专利名称：胶或明胶浓度和分子量分布的测试方法
技术领域：
本发明涉及一种测试溶液中、特别是铜电解液中少量存在的(动物)胶或明胶的浓度和分子量分布的方法。特别是，本发明涉及一种使得测试分子量小至2500以下的组分的浓度和分子量分布成为可能的测试方法。
据说胶的分子尺寸对铜的电沉积是有影响的。再说，在高浓度硫酸和电解作用下，胶很快分解成低分子量的成分。由于这些原因，知道胶的分子量分布也很重要。
迄今提出的用来测量铜电解液中少量胶浓度的方法包括电化学技术，例如一种方法包括测量极化强度(例如见日本特开平8-304338)，还有一种方法包括沉淀少量的铜到旋转电极上然后再溶解铜，还有一种染料吸附方法包括在滤纸上收集胶，用一种染料将胶染色，然后测试吸光度(例如见特开平6-337247)。
然而，诸如8-304338所述那样的电化学方法易受共存物质的影响。6-337247所教示的染料吸附方法的缺点在于，具有20,000以下分子量的胶不可能被定量收集。另外，迄今所提出的方法没有一个能提供胶的分子量分布信息。而且，许多传统的测试方法是在电解液中电解质组分共存的条件下进行的，或者即使在测试前先对试样进行预处理以除去电解液中电解质成分，这样的预处理是费时的，并且很可能同时发生胶分解。因此，这些方法在分析条件下是难以正确评价胶的存在状态。
在电解液中的主要成分硫酸铜的影响下，测试胶的低分子量部分被认为很困难。然而这样低分子量的胶由于对铜箔等的物理性质有影响而受到关注，因此开发这样一种测试方法迫在眉睫。
作为研究的结果，本发明者发现可以通过将高效液相色谱(下文中简称“HPLC”)和柱转换技术结合使用以实现上述目的。
在上述发现的基础上，本发明提供了一种测试包含在电解液中的胶或明胶浓度和分子量分布的方法，其包括结合使用柱转换的HPLC。
本发明的方法使得测试溶液中的胶或明胶，特别是低分子量的胶或明胶的浓度和分子量分布成为可能，它将对找出电解或电镀的最适宜条件非常有益，从而对生产的铜箔的诸如伸长性、抗张强度、粗度等类似的物理性质实现有效的控制。
图2是表示本发明的测试方法中所用的仪器的示意图。
图3是实施例1中铜电解精炼所用的电解液的色谱图。
图4是从图3的色谱图得到的胶的分子量分布。
图5是实施例2中的铜电解液的色谱图。
图6是实施例2中所用的胶分子量校正曲线。
图7是表示测试实施例1中胶浓度和铜箔抗张强度之间的关系图。
本发明的详细描述在本发明中，溶液中特别是电解液中的胶的浓度和分子量分布通过用HPLC、特别是凝胶渗透色谱(下文中简称“GPC”)进行测试。
图1中的流程图表示了本测试方法的一个例子。
在图1中，含胶的溶液被用作试样。尤其优选采用铜箔生产中的铜电解液。其他用途的铜电解液和其他电解液也可以采用。同时，本测试方法也适用于铜电镀浴或其他电镀浴。
在一个优选实施方案中，使用含有3体积％以上的乙腈和97体积％以下的浓度为0.002到0.01M的稀硫酸的混合溶液作为流动相。通过使用这种流动相，阻止了胶吸附到柱子中尺寸排除模式的吸附剂上，保证了测试的精确性。如果乙腈的浓度少于3％(体积)，阻止胶吸附的效果不够。足够高的乙腈浓度使效果保持较好，但是太高的乙腈浓度会负面影响柱子中尺寸排除模式的吸附剂。优选的乙腈浓度是从5％到20％(体积)。
令人满意的是，用排除极限为2500以下的尺寸排除模式的填料填充的一个柱子作为预处理柱(A)。在预处理柱(A)中，胶和试样(电解液)中的电解质组分分开，然后胶进一步被送到分离柱(B)中，而电解质组分流出体系。预处理柱(A)的一个合适例子包括一个聚醚醚酮(下文中简称“PEEK”)柱子，内径7.5mm，长250mm，填充Sephadex G-15填料(颗粒尺寸66um以下；排除极限1500；Pharmacia Biosystems公司产品)。
既然试样中大于填料最大孔径的溶质不能被填料抓住，也就是排除了吸附，它们则不能从试样的基体组分中被分开。这个排除分子量的极限被称作排除极限，它代表了在GPC上能从基体组分中被分开的分子量的上限。
在分离柱(B)中优选用排除极限为10000以上的尺寸排除模式的填料。当通过分离柱(B)，溶液中的胶按照分子量的大小被分离开，并按分子量递减的顺序流出。合适的分离柱的例子包括SHODEX PROTEIN KW-802.5(排除极限50000；内径8mm；长度300mm；昭和电工有限公司产品)，AsahipakGS-320HQ(排除极限40000；内径7.6mm；长度300mm；昭和电工有限公司产品)，以及OHpak SB-803HQ(排除极限100000；内径8mm；长度300mm；昭和电工有限公司产品)。
优选的是用二个以上分离柱串联以增加胶从铜离子和硫酸根离子中的分离效率。分离柱中可以用的填料包括二氧化硅、羧基化的聚乙烯醇和聚羟基甲基丙烯酸酯。
从分离柱中流出的胶在一个检测器中被检测，比如吸光度检测器。流出的胶的浓度和平均分子量可以分别由峰面积和流出时间计算得到。更明确地说，浓度是通过运用校正曲线来确定的，校正曲线是通过在相同的条件下测量已知浓度的胶水溶液的峰面积来得到的。分子量分布是运用代表分子量和流出时间之间关系的校正曲线来确定的，该校正曲线是通过对已知分子量的标准蛋白质进行同样分析，然后将流出时间和分子量作图来得到的。
本发明中的测试电解液中胶的浓度和分子量分布的方法将在下面作详细描述。象前面提到的一样，该方法是HPLC和柱转换相结合使用而成的。该方法优选按如下方式实现。
(a)可以用来实现该测试的仪器包括一个溶液输送泵；一个六通阀；一个连接在溶液输送泵和六通阀第一连结口之间的进样器；一个连接在六通阀第二连结口上的预处理柱；一个连接在预处理柱和六通阀第五连结口间的第一检测器；一个连接在六通阀第六连结口上的分离柱；一个连接在分离柱和六通阀第三连结口间的第二检测器；一个根据第二检测器出来的信息得到胶浓度和分子量分布的数据处理器；一个连接在六通阀第四连结口上的排液管；以及一个保持预处理柱和分离柱在恒定温度的恒温箱。
(b)一种含有3体积％以上的乙腈和97体积％以下的稀硫酸的混合溶液被用作流动相。
(c)一种排除极限为2500以下的尺寸排除模式的填料被用来作为预处理柱的填料。
(d)一种排除极限为10000以上的尺寸排除模式的填料被用作分离柱的填料。
(e)少量含有胶的电解液被注入到进样器中，并被输送到预处理柱中。
(f)在预处理柱中，电解液被分成胶和电解质组分。胶继续被输送到分离柱中，而电解质组分被排出至体系之外。
(g)在分离柱中，胶按照分子量的大小被分离开并在第二检测器中检测。检测数据在数据处理器中处理，以得到胶浓度和分子量分布。
本发明的测试方法参照图2进一步进行了描述，图2示意性地表示用在本发明方法中的仪器。所示的仪器包括一个溶液输送泵1；一个六通阀3；一个连接在溶液输送泵1和六通阀3第一连结口4之间的进样器2；一个连接在六通阀3第二连结口5上的预处理柱10；一个连接在预处理柱10和六通阀3第五连结口8间的第一检测器11；一个连接在六通阀3第六连结口9上的分离柱12；一个连接在分离柱12和六通阀3第三连结口6间的第二检测器13；一个根据第二检测器13出来的信息得到胶浓度和分子量分布的数据处理器(图中未显示出)；一个连接在六通阀3第四连结口7上的排液管14；一个保持预处理柱10和分离柱12在恒定温度的恒温箱15；以及一个流动相槽16。这些单元通过用PEEK或特氟隆制造的管子组成的管道系统互相连接。
含有作为pH值缓冲液的磷酸缓冲液和作为中性盐的氯化钠的流动相是尺寸排除色谱常用的一种流动相。然而，如果用这种流动相进行含有胶的电解液的尺寸排除色谱，部分胶将被柱子中的尺寸排除模式的填料吸附，导致准确测量的失败。然而另一方面，当用一种含有97体积％以下的稀硫酸和3体积％以上的乙腈的混合溶液作流动相，可以避免胶被尺寸排除模式的填料吸附，因此达到准确的测量。
用预处理柱的目的是除去在电解液中共存的电解质组分。测试胶浓度和分子量分布的目的是想知道那些对向电解液中添加胶有效的分子量范围的胶的量。因此，预处理柱中所用的尺寸排除模式的填料的排除极限是由胶的有效分子量范围的下限和共存的电解质组分的分子量决定的。如前所述，预处理柱中尺寸排除模式填料的排除极限通常是2500以下，例如1500。
用分离柱的目的是测试存在于电解液中的少量胶的浓度和分子量分布。因此，分离柱中所用的尺寸排除模式填料的排除极限决定于电解液中胶的有效分子量范围的上限。如前所述，分离柱中尺寸排除模式填料的排除极限通常是10000以上，例如50000。
可以用在本发明中的检测器包括那些HPLC中常用的检测器，用它们胶可以被检测到毫克/每升级，例如吸光度检测器。
可以用在本发明中的数据处理器没有特别限制，包括任何装备计算功能的数据处理器，以根据检测器出来的信息获得胶的浓度和分子量分布。
利用上述仪器开始测试时，六通阀3的第一连结口4和第二连结口5连接，第五连结口8和第六连结口9相连接，以及第三连结口6和第四连结口7相连接。在这个阶段，通过溶液输送泵1使含有例如0.005M体积比为95∶5的硫酸和乙腈的流动相从流动相槽16中流出，流动顺序为进样器2→六通阀3→预处理柱10→第一检测器11→六通阀3→分离柱12→第二检测器13→六通阀3→排液管14。当流动相在系统中流动时，200ul含有胶的电解液，或者按原样或者用纯水稀释到200ul，加入到进样器2中。电解液流进装有排除极限为2500以下的水性的尺寸排除模式填料的预处理柱10，例如一根聚醚醚酮PEEK柱子，内径7.5mm，长250mm，填充Sephadex G-15填料(排除极限1500；Pharmacia Biosystems公司产品)，在此，电解质按照尺寸排除色谱的分离原理被分开。结果，具有高分子量的胶先流出，接着流出低分子量的电解质组分。
从预处理柱10流出的胶和电解液组分通过第一检测器11检测，例如，在波长210nm处的吸光度检测器。在胶进入分离柱12之后，大量电解液组分进入分离柱12之前，六通阀3被转换以分别使第一连结口4和第六连结口9连接，第三连结口6和第二连结口5连接，以及第五连结口8和第四连结口7连接。在这个转换结束阶段，流动相按照以下顺序流动槽16→进样器2→六通阀3→分离柱12→第二检测器13→六通阀3→预处理柱10→第一检测器11→六通阀3→排液管14，并且电解质组分通过管道14流出体系。
分离柱12用的是一装有排除极限为10000以上的水性的尺寸排除模式填料的柱子，例如SHODEX PROTEIN KW-802.5柱子(排除极限50000；内径8mm；长度300mm；昭和电工有限公司产品)。进入到分离柱12的胶按照分子量的大小和分子量分布分离开，然后流出。流出的胶通过第二检测器检测，例如，在波长210nm处的吸光度检测器。根据检测数据通过数据处理器计算出胶浓度和分子量分布。
根据本发明，当胶在装配于分离柱前的预处理柱中的流动相中流动时，胶可以从电解质组分中自动被分离开。这就消除了在进行测试之前对电解液进行初步预处理的必要，并且结果导致测试过程中胶的分解降到最小程度。由于大量共存的电解液组分通过转换六通阀而被排出测试系统，共存物质的影响可以减小。分离柱的工作提供了胶分子量分布以及浓度的信息，这使检测胶随时间的分解进程成为可能。
本发明的方法使我们可能测试在各种电解液和电镀浴中的少量(毫克每升级)胶的浓度和分子量分布。例如，在分析铜电解液中，该方法使得测量分子量小至790以上的胶的浓度和分子量分布是可行的。这将显示出迄今为止不可测的低分子量(如790到2500)胶组分对电沉积铜箔物理性质的影响，例如高温伸长性、粗度以及抗张强度。这样显示出的信息可以利用来进行过程控制。当本发明的方法应用到其它电解液、电镀浴等，某些情况应当对流动相组成进行必要的变更。预处理柱和分离柱的种类也要进行必要的变化，并且根据试样中胶的分子尺寸优选柱子。
下面将参照实施例和测试实施例对本发明进行更详细的说明，但应当理解到本发明并不局限于下面所解释的。
用图2所示的仪器进行分析，其中流动相0.005M硫酸/乙腈体积比为95/5溶液。
预处理柱聚醚醚酮PEEK柱子(内径7.5mm，长250mm)填充Sephadex G-15填料(颗粒尺寸≤66um；排除极限1500；Pharmacia Biosystems公司产品)。
分离柱SHODEX PROTEIN KW-802.5柱子(排除极限50000；内径8mm；长度300mm；昭和电工有限公司产品)。
两根柱子恒温在25℃。流动相以恒定流速0.6mm/min输送到体系中，当基线稳定后，将200微升试样注入到进样器中并流入预处理柱中。胶首先流出。当Cu2+离子开始流出，转换六通阀结果使随后流出的电解液组分排出体系。然后含有流出的胶和随后含有Cu2+离子的流体进入分离柱，在这里明胶按照分子量的大小被分开。流出的胶用一个测试波长在210纳米处的吸光度检测器检测。检测器出来的信号被输入数据处理器的内存，它能够借助于预先做好的分子量校正曲线和浓度曲线进行GPC计算以得到分子量分布和浓度。各种平均分子量，如数均分子量和重均分子量，可以从如此得到的分子量分布曲线中计算出。
对试样进行分析得到的色谱图如图3所示。从色谱图得出的胶的分子量分布见图4所示。通过刚刚在Cu2+离子流出前的胶的峰面积得出具有大约2500以上的分子量的胶的浓度为2.8mg/l。
测试条件预处理柱聚醚醚酮PEEK柱子(内径7.5mm，长250mm)填充Sephadex G-15填料(颗粒尺寸≤66um；排除极限1500；Pharmacia Biosystems公司产品)。
分离柱Asahipak GS-320HQ(排除极限40000；内径7.6mm；长度300mm；昭和电工有限公司产品)。
温度25℃。
流动相0.005M硫酸/乙腈体积比为80/20溶液。
流动相流速0.6ml/min。
注射试样的量200ul。
检测210nm处的紫外吸光度检测器。
从图5的色谱图可以很明显地看出，本发明的测试方法使测试具有790以上的分子量的胶的浓度和分子量分布是可行的。测试实施例1通过电解一种电解液生产具有35微米厚的铜箔，该电解液中含有80g/l的铜、150g/l的游离硫酸、3mg/l的氯离子以及不同量(mg/l)的胶，液体温度49℃，电流密度100A/dm2。
在电解过程中电解液中的胶浓度用本发明的方法进行测试。胶浓度和得到的铜箔的的抗张强度的关系见图7所示。从图7可见，铜箔的抗张强度和胶的浓度成反比。由于本发明提供了一种精确测量胶浓度的方法，使任意控制铜箔的抗张强度是可行的。
权利要求
1.一种测试包含在电解液中的胶或明胶浓度和分子量分布的方法，其包括结合使用柱转换的高效液相色谱。
2.根据权利要求1的方法，其中所述的高效液相色谱是凝胶渗透色谱。
3.根据权利要求1的方法，其中一种含有3体积％以上的乙腈和97体积％以下的浓度为0.002到0.01M的稀硫酸的混合溶液被用作流动相，排除极限为2500以下的尺寸排除模式的填料填充的一个柱子被用作预处理柱，用排除极限为10000以上的尺寸排除模式的填料填充的一个柱子被用作分离柱。
4.根据权利要求3的方法，其中多个所述分离柱是串联使用。
5.根据权利要求3的方法，其中所述的分离柱的填料是选自于二氧化硅、羧基化的聚乙烯醇和聚羟基甲基丙烯酸酯。
全文摘要
一种测试包含在电解液中的胶或明胶浓度和分子量分布的方法,其包括结合使用柱转换的高效液相色谱。
文档编号B01J20/283GK1366613SQ01801130
公开日2002年8月28日 申请日期2001年4月6日 优先权日2000年5月29日
发明者田口丈雄, 荐田康夫, 端洋志, 栗原美穗, 冈田贤造 申请人:三井金属矿业株式会社