Zaměření - Laboratoř analytické chemie
Servisně výzkumná skupina
Pro potřeby výzkumu v ÚMCH zajišťuje skupina analýzu a molekulární charakterizaci polymerních materiálů a systémů pokročilými instrumentálními metodami. K naplnění tohoto úkolu přispívá vlastním praktickým i teoretickým rozvojem metod v kontextu makromolekulární vědy.
Nové metody řízené polymerizace přinesly polymerní materiály vyznačující se dříve nedostupnou komplexní molekulární architekturou. Současně umožnily využívat různě funkcionalizované monomery, což poskytuje základ pro „chytré“ aplikace polymerů. Základní podmínkou je vysoký stupeň věrohodnosti připravovaných materiálů počínaje monomery. Zde hraje analytická chemie a charakterizace nenahraditelnou roli.
Kromě prvkové analýzy, která poskytuje celkový obsah vybraných chemických prvků ve vzorku, spojuje metody zajišťované skupinou jejich separační podstata, složky vzorku jsou tříděny podle svých fyzikálně chemických vlastností.
Plynová chromatografie (GC) je vhodná pro kvalitativní i kvantitativní analýzu nízkomolekulárních sloučenin. Informace o složení polymeru je tedy možné získat až po jeho degradaci v pyrolyzéru. Častěji GC slouží k ověření čistoty komerčních monomerů a potvrzení identity monomerů nově syntetizovaných, nebo je využívána při studiu kinetiky polymerizačních reakcí. Vzhledem k omezené rozpustnosti polymerních materiálů přichází při identifikaci nízkomolekulárních aditiv, jako jsou změkčovadla či stabilizátory, ke slovu vzorkování z parní fáze.
GC ve spojení se vzorkováním z parní fáze jsme použili pro analýzu těkavých látek uvolňujících se z povrchu dřeva, tj. přírodního polymerního materiálu. Ukázali jsme, že z povrchu dřeva poškozeného požárem se uvolňují zdraví škodlivé látky, avšak po otryskání suchým ledem se složení uvolňovaných látek blíží složení nad nepoškozeným dřevem. Vzhledem k nízkému mechanickému poškození dřeva je proto otryskávání suchým ledem vhodné pro restaurování dřevěných prvků a artefaktů poškozených při požárech.
Rozměrově vylučovací chromatografie (SEC), známá též jako gelově permeační chromatografie, je klíčovou metodou molekulární charakterizace polymerů. SEC je varianta kapalinové chromatografie, u které dochází k dělení složek vzorku mezi tekoucí rozpouštědlo a rozpouštědlo imobilizované v mikropórech náplně v závislosti na molekulárních rozměrech. Z chromatogramu, tj. závislosti koncentrace na elučním objemu, je možné získat distribuci molekulových hmotností na základě kalibrace nebo přímo při použití vhodného detektoru, např. rozptylového. Protože molekulární rozměry závisí nejen na molekulové hmotnosti ale také na molekulární architektuře, je dále možné získat informace například o větvení molekuly.
Experimentální chromatogramy jsou ovlivňovány řadou dalších efektů kromě distribuce molekulárních rozměrů. Vypracovali jsme obecný chromatografický model separace složek při SEC a na jeho základě vysvětlili vliv koncentrace na tvar chromatogramu.
Frakcionace tokem v tokovém poli (A4F) je metodou poskytující obdobné informace jako SEC. Je sice experimentálně náročnější, avšak poskytuje oproti SEC některé výhody. Nejvýznamnější z nich je řádově větší měřicí rozsah 1 – 1000 nm. Metoda tedy může být využívána k charakterizaci nanočástic syntetizovaných například pro aplikaci léčiv či diagnostické účely.
Další výhodou A4F je absence anomálních efektů pozorovaných u vysokomolekulárních větvených polymerů při SEC. Vypracováním teoretického modelu separace větvených molekul metodou SEC jsme tento rozdíl vysvětlili.
M. Netopilík, S. Podzimek. Retention mechanism of branched macromolecules in size exclusion chromatography. ACS Omega 2020, 5, 14254—14260.
Hmotnostní spektrometrii (MS) lze rovněž zařadit mezi separační metody, neboť při ní jsou nabité částice tříděny podle hmotnosti, přesněji podle poměru hmotnosti a náboje. Klasická MS, provázená fragmentací molekul, poskytuje informace o struktuře jednotlivých molekul a je využívána jako detektor spojený s chromatografií, zde konkrétně plynovou. Měkké ionizační techniky jako je MALDI MS udávají hodnoty molekulových hmotností neporušených molekul a jsou vhodné pro charakterizaci makromolekul. Vzhledem k dosahované přesnosti je možné z MS usuzovat i na přítomné koncové skupiny, složení kopolymerů či kvalitu dendrimerů.
Gradientové kopolymery, u kterých se složení mění intramolekulárně podél řetězce, jsou v posledních letech předmětem intenzivního výzkumu. Vzhledem k tomu je překvapivé, že možnosti detekce intramolekulárního gradientu složení jsou velmi omezené. Ukázali jsme, že řešení poskytuje MALDI MS, která separuje a identifikuje předčasně terminované molekuly. Ty představují jakési „časové kapsule“, ve kterých je zachována informace o vývoji složení během živé polymerizace.
Spolupráce
Členové skupiny se podílejí nejen na projektech pracovníků ústavu, ale spolupracují i s výzkumnými týmy jiných institucí, a to i zahraničních. Mezi ně patří:
Vysoká škola chemicko-technologická, Ústav polymerů
Univerzita Karlova, Přírodovědecká fakulta, Katedra fyzikální a makromolekulární chemie
Pohang University of Science and Technology, Korea, Department of Chemistry
Smluvní analýzy
V rámci jiné činnosti ÚMCH AV ČR provádí skupina na komerčním základě analýzy výše uvedenými metodami. V případě zájmu kontaktujte vedoucí skupiny.