凝膠滲透色譜定義和診斷要求

1、凝膠滲透色譜定義和診斷要求1953年-Wheaton和Bauman- 用多孔樹(shù)脂按分子量大小分離了苷、多元醇和其它非離子物質(zhì)，觀察到分子尺寸排除現(xiàn)象。 1959年-Porath和Flodin 用葡聚糖凝膠分離了水溶液中不同分子量的樣品。 1962年- 將連續(xù)式高靈敏度的示差折光儀接在分離柱后，并以體積計(jì)量方式作圖，制成了快速且自動(dòng)化的高聚物分子量及分子量分布的測(cè)定儀，創(chuàng)立了凝膠滲透色譜技術(shù)。 研發(fā)歷程：凝膠滲透色譜GPC-Gel Permeation Chromatography也稱(chēng)作體積排斥色譜SEC-Size Exclusion Chromatography以溶劑作流動(dòng)相，流經(jīng)多孔填料作為

2、分離介質(zhì)的液相色譜法。2 凝膠滲透色譜的原理以多孔樹(shù)脂為固定相Vg載體骨架體積Vi載體孔洞體積V0載體粒間體積淋出體積Ve=V0+KVi分配系數(shù)0K1V0和Vg對(duì)分離沒(méi)有貢獻(xiàn)，應(yīng)盡量減小，Vi越大分離效果越好用溶劑推動(dòng)聚合物樣品流過(guò)固定相產(chǎn)生大小分子順序流出的分離凝膠滲透色譜柱是如何工作的流出級(jí)份的保留時(shí)間（洗脫體積）提供其分子量（尺寸）的信息。從檢測(cè)器信號(hào)強(qiáng)度得到各流出級(jí)分的濃度。由示差檢測(cè)器連續(xù)記錄流出樣品的濃度用已知分子量的標(biāo)樣標(biāo)定出流出時(shí)間和分子量的關(guān)系，再對(duì)未知樣各流出級(jí)份的時(shí)間（分子量）和強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到分子量分布。聚合物在色譜柱中的分離是基于分子在溶劑中表現(xiàn)出的體積而不是分子

3、量 溶劑化體積InOutSR緩沖柱色譜柱溶劑輸送系統(tǒng)在線脫氣放空閥加熱廢液管兒示差折光檢測(cè)器恒溫區(qū)廢液溶劑典型分離式GPC系統(tǒng)示意圖進(jìn)樣閥柱溫箱預(yù)熱板3. 凝膠滲透色譜儀為GPC加熱的理由降低流動(dòng)相黏度，使得譜柱內(nèi)部溶劑處于接近理想的GPC狀態(tài)（如Polyethylene Terphthalate m-Cresol + 0.05 m LiBr/100 C）盡量減輕分子間的弱相互作用（樣品分子間、樣品和溶劑分子間、填料和樣品分子間等）使難于溶解的樣品得以溶解（如聚烯烴PEPP、工程塑料PPS等）使GPC檢測(cè)處在一個(gè)溫度穩(wěn)定的環(huán)境進(jìn)樣閥GPC色譜柱廢液廢液管柱溫箱檢測(cè)器1檢測(cè)器2檢測(cè)器3連接管在同

4、一個(gè)溫控區(qū)集成了進(jìn)樣閥、色譜柱、檢測(cè)器，保證溫度的一致性和穩(wěn)定性一體化溫控區(qū)的示意圖Temp.(Deg C)MVMinutes51015202530354045505560657075實(shí)驗(yàn)室溫度波動(dòng)對(duì)RI檢測(cè)器基線的影響Detector Temp 35 CNo Column Heater UsedRoom TemperatureRI BaselineWaters G2000高溫凝膠色譜儀多檢測(cè)器集成的 GPC 系統(tǒng)紫外檢測(cè)器（濃度型）粘度檢測(cè)器（分子量型）多角激光光散射檢測(cè)器（分子量型）紅外接口（特征基團(tuán)型為測(cè)量短鏈支化）聚合物的分子結(jié)構(gòu)分子量分布增加分子量PD = Mw / Mn 增加濃度聚

5、合物的各種平均分子量 Mn：用滲析計(jì)測(cè)出(Osmometry)Mw：用光散射計(jì)測(cè)出(Light Scattering)Mv：用粘度計(jì)測(cè)出(Viscometry)Mz及Mz+1：用超速離心法測(cè)出(Ultracentrifuge)Mw/Mn：為多分散性(Polydispersity) MnMvMwMzMz+1用GPC測(cè)得的分子量分布可以計(jì)算出各種不同種平均分子量，可對(duì)應(yīng)于其他儀器所測(cè)的值。標(biāo)樣與待測(cè)樣品不同種類(lèi)4. 存在問(wèn)題及解決辦法以同類(lèi)聚合物的標(biāo)準(zhǔn)樣品可繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線，給出淋出體積與分子量的關(guān)系。不同種類(lèi)的聚合物，在溶劑中受到的作用不同，所以即使相同的分子量也會(huì)有不同的溶劑化體積 采用標(biāo)樣的校

6、正曲線，只能得到與標(biāo)樣分子溶劑化體積相同的相對(duì)分子量討論：請(qǐng)給出你的解決辦法5. 對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響的因素輸液系統(tǒng)樣品制備進(jìn)樣系統(tǒng)柱溫變化色譜柱結(jié)構(gòu)與性能檢測(cè)器的影響流動(dòng)相的種類(lèi)溶劑輸送系統(tǒng)高流速精度是獲得重現(xiàn)性GPC結(jié)果的基礎(chǔ)微小的流速誤差會(huì)導(dǎo)致分子量計(jì)算的很大誤差使用參考峰(Flow Markers)的技術(shù)可校正流速誤差固態(tài) (半結(jié)晶)液態(tài) (稀溶液)樣品制備的影響樣品制備的影響用淋洗液制樣，使聚合物在分析的整個(gè)過(guò)程中處于穩(wěn)定狀態(tài)，并且使溶劑峰最小溶解必須使聚合物鏈打開(kāi)成最放松的狀態(tài)允許充分的時(shí)間讓鏈展開(kāi)有些聚合物需要大于3小時(shí)分子量及結(jié)晶度愈大，所需真正溶解的時(shí)間就俞多某些結(jié)晶的聚合物需

7、要加熱樣品制備的影響樣品濃度與分子量相關(guān)（分子量越大，濃度越低）除非該樣品可能會(huì)有剪切效應(yīng)發(fā)生，聚合物溶液必須過(guò)濾為了增加樣品的溶解，可輕微擾動(dòng)（不要?jiǎng)×覔u動(dòng)或用超聲）窄分布標(biāo)樣不必過(guò)濾，高分子量標(biāo)樣也不要?jiǎng)×覔u動(dòng)可使用在線過(guò)濾器，但是不推薦使用保護(hù)柱 Sample PE-150C-2h Sample PE-150C-4h Sample PE-160C-2h Sample PE-160C-4h Sample PE-170C-2h Sample PE-170C-4h Minutes16.017.018.019.020.021.022.023.024.025.0150 C170 C樣品制備的影響進(jìn)

8、樣系統(tǒng)的影響40 瓶位樣品盤(pán)2ml 玻璃瓶卷邊壓緊鋁瓶蓋優(yōu)先進(jìn)樣的樣品緩慢攪拌雙溫區(qū)設(shè)計(jì)是降解風(fēng)險(xiǎn)降至最低 進(jìn)樣點(diǎn)熱區(qū)溫區(qū)50 100 200 溫度 (C)-20 -10 0 10 20 瓶位Carousel Motion進(jìn)樣點(diǎn)Agitated自動(dòng)進(jìn)樣器柱溫對(duì)分辨率影響Column : PLgel 5um MIXED-CEluent : DMFPEO/PEG standards990,000252,00086,00018,0004,800200增加溫度 : 降低操作壓力改善分辨率, 尤其是對(duì)于高分子量色譜柱結(jié)構(gòu)與性能的影響 在THF中包含胺類(lèi)基團(tuán)的聚合物經(jīng)常會(huì)和色譜柱填料發(fā)生作用，造成保留時(shí)間

9、延長(zhǎng) 在溶劑中添加少量的三乙胺降低相互作用的影響就可使色譜圖恢復(fù)正常 在例子中一個(gè)含胺的紫外穩(wěn)定劑，在用四氫呋喃分析時(shí)加入 5% 三乙胺，譜圖明顯得到改善Sample:Hostavin N30Column:2xPLgel 3m MIXED-EInjection volume: 20lDetector: PL-ELS 1000Eluent Modification in Organic GPC - AcidsSample:Acrylic copolymerColumn:3xPlgel 5m MIXED-C Injection volume: 20lDetector: DRI Some acidi

10、c samples containing polar components can be dissolved in THF but when analysed in that solvent show interactions with the packing material Addition of a small amount of acetic acid reduces these interactions by reducing the ionic character of the polymers In this example a acrylic co-polymer showin

11、g ionic exclusion could be analysed in THF with 5% acetic acidColumn Conditioning in Organic GPC Some samples, especially polar resins (e.g. phenol formaldehyde) can interact with packing materials on first injection Subsequent injections result in a changing peak pro the number of interacting sites

12、 is reduced Eventually the peak shape stabilises This is called column conditioning To condition the column, multiple sample injections can be made to block interacting sitesEluent: THFColumn:ResiPoreInjection volume: 20lDetector: DRI MIXED bed columns give extended range over individual pore size M

13、anufactured to give no discontinuities Combine individual pore size columns to extend range Can cause peak shape variation due to mismatch in pore volume色譜柱對(duì)數(shù)據(jù)的影響 聚合物色譜中的檢測(cè)器濃度響應(yīng)值正比于濃度C實(shí)例：示差(refractometer)檢測(cè)器 N = (dn/dc) C紫外檢測(cè)器蒸發(fā)光散射檢測(cè)器使用單一濃度型檢測(cè)器的體積排除分離模式色譜被稱(chēng)作 傳統(tǒng)GPC“絕對(duì)”分子量分布的測(cè)定RI/V 檢測(cè)器結(jié)合使用 VI的響應(yīng)值正比于 C

14、 H / M = C H，大分子的尺寸；流體力學(xué)體積 = VI / RI，特征粘度(intrinsic viscosity) 普適校正的假設(shè)：具有同樣大小(H)的大分子應(yīng)有同樣的洗脫體積，即依賴(lài)性在給定的流動(dòng)相、色譜柱組及溫度下，H = H(V)是通用的Log H246810Elution volume V, mL16182022242628RI/V 檢測(cè)器結(jié)合使用，第一步：用任何 窄分布標(biāo)樣(化學(xué)結(jié)構(gòu)不重要)建立普適校正曲線 ST = VI / RI for each standard H = MST ST for each standard Polynomial fit to Log H

15、universal calibration curve “絕對(duì)”分子量分布的測(cè)定“絕對(duì)”分子量分布的測(cè)定RI/V 檢測(cè)器結(jié)合使用第二步：用聚合物分布每一切片“i”計(jì)算“絕對(duì)”分子量i = VIi / RiiMi = Hi / i GPC中的大分子結(jié)構(gòu)形態(tài)大分子的結(jié)構(gòu)形態(tài)(支化)可通過(guò)粘度理論曲線得到：Log 對(duì) Log M 粘度理論曲線也被稱(chēng)為Mark-Houwink曲線，可由下列方程式描述：Log = Log K + Log MK 及 可隨 M 變化GPC中的大分子結(jié)構(gòu)形態(tài)支化降低了大分子的尺寸：對(duì)于同樣分子量的大分子來(lái)說(shuō)branch linear 支化指數(shù) 表示了支化程度的特性g = br

16、anch / linear 1支化聚合物的支化指數(shù)：g = gSCB gLCB GPC中的大分子結(jié)構(gòu)形態(tài)線性聚合物有線性的MH曲線：Log lin = Log Klin + lin Log M 具有短鏈支化(short-chain branches)的聚合物同樣具有線性的曲線但是；KSCBKlin，并且 SCB = lin gSCB 1 常數(shù)(不依賴(lài)于M)線性粘度理論曲線用Mark-Houwink方程式描述多檢測(cè)器的比較配置方法分子量支化回轉(zhuǎn)半徑傳統(tǒng)GPC相對(duì)于標(biāo)樣的色譜柱校正，得到相對(duì)分子量不能不能使用普適校正的傳統(tǒng)GPC需從文獻(xiàn)上得到準(zhǔn)確的K/a值，對(duì)相對(duì)分子量進(jìn)行的色譜柱普適校正得到絕對(duì)

17、分子量不能不能配了黏度檢測(cè)器的GPC測(cè)出特性黏數(shù)，得到K/a值的普適校正能，直接從特性黏數(shù)測(cè)出能，但是間接得到配了多角激光檢測(cè)器的GPC絕對(duì)測(cè)出，無(wú)需色譜柱校正能，但要符合一些假設(shè)能，當(dāng)有兩個(gè)測(cè)量角以上三檢測(cè)器聯(lián)用的GPC準(zhǔn)確結(jié)果能能溶劑特性溶劑（中文）溶劑（英文）極性黏度 （cP）沸點(diǎn) （）己烷Hexane7.30.3386環(huán)己胺Cyclohexane8.2181甲苯Toluene8.90.59110乙酸乙酯Ethyl acetate9.10.4577四氫呋喃Eetrahydrofuran9.10.5566氯仿Chloroform9.30.5761甲乙酮Methyl ethyl ketone

18、9.30.480二氯甲烷Dichloromethane9.70.3940二氯乙烷Dichloroethane9.80.7983丙酮Acetone9.90.3256二氯苯Dichlorobenzene101.26180三氯苯Trichlorobenzene101.89213間甲苯酚m-Cresol10.216.9202臨氯酚o-Chlorophenol10.24.11175二甲基乙酰胺Dimethyl acetamide10.80.77166氮甲基吡咯烷酮n-Methyl pyrrolidone11.31.65202二甲基亞砜Dimethyl sulphoxide121.1189二甲基甲酰胺Di

19、methyl formamide12.10.9153六氟異丙醇Hexafluroisopropanol12.21.0258各種樣品所對(duì)應(yīng)的溶劑條件PolyisobutylenePolybutyleneChlorinated RubberPolybutadienePolyisoprenePolydimethylsiloxaneChlorinated PolyethylenePolyethylene EthylacrylatePolyethylene VinylacetonePolyethylene Methacrylic acidPolyphenyleneoxidePoly-4-methylpe

20、ntene(1)PolyethyleneUltra-high Molecular Weight PolyethylenePolypropylenePolyetheretherketonePolyetherketoneTolueneToluene/75 CTCB/135 - 160 CTCB/135 - 160 CPhenol/TCB 1:1/145 C各種樣品所對(duì)應(yīng)的溶劑條件Melamine FormaldehydeNylon (All types)Polybutylene Terphthalate(PBT)Polyethylene Terphthalate(PET)Poly Acryloni

21、trile(聚丙烯睛)ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)ASA (Acrylic Styrene AcrylonitrileABA (Acrylonitrile Butdiene Acrylate)Carboxymethyl CelluloseABS/PolycarbonatePolybutadiene AcrylonitrilePolyurethanePolyacetalPolyoxymethylenePolyimidePolyamide imidePolyetherimidePolyethersulfonePolyvinyldienefluoride

22、Polyfuran FormaldehydeHexafluoroisopropanol + 0.075 MSodium Trifluoroacetate/55 Corm-Cresol + 0.05 m LiBr/100 CDMF + 0.05 m LiBr/85 CDMF + 0.05 m LiBr/145 CN-Methyl Pyrrolidone+ 0.05 m LiBr/100 CDimethylacetamide/60 CPolycarbonatePolyglycolic acidAcrylonitrile MethylmethacrylateCellulose AcetateCell

23、ulose Acetate ButyrateCellulose Acetate ProprionateCellulose NitrateCellulose ProprionateCellulose TriacetateDiallyl PhthalateEthyl CelluloseEpoxyPolyester AlkydPolybutene(1)Polybutadiene StyrenePhenol FormaldehydePhenol FurfuralPolymethylmethacrylatePolypropyleneglycolPolystyrenePolysulfonePolyviny

24、lacetatePolyvinylbutyralPolyvinylchloridePolyvinylchloride AcetatePolyvinyldienechloridePolyvinylformalPolystyrene AcrylonitrilePolystyrene AlphamethylstyrenePolyester ThermosetPhenolicsRosin AcidsPolyglycolic AcidMethyl Chloridegamma-Butyl LactoneTHF/40 CNon-size Exclusion Effects in DMF, Adsorptio

25、n of Polystyrene StandardsPS standards in DMF are retained on the column due to hydrophobic adsorption, therefore PS are not ideal as calibrants in DMF and other polar solventsPolyester/Polyamide ApplicationsPETNylon 6,6Nylon 6HFIP is an alternative solvent, viscous but low boiling pointEluent:HFIP + 20mM NaTFAcTemperature:40CFlow rate0.3 ml/minDetectorDRI凝膠滲透色譜的發(fā)展多檢測(cè)器的應(yīng)用快速GPC技術(shù)微流量GPC技術(shù)新型色譜柱技術(shù)用多檢測(cè)器GPC技術(shù)探究 poly(n-butyl methacrylate) 的支化結(jié)構(gòu)The Mark-Houwink plots show that although two of the samples (grey traces) were similar in structure, the third (black trace) gave lower values