GPC凝胶色谱实验步骤资料

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1、 一 实验目的一 实验目的 1 掌握 PL 120 型号凝胶渗透色谱 gel permeation chromatography GPC 的工作原理 2 掌握凝胶渗透色谱仪的基本操作及数据处理方法 3 利用凝胶渗透色谱仪测定聚合物的分子量及其分布 二 基本原理 二 基本原理 分子量的多分散性是高聚物的基本特征之一 聚合物的性能与其分子量和分 子量分布密切相关 凝胶渗透色谱 gel permeation chromatography GPC 是液 相色谱的一个分支 已成为测定聚合物分子量分布和结构的最有效手段 其还可 测定聚合物的支化度 共聚物及共混物的组成 采用制备型的色谱仪 可将聚合 物按分

2、子量的大小分级 制备窄分布试样 供进一步分析和测定其结构 该方法 的优点是 快捷 简便 重视性好 进样量少 自动化程度高 凝胶色谱的分离机理众说不一 有体积排除 限制扩散 与流动分离等各种 解释 实验证明 体积排除的分离机理起主要作用 因此 这一技术又被赋予另 一个名称 体积排除色谱 size exclusion chromatography SEC 图 1 GPC 分离过程示意图 圆球表示颗粒 黑点表示溶质分子 在凝胶色谱中会有三种情况 一是分子很小 能进入分子筛全部的内孔隙 二是分子很大 完全不能进入凝胶的任何内孔隙 三是分子大小适中 能进入凝 胶的内孔隙中孔径大小相应的部分 大 中 小三

3、类分子彼此间较易分开 但每 种凝胶分离范围之外的分子 在不改变凝胶种类的情况下是很难分离的 对于分 子大小不同 但同属于凝胶分离范围内各种分子 在凝胶床中的分布情况是不同 的 分子较大的只能进入孔径较大的那一部分凝胶孔隙内 而分子较小的可进入 较多的凝胶颗粒内 这样分子较大的在凝胶床内移动距离较短 分子较小的移动 距离较长 于是分子较大的先通过凝胶床而分子较小的后通过凝胶床 这样就利 用分子筛可将分子量不同的物质分离 另外 凝胶本身具有三维网状结构 大的 分子在通过这种网状结构上的孔隙时阻力较大 小分子通过时阻力较小 分子量 大小不同的多种成份在通过凝胶床时 按照分子量大小排队 凝胶表现分子筛

4、效 应 GPC 色谱柱装填的是多孔性凝胶 如最常用的高度交联聚苯乙烯凝胶 或 多孔微球 如多孔硅胶和多孔玻璃球 它们的孔径大小有一定的分布 并与待 分离的聚合物分子尺寸可相比拟 GPC 仪工作流程图如 2 图所示 图 2 GPC 仪工作流程图 色谱柱总体积为 Vt 载体骨架体积为 Vg 载体中孔洞总体积为 Vi 载体粒 间体积为 V0 则 Vt Vg V0 Vi V0和 Vi之和构成柱内的空间 溶剂分子体积远小于孔的尺寸 在柱内的整 个空间 V0 Vi 活动 高分子的体积若比孔的尺寸大 载体中任何孔均不能进 入 只能在载体粒间流过 其淋出体积是 V0 高分子的体积若足够小 如同溶 剂分子尺寸

5、所有的载体孔均可以进出 其淋出体积为 V0 Vi 高分子的体 积是中等大小的尺寸 它只能在载体孔 Vi的一部分孔中进出 其淋出体积 Ve为 Ve V0 KVi K 为分配系数 其数值 0 K l 与聚合物分子尺寸大小和在填料孔内 外 的浓度比有关 当聚合物分子完全排除时 K 0 在完全渗透时 K 1 见图 4 3 当 K 0 时 Ve V0 此处所对应的聚合物分子量是该色谱柱的渗透极限 PL 商品 GPC 仪器的 PL 常用聚苯乙烯的分子量表示 聚合物分子量超过 PL 值时 只能在 V0以前被淋洗出来 没有分离效果 V0和 Vg对分离作用没有贡献 应设法减小 Vi是分离的基础 其值越大柱 子分

6、离效果越好 制备孔容大 能承受压力 粒度小 又分布均匀 外形规则 球 形 的多孔载体 让其尽可能紧密装填以提高分离能力 柱效的高低 常采用理 论塔板数 N 和分离度 R 来作定性的描述 测定 N 的方法可以用小分子物质作出 色谱图 从图上求得流出体积 Ve和峰宽 W 以下式计算 N 值 N 4Ve W 2 N 值越大 意味着柱子的效率越高 l 2 代表分子量不同的两种标准样 品 Ve 1 Ve 2 W1 W2为其淋出体积和峰宽 分离度 R 的计算为 2 1 12 2 ee VV R WW 若 R 1 则完全分离 上面阐述的 GPC 分离机理只有在流速很低 溶剂粘度很小 没有吸附 扩 散处于平衡

7、的特殊条件下成立 否则会得出不合理的结果 实验测定聚合物 GPC 谱图 所得各个级份的分子量测定 有直接法和间接 法 直接法是指 GPC 仪和粘度计或光散射仪联用 而最常用的间接法则用一系 列分子量已知的单分散的 分子量比较均一 标准样品 求得其各自的淋出体积 Ve 作出 logM 对 Ve校正曲线 图 4 3 logM A BVe 1 当 logM logMa时 曲线与纵轴平行 表明此时的流出体积 V0 和样品的 分子量是无关 V0即为柱中填料的粒间体积 Ma就是这种填料的渗透极限 当 logM logMa时 Ve对 M 的依赖变得非常迟钝 没有实用价值 在 logMa和 logMd 点之间

8、为一直线 即式 1 表达的校正曲线 式中 A B 为常数 与仪器参数 填料和实验温度 流速 溶剂等操作条件有关 B 是曲线斜率 是柱子性能的重 要参数 B 数值越小 柱子的分辨率越高 上述订定的校准曲线只能用于与标准物质化学结构相同的高聚物 若待分析 样品的结构不同于标准物质 需用普适校准线 GPC 法是按分子尺寸大小分离 的 即淋出体积与分子线团体积有关 利用 Flory 的粘度公式 3 R M 3 MR R 为分子线团等效球体半径 M 是体积量纲 称为流体力学体积 众多 的实验中得出 M 的对数与 Ve有线性关系 这种关系对绝大多数的高聚物具有 普适性 普适校准曲线为 log e MABV

9、 2 因为在相同的淋洗体积时 有 1M1 2M2 3 式中下标 1 和 2 分别代表标样和试样 它们的 Mark Houwink 方程分别为 1 111 K M 2 222 K M 因此可得 1 2 2 1 1 1 1 1 21 2 K MM K 4 或 11 21 222 11 logloglog 11 K MM K 5 将 1 式代入 5 即得待测试样的标准曲线方程 111 2 1222 111 loglog 111 ee K MABVABV K K1 K2 1 2可以从手册查到 从而由第一种聚合物的 M Ve校正曲线 换 算成第二种聚合物的 M Ve曲线 即从聚丙稀标样作出的 M Ve校

10、正曲线 可以 换算成各种聚合物的校正曲线 有了校正曲线 即可根据 Ve 读得相应的分子量 一种聚合物的 GPC 校正曲 线不能用于另一种聚合物 因而用 GPC 测定某种聚合物的分子量时 需先用该种 聚合物的标样测定校正曲线 但是除了聚苯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯等少数聚合 物的标样以外 大多数的聚合物的标样不易获得 多数时候只能借用聚苯乙烯的 校正曲线 因此测得的分子量 M 值有误差 只具有相对意义 用 GPC 方法不但可以得到分子量分布 还可以根据 GPC 谱图求算平均分子 量和多分散系数 特别是当今的 GPC 仪都配有数据处理系统 可与 GPC 谱图同时 给出各种平均分子量和多分散系数 无需人

11、工处理 三 仪器与样品三 仪器与样品 四氢呋喃 THF 流动相 聚合物样品 如 PS 样品瓶 注射器 100 l 样品过滤头 注射器 5ml PL 120 型 GPC 色谱仪 四 实验步骤四 实验步骤 1 用超声波在减压的条件下对流动相 THF 经行减压退气 2 1 溶液配制 分别配制 5ml 的聚苯乙烯标样及待测样品的溶液 2 PL 120 型液相色谱仪的启动 1 色谱级四氢呋喃注入泵的溶剂瓶 检测器废液出口接废液回收瓶 2 打开计算机 联机记录 3 依次打开泵 Waters 1515 打开示差折光检测器 2414 柱温箱 4 打开 Breeze2 工作站 5 启动泵 从抽液阀排管路气泡 向

12、右打开参比阀 在工作站上设定 4ml min 流速 排赶泵内气泡 大约 3 分种后在工作站上停止流速 将参比阀向左关闭 在工作站上设定在 5 分钟内升至 0 8ml min 流速 6 启动示差折光检测器 Waters 2414 在检测器面板上设定温度 Dec 40 Col 45 按 shift purge 使 LCD 屏幕 上出现 符号 平衡系统 直到 LCD 显示稳定 按 shift purge 键 使 负号消失 3 运行样品 1 在 Breeze2 工作站中调用已经编辑好的仪器方法 2 点击平衡系统 观察基线至平衡 3 停止观察基线 4 在样品表中编辑待测样品的信息 5 点击运行样品表图标

13、 按照对话框提示输入样品组名称 点击 等待用户 点击 确定 6 将进样器把手扳到 LOAD 位 动作要迅速 用进样注射器吸取样品 100 l 注意排除气泡 并匀速注入进样器 7 观察工作站提示 等待进样 这时将进样器把手扳到 INJECT 位 动 作要迅速 即进样完成 8 等待完成采集 4 试验结束 1 应清洗进样器 2 检测器温度设为 OFF 待温度下降后关机 3 柱温设为 OFF 保持流速不低于 0 2ml min 直到温度在室温附近 方可以停 流速 关柱温箱 4 关泵 5 数据备份 将所使用的项目备份到指定的计算机路径 五 五 记录及数据处理记录及数据处理 1 GPC 谱图的归一化处理

14、如果仪器和测试条件不变 那么实验得到的谱图可作为试样之间分子量分布 的一种直观比较 一般地 应将原始谱图进行 归一化 后再比较 所谓 归一 化 就是把原始谱图的纵坐标转换为重量分数 以便于比较不同的实验结果和 简化计算 具体作法 确定色谱图的基线后 把色谱峰下的淋出体积等分为 20 个计算点 记下这些计算点处的总坐标高度 Hi 它正比于被测试样的重量浓度 把所有的 Hi加和后得到 Hi 它正比于被测试样的总浓度 那么 Hi Hi就等 于各计算点处的组分点总试样的重量分数 以 Hi H 对 Ve 或 logM 作图就得 归一化的 GPC 图 2 计算 w M n M M 及分散度 d 1 平均分

15、子量 定义法 将谱峰下的 Ve 分成若干等分 则各点的重量分数 Wi Hi Hi 按定义有 wii MMW 1 i n i W M M 1 2 ii MWM w n M d M 计算所需的 Mi值可由校正曲线上查得 六 六 注意事项 注意事项 1 样品应尽量采用四氢呋喃溶剂配制 2 开机后一定要基线稳定后才可测量 否则样品测试误差加大 3 未经允许不可接触任何设备 包括软管 七七 思考题 思考题 1 色谱柱是如何将高聚物分级的 影响柱效的因素有哪些 2 本实验中校准曲线的线性关系 在色谱柱重装或更换色谱柱后 能否再使用 3 GPC 法的溶剂选择有什么要求 4 同样分子量样品支化的和线性的分子那个先流出色谱柱