GPC原理分析課件

第一節(jié)色譜分析方法導(dǎo)論20世紀(jì)中期，大量采用一些經(jīng)典的分離方法：沉淀、蒸餾和萃取現(xiàn)代分析中，大量采用色譜和電泳分離方法。迄今為止，色譜方法是最為有效的分離手段！其應(yīng)用涉及每個(gè)科學(xué)領(lǐng)域。50年代，色譜發(fā)展最快（一些新型色譜技術(shù)的發(fā)展；復(fù)雜組分分析發(fā)展的要求。

1937-1972年，15年中有12個(gè)Nobel獎(jiǎng)是有關(guān)色譜研究的！

第一節(jié)色譜分析方法導(dǎo)論

第一節(jié)色譜分析方法導(dǎo)論色譜分離基本原理：使用外力使含有樣品的流動(dòng)相（氣體、液體或超臨界流體）通過(guò)一固定于柱或平板上、與流動(dòng)相互不相溶的固定相表面。樣品中各組份在兩相中進(jìn)行不同程度的作用。與固定相作用強(qiáng)的組份隨流動(dòng)相流出的速度慢，反之，與固定相作用弱的組份隨流動(dòng)相流出的速度快。由于流出的速度的差異，使得混合組份最終形成各個(gè)單組份的“帶(band)”或“區(qū)(zone)”，對(duì)依次流出的各個(gè)單組份物質(zhì)可分別進(jìn)行定性、定量分析。

第一節(jié)色譜分析方法導(dǎo)論色譜分類(lèi)方法：1.按固定相外形分：柱色譜（填充柱、空心柱）、平板色譜（薄層色譜和紙色譜。2.按組份在固定相上的分離機(jī)理分：吸附色譜：不同組份在固定相的吸附作用不同；分配色譜：不同組份在固定相上的溶解能力不同；離子交換色譜：不同組份在固定相（離子交換劑）上的親和力不同；凝膠色譜（尺寸排阻色譜）不同尺寸分子在固定相上的滲透作用。

3.按兩相狀態(tài)分第一節(jié)色譜分析方法導(dǎo)論GPC1860~1930:porousmaterialshaveadsorption-separationfunction(especiallyfordye)1940~1970:appearanceofLiquidChromatography

1964:ThefirstGPCproducedbyWaterscompany1970:HPLC（rapidtest、goodseparationeffects、lesssample、moresensitive）;NewtechnologyofHPLCappliedinGPCarea6.1Background6.1BackgroundSignificanceofMolecularWeightDistribution(MWD)StatisticAverageMolecularWeightExpressionsofMWDMeasurementofMWDRelationbetweenmolecularweightandpropertiesofpolymer6.1.2StatisticAverage

MolecularWeightNumber-averageMolecularWeightWeight-averageMolecularWeight6.1.2StatisticAverage

MolecularWeightZ-averageMolecularWeightViscosity-averageMolecularWeight6.1.3ExpressionsofMWDParametersBreadthparameterofmolecularweightdistribution:varianceandstandarddeviationbetweendifferentmolecularweightsandtheaveragemolecularweightPolydispersityindexofmolecularweight:

6.1.3ExpressionsofMWDGraphicMethodsDiscretedistributioncurvesContinualdistributioncurves

第一節(jié)色譜分析方法導(dǎo)論色譜流出曲線（色譜圖）混合組分的分離過(guò)程及檢測(cè)器對(duì)各組份在不同階段的響應(yīng)第一節(jié)色譜分析方法導(dǎo)論色譜術(shù)語(yǔ)：1）基線：在實(shí)驗(yàn)條件下，色譜柱后僅有純流動(dòng)相進(jìn)入檢測(cè)器時(shí)的流出曲線稱(chēng)為基線，S/N大的、穩(wěn)定的基線為水平直線。2）峰高：色譜峰頂點(diǎn)與基線的距離。3）保留值(Retentionvalue,R)

a.

死時(shí)間(Deadtime,t0)

：不與固定相作用的物質(zhì)從進(jìn)樣到出現(xiàn)峰極大值時(shí)的時(shí)間，它與色譜柱的空隙體積成正比。由于該物質(zhì)不與固定相作用，因此，其流速與流動(dòng)相的流速相近。

第一節(jié)色譜分析方法導(dǎo)論

b.

保留時(shí)間tr：試樣從進(jìn)樣到出現(xiàn)峰極大值時(shí)的時(shí)間。它包括組份隨流動(dòng)相通過(guò)柱子的時(shí)間t0和組份在固定相中滯留的時(shí)間。

c.

調(diào)整保留時(shí)間：某組份的保留時(shí)間扣除死時(shí)間后的保留時(shí)間，它是組份在固定相中的滯留時(shí)間。即由于時(shí)間為色譜定性依據(jù)。但同一組份的保留時(shí)間與流速有關(guān)，因此有時(shí)需用保留體積來(lái)表示保留值。

d.

死體積V0：色譜柱管內(nèi)固定相顆粒間空隙、色譜儀管路和連接頭間空隙和檢測(cè)器間隙的總和。勿略后兩項(xiàng)可得到：其中，F(xiàn)co為柱出口的載氣流速（mL/min)，其值為：F0-檢測(cè)器出口流速；Tr-室溫；Tc-柱溫；p0-大氣壓；pw-室溫時(shí)水蒸汽壓。

第一節(jié)色譜分析方法導(dǎo)論

e.

保留體積Vr：指從進(jìn)樣到待測(cè)物在柱后出現(xiàn)濃度極大點(diǎn)時(shí)所通過(guò)的流動(dòng)相的體積。

f.

調(diào)整保留體積：某組份的保留體積扣除死體積后的體積。

g.

相對(duì)保留值r2,1：組份2的調(diào)整保留值與組份1的調(diào)整保留值之比。注意：

r2,1只與柱溫和固定相性質(zhì)有關(guān)，而與柱內(nèi)徑、柱長(zhǎng)L、填充情況及流動(dòng)相流速無(wú)關(guān)，因此，在色譜分析中，尤其是GC中廣泛用于定性的依據(jù)！具體做法：固定一個(gè)色譜峰為標(biāo)準(zhǔn)s，然后再求其它峰i

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)峰的相對(duì)保留值，此時(shí)以表示：>1,又稱(chēng)選擇因子(Selectivityfactor)。色譜法基本原理1)分配系數(shù)(Distributionconstant,K)：描述組份在固定相和流動(dòng)相間的分配過(guò)程或吸附-脫附過(guò)程的參數(shù)，稱(chēng)為分配系數(shù)。第一節(jié)色譜分析方法導(dǎo)論描述分配過(guò)程的參數(shù)K只與固定相和溫度有關(guān)，與兩相體積、柱管特性和所用儀器無(wú)關(guān)。

第一節(jié)色譜分析方法導(dǎo)論2)選擇因子：色譜柱對(duì)A、B兩組分的選擇因子定義如下：A為先流出的組分，B為后流出的組分。注意：K反映的是某一組分在兩相間的分配；而是反映兩組分間的分離情況！當(dāng)兩組分K相同時(shí)，=1時(shí)，兩組分不能分開(kāi)；當(dāng)兩組分K相差越大時(shí)，越大，分離得越好。也就是說(shuō)，兩組分在兩相間的分配系數(shù)不同，是色譜分離的先決條件。和K

是計(jì)算色譜柱分離效能的重要參數(shù)！

第一節(jié)引言凝膠色譜法是一種新型的液體色譜(GelPermeationChromatography

簡(jiǎn)稱(chēng)GPC)別名：體積排除色譜(SizeExclusionChromatography簡(jiǎn)稱(chēng)SEC)凝膠過(guò)濾色譜(GelFiltrationChromatography簡(jiǎn)稱(chēng)GFC)等。從分離機(jī)理看，使用體積排除色譜(SEC)較為確切。

第一節(jié)引言1964年由J.C.Moore首先研究成功

(J.Polym.Sci.,PartA:Polym.Chem.

1964,2(2):835-843)

在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合大網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)離子交換樹(shù)脂制備的經(jīng)驗(yàn)，將高交聯(lián)度聚苯乙烯凝膠用作柱填料，同時(shí)配以連續(xù)式高靈敏度的示差折光儀，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，從而創(chuàng)立了液相色譜中的凝膠滲透色譜技術(shù)。

第一節(jié)引言主要特點(diǎn)

操作簡(jiǎn)便快捷、進(jìn)樣量小、數(shù)據(jù)可靠且重現(xiàn)性好、自動(dòng)化程度高等。

應(yīng)用領(lǐng)域

應(yīng)用于聚合物分子量及其分布、聚合物的支化度、共聚物及共混物的組成、聚合物分級(jí)及其結(jié)構(gòu)分析、高聚物中微量添加劑的分析等。如果配以在線的絕對(duì)分子量檢測(cè)器（如：LALLS、Multi-AngleLS、Dual-AngleLS等），凝膠滲透色譜可以測(cè)定高聚物的絕對(duì)分子量。

第二節(jié)機(jī)理

當(dāng)被分析的試樣隨著淋洗溶劑引入柱子后，溶質(zhì)分子即向填料內(nèi)部孔洞擴(kuò)散。較小的分子除了能進(jìn)入大的孔外，還能進(jìn)入較小的孔；較大分子則只能進(jìn)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。因此，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(lái)，較小的分子較晚被淋洗出來(lái)。

第二節(jié)機(jī)理Vt＝V0＋Vi＋VgVt:色譜柱總體積V0:載體的粒間體積Vi:載體內(nèi)部的空洞體積

Vg:載體的骨架體積溶劑分子：V0中的溶劑稱(chēng)為流動(dòng)相；Vi中的溶劑稱(chēng)為固定相高分子：1)體積比孔洞尺寸大，淋出體積即為V0;

2)體積遠(yuǎn)小于所有孔洞體積，淋出體積即為V0+Vi;

3)體積中等，淋出體積則大于V0，小于V0+Vi.

第二節(jié)機(jī)理Ve:溶質(zhì)的淋出體積；K:分配系數(shù)

(孔體積Vi中可以被溶質(zhì)分子進(jìn)入的部分與Vi之比)

特別大的溶質(zhì)分子：Ve＝V0，K＝0；特別小的溶質(zhì)分子：Ve＝V0＋Vi，K＝1

中等大小的溶質(zhì)分子：V0<Ve<V0+Vi，0<K<1Ve＝V0＋KViK=Ve-ViVi孔穴填充物顆粒大中小樣品

第二節(jié)機(jī)理

溶質(zhì)分子的體積越小，其淋出體積越大。這種解釋不考慮溶質(zhì)與載體之間的吸附效應(yīng)以及在流動(dòng)相和固定相之間的分配效應(yīng)，其淋出體積僅僅由溶質(zhì)分子尺寸和載體的孔尺寸決定，分離完全時(shí)由于體積排除效應(yīng)所至，故稱(chēng)為體積排除機(jī)理?？籽ㄌ畛湮镱w粒大中小樣品GPC柱

第二節(jié)機(jī)理Log(MW)排阻極限滲透極限GPC柱第二節(jié)機(jī)理GPC術(shù)語(yǔ)排阻極限 排阻極限是指不能進(jìn)入凝膠顆?？籽▋?nèi)部的最小分子的分子量。所有大于排阻極限的分子都不能進(jìn)入凝膠顆粒內(nèi)部，直接從凝膠顆粒外流出，所以它們同時(shí)被最先洗脫出來(lái)。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(jìn)入凝膠顆?？籽▋?nèi)部的最大分子的分子量。在選擇固定相時(shí)，應(yīng)使欲分離樣品粒子的相對(duì)分子質(zhì)量落在固定相的滲透極限和排阻極限之間。第二節(jié)機(jī)理平均分子量計(jì)算公式數(shù)均分子量重均分子量Hi：峰高M(jìn)i：分子量Mw=SMiHiSHi

Mn=SHiS(Hi/Mi)6.1.4MeasurementofMWDTheoriesReactions:terminalanalysisThermodynamicsofdilutesolutions:colligativeproperties(boilingpointelevation,freezingpointdepression,osmoticpressure)Kinetics:ultracentrifugalsedimentation,viscosity,volumeexclusionOpticalproperties:scattering

第二節(jié)機(jī)理測(cè)定聚合物分子量的方法直接方法滲透壓方法(forMn)光散射方法(forMw)粘度方法(forMv)超速離心方法(forMz)間接方法GPC(forMn,MwandMz) 用標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)樣得到分子量校正曲線，間接算出聚合物樣品的相對(duì)分子量。如和標(biāo)準(zhǔn)品結(jié)構(gòu)不同，還需進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算才能得到聚合物樣品自身的分子質(zhì)量。第二節(jié)機(jī)理為什么要用GPC方法？相對(duì)分子量分布(多分散性指數(shù))對(duì)聚合物的性質(zhì)有重要影響。在相對(duì)分子質(zhì)量分布（多分散性指數(shù)）成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)后，經(jīng)典方法卻不能同時(shí)測(cè)定聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量分布。凝膠滲透色譜(GPC)的應(yīng)用改善了測(cè)試條件，并提供了可以同時(shí)測(cè)定聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量及其分布的方法，使其成為測(cè)定高分子相對(duì)分子質(zhì)量及其分布最常用、快速和有效的技術(shù)。6.2.1HPLCDefinitionHighPerformanceLiquidChromatographyAlsocalledhighpressureliquidchromatographySmallparticlesofstationaryphase:<10μmHighpressureinjectionpumpsAutomaticdetectors第二節(jié)機(jī)理泵進(jìn)樣器色譜柱柱溫箱檢測(cè)器THF,氯仿,DMF

示差檢測(cè)器GPC系統(tǒng)配置第二節(jié)機(jī)理Waters1515型凝膠滲透色譜儀MobilephaseinGPCMobilephasepumpauto-injectorcolumn(s)detector(s)dataacquisitionTemperaturecontrolMobilephase（solvents）

organicsolvents（THF、CHCl3、DMF）

water第二節(jié)機(jī)理GPC色譜柱選擇按照樣品所溶解的溶劑來(lái)選擇柱子所屬系列THF、氯仿、DMF必須選擇合適的溶劑來(lái)溶解聚合物按照樣品分子量范圍來(lái)選擇柱子型號(hào)樣品分子量應(yīng)該處在排阻極限和滲透極限范圍內(nèi)，并且最好是處在校正曲線線性范圍內(nèi)GelinGPCMobilephasepumpauto-injectorcolumn(s)detector(s)dataacquisitionTemperaturecontrolKindsofgelincolumn

crosslinkedcopolymerofStandDVB

porousglass、poroussilica、porousAl2O3

flexiblematerial（聚醋酸乙烯酯凝膠、聚丙烯酰胺凝膠、葡萄糖凝膠）Choiceofgel(porediameter)AccordingtoM第二節(jié)機(jī)理對(duì)于相同長(zhǎng)度的色譜柱，N值越大，意味著柱效率越高。分離度R：

式中，V1，V2分別為對(duì)應(yīng)于樣品1和樣品2的兩個(gè)峰值的淋洗體積；W1，W2分別為峰1和峰2的峰底寬。顯然，若兩個(gè)樣品達(dá)到完全分離，R應(yīng)等于或大于1，如果R小于1，則分離是不完全的。第二節(jié)機(jī)理載體是GPC產(chǎn)生分離作用的關(guān)鍵GPC儀器對(duì)載體的要求：1.良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；2.有一定的機(jī)械強(qiáng)度3.不易變形;4.流動(dòng)阻力小5.對(duì)試樣沒(méi)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。ColumninGPCMobilephasepumpauto-injectorcolumn(s)detector(s)dataacquisitionTemperaturecontrol

uniformporediameter

differentporediameter

分子量范圍已知，選擇單一孔徑；分子量范圍未知，選擇混合床柱得到精確的分子量分布探索分子量范圍第二節(jié)機(jī)理評(píng)價(jià)色譜柱性能的兩個(gè)重要參數(shù)柱效率N：色譜柱的效率可借用“理論塔板數(shù)”N進(jìn)行描述。測(cè)定N的方法：用一種相對(duì)分子量均一的純物質(zhì)，如鄰二氯苯、苯甲醇、乙腈、苯等，作GPC測(cè)定，得到色譜峰，從圖上可以求得從樣品加入到出現(xiàn)峰頂位置的淋洗體積VR，以及由峰的兩側(cè)曲線拐點(diǎn)出作出切線與基線所截得的基線寬度即峰底寬W，然后按照下式進(jìn)行計(jì)算N：6.2.1DetectorsinHPLCInstrumentationScattering/ViscosityMobilephasepumpauto-injectorcolumn(s)detector(s)dataacquisitionTemperaturecontrolDetectorsConcentration:refraction,UVLightGPC系統(tǒng)之溫度控制Mobilephasepumpauto-injectorcolumn(s)detector(s)dataacquisitionTemperaturecontrol柱溫控制

environmenttemperaturelessthan50?C

highestcontroltemperaturelessthan150?Cdifferentsolvents,differenttemperature（THF:35?C,DMF:85?C）6.2.3SeparationMechanismsEquilibriumexclusiontheory:suitableformostsituationsLimiteddiffusiontheory:highflowvelocityFlowseparationtheory:veryhighflowvelocity第二節(jié)機(jī)理標(biāo)樣聚苯乙烯(PS，溶于各種有機(jī)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)

(PEO與PEG的碳鏈骨架相同，但是其合成原料和封端不同，由于原料的性質(zhì)，使其產(chǎn)物的分子量和結(jié)構(gòu)都有一定的區(qū)別。PEO常是指一端為甲基封端，一端為羥基封端的聚環(huán)氧乙烷，而PEG一般是兩端都是羥基封端的聚乙二醇。)

第二節(jié)機(jī)理校正曲線逐一注入聚合物標(biāo)樣以確定分子量與保留時(shí)間的關(guān)系IDTimeMW114.797853000215.559380000316.239186000416.888100000517.47648000618.03223700718.49512200819.0055800第二節(jié)機(jī)理普適校正法用一種高聚物標(biāo)樣做校正曲線，常用聚苯乙烯樣品結(jié)構(gòu)可以與標(biāo)樣不一樣，并且可以有支鏈樣品及標(biāo)樣在流動(dòng)相溶劑中的K和α值必須己知可以用粘度法來(lái)測(cè)定K和α的值第二節(jié)機(jī)理普適校正法GPC反映的是淋洗體積與高聚物流體力學(xué)體積間的關(guān)系。根據(jù)Einstein粘度關(guān)系：[η]為特性粘度；v′表示聚合物鏈等效的流體力學(xué)體積；N為阿佛加德羅常數(shù)；M為聚合物分子量。 根據(jù)上式可用[η]M表示流體力學(xué)體積。第二節(jié)機(jī)理普適校正法GPC反映的是淋洗體積與高聚物流體力學(xué)體積間的關(guān)系。根據(jù)Einstein粘度關(guān)系：[η]為特性粘度；v′表示聚合物鏈等效的流體力學(xué)體積；N為阿佛加德羅常數(shù)；M為聚合物分子量。 根據(jù)上式可用[η]M表示流體力學(xué)體積。第二節(jié)機(jī)理當(dāng)樣品與標(biāo)樣有相同的淋洗體積時(shí)，下式成立：

式中下標(biāo)1為標(biāo)樣參數(shù)，2為樣品參數(shù)。將Mark-Houwink方程([η]=KMα)代入，即得到： 從而得出：

第二節(jié)機(jī)理GPC標(biāo)樣配制由于凝膠色譜中濃度檢測(cè)通常使用示差折光檢測(cè)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(fù)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(jìn)樣濃度按分子質(zhì)量大小的不同在0.05～0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）范圍內(nèi)配置。分子質(zhì)量越大，溶液濃度越低。標(biāo)樣配制應(yīng)該嚴(yán)格按照標(biāo)樣說(shuō)明書(shū)進(jìn)行。通常室溫靜置12小時(shí)以上，然后輕輕混勻。絕對(duì)不能超聲或者劇烈振蕩來(lái)加速溶解。溶液進(jìn)樣前應(yīng)先經(jīng)過(guò)過(guò)濾，以防止固體顆粒進(jìn)入色譜柱內(nèi)，引起柱內(nèi)堵塞，損壞色譜柱。第二節(jié)機(jī)理GPC標(biāo)樣配制分子量范圍樣品濃度低于5,000<1.0%5,000～25,000<0.5%25,00