|
一、 凝膠滲透色譜的概述 1. 凝膠滲透色譜的簡(jiǎn)單回顧
凝膠滲透色譜[GPC（Gel Permeation Chromatography）][也稱作體積排斥色譜(Size Exclusion Chromatography)]是三十年前才發(fā)展起來的一種新型液相色譜，是色譜中較新的分離技術(shù)之一。利用多孔性物質(zhì)按分子體積大小進(jìn)行分離，在六十年前就已有報(bào)道。Mc Bain用人造沸石成功地分離了氣體和低分子量的有機(jī)化合物，1953年Wheaton和Bauman用離子交換樹脂按分子量大小分離了苷、多元醇和其它非離子物質(zhì)。1959年P(guān)orath和Flodin用交聯(lián)的縮聚葡糖制成凝膠來分離水溶液中不同分子量的樣品。而對(duì)于有機(jī)溶劑體系的凝膠滲透色譜來說，首先需要解決的是制備出適用于有機(jī)溶劑的凝膠。二十世紀(jì)60年代J.C.Moore在總結(jié)了前人經(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)。 2. 凝膠滲透色譜的應(yīng)用
三十多年來，凝膠滲透色譜的理論、實(shí)驗(yàn)技術(shù)和儀器的性能等方面有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。尤其是隨著新型柱填料的誕生、高效填充柱的出現(xiàn)(目前其理論塔板數(shù)已超過10000/米)以及計(jì)算機(jī)的普及，凝膠滲透色譜在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、衛(wèi)生、國防、宇航以及日常生活的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。特別是近年來，隨著各種高分子材料的問世，人們對(duì)高分子科學(xué)的不斷探索，高聚物的分子量及其分布的測(cè)定顯得尤為重要，成為科研和生產(chǎn)中不可缺少的測(cè)試項(xiàng)目之一。例如：常見的聚苯乙烯塑料制品，其分子量為十幾萬，如果聚苯乙烯的分子量低至幾千，就不能成型；相反，當(dāng)分子量大到幾百萬，甚至幾千萬，它又難以加工，失去了實(shí)用意義?？蒲泻蜕a(chǎn)上通過控制高聚物的分子量及其分布寬度指數(shù)D(D=Mw/Mn)、分子量微分分布曲線、分子量積分分布曲線來生產(chǎn)出性能最佳的高聚物產(chǎn)品。另外，除了快速測(cè)定分子量及其分布以外，凝膠滲透色譜還廣泛用于研究高聚物的支化度，共聚物的組成分布及高聚物中微量添加劑的分析等方面。如果配以在線的絕對(duì)分子量檢測(cè)器（如：LALLS、Multi-Angle LS、Dual-Angle LS等），凝膠滲透色譜可以測(cè)定高聚物的絕對(duì)分子量。
凝膠滲透色譜作為一門新興的科學(xué)，隨著各種新型檢測(cè)器的出現(xiàn)（如UV、FT-IR、LS、Viscometer等），它的應(yīng)用范圍也逐步從生物化學(xué)、高分子化學(xué)、無機(jī)化學(xué)等向其它領(lǐng)域滲透，成為化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)必不可少的分析手段。 二、 凝膠滲透色譜的基本概念 1. 凝膠滲透色譜的分離機(jī)理
目前關(guān)于凝膠滲透色譜的分離機(jī)理存在著以下幾種基本理論：1.立體排斥理論；2.有限擴(kuò)散理論；3.流動(dòng)分離理論。除上述理論外，尚有分子熱力學(xué)理論和二次排斥理論等。由于應(yīng)用立體排斥理論解釋凝膠滲透色譜中的各種分離現(xiàn)象與事實(shí)比較一致，因此立體排斥理論已為人們普遍采用。即：它的分離基礎(chǔ)主要依據(jù)溶液中分子體積（流體力學(xué)體積）的大小來進(jìn)行分離。
凝膠滲透色譜的分離過程是在裝有多孔物質(zhì)為填料的色譜柱中進(jìn)行的，一個(gè)填料的顆料含有許多不同尺寸的小孔（這些小孔具有一定的分布），這些小孔對(duì)于溶劑分子來說是很大的，它們可以自由地?cái)U(kuò)散出入。由于高聚物在溶液中以無規(guī)線團(tuán)的形式存在，且高分子線團(tuán)也具有一定的尺寸，當(dāng)填料上的孔洞尺寸與高分子線團(tuán)的尺寸相當(dāng)時(shí)，高分子線團(tuán)就向孔洞內(nèi)部擴(kuò)散。顯然，尺寸大的高聚物分子，由于只能擴(kuò)散到尺寸大的孔洞中，在色譜柱中保留的時(shí)間就短；而尺寸小的高聚物分子，幾乎能夠擴(kuò)散到填料的所有的孔洞中，向孔內(nèi)擴(kuò)散的較深，在色譜柱中保留的時(shí)間就長。因此，不同分子量的高聚物分子就按分子量從大到小的次序隨著淋洗液的流出而得到分離。圖1是高聚物分子和固定相顆粒間相互作用的示意圖。圖2是不同尺寸的高聚物分子分離過程的示意圖。 | | | | | 圖1.高聚物分子和固定相顆粒間相互作用 | 圖2.不同尺寸的高聚物分子分離過程 |
2. 凝膠滲透色譜譜圖的構(gòu)成
實(shí)驗(yàn)上，在色譜柱后面配以（通用型/選擇型）濃度監(jiān)測(cè)器，便可以記錄出高聚物的GPC圖，如圖3所示。 
圖3 高聚物的GPC圖
當(dāng)聚合物樣品的色譜圖完成以后，經(jīng)處理的數(shù)據(jù)，可作多方面的應(yīng)用。通過觀察色譜圖可獲得很多有用的信息。色譜圖中不同的區(qū)域與聚合物樣品中各成分有關(guān)，如果對(duì)高分子材料作一次全分析，就可以發(fā)現(xiàn)高分子材料的GPC譜圖4中：A是高聚物的圖譜；B是齊聚物的圖譜；C是各種類型添加劑的圖譜；D是低分子化合物雜質(zhì)的圖譜。 
圖4 高分子材料全分析GPC譜圖中各部分組成的示意圖
3. 凝膠滲透色譜中幾種常用平均分子量的定義
由于應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法的不同，即使對(duì)同一個(gè)試樣，也可以有許多不同種類的平均分子量。下面是四種最常用的平均分子量的定義。 
式中： Ni：分子量為Mi的分子的個(gè)數(shù)
Wi：分子量為Mi的組分的重量
α：特性粘度－分子量方程中的常數(shù)
其中，數(shù)均分子量是按分子數(shù)目統(tǒng)計(jì)平均而得；重均分子量是按分子重量統(tǒng)計(jì)平均而得。這兩種平均分子量的物理意義比較明確，而粘均分子量和Z均分子量的物理意義卻不太明確。
一般情況下，多分散樣品的平均分子量有以下次序： 
圖5為高聚物四種平均分子量在GPC譜圖中的示意圖。
4. 高聚物多分散性的表征
高聚物的分子量分布是指樣品中各種分子量組分在總量中所占的各自的分量，它可以用一條分布曲線或一個(gè)分布函數(shù)來表示。分子量分布曲線有兩種形式：1.用重量分?jǐn)?shù)W對(duì)分子量作圖的曲線叫做微分分布曲線；2.用累積重量分布對(duì)分子量作圖的曲線叫做積分分布曲線。樣品間分子量分布寬度的比較，最直接的方法是將實(shí)驗(yàn)所得到的分子量分布曲線作對(duì)比。還有一種更一般化且最常用的定量方法就是重均數(shù)均比，即：Mw/Mn。目前實(shí)驗(yàn)上能夠合成的"單分散"樣品、一般多分散樣品、分子量分布比較寬的樣品的Mw/Mn值如表1所示。 表1.幾種合成高聚物的Mw/Mn值
| 高聚物 | 樣品舉例 | Mw/Mn | | 單分散樣品 | 聚苯乙烯標(biāo)樣 | 1.02~1.10 | | 一般多分散樣品 | 聚氯乙烯，聚碳酸酯 | 1.5~3.0 | | 分布比較寬的樣品 | 聚乙烯，聚丙烯 | 20~30或更高 |
圖6是樣品的GPC圖及樣品的分子量分布的微分分布曲線、積分分布曲線的示意圖。 
圖6.GPC譜圖、微分分布曲線、積分分布曲線示意圖
5. 高聚物的分子量及其分布的測(cè)定
用凝膠滲透色譜測(cè)定高聚物的分子量及其分布是種相對(duì)的測(cè)試方法。首先要制取適合被測(cè)樣品的logM-Ve標(biāo)定線（工作曲線）。目前人們制定標(biāo)定線比較常用的方法主要是以下兩種：
〖1〗.單分散標(biāo)樣制定標(biāo)定線
所謂單分散標(biāo)準(zhǔn)樣品是指高聚物的Mw/Mn值在1.05~1.10以內(nèi)。此方法類似于其它化學(xué)分析上的工作曲線法。它的前提是能夠獲得一系列（不同分子量）被測(cè)樣品的單分散標(biāo)樣，用這些單分散標(biāo)樣來制得logM-Ve標(biāo)定線；然后，以此來測(cè)定樣品。圖7所示為單分散標(biāo)樣的校正線繪制過程示意圖。
圖7 單分散標(biāo)樣的校正線
〖2〗.普適校正法
這種方法是用流體力學(xué)體積[η]·M作為通用校正參數(shù)，也被稱作普適校正法。不同高聚物在同樣實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行凝膠色譜的實(shí)驗(yàn)，若淋洗體積Ve相同，則這兩個(gè)高聚物的流體力學(xué)體積相等。即： [η]1·M1=[η]2·M2 
上式中K1、K2、α1、α2在固定條件下是常數(shù)，只要知道兩種高聚物在該條件下的參數(shù)K1、α1及K2、α2值，就可由第一種高聚物（標(biāo)準(zhǔn)樣品）的logM-Ve標(biāo)定線，應(yīng)用③式直接求出第二種高聚物（被測(cè)樣品）的logM-Ve標(biāo)定線。目前，人們普遍采用市售的單分散聚苯乙烯（PS）標(biāo)樣來作為第一種高聚物，然后查取（或采用其它的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得）聚苯乙烯標(biāo)樣及被測(cè)樣品在測(cè)定條件下的K值（K1、K2）和α值（α1、α2），經(jīng)過上述轉(zhuǎn)換便可求出被測(cè)樣品的分子量。目前由于計(jì)算機(jī)的引進(jìn)，上述轉(zhuǎn)換可在測(cè)定樣品的同時(shí)由GPC軟件實(shí)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換。
除上述兩種常用的方法外，還有，窄分布的高聚物級(jí)分訂定的標(biāo)定線；漸近試差法訂定的標(biāo)定線；無擾均方末端距h02用作通用校正參數(shù)；高分子鏈有擾均方末端距h2用作通用校正參數(shù)等。 三．凝膠滲透色譜儀的基本結(jié)構(gòu)
簡(jiǎn)單地說，凝膠滲透色譜儀由以下四部分構(gòu)成：1.輸液系統(tǒng)（包括溶液儲(chǔ)存器、輸液泵。進(jìn)樣器等），2.色譜柱系統(tǒng)（包括柱溫控制箱），3。檢測(cè)器（RI、UV等），4.數(shù)據(jù)收集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)/繪圖儀等）。其流程圖如圖8所示。 
圖8.凝膠滲透色譜儀的流程圖
（圖中：-：液路，……：電路）
總之，大量的數(shù)據(jù)證明，任何材料的宏觀性能都與其微觀結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系。高聚物的分子量及其分子量分布是高聚物結(jié)構(gòu)中兩個(gè)重要的參數(shù)。凝膠滲透色譜技術(shù)的發(fā)展，大大推動(dòng)了高聚物分子量、分子量分布與其性能間關(guān)系的研究，同時(shí)，GPC已成為分離分析科學(xué)家族中不可缺少的一名成員。
|
