第5章凝膠滲透色譜

1、 第5章 凝膠滲透色譜法 色譜原理 流動相:載氣 固定相:固體吸附劑等 圖 氣相色譜對樣品分離過程示意圖 色譜譜圖解析 一 譜圖表示方法: 橫坐標 時間 縱坐標 檢測器響應(yīng)信號的大小 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: 保留時間 死時間 調(diào)整保留時間 與固定液用量有關(guān) 比保留體積 相對保留值 保留指數(shù) 色譜過程方程: 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 色譜流出曲線方程：研究色譜峰形 塔板理論：高斯分布曲線 標準偏差：201exp122RRnctcntt202/exp22RRtnttcc 描述色譜峰大小的參數(shù)：

2、峰高h 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： 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，超過這個尺寸的大分子就不能滲透進去，它們只能隨溶劑的流動而在凝膠粒子之間的空間中流動。因此，大分子比起小分子來說，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分離開來，先分離出來的是大分子，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，然后再用一定的方法檢知每級中溶質(zhì)的濃度和分子量。 依照凝膠色譜的特點，在測定聚合物分子量分布曲線時，需要同時測定每個級分的濃度和分子量，因此除了和一般HPLC中所用到的濃度檢測器如示差折射、紫外等檢測器外，還配有分子量檢測器。分子量的檢測方法主要有兩大類：一類采用間接測定法，另一類采用直接測定法，如粘度法和光散射法。 這是通過測定淋洗體積推測相應(yīng)的分子量。如用虹吸法或計滴法來測定淋洗體積。隨著凝膠色譜的不斷發(fā)展，儀器流動相速度的穩(wěn)定性不斷提高，也可以直接測定保留時間作為分子量標記。 間接法測定分子量的優(yōu)點是儀器設(shè)備簡單，但不能直接得出分子量的數(shù)值，需采用標準

4、進行校正，數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜。 用自動粘度檢測器測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,可以算出絕對分子量，否則，只能推測出相對分子量。 自動粘度檢測器有兩種型式：一種是間隙式，測定一定體積的淋出液流經(jīng)毛細管粘度計的流出時間；另一種是連續(xù)式，測定柱后淋出液流經(jīng)毛細管粘度計時在毛細管兩端所產(chǎn)生的壓差。 KM 用此法可以直接測出淋出液中聚合物的重均分子量，是一種測定絕對分子量的方法。 該法所使用的儀器為小角激光光散檢測器（low angle laser light scatterin

5、g, LALLS），其工作原理如下：當(dāng)光通過高分子溶液時，會產(chǎn)生瑞利散射，散射光強度及其對散射角（即入射光與散射光測量方向的夾角）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來描述散光： 式中Io和I分別代表入射光和散射光強度；r代表觀測點與散射中心的距離。 LALLS與一般光散射方法相比，其特點是可以在0和C0的條件下測定，使計算大大簡化， 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；

6、n是溶液的折光指數(shù)。當(dāng)測定溶液的濃度C0時，該項可忽略。這樣式子可以化簡為： 式中的C為流出液中樣品的濃度。因此在GPC中，只要有濃度型檢測器和LALLS聯(lián)用，就可以直接測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）進樣系統(tǒng)、凝膠色譜柱、檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。 泵系統(tǒng)： 包括一個溶劑儲存器、一套脫氣裝置和一個高壓泵。它的工作是使流動相（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（適用于水和有機溶劑）、多孔玻璃、多孔氧化鋁（適用于水和有機溶劑） 柱子：玻璃、不銹鋼 檢測系統(tǒng)： 通用型檢測器：適用于所有高聚物和有機化合物的檢測。有示差折光儀檢測器、紫外吸收檢測器、粘度檢測器。 示差折光儀檢測器：溶劑的折光指數(shù)與被測樣品的折光指數(shù)有盡可能大的區(qū)別 紫外吸收檢測器：在溶質(zhì)的特征吸波長附近溶劑沒有強烈的吸收。 選擇型檢測器：適用于對該檢

8、測器有特殊響應(yīng)的高聚物和有機化合物。有紫外、紅外、熒光、電導(dǎo)檢測器等。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，這時高聚物進入不了凝膠顆?？讖?，全部從凝膠顆粒外部流過，這就沒有達到分離不同相對分子質(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，這時也沒有達到分離不同相對分子質(zhì)量的目的。所以在使用凝膠色譜儀測定相對分子質(zhì)量時，必須首先選擇好

9、與聚合物相對分子質(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器相匹配 色譜柱對于多分散聚合物的分離作用是基于體積排除機理，與分子量沒有直接聯(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，還可得到散射光強對淋出體積的譜圖，從而計算出分子量分布曲線和整個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)測定聚合物樣品中各個級分的相對分子質(zhì)量，由GPC儀中的濃度示差檢測器檢測各個級分的濃度，就可以得到聚合物的各種平均相對分子質(zhì)量。 激光光散射實驗中必須對樣品嚴格除塵，溶液中的灰塵會產(chǎn)生強烈的光散射，嚴重干擾聚合物溶液光散射的測量。溶液除塵是光散射

10、成敗的關(guān)鍵。首先是溶劑除塵，配置測試樣品的溶劑應(yīng)進行精餾，并經(jīng)過0.2m超濾膜過濾后方可使用。配好的溶液也要用0.2m的超濾膜過濾。另外，測試中所用的器械，如：注射器等，使用前要用洗液浸泡，清水強力沖洗。3.1凝膠色譜的色譜過程方程凝膠色譜的色譜過程方程 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關(guān)。能力與填料孔徑無關(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分離不起作用，柱空間中填料骨架體積對分離不起作用，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，譜時，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。樣品在分離過程中，大分子的保留體積為離過程中，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理都處在百花爭鳴的階段。目前模型機理可分為4大類： 依據(jù)色譜方程，認為分離處于平衡時，即溶質(zhì)在膠體孔洞內(nèi)的停滯時間大于它擴散入與擴散出

12、孔洞所需的時間，分離的過程就既不受擴散控制也不受擴散影響。 膠體的孔洞具有一定的孔徑分布，大分子可以滲透進去的孔洞數(shù)目比小分子少，即排除體積大。同時，大分子滲透進孔洞的深度也比小分子淺，容易被淋洗液沖出來。所以在色譜柱內(nèi)，大分子經(jīng)過的路程比小分子短，先流出來，而小分子后出來。當(dāng)溶質(zhì)分子相當(dāng)大時，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，K1，VRVM+VS。 該理論認為分離不處于平衡態(tài)，即溶質(zhì)分子擴散入與擴散出孔洞的時間近乎它的停滯時間。膠體孔洞內(nèi)部的流體摩擦效應(yīng)使溶質(zhì)的擴散速度降低，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)擴散滲透，先被淋洗出來。

13、 流動分離理論的模型把填料的孔洞假設(shè)成細長管子。當(dāng)溶液在細長管子中高速流動時，就存在流速場，即管子中間的液體比靠近管壁的液體流動快，就形成一個拋物線的流速場。 由于半徑大，大分子的溶質(zhì)在流動時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；小分子靠近管壁流速慢，經(jīng)過足夠長的距離后就可以到達分離的目的。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，橫坐標代表色譜保留值，縱坐標代表流出液體的濃坐標代表色譜保留值，縱坐標代表流出液體的濃度。度。 橫坐標的值

14、表示了樣品的淋洗體積或級分，這橫坐標的值表示了樣品的淋洗體積或級分，這個值是與分子量的對數(shù)值成比例的，表示了樣品個值是與分子量的對數(shù)值成比例的，表示了樣品的分子量；的分子量； 縱坐標的值是與該級分的樣品量有關(guān)，表征了縱坐標的值是與該級分的樣品量有關(guān)，表征了樣品在某一級分下的質(zhì)量分數(shù)。樣品在某一級分下的質(zhì)量分數(shù)。 因此凝膠色譜譜圖可看作是以分子量的對數(shù)值因此凝膠色譜譜圖可看作是以分子量的對數(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；為標準偏差。022( )exp () /22pWW VVV 對于多分散性樣品，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，需通過數(shù)據(jù)處理來獲得平均分子量。 由凝膠色譜圖計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、測量的精度直接影響到凝膠色譜測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。 這種測定校正曲線的方法簡便，準確性高，但獲得于被測樣品相同類型的窄分布高分子樣品比較困難，限制了它在實際中的應(yīng)用。lgeMABV 在實際工作中，有時不易獲得窄分布的標樣，可選用23個不同分子量的聚合物標樣（平均分子量需精測量，為已知的）采用一種數(shù)學(xué)處理方法即漸近試差法?？捎嬎愠鲂Ｕ€，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定校正曲線法。 先對已知樣品進行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，依照此方程計算已知標樣平均分子量，把所得到的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)進行比較，如不符合再修正A、B值，再重新計算，這樣反復(fù)試差，直至計算出的結(jié)果與已知標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算機來完成。 漸近試差法的優(yōu)點是不需要窄分布標樣，實驗操作方便，其缺點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定與標樣同類的高聚物，當(dāng)更換高聚物類型時，就需要重新標定。如果校正曲線能用高聚物的流體力學(xué)體積來標定，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，不同的高聚物，在相同的GPC實驗條件下，當(dāng)其淋洗體積相同時，下式成立：1122 MM 把MarkHouwink方程：代入上式再經(jīng)過一些公式的化簡可得： 因此只要知道兩種聚合物樣品在實驗條件下的參數(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，否則無法進行定量計算。121222211lglg(/)lg11MKKM 單分散性樣品只有測出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應(yīng)的分子量。 計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。在實際中由于許多聚合物譜圖是對稱的，近似于高斯分布，因此應(yīng)用最多的是用高斯分布函數(shù)來描述。 為了能夠更好的表示出分子量，將高斯公式進行化簡： 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)譜圖不對稱或出現(xiàn)多峰時，就不能近似成高斯分布函數(shù)，則上式不適用 。 把GPC曲線沿著橫坐標分成n等分，然后切割成為與縱坐標平行的n個長條，相當(dāng)于