凝膠滲透色譜

凝膠滲透色譜法GPC2013-5-3體積排阻色譜法定義及分類

體積排阻色譜法(SEC)：利用多孔凝膠固定相的獨特特性而產(chǎn)生的一種主要依據(jù)分子尺寸大小進行分離的方法。

●凝膠滲透色譜(GPC:Gelpermeationchromatography)主要用于聚合物領域以有機溶劑為流動相(氯仿，THF，DMF)常用固定相填料：苯乙烯－二乙烯基苯共聚物●凝膠過濾色譜(GFC:Gelfiltrationchromatography)主要用于生命科學領域以水溶液為流動相常用固定相填料：親水性有機凝膠(葡聚糖，瓊脂糖，聚丙烯酰胺等)一、緒論

1964年由J.C.Moore首先研究成功

(J.Polym.Sci.,PartA:Polym.Chem.1964,2(2):835-843)以苯乙烯和二乙烯基苯在不同的稀釋劑存在下制成了一系列孔徑不同的凝膠，可以在有機溶劑中分離分子量從幾千到幾百萬的試樣；第二年Maly用示差折光儀為濃度檢測器，以體積指示器為分子量檢測器制成凝膠色譜儀，從而創(chuàng)立了液相色譜中的凝膠滲透色譜技術。凝膠滲透色譜法(GPC)是一種新型的液相色譜。二、基本原理凝膠滲透色譜是一種液相色譜，原理是利用高分子溶液通過一根裝填有凝膠的柱子，在柱中按分子大小進行分離。柱子為玻璃柱或金屬柱，內填裝有交聯(lián)度很高的球形凝膠。其中的凝膠類型有很多，都是根據(jù)具體的要求而確定(常用的有聚苯乙烯凝膠)。然而無論哪一種填料，他們都有一個共同點，就是球形凝膠本身都有很多按一定分布的大小不同的孔洞。

當被分析的試樣隨著淋洗溶劑進入柱子后，溶質分子即向填料內部孔洞擴散。較小的分子除了能進入大的孔外，還能進入較小的孔；較大分子則只能進入較大的孔；而比最大的孔還要大的分子就只能留在填料顆粒之間的空隙中。隨著溶劑的淋洗，大小不同的分子就得到分離，較大的分子先被淋洗出來，較小的分子較晚被淋洗出來。

孔穴填充物顆粒大中小樣品

溶質分子的體積越小，其淋出體積越大。這種解釋不考慮溶質與載體之間的吸附效應以及在流動相和固定相之間的分配效應。淋出體積僅僅由溶質分子尺寸和載體的孔尺寸決定，分離完全是由于體積排除效應所致，故稱為體積排除機理。GPC柱

●排阻極限

排阻極限是指不能進入凝膠顆?？籽▋炔康淖钚》肿拥姆肿恿?。所有大于排阻極限的分子都不能進入凝膠顆粒內部，直接從凝膠顆粒外流出，所以它們同時被最先洗脫出來。排阻極限代表一種凝膠能有效分離的最大分子量，大于這種凝膠的排阻極限的分子用這種凝膠不能得到分離。隨固定相不同，排阻極限范圍約在400至60×106之間。

●滲透極限

能夠完全進入凝膠顆?？籽▋炔康淖畲蠓肿拥姆肿恿俊Ｔ谶x擇固定相時，應使欲分離樣品粒子的相對分子質量落在固定相的滲透極限和排阻極限之間。Hi：峰高Mi：分子量應用GPC峰高法計算平均分子量需要GPC軟件才可計算Mw

GPC儀的組成：泵系統(tǒng)、（自動）進樣系統(tǒng)、凝膠色譜柱、檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。三、GPC儀器配置

泵系統(tǒng)：

包括一個溶劑儲存器、一套脫氣裝置和一個高壓泵。它的工作是使流動相（溶劑）以恒定的流速流入色譜柱。泵的工作狀況好壞直接影響著最終數(shù)據(jù)的準確性。越是精密的儀器，要求泵的工作狀態(tài)越穩(wěn)定。要求流量的誤差應該低于0.01mL/min。色譜柱：

按照樣品所溶解的溶劑來選擇柱子所屬系列

THF、氯仿、DMF。

必須選擇合適的溶劑來溶解聚合物。按照樣品分子量范圍來選擇柱子型號

樣品分子量應處在排阻極限和滲透極限范圍內，并且最好是處在校正曲線線性范圍內。載體是GPC產(chǎn)生分離作用的關鍵。

GPC儀器對載體的要求：1.良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；2.有一定的機械強度；3.不易變形;4.流動阻力小；5.對試樣沒有吸附作用；6.分離范圍越大越好（取決于孔徑分布)等；7.載體的粒度愈小，愈均勻，堆積的愈緊密，色譜柱分離效率愈高。

檢測系統(tǒng)：

通用型檢測器：適用于所有高聚物和有機化合物的檢測。有示差折光儀檢測器、紫外吸收檢測器、粘度檢測器。

示差折光儀檢測器：溶劑的折光指數(shù)與被測樣品的折光指數(shù)有盡可能大的區(qū)別。

紫外吸收檢測器：在溶質的特征吸波長附近溶劑沒有強烈的吸收。

選擇型檢測器：適用于對該檢測器有特殊響應的高聚物和有機化合物。有紫外、紅外、熒光、電導檢測器等。

直接法：◆把激光光散射與凝膠色譜儀聯(lián)用，在得到濃度譜圖的同時，還可得到散射光強對淋出體積的譜圖，從而計算出分子量分布曲線和整個試樣的各種平均分子量?！舭袵PC儀與光散射儀連用，由光散射儀連續(xù)測定聚合物樣品中各個級分的相對分子質量，由GPC儀中的濃度示差檢測器檢測各個級分的濃度，就可以得到聚合物的各種平均相對分子質量。

四、實驗部分間接法：用已知相對分子質量的單分散標準聚合物預先做一條淋洗體積或淋洗時間和相對分子質量對應關系曲線，該線稱為“校正曲線”。在相同的測試條件下，做一系列的GPC標準譜圖，對應不同相對分子質量樣品的保留時間，以lgM對t作圖，所得曲線即為“校正曲線”。通過校正曲線，就能從GPC譜圖上計算各種所需相對分子質量與相對分子質量分布的信息。常見的標樣：聚苯乙烯(PS，溶于各種有機溶劑)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚環(huán)氧乙烷(PEO，也叫聚氧化乙烯，溶于水)聚乙二醇(PEG，溶于水)

注意事項：

◆由于凝膠色譜中濃度檢測通常使用示差折光檢測器，其靈敏度不太高，所以試樣的濃度不能配置得太稀。但另一方面色譜柱的負荷量是有限的，濃度太大易發(fā)生“超載”現(xiàn)象。

◆一般情況下，進樣濃度按分子質量大小的不同在0.05～0.5%(質量分數(shù))范圍內配置。分子質量越大，溶液濃度越低。

◆標樣配制應該嚴格按照標樣說明書進行。通常室溫靜置12小時以上，然后輕輕混勻。絕對不能超聲或者劇烈振蕩來加速溶解。

◆溶液進樣前應先經(jīng)過過濾，以防止固體顆粒進入色譜柱內，引起柱內堵塞，損壞色譜柱。進樣濃度范圍及體積：分子量范圍樣品濃度：

低于5,000<1.0%5,000～25,000<0.5%25,000～200,000<0.25%200,000～2,000,000<0.1%高于2,000,000<0.05%進樣體積：50-100uL之間(濃度在0.05%-0.5%之間)GPC校正方法

窄分布標樣校正法選用與被測樣品同類型的單分散性(d≤1.1)標樣，先用其他方法精確測定其平均相對分子質量，然后與被測樣品在同樣的條件下進行GPC分析。

普適校正法此法的優(yōu)點是只要用一種高聚物（一般用窄分布聚苯乙烯）作標準曲線就可以測定其他類型的聚合物，但先決條件是2種高聚物的K和α值必須己知。

漸進試差法(寬分布標樣校正法)這種方法不需要窄分布樣品，其標樣可為1~3個不同相對分子質量的寬分布標樣（平均相對分子質量精確測量，Mw和Mn為已知），采用數(shù)學處理方法得到漸進試差法的校正曲線。1、凝膠滲透色譜法測定聚氨酯樹脂的平均相對分子質量流動相：DMF，流速為1.0ml/min進樣量：100μL；柱溫：50℃。標準工作曲線的繪制取重均相對分子質量為3.21×10～3.05×10的5種Ps標準樣品，用DMF配制成系列濃度的標準溶液，然后用0.45μm濾膜過濾，取濾液測試,求得Ps的標準工作曲線線性方程。五、凝膠滲透色譜的應用2、高分子與低分子同時測定

由于小分子和高分子的流體力學體積相差較大，因而GPC可以同時分析而不必進行預先分離。一般來說從高分子材料的GPC可以同時看到三個區(qū)域：A：高分子；B：添加劑和齊聚物；C：未反應的單體和低分子的污染物，如水。(1)環(huán)氧樹脂中樹脂和齊聚物的同時分析

普通雙酚A型環(huán)氧樹脂有很寬的分子量范圍(高，中，低）。GPC能快速可靠地鑒別不同類型環(huán)氧樹脂的分子量特性。低、中和高分子量雙酚A型環(huán)氧樹脂的GPC譜圖色譜條件：

四根微粒凝膠柱(7.7mm250mm)，孔徑分別為5、10、50和100nm，顆粒直徑10m；280nm下UV檢測；流動相為四氫呋喃，流速1mL/min；柱溫為50℃；樣品量為10L0.2%~0.5%溶液

三種不同分子量的GPC譜圖如圖所示，圖上數(shù)字代表不同的聚合度n，樹脂和齊聚物的峰形特征可用作指紋圖，以區(qū)別不同廠家和批號的產(chǎn)品。(2)高分子材料中小分子的定性鑒別

和其他色譜方法一樣，GPC也可以用保留體積來鑒別或分離后用IR等方法鑒定中小分子物質。如果能預測某未知峰屬于某種化合物，則將該化合物加入該試樣中，比較前后的譜圖變化，如果未知峰強化，則很可能就是該物質。用強化法鑒別高分子材料中的小分子化合物的示意圖(1)丁苯橡膠在塑煉時分子量分布的變化

在塑煉過程中定時取樣分析，結果如圖。隨時間的增加，高分子量組分裂解增加，GPC曲線向低分子量方向移動，經(jīng)過25min以后，高分子量組分幾乎完全消失。如果塑煉的目的就是消除該組分，那么25min足夠了。通過GPC數(shù)據(jù)可以幫助工作人員確定塑煉時間。3、在高分子材料生產(chǎn)過程中的檢測經(jīng)不同時間塑煉后的丁苯膠的GPC譜圖塑煉時間為：0：0min；1：4min；2：5min；3：25min；4：120min；5：180min(2)控制聚合反應的終點

用GPC對聚合物進行中間反應分析，使生產(chǎn)人員能在達到預定的單體/聚合物比后即時終止反應。用GPC對聚合終點控制分析的示意圖——反應開始時全部是單體；反應進行一半，部分單體部分聚合物；反應終點，大部分是聚合物，單體/聚合物比為0.154、高分子材料老化過程研究

可以研究高分子材料在使用過程中的老化，研究老化機理。以高密度聚乙烯HDPE為例，必須加適量抗氧劑以提高耐候性。在耐候試驗不同階段的HDPE樣品的GPC譜圖1-開始時；2-第一階段；3-第二階段；4-最后階段5、高分子支化度的測定

表征高分子支化度的參數(shù)常用的是支化因子g：

顯然對于相同分子量的高分子，所以支化程度越大，g越小。另一個支化參數(shù)是G:[]b—支化高分子的特性粘度；[]l—線型高分子的特性粘度。因為支化高分子的流體力