凝胶渗透色谱定义和诊断要求

1、凝胶渗透色谱定义和诊断要求1953年-Wheaton和Bauman- 用多孔树脂按分子量大小分离了苷、多元醇和其它非离子物质，观察到分子尺寸排除现象。 1959年-Porath和Flodin 用葡聚糖凝胶分离了水溶液中不同分子量的样品。 1962年- 将连续式高灵敏度的示差折光仪接在分离柱后，并以体积计量方式作图，制成了快速且自动化的高聚物分子量及分子量分布的测定仪，创立了凝胶渗透色谱技术。 研发历程：凝胶渗透色谱GPC-Gel Permeation Chromatography也称作体积排斥色谱SEC-Size Exclusion Chromatography以溶剂作流动相，流经多孔填料作为

2、分离介质的液相色谱法。2 凝胶渗透色谱的原理以多孔树脂为固定相Vg载体骨架体积Vi载体孔洞体积V0载体粒间体积淋出体积Ve=V0+KVi分配系数0K1V0和Vg对分离没有贡献，应尽量减小，Vi越大分离效果越好用溶剂推动聚合物样品流过固定相产生大小分子顺序流出的分离凝胶渗透色谱柱是如何工作的流出级份的保留时间（洗脱体积）提供其分子量（尺寸）的信息。从检测器信号强度得到各流出级分的浓度。由示差检测器连续记录流出样品的浓度用已知分子量的标样标定出流出时间和分子量的关系，再对未知样各流出级份的时间（分子量）和强度进行统计计算得到分子量分布。聚合物在色谱柱中的分离是基于分子在溶剂中表现出的体积而不是分子

3、量 溶剂化体积InOutSR缓冲柱色谱柱溶剂输送系统在线脱气放空阀加热废液管儿示差折光检测器恒温区废液溶剂典型分离式GPC系统示意图进样阀柱温箱预热板3. 凝胶渗透色谱仪为GPC加热的理由降低流动相黏度，使得谱柱内部溶剂处于接近理想的GPC状态（如Polyethylene Terphthalate m-Cresol + 0.05 m LiBr/100 C）尽量减轻分子间的弱相互作用（样品分子间、样品和溶剂分子间、填料和样品分子间等）使难于溶解的样品得以溶解（如聚烯烃PEPP、工程塑料PPS等）使GPC检测处在一个温度稳定的环境进样阀GPC色谱柱废液废液管柱温箱检测器1检测器2检测器3连接管在同

4、一个温控区集成了进样阀、色谱柱、检测器，保证温度的一致性和稳定性一体化温控区的示意图Temp.(Deg C)MVMinutes51015202530354045505560657075实验室温度波动对RI检测器基线的影响Detector Temp 35 CNo Column Heater UsedRoom TemperatureRI BaselineWaters G2000高温凝胶色谱仪多检测器集成的 GPC 系统紫外检测器（浓度型）粘度检测器（分子量型）多角激光光散射检测器（分子量型）红外接口（特征基团型为测量短链支化）聚合物的分子结构分子量分布增加分子量PD = Mw / Mn 增加浓度聚

5、合物的各种平均分子量 Mn：用渗析计测出(Osmometry)Mw：用光散射计测出(Light Scattering)Mv：用粘度计测出(Viscometry)Mz及Mz+1：用超速离心法测出(Ultracentrifuge)Mw/Mn：为多分散性(Polydispersity) MnMvMwMzMz+1用GPC测得的分子量分布可以计算出各种不同种平均分子量，可对应于其他仪器所测的值。标样与待测样品不同种类4. 存在问题及解决办法以同类聚合物的标准样品可绘制出标准曲线，给出淋出体积与分子量的关系。不同种类的聚合物，在溶剂中受到的作用不同，所以即使相同的分子量也会有不同的溶剂化体积 采用标样的校

6、正曲线，只能得到与标样分子溶剂化体积相同的相对分子量讨论：请给出你的解决办法5. 对测试结果产生影响的因素输液系统样品制备进样系统柱温变化色谱柱结构与性能检测器的影响流动相的种类溶剂输送系统高流速精度是获得重现性GPC结果的基础微小的流速误差会导致分子量计算的很大误差使用参考峰(Flow Markers)的技术可校正流速误差固态 (半结晶)液态 (稀溶液)样品制备的影响样品制备的影响用淋洗液制样，使聚合物在分析的整个过程中处于稳定状态，并且使溶剂峰最小溶解必须使聚合物链打开成最放松的状态允许充分的时间让链展开有些聚合物需要大于3小时分子量及结晶度愈大，所需真正溶解的时间就俞多某些结晶的聚合物需

7、要加热样品制备的影响样品浓度与分子量相关（分子量越大，浓度越低）除非该样品可能会有剪切效应发生，聚合物溶液必须过滤为了增加样品的溶解，可轻微扰动（不要剧烈摇动或用超声）窄分布标样不必过滤，高分子量标样也不要剧烈摇动可使用在线过滤器，但是不推荐使用保护柱 Sample PE-150C-2h Sample PE-150C-4h Sample PE-160C-2h Sample PE-160C-4h Sample PE-170C-2h Sample PE-170C-4h Minutes16.017.018.019.020.021.022.023.024.025.0150 C170 C样品制备的影响进

8、样系统的影响40 瓶位样品盘2ml 玻璃瓶卷边压紧铝瓶盖优先进样的样品缓慢搅拌双温区设计是降解风险降至最低 进样点热区温区50 100 200 温度 (C)-20 -10 0 10 20 瓶位Carousel Motion进样点Agitated自动进样器柱温对分辨率影响Column : PLgel 5um MIXED-CEluent : DMFPEO/PEG standards990,000252,00086,00018,0004,800200增加温度 : 降低操作压力改善分辨率, 尤其是对于高分子量色谱柱结构与性能的影响 在THF中包含胺类基团的聚合物经常会和色谱柱填料发生作用，造成保留时间

9、延长 在溶剂中添加少量的三乙胺降低相互作用的影响就可使色谱图恢复正常 在例子中一个含胺的紫外稳定剂，在用四氢呋喃分析时加入 5% 三乙胺，谱图明显得到改善Sample:Hostavin N30Column:2xPLgel 3m MIXED-EInjection volume: 20lDetector: PL-ELS 1000Eluent Modification in Organic GPC - AcidsSample:Acrylic copolymerColumn:3xPlgel 5m MIXED-C Injection volume: 20lDetector: DRI Some acidi

10、c samples containing polar components can be dissolved in THF but when analysed in that solvent show interactions with the packing material Addition of a small amount of acetic acid reduces these interactions by reducing the ionic character of the polymers In this example a acrylic co-polymer showin

11、g ionic exclusion could be analysed in THF with 5% acetic acidColumn Conditioning in Organic GPC Some samples, especially polar resins (e.g. phenol formaldehyde) can interact with packing materials on first injection Subsequent injections result in a changing peak pro the number of interacting sites

12、 is reduced Eventually the peak shape stabilises This is called column conditioning To condition the column, multiple sample injections can be made to block interacting sitesEluent: THFColumn:ResiPoreInjection volume: 20lDetector: DRI MIXED bed columns give extended range over individual pore size M

13、anufactured to give no discontinuities Combine individual pore size columns to extend range Can cause peak shape variation due to mismatch in pore volume色谱柱对数据的影响 聚合物色谱中的检测器浓度响应值正比于浓度C实例：示差(refractometer)检测器 N = (dn/dc) C紫外检测器蒸发光散射检测器使用单一浓度型检测器的体积排除分离模式色谱被称作 传统GPC“绝对”分子量分布的测定RI/V 检测器结合使用 VI的响应值正比于 C

14、 H / M = C H，大分子的尺寸；流体力学体积 = VI / RI，特征粘度(intrinsic viscosity) 普适校正的假设：具有同样大小(H)的大分子应有同样的洗脱体积，即依赖性在给定的流动相、色谱柱组及温度下，H = H(V)是通用的Log H246810Elution volume V, mL16182022242628RI/V 检测器结合使用，第一步：用任何 窄分布标样(化学结构不重要)建立普适校正曲线 ST = VI / RI for each standard H = MST ST for each standard Polynomial fit to Log H

15、universal calibration curve “绝对”分子量分布的测定“绝对”分子量分布的测定RI/V 检测器结合使用第二步：用聚合物分布每一切片“i”计算“绝对”分子量i = VIi / RiiMi = Hi / i GPC中的大分子结构形态大分子的结构形态(支化)可通过粘度理论曲线得到：Log 对 Log M 粘度理论曲线也被称为Mark-Houwink曲线，可由下列方程式描述：Log = Log K + Log MK 及 可随 M 变化GPC中的大分子结构形态支化降低了大分子的尺寸：对于同样分子量的大分子来说branch linear 支化指数 表示了支化程度的特性g = br

16、anch / linear 1支化聚合物的支化指数：g = gSCB gLCB GPC中的大分子结构形态线性聚合物有线性的MH曲线：Log lin = Log Klin + lin Log M 具有短链支化(short-chain branches)的聚合物同样具有线性的曲线但是；KSCBKlin，并且 SCB = lin gSCB 1 常数(不依赖于M)线性粘度理论曲线用Mark-Houwink方程式描述多检测器的比较配置方法分子量支化回转半径传统GPC相对于标样的色谱柱校正，得到相对分子量不能不能使用普适校正的传统GPC需从文献上得到准确的K/a值，对相对分子量进行的色谱柱普适校正得到绝对

17、分子量不能不能配了黏度检测器的GPC测出特性黏数，得到K/a值的普适校正能，直接从特性黏数测出能，但是间接得到配了多角激光检测器的GPC绝对测出，无需色谱柱校正能，但要符合一些假设能，当有两个测量角以上三检测器联用的GPC准确结果能能溶剂特性溶剂（中文）溶剂（英文）极性黏度 （cP）沸点 （）己烷Hexane7.30.3386环己胺Cyclohexane8.2181甲苯Toluene8.90.59110乙酸乙酯Ethyl acetate9.10.4577四氢呋喃Eetrahydrofuran9.10.5566氯仿Chloroform9.30.5761甲乙酮Methyl ethyl ketone

18、9.30.480二氯甲烷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间甲苯酚m-Cresol10.216.9202临氯酚o-Chlorophenol10.24.11175二甲基乙酰胺Dimethyl acetamide10.80.77166氮甲基吡咯烷酮n-Methyl pyrrolidone11.31.65202二甲基亚砜Dimethyl sulphoxide121.1189二甲基甲酰胺Di

19、methyl formamide12.10.9153六氟异丙醇Hexafluroisopropanol12.21.0258各种样品所对应的溶剂条件PolyisobutylenePolybutyleneChlorinated RubberPolybutadienePolyisoprenePolydimethylsiloxaneChlorinated PolyethylenePolyethylene EthylacrylatePolyethylene VinylacetonePolyethylene Methacrylic acidPolyphenyleneoxidePoly-4-methylpe

20、ntene(1)PolyethyleneUltra-high Molecular Weight PolyethylenePolypropylenePolyetheretherketonePolyetherketoneTolueneToluene/75 CTCB/135 - 160 CTCB/135 - 160 CPhenol/TCB 1:1/145 C各种样品所对应的溶剂条件Melamine FormaldehydeNylon (All types)Polybutylene Terphthalate(PBT)Polyethylene Terphthalate(PET)Poly Acryloni

21、trile(聚丙烯睛)ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)ASA (Acrylic Styrene AcrylonitrileABA (Acrylonitrile Butdiene Acrylate)Carboxymethyl CelluloseABS/PolycarbonatePolybutadiene AcrylonitrilePolyurethanePolyacetalPolyoxymethylenePolyimidePolyamide imidePolyetherimidePolyethersulfonePolyvinyldienefluoride

22、Polyfuran FormaldehydeHexafluoroisopropanol + 0.075 MSodium Trifluoroacetate/55 Corm-Cresol + 0.05 m LiBr/100 CDMF + 0.05 m LiBr/85 CDMF + 0.05 m LiBr/145 CN-Methyl Pyrrolidone+ 0.05 m LiBr/100 CDimethylacetamide/60 CPolycarbonatePolyglycolic acidAcrylonitrile MethylmethacrylateCellulose AcetateCell

23、ulose Acetate ButyrateCellulose Acetate ProprionateCellulose NitrateCellulose ProprionateCellulose TriacetateDiallyl PhthalateEthyl CelluloseEpoxyPolyester AlkydPolybutene(1)Polybutadiene StyrenePhenol FormaldehydePhenol FurfuralPolymethylmethacrylatePolypropyleneglycolPolystyrenePolysulfonePolyviny

24、lacetatePolyvinylbutyralPolyvinylchloridePolyvinylchloride AcetatePolyvinyldienechloridePolyvinylformalPolystyrene AcrylonitrilePolystyrene AlphamethylstyrenePolyester ThermosetPhenolicsRosin AcidsPolyglycolic AcidMethyl Chloridegamma-Butyl LactoneTHF/40 CNon-size Exclusion Effects in DMF, Adsorptio

25、n of Polystyrene StandardsPS standards in DMF are retained on the column due to hydrophobic adsorption, therefore PS are not ideal as calibrants in DMF and other polar solventsPolyester/Polyamide ApplicationsPETNylon 6,6Nylon 6HFIP is an alternative solvent, viscous but low boiling pointEluent:HFIP + 20mM NaTFAcTemperature:40CFlow rate0.3 ml/minDetectorDRI凝胶渗透色谱的发展多检测器的应用快速GPC技术微流量GPC技术新型色谱柱技术用多检测器GPC技术探究 poly(n-butyl methacrylate) 的支化结构The Mark-Houwink plots show that although two of the samples (grey traces) were similar in structure, the third (black trace) gave lower values