凝胶渗透色谱.docx

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凝胶渗透色谱

凝胶渗透色谱

1.凝胶渗透色谱的简单回顾

凝胶渗透色谱[GPC（GelPermeationChromatography）][也称作体积排斥色谱（SizeExclusionChromatography）]是三十年前才发展起来的一种新型液相色谱，是色谱中较新的分离技术之一。

利用多孔性物质按分子体积大小进行分离，在六十年前就已有报道。

McBain用人造沸石成功地分离了气体和低分子量的有机化合物，1953年Wheaton和Bauman用离子交换树脂按分子量大小分离了苷、多元醇和其它非离子物质。

1959年Porath和Flodin用交联的缩聚葡糖制成凝胶来分离水溶液中不同分子量的样品。

而对于有机溶剂体系的凝胶渗透色谱来说，首先需要解决的是制备出适用于有机溶剂的凝胶。

二十世纪60年代J.C.Moore在总结了前人经验的基础上，结合大网状结构离子交换树脂制备的经验，将高交联度聚苯乙烯凝胶用作柱填料，同时配以连续式高灵敏度的示差折光仪，制成了快速且自动化的高聚物分子量及分子量分布的测定仪，从而创立了液相色谱中的凝胶渗透色谱技术。

2.凝胶渗透色谱的应用

三十多年来，凝胶渗透色谱的理论、实验技术和仪器的性能等方面有了突飞猛进的发展。

尤其是随着新型柱填料的诞生、高效填充柱的出现（目前其理论塔板数已超过10000/米）以及计算机的普及，凝胶渗透色谱在工业、农业、医药、卫生、国防、宇航以及日常生活的各个领域得到了广泛的应用。

特别是近年来，随着各种高分子材料的问世，人们对高分子科学的不断探索，高聚物的分子量及其分布的测定显得尤为重要，成为科研和生产中不可缺少的测试项目之一。

例如：

常见的聚苯乙烯塑料制品，其分子量为十几万，如果聚苯乙烯的分子量低至几千，就不能成型；相反，当分子量大到几百万，甚至几千万，它又难以加工，失去了实用意义。

科研和生产上通过控制高聚物的分子量及其分布宽度指数D（D=Mw/Mn）、分子量微分分布曲线、分子量积分分布曲线来生产出性能最佳的高聚物产品。

另外，除了快速测定分子量及其分布以外，凝胶渗透色谱还广泛用于研究高聚物的支化度，共聚物的组成分布及高聚物中微量添加剂的分析等方面。

如果配以在线的绝对分子量检测器（如：

LALLS、Multi-AngleLS、Dual-AngleLS等），凝胶渗透色谱可以测定高聚物的绝对分子量。

凝胶渗透色谱作为一门新兴的科学，随着各种新型检测器的出现（如UV、FT-IR、LS、Viscometer等），它的应用范围也逐步从生物化学、高分子化学、无机化学等向其它领域渗透，成为化学领域内必不可少的分析手段。

二、凝胶渗透色谱的基本概念

1.凝胶渗透色谱的分离机理

目前关于凝胶渗透色谱的分离机理存在着以下几种基本理论：

1.立体排斥理论；2.有限扩散理论；3.流动分离理论。

除上述理论外，尚有分子热力学理论和二次排斥理论等。

由于应用立体排斥理论解释凝胶渗透色谱中的各种分离现象与事实比较一致，因此立体排斥理论已为人们普遍采用。

即：

它的分离基础主要依据溶液中分子体积（流体力学体积）的大小来进行分离。

凝胶渗透色谱的分离过程是在装有多孔物质为填料的色谱柱中进行的，一个填料的颗料含有许多不同尺寸的小孔（这些小孔具有一定的分布），这些小孔对于溶剂分子来说是很大的，它们可以自由地扩散出入。

由于高聚物在溶液中以无规线团的形式存在，且高分子线团也具有一定的尺寸，当填料上的孔洞尺寸与高分子线团的尺寸相当时，高分子线团就向孔洞内部扩散。

显然，尺寸大的高聚物分子，由于只能扩散到尺寸大的孔洞中，在色谱柱中保留的时间就短；而尺寸小的高聚物分子，几乎能够扩散到填料的所有的孔洞中，向孔内扩散的较深，在色谱柱中保留的时间就长。

因此，不同分子量的高聚物分子就按分子量从大到小的次序随着淋洗液的流出而得到分离。

图1是高聚物分子和固定相颗粒间相互作用的示意图。

图2是不同尺寸的高聚物分子分离过程的示意图。

图1.高聚物分子和固定相颗粒间相互作用

图2.不同尺寸的高聚物分子分离过程

2.凝胶渗透色谱谱图的构成

实验上，在色谱柱后面配以（通用型/选择型）浓度监测器，便可以记录出高聚物的GPC图，如图3所示。

图3高聚物的GPC图

当聚合物样品的色谱图完成以后，经处理的数据，可作多方面的应用。

通过观察色谱图可获得很多有用的信息。

色谱图中不同的区域与聚合物样品中各成分有关，如果对高分子材料作一次全分析，就可以发现高分子材料的GPC谱图4中：

A是高聚物的图谱；B是齐聚物的图谱；C是各种类型添加剂的图谱；D是低分子化合物杂质的图谱。

图4高分子材料全分析GPC谱图中各部分组成的示意图

3.凝胶渗透色谱中几种常用平均分子量的定义

由于应用统计方法的不同，即使对同一个试样，也可以有许多不同种类的平均分子量。

下面是四种最常用的平均分子量的定义。

式中：

Ni：

分子量为Mi的分子的个数

Wi：

分子量为Mi的组分的重量

α：

特性粘度－分子量方程中的常数

其中，数均分子量是按分子数目统计平均而得；重均分子量是按分子重量统计平均而得。

这两种平均分子量的物理意义比较明确，而粘均分子量和Z均分子量的物理意义却不太明确。

一般情况下，多分散样品的平均分子量有以下次序：

图5为高聚物四种平均分子量在GPC谱图中的示意图。

4.高聚物多分散性的表征

高聚物的分子量分布是指样品中各种分子量组分在总量中所占的各自的分量，它可以用一条分布曲线或一个分布函数来表示。

分子量分布曲线有两种形式：

1.用重量分数W对分子量作图的曲线叫做微分分布曲线；2.用累积重量分布对分子量作图的曲线叫做积分分布曲线。

样品间分子量分布宽度的比较，最直接的方法是将实验所得到的分子量分布曲线作对比。

还有一种更一般化且最常用的定量方法就是重均数均比，即：

Mw/Mn。

目前实验上能够合成的"单分散"样品、一般多分散样品、分子量分布比较宽的样品的Mw/Mn值如表1所示。

表1.几种合成高聚物的Mw/Mn值

高聚物

样品举例

Mw/Mn

单分散样品

聚苯乙烯标样

1.02~1.10

一般多分散样品

聚氯乙烯，聚碳酸酯

1.5~3.0

分布比较宽的样品

聚乙烯，聚丙烯

20~30或更高

图6是样品的GPC图及样品的分子量分布的微分分布曲线、积分分布曲线的示意图。

图6.GPC谱图、微分分布曲线、积分分布曲线示意图

5.高聚物的分子量及其分布的测定

用凝胶渗透色谱测定高聚物的分子量及其分布是种相对的测试方法。

首先要制取适合被测样品的logM-Ve标定线（工作曲线）。

目前人们制定标定线比较常用的方法主要是以下两种：

〖1〗.单分散标样制定标定线

所谓单分散标准样品是指高聚物的Mw/Mn值在1.05~1.10以内。

此方法类似于其它化学分析上的工作曲线法。

它的前提是能够获得一系列（不同分子量）被测样品的单分散标样，用这些单分散标样来制得logM-Ve标定线；然后，以此来测定样品。

图7所示为单分散标样的校正线绘制过程示意图。

图7单分散标样的校正线

〖2〗.普适校正法

这种方法是用流体力学体积[η]·M作为通用校正参数，也被称作普适校正法。

不同高聚物在同样实验条件下进行凝胶色谱的实验，若淋洗体积Ve相同，则这两个高聚物的流体力学体积相等。

即：

[η]1·M1=[η]2·M2

上式中K1、K2、α1、α2在固定条件下是常数，只要知道两种高聚物在该条件下的参数K1、α1及K2、α2值，就可由第一种高聚物（标准样品）的logM-Ve标定线，应用③式直接求出第二种高聚物（被测样品）的logM-Ve标定线。

目前，人们普遍采用市售的单分散聚苯乙烯（PS）标样来作为第一种高聚物，然后查取（或采用其它的实验方法测得）聚苯乙烯标样及被测样品在测定条件下的K值（K1、K2）和α值（α1、α2），经过上述转换便可求出被测样品的分子量。

目前由于计算机的引进，上述转换可在测定样品的同时由GPC软件实行自动转换。

除上述两种常用的方法外，还有，窄分布的高聚物级分订定的标定线；渐近试差法订定的标定线；无扰均方末端距h02用作通用校正参数；高分子链有扰均方末端距h2用作通用校正参数等。

三．凝胶渗透色谱仪的基本结构

简单地说，凝胶渗透色谱仪由以下四部分构成：

1.输液系统（包括溶液储存器、输液泵。

进样器等），2.色谱柱系统（包括柱温控制箱），3。

检测器（RI、UV等），4.数据收集及数据处理系统（包括模数转换器、计算机、打印机/绘图仪等）。

其流程图如图8所示。

图8.凝胶渗透色谱仪的流程图

（图中：

-：

液路，……：

电路）

总之，大量的数据证明，任何材料的宏观性能都与其微观结构有着密切的联系。

高聚物的分子量及其分子量分布是高聚物结构中两个重要的参数。

凝胶渗透色谱技术的发展，大大推动了高聚物分子量、分子量分布与其性能间关系的研究，同时，GPC已成为分离分析科学家族中不可缺少的一名成员。

凝胶渗透色谱（GPC）自六十年代问世以来，发展异常迅速。

迄今为止，在高聚物分子量及其分布的测定方法中，GPC是其中最为成功的方法。

就方法本身的性质而论，GPC测定高聚物的分子量及其分子量分布，常用的是一种相对的测定方法，因此，在用GPC测定高聚物时，首先要解决的问题是建立GPC标定线。

可见，标定线的准确与否将直接影响到测量结果的可靠性。

由于高聚物分子结构的多样性，针对不同类型的高聚物，各国学者对GPC标定方法进行了深入的研究，并提出了多种形式的标定方法。

综合目前标定曲线的订定方法，大致可分为直接标定法和间接标定法两大类（见表1）。

表1.GPC的标定方法

1.窄分布标样标定法

用一组已知分子量的窄分布标样订定GPC标定线，以此来测定相同化学结构试样的分子量及其分布的方法叫窄分布标样标定法。

所谓窄分布标样，是指高聚物的分子量分布宽度指数D值（-----/）小于1.05，当用光散射法、渗透压法（----或蒸汽压法）、粘度法测定标样的分子量时，各种方法测得的分子量必须一致。

在上述所有标定方法中，该标定方法最为简单明了，但是，由于高聚物试样的多样性，不是每种高聚物都可制得窄分布的标样。

目前窄分布标样的品种仍然为数很少，较易制备的窄分布标样有：

聚苯乙烯（PS）、聚丁二烯（PB）等,其它高聚物及尤其共聚物则很难制得窄分布的标样，或即使制得一定数目的标样，但因标样的分子量范围较窄无法覆盖试样的分离范围而无法准确测定试样的分子量。

可见，该方法的应用有一定的局限性。

2.窄分布高聚物级分标定法

尽管窄分布标样标定法具有局限性，但由于该法简单、直观且准确性较高，所以在条件允许的情况下，人们采用窄分布高聚物级分代替窄分布标样来建立标定线以此表征高聚物的分子量及其分布。

通常采用沉淀分级法或溶解分级法[10]得到分布较窄的高聚物级分，这种高聚物级分的分布宽度指数D通常在1.4～1.5之间，所订定的标定线可以很好地满足试样测定的需要。

然而，一方面由于制备窄分布高聚物级分的操作繁杂、费时，另一方面，对共聚物来说，由于分子量及组成之间的相互影响，而无法得到窄分子量分布或窄组成分布的共聚物级分。

可见，该法在共聚物分子量的表征方面存在有很大的局限性。

3.宽分布标样标定法

由于窄分布标样标定法、窄分布高聚物级分标定方法受到样品来源的限制，Hamielec首先提出用宽分布标样来订定GPC的标定线，该法实际上是渐近较正法的一种。

它的最大优点是无需窄分布标样（或级分），而且所需宽分布标样的数量少。

因此，在宽分布高聚物的测定中，该法被越来越多的色谱工作者所采用。

然而，在采用两点线性校正时，只有当标样与试样的分子量及分子量分布相似的情况下，测定结果才有好的准确性。

可见，该方法的应用在一定程度上存有局限性。

4.无扰和有扰均方末端距通用参数标定法

众所周知，高聚物在溶液中以无规线团的形式存在，即呈现链状结构，这种链的卷曲程度可以用高聚物分子链两端点间的直线距离（几纳米至几十万纳米不等）-末端距h来衡量。

高聚物分子链卷曲越厉害，末端踞越短。

末端距是一个统计平均值，通常用它的平方的平均值－均方末端距来表示。

由于同高聚物分子的体积密切相关，如果不考虑高聚物与溶剂分子之间的相互作用，则此时的均方末端距称之为无扰均方末端距，以表示；但在实际的高聚物溶液中，高聚物分子链与溶剂分子之间存在着相互作用，这种相互作用将影响高聚物分子链的构象，改变高聚物分子线团的尺寸，因而使高分子链的无扰均方末端距变成了有扰均方末端距，把高聚物与溶剂分子间的相互作用考虑在内的均方末端距称之为有扰均方末端，以表示。

高聚物分子链和溶剂分子之间相互作用的情况相当复杂，由于溶剂体系、温度、压力及GPC分离条件等因素的影响，高聚物分子链两端点间的统计平均距离很难反映末端距的真实情况。

因此用作为GPC的通用校正参数时，会给标定结果带来较大的误差。

一般只有当两种高聚物的Mark-Houwink方程式[η]=KMa中的α值极为接近时，该法才有其通用性。

在实际使用时，该法受到很大的限制，目前已很少有人应用。

5.普适标定法

普适标定法又叫通用标定法。

当待测样品与订定标定曲线所用的标样化学结构不同时，该标定曲线不在适合测定待测样品的分子量和分布。

GPC是按分子尺寸的大小来分离高聚物，对于不同类型的高聚物，虽然其分子量相同，但分子尺寸并不一定相同。

人们的研究发现，若用高聚物分子在溶剂中的实际尺寸参数来代替M对Ve作图，就可实现用少数特定标样所作的标定线来满足其它类型高聚物的测定。

Grubisic等人以大量的实验事实证明以高聚物的流体力学体积[η]·M作为GPC的通用标定参数具有极为广阔的通用性。

只要知道标样及试样在测定条件下的K、α参数值，就可以将标样所订定的标定线转换成待测试样的标定线，从而计算试样的分子量及分布。

由于该法的通用性极广，所以在缺少标样或窄分布级分试样的情况下，普适标定法是目前使用最多的方法。

但是，普适标定法并不是万能的，它的应用同样是有条件的，并不是所有的高聚物都适合普适标定。

只有那些在进行GPC分离时遵从体积排除机理的高聚物，才适合普适标定。

否则，普适标定的结果不可靠。

普适标定对一些分子形态差异较大的支化高聚物、接枝共聚物、线形或无规线团形及刚性高聚物等均能适用。

对具有长支链的高聚物分子，普适标定在一定程度上已经有了保留；对于棒状刚性高聚物来说，目前还没有足够的证据来证明普适标定对它们的适用性。

因此在对具体的高聚物采用普适标定时，必需注意它们各自构型的特点。

大量的实验结果证明，某些高聚物不符合普适标定。

可见，对于某些未知体系或某些未经证明符合普适标定的高聚物试样，不可轻易采用普适标定。

6.渐近校正法

由于许多高聚物不满足普适标定的条件,或者待测试样是否适合普适标定未知,由此使得该高聚物分子量的表征存在很大困难。

一些学者采用渐近校正法来解决上述问题。

渐近校正法是一种数学试差法，它既不需要窄分布的高聚物标样，也不需要窄分布的高聚物级分。

只要用2～3个有代表性的不同分子量的聚合物样品，就可制定出GPC的标定线。

由于很多聚合物的重均分子量（--）和数均分子量（）能通过光散射法、VPO法或渗透压法及端基测定法得到，这些特定样品（"标样"）绝对分子量的获得为渐近校正法的建立提供了必要的基本条件。

利用两个或两个以上已知或的试样对GPC进行标定，依据定义法计算待测试样的或。

渐近校正法是建立在绝对法获得"标样"的分子量基础之上的，由此可见，绝对法测定结果的准确度将直接影响到GPC的测定结果。

渐近校正法又称试误法、尝试法或逐步逼近法。

目前，应用较普遍的是两点渐近校正法。

但该法的准确性对所选两点有很强的依赖性。

为了消除上述因素的影响，采用多点法校正，由于数据点的增多，将会进一步提高计算的准确度。

但是该法目前尚无商品化的软件，只能自己编写软件来处理数据。

除上述标定法外，还有Q因子标定法，但目前已很少使用。