凝膠滲透色譜

凝膠滲透色譜第1頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三1953年--Wheaton和Bauman--

用多孔樹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--J.C.Moore—

將連續(xù)式高靈敏度的示差折光儀接在分離柱后，并以體積計量方式作圖，制成了快速且自動化的高聚物分子量及分子量分布的測定儀，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---GelPermeationChromatography也稱作體積排斥色譜SEC---SizeExclusionChromatography以溶劑作流動相，流經(jīng)多孔填料作為分離介質(zhì)的液相色譜法。第2頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三2凝膠滲透色譜的原理以多孔樹脂為固定相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)0<K<1V0和Vg對分離沒有貢獻，應(yīng)盡量減小，Vi越大分離效果越好用溶劑推動聚合物樣品流過固定相產(chǎn)生大小分子順序流出的分離第3頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三凝膠滲透色譜柱是如何工作的第4頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三流出級份的保留時間（洗脫體積）提供其分子量（尺寸）的信息。從檢測器信號強度得到各流出級分的濃度。由示差檢測器連續(xù)記錄流出樣品的濃度用已知分子量的標(biāo)樣標(biāo)定出流出時間和分子量的關(guān)系，再對未知樣各流出級份的時間（分子量）和強度進行統(tǒng)計計算得到分子量分布。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量

溶劑化體積第5頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三第6頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三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器恒溫區(qū)廢液溶劑典型分離式GPC系統(tǒng)示意圖進樣閥柱溫箱預(yù)熱板3.凝膠滲透色譜儀第7頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三為GPC加熱的理由降低流動相黏度，使得譜柱內(nèi)部溶劑處于接近理想的GPC狀態(tài)（如Polyethylene–Terphthalatem-Cresol+0.05mLiBr/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PE\PP、工程塑料PPS等）使GPC檢測處在一個溫度穩(wěn)定的環(huán)境第8頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三進樣閥GPC色譜柱廢液廢液管柱溫箱檢測器1檢測器2檢測器3連接管在同一個溫控區(qū)集成了進樣閥、色譜柱、檢測器，保證溫度的一致性和穩(wěn)定性一體化溫控區(qū)的示意圖第9頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三Temp.(DegC)18.519.019.520.0MV-1.000.001.002.00Minutes51015202530354045505560657075實驗室溫度波動對RI檢測器基線的影響MobilPhase–Methanol@0.25/mLminuteDetectorTemp35CNoColumnHeaterUsedRoomTemperatureRIBaseline第10頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三WatersG2000高溫凝膠色譜儀第11頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三多檢測器集成的GPC系統(tǒng)紫外檢測器（濃度型）粘度檢測器（分子量型）多角激光光散射檢測器（分子量型）紅外接口（特征基團型為測量短鏈支化）第12頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三聚合物的分子結(jié)構(gòu)分子量分布增加分子量PD=Mw/Mn

增加濃度第13頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三聚合物的各種平均分子量Mn：用滲析計測出(Osmometry)Mw：用光散射計測出(LightScattering)Mv：用粘度計測出(Viscometry)Mz及Mz+1：用超速離心法測出(Ultracentrifuge)Mw/Mn：為多分散性(Polydispersity)

Mn<Mv<Mw<Mz<Mz+1用GPC測得的分子量分布可以計算出各種不同種平均分子量，可對應(yīng)于其他儀器所測的值。第14頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三標(biāo)樣與待測樣品不同種類4.存在問題及解決辦法以同類聚合物的標(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有不同的溶劑化體積

采用標(biāo)樣的校正曲線，只能得到與標(biāo)樣分子溶劑化體積相同的相對分子量第15頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三討論：請給出你的解決辦法第16頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三5.對測試結(jié)果產(chǎn)生影響的因素輸液系統(tǒng)樣品制備進樣系統(tǒng)柱溫變化色譜柱結(jié)構(gòu)與性能檢測器的影響流動相的種類第17頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三溶劑輸送系統(tǒng)高流速精度是獲得重現(xiàn)性GPC結(jié)果的基礎(chǔ)微小的流速誤差會導(dǎo)致分子量計算的很大誤差使用參考峰(FlowMarkers)的技術(shù)可校正流速誤差第18頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三固態(tài)(半結(jié)晶)液態(tài)(稀溶液)樣品制備的影響第19頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三樣品制備的影響用淋洗液制樣，使聚合物在分析的整個過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)，并且使溶劑峰最小溶解必須使聚合物鏈打開成最放松的狀態(tài)允許充分的時間讓鏈展開有些聚合物需要大于3小時分子量及結(jié)晶度愈大，所需真正溶解的時間就俞多某些結(jié)晶的聚合物需要加熱第20頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三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）除非該樣品可能會有剪切效應(yīng)發(fā)生，聚合物溶液必須過濾為了增加樣品的溶解，可輕微擾動（不要劇烈搖動或用超聲）窄分布標(biāo)樣不必過濾，高分子量標(biāo)樣也不要劇烈搖動可使用在線過濾器，但是不推薦使用保護柱第21頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三SamplePE-150C-2hSamplePE-150C-4hSamplePE-160C-2hSamplePE-160C-4hSamplePE-170C-2hSamplePE-170C-4hMinutes16.017.018.019.020.021.022.023.024.025.0150C170C樣品制備的影響第22頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三進樣系統(tǒng)的影響40瓶位樣品盤2ml玻璃瓶卷邊壓緊鋁瓶蓋優(yōu)先進樣的樣品緩慢攪拌雙溫區(qū)設(shè)計是降解風(fēng)險降至最低

進樣點熱區(qū)溫區(qū)50100200溫度(C)-20-1001020瓶位CarouselMotion進樣點Agitated自動進樣器第23頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三柱溫對分辨率影響Column: PLgel5umMIXED-C 300x7.5mmEluent: DMFFlowrate: 1.0ml/minPEO/PEGstandards990,000 252,00086,000 18,0004,800 200增加溫度:降低操作壓力改善分辨率,尤其是對于高分子量第24頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三色譜柱結(jié)構(gòu)與性能的影響在THF中包含胺類基團的聚合物經(jīng)常會和色譜柱填料發(fā)生作用，造成保留時間延長

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

在例子中一個含胺的紫外穩(wěn)定劑，在用四氫呋喃分析時加入5%三乙胺，譜圖明顯得到改善Sample: HostavinN30Column: 2xPLgel3μmMIXED-EFlowrate: 1.0ml/minInjectionvolume:20μlDetector: PL-ELS1000第25頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三EluentModificationinOrganicGPC-AcidsSample: AcryliccopolymerColumn: 3xPlgel5μmMIXED-CFlowrate: 1.0ml/minInjectionvolume: 20μlDetector: DRI

SomeacidicsamplescontainingpolarcomponentscanbedissolvedinTHFbutwhenanalysedinthatsolventshowinteractionswiththepackingmaterialAdditionofasmallamountofaceticacidreducestheseinteractionsbyreducingtheioniccharacterofthepolymersInthisexampleaacrylicco-polymershowingionicexclusioncouldbeanalysedinTHFwith5%aceticacid第26頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三ColumnConditioninginOrganicGPC

Somesamples,especiallypolarresins(e.g.phenolformaldehyde)caninteractwithpackingmaterialsonfirstinjectionSubsequentinjectionsresultinachangingpeakprofileasthenumberofinteractingsitesisreducedEventuallythepeakshapestabilisesThisiscalledcolumnconditioningTo‘condition’thecolumn,multiplesampleinjectionscanbemadetoblockinteractingsitesEluent: THFColumn: ResiPoreFlowrate: 1.0ml/minInjectionvolume: 20μlDetector: DRI第27頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三

MIXEDbedcolumnsgiveextendedrangeoverindividualporesizeManufacturedtogivenodiscontinuities

CombineindividualporesizecolumnstoextendrangeCancausepeakshapevariationduetomismatchinporevolume色譜柱對數(shù)據(jù)的影響

第28頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三聚合物色譜中的檢測器濃度響應(yīng)值正比于濃度C實例：示差(refractometer)檢測器

N=(dn/dc)C紫外檢測器蒸發(fā)光散射檢測器使用單一濃度型檢測器的體積排除分離模式色譜被稱作傳統(tǒng)GPC第29頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三“絕對”分子量分布的測定RI/V檢測器結(jié)合使用

VI的響應(yīng)值正比于C

H/M=C[]H，大分子的尺寸；流體力學(xué)體積[]=VI/RI，特征粘度(intrinsicviscosity)

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，即依賴性在給定的流動相、色譜柱組及溫度下，H=H(V)是通用的第30頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三LogH246810ElutionvolumeV,mL16182022242628RI/V檢測器結(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 foreachstandardH=MST[]ST foreachstandardPolynomialfittoLogHuniversalcalibrationcurve“絕對”分子量分布的測定第31頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三“絕對”分子量分布的測定RI/V檢測器結(jié)合使用第二步：用聚合物分布每一切片“i”計算“絕對”分子量[]i=VIi/RiiMi=Hi/[]i第32頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三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)可通過粘度理論曲線得到：Log[]對LogM粘度理論曲線也被稱為Mark-Houwink曲線，可由下列方程式描述：Log[]=LogK+LogMK及可隨M變化第33頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三GPC中的大分子結(jié)構(gòu)形態(tài)支化降低了大分子的尺寸：對于同樣分子量的大分子來說[]branch<[]linear

支化指數(shù)

表示了支化程度的特性g'=[]branch/[]linear<1支化聚合物的支化指數(shù)：g'=g’SCBg’LCB

第34頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三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=LogKlin+linLogM具有短鏈支化(short-chainbranches)的聚合物同樣具有線性的曲線但是；KSCB<Klin，并且SCB=lin

gSCB<1–

常數(shù)(不依賴于M)線性粘度理論曲線用Mark-Houwink方程式描述第35頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三多檢測器的比較配置方法分子量支化回轉(zhuǎn)半徑傳統(tǒng)GPC相對于標(biāo)樣的色譜柱校正，得到相對分子量不能不能使用普適校正的傳統(tǒng)GPC需從文獻上得到準(zhǔn)確的K/a值，對相對分子量進行的色譜柱普適校正得到絕對分子量不能不能配了黏度檢測器的GPC測出特性黏數(shù)，得到K/a值的普適校正能，直接從特性黏數(shù)測出能，但是間接得到配了多角激光檢測器的GPC絕對測出，無需色譜柱校正能，但要符合一些假設(shè)能，當(dāng)有兩個測量角以上三檢測器聯(lián)用的GPC準(zhǔn)確結(jié)果能能第36頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三溶劑特性溶劑（中文）溶劑（英文）極性黏度（cP）沸點（℃）己烷Hexane7.30.3386環(huán)己胺Cyclohexane8.2181甲苯Toluene8.90.59110乙酸乙酯Ethylacetate9.10.4577四氫呋喃Eetrahydrofuran9.10.5566氯仿Chloroform9.30.5761甲乙酮Methylethylketone9.30.480二氯甲烷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Dimethylacetamide10.80.77166氮甲基吡咯烷酮n-Methylpyrrolidone11.31.65202二甲基亞砜Dimethylsulphoxide121.1189二甲基甲酰胺Dimethylformamide12.10.9153六氟異丙醇Hexafluroisopropanol12.21.0258第37頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三各種樣品所對應(yīng)的溶劑條件PolyisobutylenePolybutyleneChlorinatedRubberPolybutadienePolyisoprenePolydimethylsiloxaneChlorinatedPolyethylenePolyethylene–EthylacrylatePolyethylene–VinylacetonePolyethylene–MethacrylicacidPolyphenyleneoxidePoly-4-methylpentene(1)PolyethyleneUltra-highMolecularWeightPolyethylenePolypropylenePolyetheretherketonePolyetherketoneTolueneToluene/75°CTCB/135-160°CTCB/135-160°CPhenol/TCB1:1/145°C第38頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三各種樣品所對應(yīng)的溶劑條件Melamine–FormaldehydeNylon(Alltypes)Polybutylene–Terphthalate(PBT)Polyethylene–Terphthalate(PET)PolyAcrylonitrile(聚丙烯睛)ABS(Acrylonitrile–Butadiene–Styrene)ASA(Acrylic–Styrene–AcrylonitrileABA(Acrylonitrile–Butdiene–Acrylate)CarboxymethylCelluloseABS/PolycarbonatePolybutadiene–AcrylonitrilePolyurethanePolyacetalPolyoxymethylenePolyimidePolyamide–imidePolyetherimidePolyethersulfonePolyvinyldienefluoridePolyfuran–FormaldehydeHexafluoroisopropanol+0.075MSodiumTrifluoroacetate/55°Corm-Cresol+0.05mLiBr/100°CDMF+0.05mLiBr/85°CDMF+0.05mLiBr/145°CN-MethylPyrrolidone+0.05mLiBr/100°CDimethylacetamide/60°C第39頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三PolycarbonatePolyglycolicacidAcrylonitrile–MethylmethacrylateCelluloseAcetateCelluloseAcetate–ButyrateCelluloseAcetate–ProprionateCelluloseNitrateCelluloseProprionateCelluloseTriacetateDiallylPhthalateEthylCelluloseEpoxyPolyesterAlkydPolybutene(1)Polybutadiene–StyrenePhenol–FormaldehydePhenol–FurfuralPolymethylmethacrylatePolypropyleneglycolPolystyrenePolysulfonePolyvinylacetatePolyvinylbutyralPolyvinylchloridePolyvinylchloride–AcetatePolyvinyldienechloridePolyvinylformalPolystyreneAcrylonitrilePolystyrene–AlphamethylstyrenePolyesterThermosetPhenolicsRosinAcidsPolyglycolicAcidMethylChloridegamma-ButylLactoneTHF/40°C第40頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三Non-sizeExclusionEffectsinDMF,AdsorptionofPolystyreneStandardsColumn: PLgel5um500? 300x7.5mmPSstandardsinDMFareretainedonthecolumnduetohydrophobicadsorption,thereforePSarenotidealascalibrantsinDMFandotherpolarsolvents第41頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三Polyester/PolyamideApplicationsPETNylon6,6Nylon6HFIPisanalternativesolvent,viscousbutlowboilingpointColumns 2xPLHFIPgel250x4.6mmEluent : HFIP+20mMNaTFAcTemperature: 40°CFlowrate 0.3ml/minDetector DRI第42頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三凝膠滲透色譜的發(fā)展多檢測器的應(yīng)用快速GPC技術(shù)微流量GPC技術(shù)新型色譜柱技術(shù)第43頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三用多檢測器GPC技術(shù)探究poly(n-butylmethacrylate)的支化結(jié)構(gòu)

TheMark-Houwinkplotsshowthatalthoughtwoofthesamples(greytraces)weresimilarinstructure,thethird(blacktrace)gavelowervaluesofint