凝膠滲透色譜儀及其使用

凝膠滲透色譜也稱為體積排除色譜或尺寸排除色譜，是液相色譜的一個分支，是高聚物表征的重要方法之一。

1 基本概念

1.1高聚物的平均分子量

合成聚合物都是以單體為原料經過聚合反應而制得的，每個聚合物分子都是由數目很大的單體分子加成或縮合而成，所以合成聚合物的分子量比單體要大百倍、千倍甚至上萬倍，而且生成的聚合物的分子量是不均一的，也就是說每個聚合物分子可以由不同數目的單體分子聚合而成，所以各聚合物的分子量是不相等的，這種現象叫做聚合物的分子量的不均一性或多分散性。對這樣一個多分散的體系來說，我們要表征它的分子量就需要用統計的方法，求出試樣分子量的平均值和分子量分布。由于應用統計方法的不同，即使對同一個試樣，也可以有許多不同種類的平均分子量，幾種最常用的平均分子量為：Mn（數均分子量）；Mw（重均分子量）；Mz（Z均分子量）；Mz+1（Z+1均分子量）；Mp（峰位分子量）；Mη（粘均分子量）。一般情況下，多分散樣品的平均分子量有以下次序：Mz＞Mw＞Mη＞Mn。

2 凝膠滲透色譜

2.1凝膠滲透色譜（GPC）的意義

高聚物的分子量及其分布是高聚物最基本的參數之一。高聚物的許多性質，例如沖擊強度、模量、拉伸強度、耐熱、耐腐蝕性都與高聚物的分子量和分子量分布有關。在相對分子質量分布（多分散性指數）成為人們關注的熱點后，由于經典方法在測定聚合物的相對分子量時不能同時測定聚合物的相對分子質量分布而GPC改善了測試條件，可以同時測定聚合物的相對分子質量及其分布情況，故1964年GPC出現后獲得了飛速的發展和廣泛的應用。

2.2分離原理

GPC/SEC的分離機理比較復雜，目前有體積排除理論、擴散理論和構象熵理論等幾種解釋，其中最有影響力的是體積排除理論。GPC/SEC的固定相是表面和內部有著各種各樣、大小不同的孔洞和通道的微球，可由交聯度很高的聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、葡萄糖和瓊脂糖的凝膠以及多孔硅膠、多孔玻璃等來制備。當被分析的聚合物試樣隨著溶劑引入柱子后，由于濃度的差別，所用溶質分子都力圖向填料內部孔洞滲透。較小的分子除了能進入較大的孔外，還能進入較小的孔；較大的分子就只能進入較大的孔；而比最大的孔還要大的分子就只能停留在填料顆粒之間的空隙中。隨著溶劑洗提過程的進行，經過多次滲透-擴散平衡，最大的聚合物分子從載體的粒間首先流出，依次流出的是尺寸較小的分子，最小的分子最后被洗提出來，從而達到依高分子體積進行分離的目的，得出高分子尺寸大小隨保留時間（或保留體積V_R、淋出體積V_e）變化的曲線，即分子量分布的色譜圖。高分子在溶液中的體積決定于相對分子量、高分子鏈的柔順性、支化、溶劑和溫度，當高分子鏈的結構、溶劑和溫度確定后，高分子的體積主要依賴于相對分子量。基于上述理論，GPC/SEC的每根色譜柱都是有極限的，即：排阻極限和滲透極限。排阻極限是指不能進入凝膠顆粒孔穴內部的最小分子的分子量，所有大于排阻極限的分子都不能進入凝膠顆粒內部，直接從凝膠顆粒外流出，不但達不到分離的目的還有堵塞凝膠孔的可能；滲透極限是指能夠完全進入凝膠顆粒孔穴內部的最大分子的分子量，如果兩種分子都能全部進入凝膠顆粒孔穴內部，即使它們的大小有差別，也不會有好的分離效果。所以，在使用GPC/SEC測定相對分子量時，必須首先選擇好與聚合物相對分子量范圍相配的色譜柱。對一般色譜分辨率和分離效率的評定指標，在凝膠滲透色譜中也被沿用。

2.3GPC柱的填料

GPC是以有機溶劑（氯仿，THF,DMF)等為流動相，與之相匹配的填料是疏水性的，其分離對象一般是油溶性的高分子物質，填料的粒度及粒度分布、孔徑或孔徑分布以及孔容是基本參數。根據凝膠的材料來源可以把它們分為有機和無機凝膠兩大類。

2.3.1有機凝膠

交聯聚苯乙烯是一種應用很廣的有機凝膠，它是苯乙烯和二乙烯苯的共聚物，一般以懸浮聚合或分散聚合方式制成苯乙烯-乙烯基苯多孔微球，以致孔劑制出所需孔徑和孔容。這類凝膠的特點是孔徑分布比較寬，分子量分離范圍比較大，且柱效高。主要用于非極性有機溶劑，丙酮、乙醇一類極性溶劑不能應用。在有機溶劑中，有機凝膠通常都處于溶脹狀態對不同的溶劑溶脹因子各不相同，因此不能在柱中直接更換溶劑，進樣時也不能帶進大量不良溶劑和空氣。

2.3.2無機凝膠

在無機基質材料中最重要最基本的是硅膠，多孔硅膠的特點是化學惰性、熱穩定性和機械強度好，使用壽命長，可在柱中直接更換溶劑。以硅膠為基質的無機凝膠的最大問題是其表面殘余硅羥基所導致的“二級效應”，它會使GPC譜圖復雜化。為解決這一問題，通常通過與小分子硅烷化試劑的作用，盡可能地將表面殘余的硅羥基加以覆蓋。由于多孔硅膠的機械強度很高，因此在交聯聚苯乙烯凝膠之后，細粒度的多孔硅膠已經發展成為一種很好的高速、高效凝膠色譜填料。

多孔玻璃是一類和多孔硅膠很相似的無機凝膠，它是堿性硼硅酸鹽玻璃經高溫分相，再用酸洗去堿性可溶相的產物。它的優點是可以做到孔徑分布很窄，對某一分子量范圍的分離特別有效，選擇性強；孔性結構好有利于試樣分子的傳質過程。缺點是質脆易碎，柱子裝填不緊，柱效低。

2.4流動相

做GPC檢測時首先要考慮被測樣品的溶解情況，以此確定流動相，還要考慮柱子的測試范圍，應使被測物分子量落在柱子的分子量-淋出曲線線性部分之內，若柱子范圍太窄則可考慮將不同規格的柱子串聯使用。對于適用于GPC儀器的每一根柱子都會配有詳細的使用說明，使用之前應認真閱讀，嚴格遵從，特別值得注意的是嚴禁超壓（超流量），否則會降低柱效、損毀柱子。

3 其它應用

3.1在藥物、化工原料等質量檢測中的應用

藥物通常由不同尺寸的組分構成。從理論上講，對于一個給定品牌的藥物，在一定色譜條件下，其GPC譜圖猶如人的指紋一樣具有特征性。通過比較兩個樣品GPC譜圖的異同，可確定它們是否屬同一品牌。同樣道理GPC可用于化工原料的質量檢測，此時無需計算出原料的相對分子量及分子量分布，直接由合格品與新進原料的GPC色譜圖對比即可準確判斷，此法簡單、方便，對于控制終端產品的質量穩定性具有重要意義。

3.2在農藥殘留分析前處理中的應用

農藥殘留分析是對復雜基質中的痕量組分進行分析，其過程主要包括樣品前處理和測定兩部分。樣品前處理過程的難點是要將多種農藥痕量組分同時提取，并有效地去除雜質，同時又要保持較高的回收率，并且直接關系到農藥殘留分析的準確度和靈敏度。GPC由于其自身的特點在農藥殘留分析前處理中起到了重要的作用，能把農藥殘留物從各種復雜基質中分離出來。GPC技術作為一種樣品前處理的手段，在國外應用已較普通，這方面的研究報道也很多。

總之，GPC在用于測定高聚物分子量及其分子量分布的情況時要注意選擇合適的數據處理方法，GPC還可用于農藥殘留分析的前處理、藥物、化工料料等方面的質量檢測，用戶應根據實際情況合理使用GPC。

本文轉載自作者魯紅，鏈接：https://wenku.baidu.com/view/59d37469011ca300a6c390e7.html

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