學術干貨丨影響GPC/SEC測試的因素

引言：

GPC 用戶經常會遇到這樣的問題：通過GPC得到的平均分子量和預想/估算的分子量差別很大。在GPC系統測試中尋找解決這個問題的答案是一個艱巨的任務，但是必需去面對。我們的任務是去尋找一個符合邏輯的方式，通過檢驗那些影響GPC測試的重要因素，最大程度的減小GPC測試過程中可能會產生的誤差，使得測試結果的準確性得到保障。

Gel Permeation Chromatography (GPC)，也稱作Size Exclusion Chromatography (SEC) 或者Gel Filtration Chromatography (GFC)，是一種根據尺寸分離高分子材料的色譜技術。GPC柱子分離原理是基于分子大小而不是分子量（Mw），當樣品從色譜柱中洗脫出來，使用一個或多個檢測器對其進行檢測，通過傳統校正曲線，通用校正曲線或者多檢測器聯用計算得到不同的物理參數的分布，比如分子量，分子尺寸（包括回旋半徑（Rg）和流體力學體積半徑（Rh）），粘度特性，同時還有高分子結構，構象，締合，共聚組成等信息。

GPC技術：

傳統校正曲線：使用一個濃度檢測器和一個校正的GPC柱子，提供相對分子量Mw和分散程度。優點：簡單、便捷、廣泛使用、相對便宜。缺點：檢測樣品只有和標樣為相同物質分子量才準確、忽略結構差異，所有的標樣和樣品都假想為線性結構，不考慮支鏈，締合和其他結構修飾。

通用校正曲線：使用粘度檢測器，濃度檢測器和校準的GPC柱子，提供真實分子量，分子尺寸，特性粘度，以及構象，締合，支化度信息。優點：提供了真實的不依賴于標準物的分子量，粘度檢測器提供了其他附加信息，如結構、構象、締合、接枝，這些都是傳統校正所不能提供的。

多（三或四）檢測器聯用：使用光散射檢測器，粘度檢測器，折光指數檢測器，或紫外檢測器。提供絕對分子量，分子尺寸，特性粘度，以及構象，締合，支化度等信息。優點：光散射檢測器提供了絕對分子量不需要色譜柱校正，粘度檢測器同時提供特性粘度和結構信息，如構型，鏈剛性，支化度，締合等，對于Rg>10 nm的高分子可檢測Rg，可檢測任意尺寸的高分子材料的Rh。

多檢測器聯用GPC硬件配置示意圖：

GPC 驗證過程中的質量控制

（1） 找到 “基本問題元素” ：計算所需參數，計算過程 ；流速，樣品濃度，進樣體積，色譜柱 ；儀器沖洗，清潔，噪聲水平。

（2） 通過標準樣品檢查儀器的性能 ：儀器常數，信號響應。

（3）數據處理 – 驗證 ：測試一個通常使用的標準樣品用于檢驗。

直接變量：（基本考慮因素）質量, 粘度計和光散射檢測器常數, 校正曲線。

中間變量：（和直接變量同樣重要） dn/dc, 流速, 樣品濃度, 進樣體積；在一個絕對的測試過程中，所有的變量都必須是絕對數值。

性能參數：（準確性和精確性）泵噪聲，檢測器噪聲，軟件整合，色譜柱，進樣技術。

流速的貢獻

（1） 影響分辨率：太高或者太低的流速對于軸向滲透和孔徑保留不利 (保持流速在 0.5 - 1.5 mL/min: 注意溶劑的粘度)，超過 3% 的改變，將影響色譜柱的性能。

（2） 影響通過校正曲線的到的結果：1% 的流速誤差造成 10% 以上的分子量誤差。

（3）影響濃度，粘度和光散射檢測器計算：產生的誤差正比于流速誤差。

濃度的貢獻

（1） 影響分辨率：粘性指進/Viscous Fingering，色譜柱過量上樣。

（2） 對通用校正的影響：粘度誤差正比于濃度誤差，分子量誤差和濃度誤差倒數成正比 ，Mark-Houwink 誤差和濃度誤差的平方成正比。

（3） 對于光散射的影響： 分子量誤差正比于濃度誤差，dn/dc 誤差和分子量誤差的平方成正比。

進樣體積的貢獻

（1） 影響分辨率：粘性指進/Viscous Fingering，色譜柱過量上樣，初始分散，進樣體積越大：精確性（重復性）增加，準確性下降。

（2）計算過程中的誤差：和濃度誤差相同。

dn/dc 的貢獻

（1） dn/dc 影響 RI 信號：很小的 dn/dc 意味著 RI 信號很低，對于寬分布樣品的測試影響最大，分布寬，難積分。

（2） dn/dc大小 嚴重影響 LS 信號：光散射信號正比于 (dn/dc)2。

（3）dn/dc 會扭曲 RI 和 LS 信號：無規共聚物的 dn/dc 隨分子量改變而改，RI + LS 不能直接檢測到分子量和濃度，交替共聚物沒有這個問題。

實際影響因素

（1） 粘度檢測器對于顆粒物的存在并不敏感，但是對于氣泡十分敏感：氣泡導致毛細管中的介質的可壓縮性增加：這種可壓縮性可以轉化為很強的噪聲，需要適當的溶劑脫氣。氣泡同時導致色譜柱降級：色譜柱內凝膠填料的膨脹和環境溶劑相關。

（2） 粘度檢測器在沒有脈沖/低脈沖下工作可以達到最佳性能：噪音模式取決于色譜泵脈沖輸出：較高脈沖水平導致噪音。較高脈沖同時加速色譜柱退化：較大的壓力變化改變色譜柱填料的堆積方式。

（3）通用校正曲線取決于流速的重復性：流速不穩定導致色譜曲線漂移：在一個測試過程中的流速漂移不能被更正。希望得到高重復性的流速控制：隨著時間變化的流速改變可以通過人為添加一個標記物來更正，即使是使用了標記物來進行流速更正，較大的流速改變也會導致色譜柱分辨率的變化。

小結

凝膠滲透色譜 (GPC) 是一種表征聚物分子量和分子量分布等特征的物理化學 方法。 近年來，由于儀器的不斷改進，包括高效填料的使用、多種檢測器的聯用及與計算機的聯用、儀器操作和數據處理的自動化等，使其在高聚物領域中的 應用范圍不斷擴大。當使用高靈敏度的濃度和分子量檢測器時，GPC 不但可以測 定線性高聚物平均分子量及其分布，還可提供高聚物的支化情況、共聚物的分子 量和化學組成等多種信息。但是不論用 GPC 進行哪一項研究，欲想得到定量數據，必然對 GPC 分析的精度和準確性提出要求。

本文由材料人編輯部高分子組u4109687253供稿，材料牛編輯整理。

參與高分子話題討論或了解高分子組招募詳情，請加材料人高分子交流群（298064863）。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

材料人網尊重所有進行知識傳播的媒體，轉載請聯系tougao@cailiaoren.com