凝膠滲透色譜-顧好良

1、 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 2005年9月13日 顧好糧 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) l凝膠滲透色譜的回顧 l凝膠滲透色譜的任務 l凝膠滲透色譜的原理 l凝膠滲透色譜的特點 l凝膠滲透色譜的儀器組成 l影響凝膠滲透色譜數(shù)據(jù)置信度的因素 l凝膠滲透色譜的發(fā)展 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 凝膠滲透色譜GPC（Gel Permeation Chromatography） 也稱作體積排斥色譜SEC(Size Exclusion Chromatography)是用溶劑作流動相，流經(jīng)多孔填料(如多 孔硅膠或多孔樹脂) 作為分離介質的液相色譜法。 1953年Wheaton和Bauman用多孔離子交換樹脂按分子量大小

2、分離了苷、多元醇和其它非離子物質，觀察到分子尺寸排除 現(xiàn)象。 1959年Porath和Flodin用葡聚糖膠聯(lián)制成凝膠來分離水溶液 中不同分子量的樣品。 1962年J.C.Moore將高交聯(lián)度聚苯乙烯-二乙烯基苯樹脂用作 柱填料，以連續(xù)式高靈敏度的示差折光儀，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，從而創(chuàng)立了液相色譜中的凝膠滲透色譜技術。 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 分子量的分布與高分子材料 的所有關鍵加工特性以及材料 性能緊密相關 Plastics Technology, May 1986 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) l大分子的性質 分子量及其分布 化學組成(Chemic

3、al Composition) 化學結構(Chemical Structure) 組裝結構(Architecture) 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 M = 單體的數(shù)量單體的數(shù)量 單體的分子量單體的分子量 l分子量 M 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) CH2 CH2 聚乙烯單體 A CH CH2 聚丙烯單體 B CH 3 A A A A A A A A A 聚乙烯 B B B B B B B B B 聚丙烯 A B A B A A B B 聚乙烯-聚丙烯共聚物 A，% 化學組成化學組成 l化學組成 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) A 聚乙烯單體，B 聚丙烯單體 A A B A B A

4、A B B 隨機共聚物(random copolymer) A A A A B B B B B 嵌段共聚物(大塊，block copolymer) A B A B A B A B A 交替共聚物(alternating copolymer) 平均序列長度平均序列長度 l化學結構 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) LINEAR BRANCHED C6 長鏈 B：支化頻率支化頻率( (branching frequency) ) = 每每1000個碳原子的個碳原子的 支化數(shù)支化數(shù) l組裝結構(Architecture) 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) STAR-SHAPED f - number of arms l組裝結構(A

5、rchitecture) 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) l可用分子參數(shù)的分布及這些分布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來 表示聚合物樣品的性質 l最重要的聚合物分布： 分子量分布 lMolecular Weight Distribution MWD 化學組成分布 lChemical Composition Distribution CCD 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 分子量分布分子量分布 增加分子量 PD = Mw / Mn 增加濃度 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) l用GPC測得的不同種平均分子量可對應于其他儀器所 測的值： Mn：用滲析計測出(Osmometry) Mw：用光散射計測出(Light Scattering) Mv：用粘度計測出(Vi

6、scometry) Mz及Mz+1：用超速離心法測出(Ultracentrifuge) Mw/Mn：為多分散性(Polydispersity) MnMvMwMzMz+1 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 性質/工藝參數(shù) 隨MW增加 沖擊強度 融化粘度 加工溫度 脆性 拉伸能力(纖維) 融流 l分子量的影響，定性關系 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) l分子量的影響 Mn 與流動性質有關 Mw 與強度性質有關，例如張力及抗沖擊力 Mz 與延伸及柔韌性有關 MZ+1 與擠出膨脹(die swell)有關 l擠出膨脹發(fā)生在材料從模具中擠出時塑料發(fā)生膨 脹 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 2700 180C下 的拉伸強 度 19

7、00 50,000160,000 分子量 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 以多孔樹脂為固定相，用溶劑推動分子量大小不同的 樣品流過固定相產(chǎn)生大小分子順序流出的分離 流出級份的保留時間（洗脫體積）提供其分子量（尺 寸）的信息 用檢測器得到各流出組分的強度和流出時間 用已知分子量的標樣標定出流出時間和分子量的關系 用標定好的時間和分子量的關系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 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 有機有機 GPC 介質介質 懸浮聚合產(chǎn)生苯乙烯基二乙基苯聚合物的單體顆粒 開始的小顆粒融合集合成最終的顆粒 仔細控制反應環(huán)境產(chǎn)生出合適的單體孔和顆粒的尺寸 綠綿巨貿(mào)綠

8、綿巨貿(mào) Pore Structure Defines Resolving Range 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) Mn=1/i(Ci/Mi) Mw=i(CiMi) Ci normalized concentration of slice i Mi molecular weight of slice i Mi Mw number = number weight = weight Ci Log M Mn l分子量平均值 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) w n 1zz w 1 M M D M4x M3x M2x 1x n x x M NiMi NiMi 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào)

9、 分子量分布分子量分布 增加分子量 PD = Mw / Mn 增加濃度 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) l使使GPCGPC檢測處在一個溫度穩(wěn)定的環(huán)境檢測處在一個溫度穩(wěn)定的環(huán)境 l降低流動相黏度，使得譜柱內(nèi)部溶劑處于接近理想的降低流動相黏度，使得譜柱內(nèi)部溶劑處于接近理想的GPCGPC狀態(tài)狀態(tài) （如（如Polyethylene Polyethylene TerphthalateTerphthalate m-Cresol + 0.05 m m-Cresol + 0.05 m LiBr/100 LiBr/100 C C） l盡量減輕分子間的弱相互作用（樣品分子間、樣品和溶劑分盡量減輕分子間的弱相互作用（樣品分子間、

10、樣品和溶劑分 子間、填料和樣品分子間等）子間、填料和樣品分子間等） l使難于溶解的樣品得以溶解（如聚烯烴使難于溶解的樣品得以溶解（如聚烯烴PEPPPEPP、工程塑料、工程塑料PPSPPS 等）等） 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 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Ethyl acetate9.10.4577 四氫呋喃Eetrahydrofuran9.10.5566 氯仿Chloroform9.30.5761 甲乙酮Methyl ethyl ketone9.30.4

11、80 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

12、甲酰胺Dimethyl formamide12.10.9153 六氟乙丙醇Hexafluroisopropanol12.21.0258 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) lPolyisobutylene lPolybutylene lChlorinated Rubber lPolybutadiene lPolyisoprene lPolydimethylsiloxane lChlorinated Polyethylene lPolyethylene Ethylacrylate lPolyethylene Vinylacetone lPolyethylene Methacrylic acid lPolyphen

13、yleneoxide lPoly-4-methylpentene(1) lPolyethylene lUltra-high Molecular Weight Polyethylene lPolypropylene lPolyetheretherketone lPolyetherketone Toluene Toluene/75% TCB/135 - 160 C TCB/135 - 160 C Phenol/TCB 1:1/145 C 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) lMelamine Formaldehyde lNylon (All types) lPolybutylene Terphthalate(PBT

14、) lPolyethylene Terphthalate(PET) lPoly Acrylonitrile(聚丙烯睛) lABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) lASA (Acrylic Styrene Acrylonitrile lABA (Acrylonitrile Butdiene Acrylate) lCarboxymethyl Cellulose lABS/Polycarbonate lPolybutadiene Acrylonitrile lPolyurethane lPolyacetal lPolyoxymethylene lPolyimid

15、e lPolyamide imide lPolyetherimide lPolyethersulfone lPolyvinyldienefluoride lPolyfuran Formaldehyde Hexafluoroisopropanol + 0.075 M Sodium Trifluoroacetate/55 C or m-Cresol + 0.05 m LiBr/100 C DMF + 0.05 m LiBr/85 C DMF + 0.05 m LiBr/145 C N-Methyl Pyrrolidone + 0.05 m LiBr/100 C Dimethylacetamide/

16、60 C 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) lPolycarbonate lPolyglycolic acid lAcrylonitrile Methylmethacrylate lCellulose Acetate lCellulose Acetate Butyrate lCellulose Acetate Proprionate lCellulose Nitrate lCellulose Proprionate lCellulose Triacetate lDiallyl Phthalate lEthyl Cellulose lEpoxy lPolyester Alkyd lPolybutene(1) l

17、Polybutadiene Styrene lPhenol Formaldehyde lPhenol Furfural lPolymethylmethacrylate lPolypropyleneglycol lPolystyrene lPolysulfone lPolyvinylacetate lPolyvinylbutyral lPolyvinylchloride lPolyvinylchloride Acetate lPolyvinyldienechloride lPolyvinylformal lPolystyrene Acrylonitrile lPolystyrene Alpham

18、ethylstyrene lPolyester Thermoset lPhenolics lRosin Acids lPolyglycolic Acid Methyl Chloride gamma-Butyl Lactone THF/40 C 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 實驗所需時間可以預知 整個洗脫過程用恒定比例的淋洗液，不能用梯度洗脫 一般情況下試樣能溶解就能測定，減少了用于摸索實 驗條件所需的時間 組分的保留時間提供其分子尺寸的信息 以時間順序流出的級份進行分級收集就得到了目標分 子量的樣品可以進一步分析（GPC cleanup） 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) InOut S R 緩沖柱 色譜柱 溶劑輸送系統(tǒng)

19、 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 進樣閥 柱溫箱 預熱板 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) LED LED Mask Collimating Lens LED Lens FlowcellMirror Mask PhotodetectorMirror 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) Temp.(Deg C) 18.5 19.0 19.5 20.0 MV -1.00 0.00 1.00 2.00 Minutes 51015202530354045505560657075 實驗室溫度波動對實驗室溫度波動對RI檢測器基線的影響檢測器基線的影響 Mobil Phase Methanol 0.25/m

20、L minute Detector Temp 35 C No Column Heater Used Room Temperature RI Baseline 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 準確控溫的柱溫箱容納了進樣 系統(tǒng)、 色譜柱 和各種檢測器 帶溫控的輸液單元包含 溶劑瓶泵和脫氣機 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) l紫外檢測器（濃度型） l粘度檢測器（分子量型） l多角激光光散射檢測器（分子量型） l紅外接口（特征基團型為測量短鏈支化） 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) l輸液系統(tǒng)的影響 l樣品制備對結果的影響 l進樣系統(tǒng)的影響 l柱溫變化帶來的的影響 l色譜柱性能帶來的的影響 l檢測器的影響 l流動相帶來的的影響

21、 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) l高流速精度是獲得重現(xiàn)性 GPC結果的基礎 l微小的流速誤差會導致分子 量計算的很大誤差 l使用參考峰(Flow Markers) 的技術可校正流速誤差 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 固態(tài)固態(tài) ( (半結晶半結晶) ) 液態(tài)液態(tài) ( (稀溶液稀溶液) ) 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) l溶劑必須聚合物鏈打開成最放松的狀態(tài) l允許充分的時間讓鏈展開 有些聚合物需要大于3小時 l分子量及結晶度愈大，所需真正溶解的時間就俞多 l某些結晶的聚合物需要加熱 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) l除非該樣品可能會有剪切效應發(fā)生，聚合物溶液必須 過濾 l為了增加樣品的溶解，可輕微擾動（不要劇烈搖動或 用超聲） l窄分布標樣不必過

22、濾，高分子量標樣也不要劇烈搖動 l可使用在線過濾器，但是不推薦使用保護柱 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) Sample PE-150C-2h Sample PE-150C-4h Sample PE-160C-2h Sample PE-160C-4h Sample PE-170C-2h Sample PE-170C-4h Minutes 16.017.018.019.020.021.022.023.024.025.0 150 C 170 C 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) Sample PE-150C-2h Sample PE-150C-4h Sample PE-160C-2h Sample PE-160C-4h Samp

23、le PE-170C-2h Sample PE-170C-4h Minutes 16.017.018.019.020.021.022.023.024.025.026.027.028.0 帶示差檢測器的色譜圖 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 1 2 3 4 5 6 % RSD Sample MPMnMwMz PE-150C-2h PE-150C-4h PE-160C-2h PE-160C-4h PE-170C-2h PE-170C-4h 52323 52872 53334 53414 53731 53722 1.0 26768 25851 25042 26289 25163 25937 2.5 278328

24、272758 204870 184607 162452 162658 24.9 16724894 15338936 11825310 5270668 662845 624498 85.7 平均分子量 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) l40 瓶位樣品盤瓶位樣品盤 l2ml 玻璃瓶卷邊壓緊鋁瓶蓋玻璃瓶卷邊壓緊鋁瓶蓋 l優(yōu)先進樣的樣品緩慢攪拌優(yōu)先進樣的樣品緩慢攪拌 l雙溫區(qū)設計是降解風險降至最低雙溫區(qū)設計是降解風險降至最低 進樣點熱區(qū) 溫區(qū) 50 100 200 溫度 (C) -20 -10 0 10 20 瓶位 Carousel Motion 進樣點 Agitated 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) l在柱溫箱中平衡的進樣瓶

25、可編程在柱溫箱中平衡的進樣瓶可編程 lExcess solution returned to vial lInjection precision RSD 1% with no cross contamination lNew Multiple Injection capability up to 3 injections per vial. 柱溫箱進樣閥 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 這是PL-GPC50在室溫下設置40C 時和典型的分離式 系統(tǒng)4分鐘基線漂移的比較 在相同實驗室環(huán)境溫度變化時，相比之 下，分離式系統(tǒng)的基線漂移近3毫伏。 PL-GPC 50 的基線漂移小于1毫伏 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 綠綿巨貿(mào)

26、綠綿巨貿(mào) 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 2. 0 1. 7 1. 3 04070 R 250, 35K R 35, 8K Resol uti on Tem perature ( C ) Samples: 250K, 35K, and 8K PS Stds. Columns: HR3 & HR5 Styragel Mobile Phase: Toluene Flow Rate: 1 ml/min Concentration: 0.04% each 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) MIXED bed columns give extended range over individual pore size Manufact

27、ured to give no discontinuities Combine individual pore size columns to extend range Can cause peak shape variation due to mismatch in pore volume 色譜柱對數(shù)據(jù)的影響色譜柱對數(shù)據(jù)的影響 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) l多檢測器的應用 l快速GPC技術 l微流量GPC技術 l新型色譜柱技術 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 配置方法配置方法分子量分子量支化支化回轉半徑回轉半徑 傳統(tǒng)傳統(tǒng)GPCGPC 相對于標樣的色譜柱相對于標樣的色譜柱 校正，得到相對分子校正，得到相對分子 量量

28、不能不能不能不能 使用普適校正的傳統(tǒng)使用普適校正的傳統(tǒng)GPCGPC 需從文獻上得到需從文獻上得到準確準確 的的K/aK/a值，對相對分值，對相對分 子量進行的色譜柱普子量進行的色譜柱普 適校正得到絕對分子適校正得到絕對分子 量量 不能不能不能不能 配了黏度檢測器的配了黏度檢測器的GPCGPC 測出特性黏數(shù)，得到測出特性黏數(shù)，得到 K/aK/a值的普適校正值的普適校正 能，直接從特性黏能，直接從特性黏 數(shù)測出數(shù)測出 能，但是間接得到能，但是間接得到 配了多角激光檢測器的配了多角激光檢測器的GPCGPC 絕對測出，無需色譜絕對測出，無需色譜 柱校正柱校正 能，但要符合一些能，但要符合一些 假設假設

29、 能，當有兩個測量能，當有兩個測量 角以上角以上 三檢測器聯(lián)用的三檢測器聯(lián)用的GPCGPC準確結果準確結果能能能能 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) The MWDs indicate the samples to be extremely heterogeneous and gave multi-modal distributions. The Mark-Houwink plots show that although two of the samples (grey traces) were similar in structure, the third (black trace) gave lower

30、values of intrinsic viscosity at any given molecular weight, indicative of the more dense polymer structure which accompanies an increase in the level of polymer branching. 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) l濃度 響應值正比于濃度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 l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 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) l濃度 示差，紫外

31、，蒸發(fā)光散射(ELSD)， l分子量敏感 粘度，光散射 l組成 多波長紫外，示差+紫外，質譜(MS)，付里葉變換紅外 (FTIR)， 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) lRI/V 檢測器結合使用 l lVI的響應值正比于 C H / M = C H，大分子的尺寸；流體力學體積 = VI / RI，特征粘度(intrinsic viscosity) l普適校正的假設： 具有同樣大小(H)的大分子應有同樣的洗脫體積，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 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) Log H 2 4 6 8 10 Elution volume V, mL 16182022242628 RI/

32、V 檢測器結合使用，第一步：用任何任何 窄分布標樣( 化學結構不重要)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 universal calibration curve 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) lRI/V 檢測器結合使用 第二步：用聚合物分布每一切片“i”計算“絕對”分 子量 li = VIi / Rii lMi = Hi / i 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) 1683 Run 1 1683 Run 2 1683 Run 3 1683 Run 4 1683 Run 5 1

33、683 Run 1 1683 Run 2 1683 Run 3 1683 Run 4 1683 Run 5 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 Log(Molecular Weight) dW / dLogM ConventionalUniversal l通過重疊5次普通及5次普適校正所得到的圖，清楚地看到分子量的準確度及精度 寬分布聚苯乙烯標樣分子量分布比較寬分布聚苯乙烯標樣分子量分布比較 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) l大分子的結構形態(tài)(支化)可通過粘度理論曲線 得到： Log 對 Log M l粘度理論曲線也被稱為Mark-H

34、ouwink曲線，可 由下列方程式描述： Log = Log K + Log M K 及 可隨 M 變化 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) l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 lin l支化指數(shù)支化指數(shù) 表示了支化程度的特性 g = branch / lin 1 l支化聚合物的支化指數(shù)： g = gSCB gLCB 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) l線性聚合物有線性的MH曲線： Log lin = Log Klin + lin Log M l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)(不依賴于M) l線性粘度理論曲線用Mark-Houwink方程式方程式描述 綠綿巨貿(mào)綠綿巨貿(mào) lThe PL-HTGPC/FTIR interface comprises Design specifically for use with Perkin Elmer Spectrum Series, Nicolet Avatar, and now Bruker FTIR. lHT Flow Cell lControl Module lHT Transfer Line