگری را پیدا کند… پس از مدتی مولکول پلیمر به انتهای ستون می رسد.
امّا مولکول‌های پلیمر، همگی در یک زمان مساوی از ستون خارج نمی شوند؛ یعنی برخی از زنجیر‌های پلیمر زمان طولانی‌تری را برای خروج از داخل ستون نسبت به زنجیره‌های دیگر نیاز دارند. مولکول‌های پلیمری بزرگ با وزن‌های مولکولی بالا نمی توانند داخل حفره‌های کوچک قرار بگیرند. پس چون تعداد حفره‌هایی که مولکول‌های بزرگ می‌توانند داخل آنها شوند کمتر است، این ذرات از داخل ستون نسبتاً سریع عبور می‌کنند. امّا مولکول‌های پلیمری کوچکتر با وزن‌های مولکولی کمتر، در داخل حفره‌های کوچک گیر می‌افتند و چون این مولکول‌ها در داخل حفره‌های بیشتری جا می‌شوند، واضح است که در حفره‌های بیشتری هم گیر می‌کنند. بنابراین زمان بیشتری طول می‌کشد تا از داخل ستون عبور کنند.
برای اینکه بهتر متوجه شوید، تصور کنید یک کودک و یک بزرگسال از میان مغازه‌ی اسباب‌بازی فروشی راه می‌روند. فرد بزرگسال تقریباً سریع عبور می‌کند، امّا کودک با هر وسیله‌ی بازی جالبی از مسیر منحرف می‌شود، می‌ایستد تا نگاه کند، و با هرکدام بازی می‌کند. بنابراین برای کودک در مقایسه با بزرگسال زمان بیشتری طول می‌کشد تا از مغازه اسباب بازی فروشی عبور کند. پلیمرها هم به همین شکل عمل می‌کنند. مولکول‌های بزرگتر بدون توجه به خلل و فرج دانه‌ها از داخل ستون عبور می‌کنند، امّا مولکول‌های کوچکتر به دلیل کنجکاوی شان باید بایستند تا هر حفره‌ی کوچکی را بررسی کنند. بنابراین مولکول‌های بزرگ بسیار سریع‌تر از مولکول‌های کوچک از داخل ستون عبور می‌کنند.
اما چگونه این روش را کمّی کنیم؟
حقیقت امر این است که اگر دستگاه به خوبی کالیبره شده باشد ما می توانیم وزن مولکولی یک پلیمر را فقط بر اساس زمان لازم برای عبور یا شسته شدن آن از میان ستون به دست آوریم. به علاوه، ما آشکارسازهایی داریم که می توانند تعداد مولکول های پلیمری را که از انتهای ستون در زمان مشخصی خارج می شوند، بشمارند. بنابراین، می توانیم نموداری رسم کنیم که زمان روی محور افقی و تعداد مولکول های خارج شده در زمان مشخص روی محور عمودی قرار دارند، مثل نمودار زیر:
از آنجا که می توانیم وزن مولکولی را از روی زمان خروج، اندازه بگیریم، می توانیم این نمودار را به نمودار وزن مولکولی روی محور افقی، و تعداد مولکول ها با یک وزن معین روی محور عمودی، تبدیل کنیم، مثل این:
اکنون به خاطر داشته باشید که هر چه وزن مولکولی بیشتر باشد، برای پلیمر کمتر طول می کشد که از ستون خارج شود. بنابراین در این نمودار، وزن مولکولی از چپ به راست کاهش می یابد. این دقیقاً عکس چیزی است که انتظار داشتید، پس مواظب باشید و در هنگام مطالعه نمودار SEC این اصل را به خاطر داشته باشید.
و اگر برایتان جالب است که بدانید این دستگاه‌های کروماتوگرافی چه شکلی هستند، عکس زیر یک کاربر را در حال کار کردن با یکی از این دستگاه‌ها نشان می‌دهد. ستون در یک جعبه‌ی سیاه کوچک، پشت سر اوست. جعبه خاکستری که در سمت چپ و دور از او قرار دارد، پمپی است که محلول پلیمری را به داخل ستون می‌فرستد.
معایب
در مورد SEC اشکالی نیز وجود دارد. در حقیقت ما جرم را اندازه نمی گیریم بلکه حجم هیدرودینامیک مولکول های پلیمر را می سنجیم؛ یعنی این که یک مولکول معین پلیمری وقتی در محلول است چه مقدار فضا را اشغال کرده است. می توانیم وزن مولکولی را از داده های SEC تخمین بزنیم، زیرا ارتباط دقیق بین وزن مولکولی و حجم هیدرودینامیکی پلیاستایرن را می دانیم و از آن به عنوان استاندارد استفاده می کنیم. اما رابطه حجم هیدرودینامیکی و وزن مولکولی برای همه پلیمرها یکسان نیست، بنابراین ما فقط یک اندازه گیری تقریبی انجام می دهیم. البته روش هایی هم برای جامعیت بخشیدن به روش SEC وجود دارد که توضیح آن در اینجا قدری تخصصی است.
همین طور روش جدیدی وجود دارد که متوسط‌های وزن مولکولی و توزیع‌های وزن مولکولی را به طور دقیق اندازه می‌گیرد. این تکنیک، طیف سنجی جرمی واجذبی/ یونشی لیزری به کمک ماتریس نام دارد. برای یک مثال در مورد محاسبه وزن مولکولی، اینجا کلیک کنید.