凝膠滲透色譜法有機(jī)分離分析馬志

馬志分析測(cè)試中心材料測(cè)試組凝膠滲透色譜法(GPC)

－有機(jī)分離分析本文檔共31頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分一、引言二、凝膠滲透色譜法的基本原理三、凝膠色譜儀四、載體和色譜柱五、GPC在測(cè)定聚合物分子量及其分布中的應(yīng)用六、GPC的特殊應(yīng)用舉例七、結(jié)語八、參考文獻(xiàn)主要內(nèi)容本文檔共31頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分一、引言

凝膠色譜法是一種新型的液體色譜

(GelPermeationChromatography簡(jiǎn)稱GPC)

別名：體積排除色譜(SizeExclusionChromatography簡(jiǎn)稱SEC)凝膠過濾色譜(GelFiltrationChromatography簡(jiǎn)稱GFC)等。

從分離機(jī)理看，使用體積排除色譜(SEC)較為確切。

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)。

本文檔共31頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分一、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。本文檔共31頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分二、凝膠滲透色譜法的基本原理當(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，較小的分子較晚被淋洗出來。

本文檔共31頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分二、凝膠滲透色譜法的基本原理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:載體的骨架體積體積排除機(jī)理溶劑分子：

V0中的溶劑稱為流動(dòng)相；Vi中的溶劑稱為固定相高分子：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.本文檔共31頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分二、凝膠滲透色譜法的基本原理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

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，故稱為體積排除機(jī)理。本文檔共31頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分三、凝膠滲透色譜儀

GPC儀器主要由輸液系統(tǒng)（柱塞泵）、進(jìn)樣器、色譜柱、檢測(cè)系統(tǒng)（示差折光檢測(cè)器、多波長(zhǎng)UV、FTIR等）及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。本文檔共31頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分三、凝膠滲透色譜儀Waters1515型凝膠滲透色譜儀本文檔共31頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分四、載體和色譜柱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。載體是GPC產(chǎn)生分離作用的關(guān)鍵GPC載體的種類：1.交聯(lián)聚苯乙烯凝膠2.多孔性玻璃3.半硬質(zhì)及軟質(zhì)填料包括聚乙酸乙烯酯凝膠及聚丙烯酰胺凝膠4.木質(zhì)素凝膠等本文檔共31頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分四、載體和色譜柱柱效率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：

評(píng)價(jià)色譜柱性能的兩個(gè)重要參數(shù)對(duì)于相同長(zhǎng)度的色譜柱，N值越大，意味著柱效率越高。

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。分離度R：本文檔共31頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分五、GPC在測(cè)定聚合物分子量及其分布中的應(yīng)用

5.1聚合物的分子量及分子量分布

聚合物分子量：統(tǒng)計(jì)平均分子量假定在某一高分子試樣中含有若干中分子量不等的分子，該試樣的總質(zhì)量為w，總摩爾數(shù)為n，種類數(shù)用i表示，第i種分子的分子量為Mi，摩爾數(shù)為ni，重量為wi，在整個(gè)試樣中的重量分?jǐn)?shù)為Wi，摩爾分?jǐn)?shù)為Ni，則這些量之間存在下列關(guān)系：數(shù)均分子量：以數(shù)量為統(tǒng)計(jì)權(quán)重，定義為：本文檔共31頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分五、GPC在測(cè)定聚合物分子量及其分布中的應(yīng)用重均分子量：以重量為統(tǒng)計(jì)權(quán)重，定義為：Z均分子量：以Z值為統(tǒng)計(jì)權(quán)重，Zi=wiMi，定義為：粘均分子量：用稀溶液粘度法測(cè)得的平均分子量，定義為：本文檔共31頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分五、GPC在測(cè)定聚合物分子量及其分布中的應(yīng)用本文檔共31頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分五、GPC在測(cè)定聚合物分子量及其分布中的應(yīng)用檢測(cè)器信號(hào)H：比例于淋出液的濃度；保留體積（淋出體積）：分子尺寸的大小Ve換算成分子量M，即為分子量分布曲線

對(duì)于GPC來說，級(jí)分的含量即是淋出液的濃度。只要選擇與溶液濃度由線性關(guān)系的某種物理性質(zhì)，即可通過對(duì)其測(cè)量以測(cè)定溶液的濃度。常用的方法：示差折射儀。測(cè)定出淋出液的折光指數(shù)與純?nèi)軇┑恼酃庵笖?shù)之差，以表征溶液的濃度。此外還有UV和IR等各種類型的濃度檢測(cè)器。雖然從譜圖已能直觀地了解分子量分布的某些信息，但要定量地得到分子量及分子量分布的數(shù)據(jù)，還要做一些處理。

5.2GPC譜圖本文檔共31頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分根據(jù)GPC分離機(jī)理，保留體積(或淋出體積)Ve與分子量之間有線性關(guān)系

式中：A和B為常數(shù)，其值與溶質(zhì)、溶劑、溫度、載體及儀器結(jié)構(gòu)有關(guān)，可由分子量－淋出體積曲線的直線段的截距和斜率求出。首先測(cè)定一組分子量不同的單分散或窄分布樣品（已用其它方法精確確定了分子量）的淋出體積和分子量的GPC譜圖（圖7-15），然后以logM對(duì)Ve作圖，得到反S形工作曲線（圖7-16）。工作曲線中間的直線部分就是標(biāo)定曲線。logM＝A－BVe5.3分子量－淋出體積標(biāo)定曲線五、GPC在測(cè)定聚合物分子量及其分布中的應(yīng)用本文檔共31頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分5.4分子量－淋出體積普適標(biāo)定曲線五、GPC在測(cè)定聚合物分子量及其分布中的應(yīng)用實(shí)際上，對(duì)大多數(shù)聚合物很難獲得窄分布標(biāo)準(zhǔn)樣品，由容易獲得的陰離子聚合的聚苯乙烯(Mw/Mn<1.1)測(cè)得的校準(zhǔn)曲線，也不能直接用于其他高分子，因?yàn)椴煌叻肿颖M管分子量相同，但體積卻不一樣。因而必須尋找一個(gè)分子結(jié)構(gòu)參數(shù)代替分子量，希望用這一參數(shù)求出的標(biāo)定關(guān)系對(duì)所有高分子普遍適用，稱為普適標(biāo)定。根據(jù)愛因斯坦（Einstein）公式

式中：[h]――特性粘數(shù)；NA――阿伏加德羅常數(shù)；Vh――流體力學(xué)體積。

具有體積的量綱，可當(dāng)作流體力學(xué)體積。不同高分子的

校準(zhǔn)曲線應(yīng)當(dāng)相同，大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)已證明了這一點(diǎn)（圖7-17）。流體力學(xué)體積：在聚合物溶液中，高分子鏈卷曲纏繞成無規(guī)線團(tuán)狀，在流動(dòng)時(shí)，其分子鏈間總是裹挾著一定量的溶劑分子，所表現(xiàn)出的體積稱之為流體力學(xué)體積。本文檔共31頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分5.4分子量－淋出體積普適標(biāo)定曲線五、GPC在測(cè)定聚合物分子量及其分布中的應(yīng)用若已知一種聚合物的M1，只須簡(jiǎn)單計(jì)算，就能得到同一保留體積的另一種聚合物的M2。根據(jù)馬克公式有

式中K、α――對(duì)每一特定高分子－溶劑體系是常數(shù)。將此兩式代入上式，并整理后得到本文檔共31頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分5.5GPC數(shù)據(jù)處理5.5.1單分散試樣五、GPC在測(cè)定聚合物分子量及其分布中的應(yīng)用

單分散試樣分子量均一，不存在分布和平均值問題，可以根據(jù)GPC譜圖求出Ve值，根據(jù)標(biāo)定曲線求得其分子量本文檔共31頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分

多分散試樣五、GPC在測(cè)定聚合物分子量及其分布中的應(yīng)用許多聚合物的GPC譜圖是對(duì)稱的（圖7-19），近似于高斯分布，可以用正態(tài)分布函數(shù)來處理，由以下公式計(jì)算分子量：

式中：Mp―峰值分子量，從圖中Vp通過校準(zhǔn)曲線求得；σ:校準(zhǔn)偏差，等于峰寬W的四分之一；B:校準(zhǔn)曲線的斜率。本文檔共31頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分5.5.3加寬效應(yīng)的改正五、GPC在測(cè)定聚合物分子量及其分布中的應(yīng)用

對(duì)于單分散樣品，GPC譜圖理應(yīng)是一條譜線，但實(shí)際上卻是一個(gè)窄峰。峰加寬效應(yīng)來源于多流路效應(yīng)、縱向分子擴(kuò)散、高分子在凝膠孔洞中的擴(kuò)散，以及凝膠對(duì)試樣的吸附作用。加寬效應(yīng)使高分子的GPC譜圖比實(shí)際的分子量分布要寬。一種簡(jiǎn)單的改正方法是把分子量計(jì)算值做數(shù)值上的修正，即

式中

――改正前的表觀值

其中σ0為用小分子化合物(常用亞甲基藍(lán)等)測(cè)定得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差，B的定義同前。

G――改正因子，本文檔共31頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分5.5.4離散型或不對(duì)稱譜圖五、GPC在測(cè)定聚合物分子量及其分布中的應(yīng)用

將譜峰下的Ve分成若干等分（如右圖），歸一化處理，則各點(diǎn)的重量分?jǐn)?shù)為根據(jù)分子量的定義，有重均分子量

數(shù)均分子量

本文檔共31頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分六、GPC的特殊應(yīng)用舉例

6.1GPC/LALLS(小角激光光散射)聯(lián)用

聯(lián)用：將試樣通過GPC進(jìn)行分離，令淋洗液通過常規(guī)的濃度檢測(cè)器測(cè)定其濃度，同時(shí)通過LALLS儀測(cè)量其散射光強(qiáng)。由于濃度和散射光強(qiáng)的信號(hào)都是連續(xù)測(cè)定的，根據(jù)需要把淋洗譜圖分割成若干區(qū)間，計(jì)算每個(gè)區(qū)間的中均分子量Mi以及相應(yīng)的濃度Ci，根據(jù)這兩組數(shù)據(jù)求出整個(gè)試樣的分子量分布曲線，并計(jì)算出試樣的各種平均分子量及多分散指數(shù)。將相對(duì)法變成絕對(duì)法，不用標(biāo)樣直接測(cè)定試樣的各種平均分子量，并可做擴(kuò)展效應(yīng)的校準(zhǔn)與改正。本文檔共31頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分六、GPC的特殊應(yīng)用舉例

6.2GPC測(cè)定共聚物的組成分布與分子量分布共聚物除了分子量的多分散性以外，還有組成的多分散性。分子量分布和組成分布都是影響共聚物產(chǎn)品性能的重要因素。共聚物組成分布研究的常規(guī)方法：首先利用交叉分級(jí)法將待測(cè)試樣分成很多級(jí)分，然后再借助于光譜、核磁共振譜、氣相色譜等分析方法測(cè)定各個(gè)級(jí)分的組成。缺點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，分級(jí)效果不佳，所得級(jí)分的分子量和組成都不是單分散的，因此測(cè)得的組成也只是每個(gè)級(jí)分的平均值。本文檔共31頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分六、GPC的特殊應(yīng)用舉例

6.2GPC測(cè)定共聚物的組成分布與分子量分布共聚物組成分布研究的GPC方法優(yōu)點(diǎn)：分析時(shí)間大大縮短，分離效率得到提高。將GPC配以光譜、核磁共振等方法，或直接再GPC中使用雙檢測(cè)器，如示差折光儀/紫外吸收光譜，示差折光儀/紅外吸收光譜，就可以快速而細(xì)致地同時(shí)測(cè)定共聚物的組成分布和分子量分布。舉例：丁二烯／苯乙烯共聚物UV檢測(cè)器l=260nm：用以測(cè)定含苯環(huán)的聚苯乙烯鏈段的濃度RI示差折光儀：對(duì)兩組分都有響應(yīng)，但靈敏度不同。本文檔共31頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分六、GPC的特殊應(yīng)用舉例

6.3GPC在高分子涂料中的應(yīng)用樣品在做凝膠色譜前，需要除去樣品中的粉質(zhì)和溶劑。常用溶劑去除方法有室溫自然干燥法和紅外燈干燥。對(duì)一些和氧氣有反應(yīng)的樹脂如醇酸樹脂，使用紅外燈干燥時(shí)需要使用氮?dú)獗Ｗo(hù)，某些受熱易自聚的樹脂只能使用自然干燥的方法除去溶劑。如果溶劑與樹脂的峰圖不產(chǎn)生重疊干擾也可以不用干燥直接進(jìn)樣分析。

醇酸樹脂是涂料中用量最大的樹脂材料。分為長(zhǎng)油型、中油型、短油型。不同的涂料品種有不同的分子量要求。因此凝膠色譜技術(shù)作為涂料工業(yè)的一個(gè)重要質(zhì)量控制設(shè)備要被廣泛使用。其中長(zhǎng)油型主要用于自干性清漆，一般需要有較高的分子量，干燥時(shí)容易成膜，重均分子量可達(dá)十幾萬，分布寬度長(zhǎng)達(dá)20以上。另外兩種型號(hào)一般分子量及其分布都要小一些。此外許多其它可以利用凝膠色譜進(jìn)行分析的高分子涂料還有：環(huán)氧樹脂、氨基樹脂、丙烯酸樹脂、脲醛樹脂、醋酸纖維素、不飽和樹脂、聚氨酯固化劑、丙烯酸乳液等。本文檔共31頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分六、GPC的特殊應(yīng)用舉例

6.4GPC在農(nóng)藥殘留分析中的應(yīng)用為提高糧食生產(chǎn)率，使用農(nóng)藥進(jìn)行植物保護(hù)是必不可少的重要手段。施用于作物上的農(nóng)藥雖有部分降解，但仍然有部分殘留農(nóng)藥最終以食物等方式進(jìn)入人、畜體內(nèi)，造成人、畜的農(nóng)藥中毒，嚴(yán)重的甚至?xí)C(jī)生命。農(nóng)產(chǎn)品安全問題成為影響農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的主要因素。開發(fā)建立符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、快速、可靠、靈敏和實(shí)用的農(nóng)藥殘留分析技術(shù)用于控制農(nóng)藥殘留，保證食品安全和避免國(guó)際間有關(guān)貿(mào)易爭(zhēng)端，成為國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室研究的重點(diǎn)。本文檔共31頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期日\(chéng)10點(diǎn)19分六、GPC的特殊應(yīng)用舉例

6.4GPC在農(nóng)藥殘留分析中的應(yīng)用

農(nóng)藥殘留分析包括樣品預(yù)處理(提取、濃縮和凈化)和檢測(cè)兩部分。預(yù)處理過程將有利于凈化在樣品中存在的、會(huì)干擾或阻礙殘留農(nóng)藥分析的大量雜質(zhì)，提高色譜檢測(cè)分析的分離度、重現(xiàn)性和準(zhǔn)確度；同時(shí)，預(yù)處理還能富集濃縮樣品，使樣品中含量過低的待測(cè)組分達(dá)到色譜儀的最低檢測(cè)限。預(yù)處理過程中的凈化方法主要有液－液分配、柱層析凈化、吹掃蒸餾法、磺化法、凝結(jié)劑沉淀法、低溫冷凍法等。傳統(tǒng)的方法存在很多局限性，如使用大量溶劑，樣品處理步驟復(fù)雜，操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，樣品回收率和精密度不理想，溶劑蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的樣品損失等。