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1、G P C 一一 十八角激光光散射十八角激光光散射联用法介用法介绍Page 2一、基本介一、基本介绍 GPC（Gel Permeation Chromatography ） ,凝胶渗透色凝胶渗透色谱，又称，又称为尺寸排阻色尺寸排阻色谱（Size Exclusion Chromatography,简称称SEC），它是基于体），它是基于体积排阻的分离机理，通排阻的分离机理，通过具有分子具有分子筛性性质的的固定相固定相，用来分离，用来分离相相对分子分子质量量较小的物小的物质，并且，并且还可以分析分子可以分析分子体体积不同、具有相同化学性不同、具有相同化学性质的高分子同系物。的高分子同系物。 Page
2、 3一、一、基本原理基本原理 GPC是一种特殊的液相色是一种特殊的液相色谱，所用，所用仪器器实际上就是一台高效上就是一台高效液相色液相色谱（HPLC）仪，主要配置有，主要配置有输液液泵、进样器、色器、色谱柱、柱、浓度度检测器和器和计算机数据算机数据处理系理系统。 与与HPLC最最明明显的差的差别在于二者所用在于二者所用色色谱柱柱的种的种类（性（性质）不）不同：同：HPLC根据被分离物根据被分离物质中各种中各种分子与色分子与色谱柱中的填料之柱中的填料之间的的亲和力不同和力不同而得到分离，而得到分离，GPC的分离的分离则是是体体积排除排除机理起主要作用。机理起主要作用。Page 4 当被分析的当被
3、分析的样品通品通过输液液泵随着流随着流动相以恒定的流量相以恒定的流量进入色入色谱柱后，体柱后，体积比凝胶孔穴尺寸大的高分子不能渗透到凝胶孔穴中而比凝胶孔穴尺寸大的高分子不能渗透到凝胶孔穴中而受到排斥，只能从凝胶粒受到排斥，只能从凝胶粒间流流过，最先流出色，最先流出色谱柱，即其淋出体柱，即其淋出体积（或（或时间）最小；中等体）最小；中等体积的高分子可以渗透到凝胶的一些大孔中的高分子可以渗透到凝胶的一些大孔中而不能而不能进入小孔，比体入小孔，比体积大的高分子流出色大的高分子流出色谱柱的柱的时间稍后、淋出稍后、淋出体体积稍大；体稍大；体积比凝胶孔穴尺寸小得多的高分子能全部渗透到凝胶比凝胶孔穴尺寸小得
4、多的高分子能全部渗透到凝胶孔穴中，最后流出色孔穴中，最后流出色谱柱、淋出体柱、淋出体积最大。最大。 因此，聚因此，聚合物的合物的淋出体淋出体积与高分子的体与高分子的体积即即分子量分子量的大小有关，的大小有关，分子量越大，淋出体分子量越大，淋出体积越小。越小。Page 5 浓度度检测器不断器不断检测淋洗液中高分子淋洗液中高分子级分的分的浓度。度。常用的常用的浓度度检测器器为示差折光示差折光仪，其，其浓度响度响应是淋洗液的折光指数与是淋洗液的折光指数与纯溶溶剂（淋（淋洗溶洗溶剂）的折光指数之差，由于在稀溶液范）的折光指数之差，由于在稀溶液范围内，与溶液内，与溶液浓度成正度成正比，所以直接反映了淋洗
5、液的比，所以直接反映了淋洗液的浓度即各度即各级分的含量，下分的含量，下图是典型的是典型的GPC谱图。Page 6 图中中纵坐坐标相当于淋洗液的相当于淋洗液的浓度，横坐度，横坐标淋出体淋出体积Ve 表征着高表征着高分子尺寸的大小。分子尺寸的大小。如果把如果把图中的横坐中的横坐标Ve转换成分子量成分子量M 就成了分子量分布曲就成了分子量分布曲线。为了将了将Ve转换成成M，要借助，要借助GPC校正曲校正曲线。实验证明在多孔填明在多孔填料的渗透极限范料的渗透极限范围内内Ve和和M 有如下关系：有如下关系： lg M = ABVe 式中式中A、B 为与聚合物、溶与聚合物、溶剂、温度、填料及、温度、填料及
6、仪器有关的常数。器有关的常数。Page 7 用一用一组已知分子量的已知分子量的单分散性聚合物分散性聚合物标准准试样，在与未知，在与未知试样相同的相同的测试条件下得到一系列条件下得到一系列GPC谱图，以它，以它们的峰的峰值位置的位置的Ve对lg M作作图，可得如，可得如图3-6的直的直线，即，即GPC校正曲校正曲线：Page 8 有了校正曲有了校正曲线，即可根据，即可根据Ve读得相得相应的分子量。的分子量。一种聚合物的一种聚合物的GPC校正曲校正曲线不能用于另一种聚合物不能用于另一种聚合物，因而用，因而用GPC测定某种聚合物定某种聚合物的分子量的分子量时，需先用，需先用该种聚合物的种聚合物的标样
7、测定校正曲定校正曲线。但是除了聚。但是除了聚苯乙苯乙烯、聚甲基丙、聚甲基丙烯酸甲酸甲酯等少数聚合物的等少数聚合物的标样以外，大多数的聚以外，大多数的聚合物的合物的标样不易不易获得，多数得，多数时候只能借用候只能借用聚苯乙聚苯乙烯的校正曲的校正曲线，因，因此此测得的分子量得的分子量M值有有误差，只具有差，只具有相相对意意义。用用GPC方法不但可以得到分子量分布，方法不但可以得到分子量分布，还可以根据可以根据GPC谱图求算平均分子量和多分散系数，特求算平均分子量和多分散系数，特别是当今的是当今的GPC仪都配有数据都配有数据处理系理系统，可与，可与GPC谱图同同时给出各种平均分子量和多分散系数，无出
8、各种平均分子量和多分散系数，无须人工人工处理。理。Page 9二、二、基本构造基本构造 输液系液系统凝胶色凝胶色谱柱柱检测器器数据采集与数据采集与处理系理系统Page 10 GPC色色谱柱装填的是多孔性凝胶（如最常用的高度交柱装填的是多孔性凝胶（如最常用的高度交联聚苯乙聚苯乙烯凝胶）或多孔微球（如多孔硅胶和多孔玻璃球），它凝胶）或多孔微球（如多孔硅胶和多孔玻璃球），它们的孔径大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仪工作流程工作流程图如下所示。如下所示。 Page 112.1色色谱柱柱柱子：玻璃、不柱子：玻璃、不锈钢
9、填料：根据所使用的溶填料：根据所使用的溶剂选择填料，填料，对填料最基本的要求是填料不填料最基本的要求是填料不能被溶能被溶剂溶解：交溶解：交联聚苯乙聚苯乙烯凝胶（适用于有机溶凝胶（适用于有机溶剂，可耐高温），可耐高温） 交交联聚乙酸乙聚乙酸乙烯酯凝胶（最高凝胶（最高100100，适用于乙醇，适用于乙醇 丙丙酮一一类极性溶极性溶剂） 多孔硅球（适用于水和有机溶多孔硅球（适用于水和有机溶剂） 多孔玻璃、多孔氧化多孔玻璃、多孔氧化铝（适用于水和有机溶（适用于水和有机溶剂) )Page 122.1检测器器示差折光示差折光检测器器 (RI)(RI)紫外吸收紫外吸收检测器器 (UV)(UV)蒸蒸发光散射光散
10、射检测器器(ELSD)(ELSD)特性粘度特性粘度检测器器(IV)(IV)激光散射激光散射检测器器(LS)(LS)浓度型度型定性型定性型Page 132.1.1示差折光示差折光检测器器 示差折光示差折光检测器是一种高度器是一种高度稳定和灵敏的定和灵敏的液相色液相色谱和和凝胶渗透色凝胶渗透色谱检测器，它可与器，它可与输液液泵，色，色谱柱，柱，进样器等器等组成凝胶成凝胶渗透色渗透色谱仪或高速液相色或高速液相色谱仪系系统，也可以配置适当的，也可以配置适当的进样系系统作作为单独的分析独的分析仪器使用。可用于器使用。可用于检测在在紫外光范紫外光范围内吸光度不高内吸光度不高的的化合物，如化合物，如聚合物、
11、糖、有机酸和甘油三酸聚合物、糖、有机酸和甘油三酸酯。示差折光。示差折光检测器的器的偏偏转式式设计，能，能够对那些具有那些具有低噪音和位移特性低噪音和位移特性的化合物的化合物进行灵敏行灵敏的的检测Page 142.1.1示差折光示差折光检测器器原理及原理及结构构：示差示差检测器是器是连续检测样品流路与参比流路品流路与参比流路间液体折光指数差液体折光指数差值的的检测器，是根据折射原理器，是根据折射原理设计的，属偏的，属偏转式式类型。型。检测器的光器的光路是由光源、凸路是由光源、凸镜、检测池、反射池、反射镜、平板玻璃、双光敏、平板玻璃、双光敏电阻等主阻等主要部件要部件组成，成，检测池有参比，池有参比
12、，测量两个池室，它量两个池室，它们对光路来光路来说是串是串联的的Page 15光源在光光源在光栏前成像，并作前成像，并作为检测池的入射光，出射光照在反池的入射光，出射光照在反射射镜上，光被反射，又入射到上，光被反射，又入射到检测池上，出射光在池上，出射光在经过透射透射镜照到双光敏照到双光敏电阻上形成阻上形成夹缝像。双光敏像。双光敏电阻是阻是测量量电桥的的两个两个桥臂。当臂。当测量池中流量池中流过被被测样品品时，引起折射率，引起折射率变化使化使照在双光照在双光电阻上的光束阻上的光束发生偏生偏转，使双光敏，使双光敏电阻阻阻阻值发生生变化，此化，此时由由电桥输出出讯号，即反映了号，即反映了样品品浓度
13、度的的变化情况。化情况。Page 162.1.2紫外吸收紫外吸收检测器器原理及原理及结构构：紫外吸收紫外吸收检测器器简称紫外称紫外检测器（器（ultraviolet detector，UVD），），是基于溶是基于溶质分子吸收紫外光的原理分子吸收紫外光的原理设计的的检测器，其工作原理是器，其工作原理是Lambert-Beer定律定律，即当一束，即当一束单色光透色光透过流流动池池时，若流，若流动相不相不吸收光，吸收光，则吸收度吸收度A与吸光与吸光组分的分的浓度度C和流和流动池的光径池的光径长度度L成正成正比。物理上比。物理上测得物得物质的透光率，然后取的透光率，然后取负对数得到吸收度。数得到吸收度
14、。 Page 17为得到高的灵敏度，常得到高的灵敏度，常选择被被测物物质能能产生生最大吸收的波最大吸收的波长作作检测波波长，但，但为了了选择性或其它目的也可适当性或其它目的也可适当牺牲灵敏度而牲灵敏度而选择吸吸收稍弱的波收稍弱的波长，另外，另外，应尽可能尽可能选择在在检测波波长下下没有背景吸收的没有背景吸收的流流动相。相。 紫外紫外检测器的波器的波长范范围是根据是根据连续光源（光源（氘灯）灯）发出的光，通出的光，通过狭狭缝、透、透镜、光、光栅、反射、反射镜等光路等光路组件形成件形成单一波一波长的平行光束。的平行光束。通通过光光栅的的调节可得到不同波可得到不同波长。紫外光的范紫外光的范围一般指一
15、般指200-400 nm。吸收度。吸收度单位位AU (absorbance unit) 是相当于多少伏的是相当于多少伏的电压，范，范围的大小的大小应该适中适中较好，好，实际工作中一般就需要工作中一般就需要1AU左右。左右。Page 18用途用途：紫外紫外检测器使用于大部分常器使用于大部分常见具有紫外吸收有机物具有紫外吸收有机物质和部分无和部分无机物机物质。紫外。紫外检测器器对占物占物质总数数约80%的有紫外吸收的物的有紫外吸收的物质均可均可检测，既可，既可测190-350 nm范范围的光吸收的光吸收变化，也可向可化，也可向可见光范光范围350-700 nm 延伸。延伸。 紫外紫外检测器适用于有
16、机分子具紫外或可器适用于有机分子具紫外或可见光吸收基光吸收基团，有，有较强的紫外或可的紫外或可见光吸收能力的物光吸收能力的物质检测。一般当物。一般当物质在在200-400 nm 有紫外吸收有紫外吸收时，考，考虑用紫外用紫外检测器。器。Page 19优点点：紫外吸收紫外吸收检测器不器不仅灵敏度高、噪音低、灵敏度高、噪音低、线性范性范围宽、有、有较好的好的选择性，而且性，而且对环境温度、流境温度、流动相相组成成变化和流速波化和流速波动不太敏感不太敏感，因，因此既可用于等度洗脱，也可用于此既可用于等度洗脱，也可用于 梯度洗脱。紫外梯度洗脱。紫外检测器器对流速和流速和温度均不敏感，可于制温度均不敏感，
17、可于制备色色谱。由于灵敏高，因此即使是那些光吸。由于灵敏高，因此即使是那些光吸收小、消光系数低的物收小、消光系数低的物质也可用也可用UV检测器器进行微量分析。行微量分析。 缺点缺点：不足之不足之处在于在于对紫外吸收差的化合物如紫外吸收差的化合物如不含不不含不饱和和键的的烃类等灵敏等灵敏度很低。度很低。Page 202.1.3激光散射激光散射检测器器原理原理：当光束照射到聚合物当光束照射到聚合物样品，由于密度起伏和溶液品，由于密度起伏和溶液浓度不均一而度不均一而引起在入射光前引起在入射光前进的方向以外的各个方向的方向以外的各个方向产生散射光。关系任何方生散射光。关系任何方向的散射光向的散射光强度
18、与分子量和溶液度与分子量和溶液浓度成正比，散射光角度的度成正比，散射光角度的变化与化与分子的尺寸大小有关。十八角激光散射分子的尺寸大小有关。十八角激光散射仪，可以从十八个角度，可以从十八个角度对散散射光射光进行行检测，收集散射光的，收集散射光的强度。度。Page 21K为与溶与溶剂性性质和入射光和入射光频率相关的常数；率相关的常数； c 为溶液溶液浓度度 g mL ； R() 为不同角度去除溶不同角度去除溶剂影响后的散射光影响后的散射光强度；度； 为散射光角散射光角度；度； Mw为重均分子量；重均分子量；P( )为散射光散射光强度随角度度随角度变化的函数化的函数 ；A2为第二第二维里系数里系数
19、,是溶是溶剂与溶与溶质相互作用的度量，一般溶液极稀相互作用的度量，一般溶液极稀时可忽略可忽略;n0为溶溶剂的折射率；的折射率；dn/dc为折光指数增量折光指数增量,即溶液折射率与即溶液折射率与浓度度变化的比化的比值 mL/g ； N为阿佛加德阿佛加德罗常数；常数；为人射光波人射光波长；Rg为高分子均方末端距即高分子均方末端距即链质量中心至各个量中心至各个链段距离平方的平均段距离平方的平均值。Page 22R()为仪器器测定量，定量，K、c 、n0 、dn/dc 、N、 、均均为常数或已常数或已知量，其中知量，其中dndc值可通可通过折光折光仪测定，或通定，或通过折光折光仪的的仪器常数器常数与与输入入样品品质量求得。只有量求得。只有Mw、Rg和和 A2 三个高分子三个高分子链的基本参的基本参数数为未知未知值，通，通过多个角度光散射多个角度光散射强度的度的测定定 ，即可推，即可推导求出。求出。当激光光散射当激光光散射仪与与 GPC仪联用用时，GPC仪可将溶液中的高分子按可将溶液中的高分子按分子流体力学体分子流体力学体积顺序依次洗脱出来，因此不序依次洗脱出来，因此不仅可可测定定单一聚合物，一聚合物， 还可可测定高分子混合物，并且不需要定高分子混合物，并且不需要标准物准物质校正，直接校正，直接测出分子出分子量及其分布量及其分布 。
