第5章凝膠滲透色譜

1、 第5章 凝膠滲透色譜法 色譜原理 流動(dòng)相:載氣 固定相:固體吸附劑等 圖 氣相色譜對(duì)樣品分離過(guò)程示意圖 色譜譜圖解析 一 譜圖表示方法: 橫坐標(biāo) 時(shí)間 縱坐標(biāo) 檢測(cè)器響應(yīng)信號(hào)的大小 色譜圖 色譜圖的解析: 色譜峰的位置 色譜峰的大小和形狀 色譜峰的分離 保留值: 保留時(shí)間 死時(shí)間 調(diào)整保留時(shí)間 與固定液用量有關(guān) 比保留體積 相對(duì)保留值 保留指數(shù) 色譜過(guò)程方程: VR=VM+VR VR=VM+KVS 色譜的保留值與熱力學(xué)系數(shù)聯(lián)系起來(lái) 色譜流出曲線方程：研究色譜峰形 塔板理論：高斯分布曲線 標(biāo)準(zhǔn)偏差：201exp122RRnctcntt202/exp22RRtnttcc 描述色譜峰大小的參數(shù)：

2、峰高h(yuǎn) 峰寬 分離度：描述峰分離情況 分離因素：保留值峰窄 02ch4W21122RRttRWW 色譜定性分析依據(jù)保留值 與已知組分的保留值相比 與其它分析方法連用如 色譜定量分析峰高或峰面積判斷分析物的含量 色譜優(yōu)缺點(diǎn)： 高效快速分離技術(shù) 難以鑒別分離組分 尺寸不同的高聚物分子，按其分子大小能自由地滲透進(jìn)和滲透出這些凝膠孔洞。 凝膠孔洞與分子尺寸是相適應(yīng)的，超過(guò)這個(gè)尺寸的大分子就不能滲透進(jìn)去，它們只能隨溶劑的流動(dòng)而在凝膠粒子之間的空間中流動(dòng)。因此，大分子比起小分子來(lái)說(shuō)，在柱中的行程就短得多。 根據(jù)大小分子不同的行程就可以把混在一起的高聚物分子逐級(jí)分離開來(lái)，先分離出來(lái)的是大分子，較小的聚合物分

3、子受到溶劑分子的排斥也隨后分離出來(lái)，然后再用一定的方法檢知每級(jí)中溶質(zhì)的濃度和分子量。 依照凝膠色譜的特點(diǎn)，在測(cè)定聚合物分子量分布曲線時(shí)，需要同時(shí)測(cè)定每個(gè)級(jí)分的濃度和分子量，因此除了和一般HPLC中所用到的濃度檢測(cè)器如示差折射、紫外等檢測(cè)器外，還配有分子量檢測(cè)器。分子量的檢測(cè)方法主要有兩大類：一類采用間接測(cè)定法，另一類采用直接測(cè)定法，如粘度法和光散射法。 這是通過(guò)測(cè)定淋洗體積推測(cè)相應(yīng)的分子量。如用虹吸法或計(jì)滴法來(lái)測(cè)定淋洗體積。隨著凝膠色譜的不斷發(fā)展，儀器流動(dòng)相速度的穩(wěn)定性不斷提高，也可以直接測(cè)定保留時(shí)間作為分子量標(biāo)記。 間接法測(cè)定分子量的優(yōu)點(diǎn)是儀器設(shè)備簡(jiǎn)單，但不能直接得出分子量的數(shù)值，需采用標(biāo)準(zhǔn)

4、進(jìn)行校正，數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜。 用自動(dòng)粘度檢測(cè)器測(cè)定柱后流出液的特性粘度。依照Mark-Houwink方程： 即可換算得出聚合物的分子量M。上式中，K和為常數(shù)，與聚合物類型、溶劑和溶液溫度有關(guān)。已知K，值,可以算出絕對(duì)分子量，否則，只能推測(cè)出相對(duì)分子量。 自動(dòng)粘度檢測(cè)器有兩種型式：一種是間隙式，測(cè)定一定體積的淋出液流經(jīng)毛細(xì)管粘度計(jì)的流出時(shí)間；另一種是連續(xù)式，測(cè)定柱后淋出液流經(jīng)毛細(xì)管粘度計(jì)時(shí)在毛細(xì)管兩端所產(chǎn)生的壓差。 KM 用此法可以直接測(cè)出淋出液中聚合物的重均分子量，是一種測(cè)定絕對(duì)分子量的方法。 該法所使用的儀器為小角激光光散檢測(cè)器（low angle laser light scatterin

5、g, LALLS），其工作原理如下：當(dāng)光通過(guò)高分子溶液時(shí)，會(huì)產(chǎn)生瑞利散射，散射光強(qiáng)度及其對(duì)散射角（即入射光與散射光測(cè)量方向的夾角）和溶液濃度C的依賴性與聚合物的分子量、分子尺寸、分子形態(tài)有關(guān)，因此可用光散射的方法研究高分子溶液的分子量等參數(shù)。 采用瑞利比R來(lái)描述散光： 式中Io和I分別代表入射光和散射光強(qiáng)度；r代表觀測(cè)點(diǎn)與散射中心的距離。 LALLS與一般光散射方法相比，其特點(diǎn)是可以在0和C0的條件下測(cè)定，使計(jì)算大大簡(jiǎn)化， R 和溶質(zhì)的重均分子量Mw的關(guān)系為 式中，A2為第二維利系數(shù)，需事先測(cè)定，K為儀器常數(shù)： 2/oRr I I212WKCA CRM 式中，N為阿佛加德羅常數(shù)；使入射光波長(zhǎng)；

6、n是溶液的折光指數(shù)。當(dāng)測(cè)定溶液的濃度C0時(shí)，該項(xiàng)可忽略。這樣式子可以化簡(jiǎn)為： 式中的C為流出液中樣品的濃度。因此在GPC中，只要有濃度型檢測(cè)器和LALLS聯(lián)用，就可以直接測(cè)出液中樣品的重均分子量。22244()dnKnNdc1WK CRM GPC儀的組成： 泵系統(tǒng)、（自動(dòng)）進(jìn)樣系統(tǒng)、凝膠色譜柱、檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。 泵系統(tǒng)： 包括一個(gè)溶劑儲(chǔ)存器、一套脫氣裝置和一個(gè)高壓泵。它的工作是使流動(dòng)相（溶劑）以恒定的流速流入色譜柱。泵的工作狀況好壞直接影響著最終數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。越是精密的儀器，要求泵的工作狀態(tài)越穩(wěn)定。要求流量的誤差應(yīng)該低于0.01mL/min。 色譜柱： GPC儀分離的核心部件。是

7、在一根不銹鋼空心細(xì)管中加入孔徑不同的微粒作為填料。 填料（根據(jù)所使用的溶劑選擇填料，對(duì)填料最基本的要求是填料不能被溶劑溶解）：交聯(lián)聚苯乙烯凝膠（適用于有機(jī)溶劑，可耐高溫）、交聯(lián)聚乙酸乙烯酯凝膠（最高100，適用于乙醇、丙酮一類極性溶劑）多孔硅球（適用于水和有機(jī)溶劑）、多孔玻璃、多孔氧化鋁（適用于水和有機(jī)溶劑） 柱子：玻璃、不銹鋼 檢測(cè)系統(tǒng)： 通用型檢測(cè)器：適用于所有高聚物和有機(jī)化合物的檢測(cè)。有示差折光儀檢測(cè)器、紫外吸收檢測(cè)器、粘度檢測(cè)器。 示差折光儀檢測(cè)器：溶劑的折光指數(shù)與被測(cè)樣品的折光指數(shù)有盡可能大的區(qū)別 紫外吸收檢測(cè)器：在溶質(zhì)的特征吸波長(zhǎng)附近溶劑沒(méi)有強(qiáng)烈的吸收。 選擇型檢測(cè)器：適用于對(duì)該檢

8、測(cè)器有特殊響應(yīng)的高聚物和有機(jī)化合物。有紫外、紅外、熒光、電導(dǎo)檢測(cè)器等。影響因素： 色譜柱、溶劑的選擇 色譜柱： 每根色譜柱都有一定的相對(duì)分子質(zhì)量分離范圍和滲透極限，色譜柱有使用的上限和下限。色譜柱的使用上限是當(dāng)聚合物最小的分子的尺寸比色譜柱中最大的凝膠的尺寸還大，這時(shí)高聚物進(jìn)入不了凝膠顆?？讖?，全部從凝膠顆粒外部流過(guò)，這就沒(méi)有達(dá)到分離不同相對(duì)分子質(zhì)量的高聚物的目的。而且還有堵塞凝膠孔的可能，影響色譜柱的分離效果，降低其使用壽命。色譜柱的使用下限就是當(dāng)聚合物中最大尺寸的分子鏈比凝膠孔的最小孔徑還要小，這時(shí)也沒(méi)有達(dá)到分離不同相對(duì)分子質(zhì)量的目的。所以在使用凝膠色譜儀測(cè)定相對(duì)分子質(zhì)量時(shí)，必須首先選擇好

9、與聚合物相對(duì)分子質(zhì)量范圍相配的色譜柱。溶劑的選擇：能溶解多種聚合物不能腐蝕儀器部件與檢測(cè)器相匹配 色譜柱對(duì)于多分散聚合物的分離作用是基于體積排除機(jī)理，與分子量沒(méi)有直接聯(lián)系。 把激光光散射與凝膠色譜儀聯(lián)用，在得到濃度譜圖的同時(shí)，還可得到散射光強(qiáng)對(duì)淋出體積的譜圖，從而計(jì)算出分子量分布曲線和整個(gè)試樣的各種平均分子量。 把GPC儀與光散射儀連用，由光散射儀連續(xù)測(cè)定聚合物樣品中各個(gè)級(jí)分的相對(duì)分子質(zhì)量，由GPC儀中的濃度示差檢測(cè)器檢測(cè)各個(gè)級(jí)分的濃度，就可以得到聚合物的各種平均相對(duì)分子質(zhì)量。 激光光散射實(shí)驗(yàn)中必須對(duì)樣品嚴(yán)格除塵，溶液中的灰塵會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的光散射，嚴(yán)重干擾聚合物溶液光散射的測(cè)量。溶液除塵是光散射

10、成敗的關(guān)鍵。首先是溶劑除塵，配置測(cè)試樣品的溶劑應(yīng)進(jìn)行精餾，并經(jīng)過(guò)0.2m超濾膜過(guò)濾后方可使用。配好的溶液也要用0.2m的超濾膜過(guò)濾。另外，測(cè)試中所用的器械，如：注射器等，使用前要用洗液浸泡，清水強(qiáng)力沖洗。3.1凝膠色譜的色譜過(guò)程方程凝膠色譜的色譜過(guò)程方程 凝膠色譜柱是用多孔材料填充的，其分離凝膠色譜柱是用多孔材料填充的，其分離能力與填料孔徑無(wú)關(guān)。能力與填料孔徑無(wú)關(guān)。 GPC柱的總體積有柱的總體積有3部分組成，即填料骨架部分組成，即填料骨架體積、填料孔體積及填料顆粒間體積。其體積、填料孔體積及填料顆粒間體積。其中填料骨架體積對(duì)分離不起作用，柱空間中填料骨架體積對(duì)分離不起作用，柱空間體積主要由后兩

11、部分組成。體積主要由后兩部分組成。 因此當(dāng)把色譜方程因此當(dāng)把色譜方程VRVM+KVS用于凝膠色用于凝膠色譜時(shí)，譜時(shí)，VM代表填料顆粒間體積，代表填料顆粒間體積，VS代表填代表填料孔體積，料孔體積，VR也稱為淋洗體積。樣品在分也稱為淋洗體積。樣品在分離過(guò)程中，大分子的保留體積為離過(guò)程中，大分子的保留體積為VM，小分，小分子的保留體積為子的保留體積為VM+VS。分配系數(shù)。分配系數(shù)K在在0到到1之間。之間。 在現(xiàn)在，雖然GPC已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是就連基本的分理機(jī)理都處在百花爭(zhēng)鳴的階段。目前模型機(jī)理可分為4大類： 依據(jù)色譜方程，認(rèn)為分離處于平衡時(shí)，即溶質(zhì)在膠體孔洞內(nèi)的停滯時(shí)間大于它擴(kuò)散入與擴(kuò)散出

12、孔洞所需的時(shí)間，分離的過(guò)程就既不受擴(kuò)散控制也不受擴(kuò)散影響。 膠體的孔洞具有一定的孔徑分布，大分子可以滲透進(jìn)去的孔洞數(shù)目比小分子少，即排除體積大。同時(shí)，大分子滲透進(jìn)孔洞的深度也比小分子淺，容易被淋洗液沖出來(lái)。所以在色譜柱內(nèi)，大分子經(jīng)過(guò)的路程比小分子短，先流出來(lái)，而小分子后出來(lái)。當(dāng)溶質(zhì)分子相當(dāng)大時(shí)，以致全部都被排斥在膠體孔洞之外，K=0，即VRVM。而當(dāng)溶質(zhì)分子相當(dāng)小時(shí)，K1，VRVM+VS。 該理論認(rèn)為分離不處于平衡態(tài)，即溶質(zhì)分子擴(kuò)散入與擴(kuò)散出孔洞的時(shí)間近乎它的停滯時(shí)間。膠體孔洞內(nèi)部的流體摩擦效應(yīng)使溶質(zhì)的擴(kuò)散速度降低，溶質(zhì)分子越大則摩擦效應(yīng)就越大。因此，大分子難于向孔洞內(nèi)擴(kuò)散滲透，先被淋洗出來(lái)。

13、 流動(dòng)分離理論的模型把填料的孔洞假設(shè)成細(xì)長(zhǎng)管子。當(dāng)溶液在細(xì)長(zhǎng)管子中高速流動(dòng)時(shí)，就存在流速場(chǎng)，即管子中間的液體比靠近管壁的液體流動(dòng)快，就形成一個(gè)拋物線的流速場(chǎng)。 由于半徑大，大分子的溶質(zhì)在流動(dòng)時(shí)不能靠壁而被集中到管子的中心區(qū)域，故靠近管壁的是小分子。在拋物線形流速場(chǎng)的影響下，中心區(qū)域大分子的流速較快，從而先從柱子中流出來(lái)；小分子靠近管壁流速慢，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的距離后就可以到達(dá)分離的目的。4.1凝膠色譜譜圖凝膠色譜譜圖 凝膠色譜譜圖與一般的色譜譜圖是一樣的，橫凝膠色譜譜圖與一般的色譜譜圖是一樣的，橫坐標(biāo)代表色譜保留值，縱坐標(biāo)代表流出液體的濃坐標(biāo)代表色譜保留值，縱坐標(biāo)代表流出液體的濃度。度。 橫坐標(biāo)的值

14、表示了樣品的淋洗體積或級(jí)分，這橫坐標(biāo)的值表示了樣品的淋洗體積或級(jí)分，這個(gè)值是與分子量的對(duì)數(shù)值成比例的，表示了樣品個(gè)值是與分子量的對(duì)數(shù)值成比例的，表示了樣品的分子量；的分子量； 縱坐標(biāo)的值是與該級(jí)分的樣品量有關(guān)，表征了縱坐標(biāo)的值是與該級(jí)分的樣品量有關(guān)，表征了樣品在某一級(jí)分下的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。樣品在某一級(jí)分下的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 因此凝膠色譜譜圖可看作是以分子量的對(duì)數(shù)值因此凝膠色譜譜圖可看作是以分子量的對(duì)數(shù)值為變量的微分質(zhì)量分布曲線。為變量的微分質(zhì)量分布曲線。 對(duì)于單分散相的高聚物樣品，其色譜的保留值（在凝膠色譜中稱為峰位值）即表征了樣品的分子量。一般這種單分散性的色譜曲線可以用高斯分布函數(shù)表示： 式中，V為淋

15、洗體積；Vp為色譜峰的峰位淋洗體積；W(V)為樣品的質(zhì)量函數(shù)；W0為樣品質(zhì)量；為標(biāo)準(zhǔn)偏差。022( )exp () /22pWW VVV 對(duì)于多分散性樣品，其凝膠色譜曲線是許多單分散性樣品分布曲線的疊加，如下圖所示。曲線下面的面積正比與樣品量，是各單分散性樣品量的總和。這種曲線的形狀不一定與高斯分布函數(shù)一致，而是和樣品的分子量分布狀態(tài)有關(guān)，因此色譜峰的峰位不直接表示樣品的平均分子量。在這種情況下，需通過(guò)數(shù)據(jù)處理來(lái)獲得平均分子量。 由凝膠色譜圖計(jì)算樣品的分子量分布的關(guān)鍵是把凝膠色譜曲線中的淋洗體積V轉(zhuǎn)化為分子量M，這種分子量的對(duì)數(shù)值與淋洗體積之間關(guān)系曲線（lgMV曲線）稱為分子量校正曲線。該曲線

16、測(cè)量的精度直接影響到凝膠色譜測(cè)定的分子量分布精度，因此分子量校正曲線的確定成為凝膠色譜中關(guān)鍵的一環(huán)。 校正曲線的測(cè)定方法很多，大致可分為兩大類即直接校正法和間接校正法。 選用一系列與被測(cè)樣品同類型的不同分子量的窄分散性（d0。 如果校正曲線是非線性的，則可用曲線方程或多段折線方程表示。 這種測(cè)定校正曲線的方法簡(jiǎn)便，準(zhǔn)確性高，但獲得于被測(cè)樣品相同類型的窄分布高分子樣品比較困難，限制了它在實(shí)際中的應(yīng)用。lgeMABV 在實(shí)際工作中，有時(shí)不易獲得窄分布的標(biāo)樣，可選用23個(gè)不同分子量的聚合物標(biāo)樣（平均分子量需精測(cè)量，為已知的）采用一種數(shù)學(xué)處理方法即漸近試差法?？捎?jì)算出校正曲線，由于這種方法不需要窄分布

17、樣品，因此也可稱為寬分布樣品測(cè)定校正曲線法。 先對(duì)已知樣品進(jìn)行GPC分析，得到GPC譜圖，然后依照線性校正曲線任意規(guī)定一組A和B的值，得到一條校正曲線，依照此方程計(jì)算已知標(biāo)樣平均分子量，把所得到的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如不符合再修正A、B值，再重新計(jì)算，這樣反復(fù)試差，直至計(jì)算出的結(jié)果與已知標(biāo)樣相差在允許的誤差范圍內(nèi)（一般小于510），即可確定校正曲線。這種方法用手算是比較麻煩的，目前已能編制成程序由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。 漸近試差法的優(yōu)點(diǎn)是不需要窄分布標(biāo)樣，實(shí)驗(yàn)操作方便，其缺點(diǎn)是不能凝膠柱的排斥和滲透極限，只能適用與線性的校正曲線，得到的校正曲線也只是近似的。 GPC反映的是淋洗體積與高聚物流體力學(xué)

18、體積之間的關(guān)系。各種高聚物的柔順性是不同的，分子量相同而結(jié)構(gòu)不同的高聚物在溶液中的流體力學(xué)體積也是不同的。因此由上述方法介紹的兩種方法所確定的校正曲線只能用于測(cè)定與標(biāo)樣同類的高聚物，當(dāng)更換高聚物類型時(shí)，就需要重新標(biāo)定。如果校正曲線能用高聚物的流體力學(xué)體積來(lái)標(biāo)定，這類校正曲線就具有普適性。 如果用lgMV作校正曲線應(yīng)該比lgMV的校正曲線更具普適性，也就是說(shuō)，不同的高聚物，在相同的GPC實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)其淋洗體積相同時(shí)，下式成立：1122 MM 把MarkHouwink方程：代入上式再經(jīng)過(guò)一些公式的化簡(jiǎn)可得： 因此只要知道兩種聚合物樣品在實(shí)驗(yàn)條件下的參數(shù)K1，1和K2，2的值，就可由一種高聚物的校

19、正曲線以上式換算成第二高聚物的校正曲線。 此方法的優(yōu)點(diǎn)是主要一種高聚物（一般采用窄分布聚苯乙烯）作校正曲線就可以測(cè)定其他類型的聚合物，但先決條件式兩種聚合物的K和必須是已知的，否則無(wú)法進(jìn)行定量計(jì)算。121222211lglg(/)lg11MKKM 單分散性樣品只有測(cè)出GPC譜圖就可以從圖中求出保留值，然后直接從校正曲線查出對(duì)應(yīng)的分子量。 計(jì)算多分散性樣品分子量分布由兩種方法：一種是函數(shù)法，另一種是條法。 這種方法是先選擇一種能描述測(cè)得的GPC曲線的函數(shù)，然后在依據(jù)此函數(shù)和分子量定義求出樣品的平均分子量。在實(shí)際中由于許多聚合物譜圖是對(duì)稱的，近似于高斯分布，因此應(yīng)用最多的是用高斯分布函數(shù)來(lái)描述。 為了能夠更好的表示出分子量，將高斯公式進(jìn)行化簡(jiǎn)： 式中，B12.303B。 則可以得到分子量為自變量的質(zhì)量微分分布函數(shù) ： 其中B1；MP為峰位分子量，可由校正曲線中查出。將其代入 和d的定義中可得到：1lneMABV211 lnln()exp() 2 2PMMW MMnMWM221/exp()WndMMB221exp(/2)nPMMB221exp(/2)wpMMB 當(dāng)譜圖不對(duì)稱或出現(xiàn)多峰時(shí)，就不能近似成高斯分布函數(shù)，則上式不適用 。 把GPC曲線沿著橫坐標(biāo)分成n等分，然后切割成為與縱坐標(biāo)平行的n個(gè)長(zhǎng)條，相當(dāng)于