凝胶渗透色谱(2014)

1、凝胶渗透色谱聚合物近代测试讲课：讲课：9-11、9-18（4学时学时）实验：材料楼实验：材料楼416416（8学时）学时）1. Questions and Discuss 1. Questions and Discuss 问题与讨论问题与讨论1 1） What is chromatography, and what is it for?What is chromatography, and what is it for? 色谱的起源与应用色谱的起源与应用2.2.）Do you know Liquid Chromatography or Gas Do you know Liquid Chroma

2、tography or Gas Chromatography?Chromatography? 你是否接触过液相色谱和气相色谱？你是否接触过液相色谱和气相色谱？3 3）For polymer, what need to be separated?For polymer, what need to be separated? 对于高聚物有什么是需要分离的？对于高聚物有什么是需要分离的？19531953年年-WheatonWheaton和和Bauman-Bauman- 用多孔树脂按分子量大小分离了苷、多元醇和其它非离子物用多孔树脂按分子量大小分离了苷、多元醇和其它非离子物质，观察到质，观察到分子尺寸

3、排除现象分子尺寸排除现象。 19591959年年-PorathPorath和和FlodinFlodin 用葡聚糖凝胶分离了水溶液中不同分子量的样品。用葡聚糖凝胶分离了水溶液中不同分子量的样品。 19621962年年-J.C.MooreJ.C.Moore 将连续式高灵敏度的示差折光仪接在分离柱后，并以体积计将连续式高灵敏度的示差折光仪接在分离柱后，并以体积计量方式作图，制成了快速且自动化的高聚物分子量及分子量量方式作图，制成了快速且自动化的高聚物分子量及分子量分布的测定仪，创立了凝胶渗透色谱技术。分布的测定仪，创立了凝胶渗透色谱技术。 研发历程：凝胶渗透色谱凝胶渗透色谱GPC-Gel Perme

4、ation Chromatography也称作也称作体体积积排斥色排斥色谱谱SEC-Size Exclusion Chromatography以溶以溶剂剂作流作流动动相，流相，流经经多孔填料作多孔填料作为为分离介分离介质质的液相色的液相色谱谱法。法。2 2 凝胶渗透色谱的原理凝胶渗透色谱的原理以多孔树脂为固定相以多孔树脂为固定相Vg载体骨架体积载体骨架体积Vi载体孔洞体积载体孔洞体积V0载体粒间体积载体粒间体积淋出体积淋出体积Ve=V0+KVi分配系数分配系数0K10K1V V0 0和和VgVg对分离没有贡献，应尽量减小，对分离没有贡献，应尽量减小，ViVi越大分离效果越好越大分离效果越好用溶

5、剂推动聚合物样品流过固定相用溶剂推动聚合物样品流过固定相产生大小分子顺序流出的分离产生大小分子顺序流出的分离凝胶渗透色谱柱是如何工作的凝胶渗透色谱柱是如何工作的流出级份的保留时间（洗脱体积）流出级份的保留时间（洗脱体积）提供其分子量（尺寸）的信息。提供其分子量（尺寸）的信息。从检测器信号强度得到各流出级分从检测器信号强度得到各流出级分的浓度。的浓度。由由示差检测器示差检测器连续记录连续记录流出样品的浓度流出样品的浓度用已知分子量的标样标定出流出用已知分子量的标样标定出流出时间和分子量的关系，时间和分子量的关系，再对未知样各流出级份的时间（再对未知样各流出级份的时间（分子量）和强度进行统计计算得

6、分子量）和强度进行统计计算得到分子量分布。到分子量分布。聚合物在色谱柱中的分离是基于分子聚合物在色谱柱中的分离是基于分子在溶剂中表现出的体积而不是分子量在溶剂中表现出的体积而不是分子量 溶剂化体积溶剂化体积InOutSR缓冲柱色谱柱溶剂输送系统在线脱气放空阀加热废液管儿示差折光检测器恒温区废液溶剂进样阀柱温箱预热板3. 3. 凝胶渗透色谱仪凝胶渗透色谱仪为GPC加热的理由降低流动相黏度，使得谱柱内部溶剂处于接近理降低流动相黏度，使得谱柱内部溶剂处于接近理想的想的GPCGPC状态（如状态（如Polyethylene Polyethylene Terphthalate Terphthalate m

7、-Cresol + 0.05 m LiBr/100 m-Cresol + 0.05 m LiBr/100 C C）尽量减轻分子间的弱相互作用（样品分子间、样尽量减轻分子间的弱相互作用（样品分子间、样品和溶剂分子间、填料和样品分子间等）品和溶剂分子间、填料和样品分子间等）使难于溶解的样品得以溶解（如聚烯烃使难于溶解的样品得以溶解（如聚烯烃PEPPPEPP、工程塑料工程塑料PPSPPS等）等）使使GPCGPC检测处在一个温度稳定的环境检测处在一个温度稳定的环境进样阀GPC色谱柱废液废液管柱温箱检测器1检测器2检测器3连接管在同一个温控区集成了进样阀、色谱柱、检测器，保证温度在同一个温控区集成了进样

8、阀、色谱柱、检测器，保证温度的一致性和稳定性的一致性和稳定性一体化温控区的示意图一体化温控区的示意图Temp.(Deg C)18.519.019.520.0MV-1.000.001.002.00Minutes51015202530354045505560657075实验室温度波动对实验室温度波动对RI检测器基线的影响检测器基线的影响Mobil Phase Methanol 0.25/mL minuteDetector Temp 35 CNo Column Heater UsedRoom TemperatureRI BaselineWaters G2000高温凝胶色谱仪高温凝胶色谱仪多检测器集成

9、的 GPC 系统l紫外检测器（浓度型）紫外检测器（浓度型）l粘度检测器（分子量型）粘度检测器（分子量型）l多角激光光散射检测器（分子量型）多角激光光散射检测器（分子量型）l红外接口（特征基团型为测量短链支化）红外接口（特征基团型为测量短链支化）聚合物的分子结构分子量分布分子量分布增加分子量PD = Mw / Mn 增加浓度聚合物的各种平均分子量 Mn：用渗析计测出(Osmometry)Mw：用光散射计测出(Light Scattering)Mv：用粘度计测出(Viscometry)Mz及Mz+1：用超速离心法测出(Ultracentrifuge)Mw/Mn：为多分散性(Polydispersi

10、ty) MnMvMwMzMz+1用用GPC测得的分子量分布可以计算出各种不同测得的分子量分布可以计算出各种不同种平均分子量，可对应于其他仪器所测的值。种平均分子量，可对应于其他仪器所测的值。标样与待测样品不同种类标样与待测样品不同种类4. 4. 存在问题及解决办法存在问题及解决办法以同类聚合物的标准样品可绘制出标准曲线，给以同类聚合物的标准样品可绘制出标准曲线，给出淋出体积与分子量的关系。出淋出体积与分子量的关系。不同种类的聚合物，在溶剂中受到的作用不同，不同种类的聚合物，在溶剂中受到的作用不同，所以即使相同的分子量也会有不同的溶剂化体积所以即使相同的分子量也会有不同的溶剂化体积 采用标样的校

11、正曲线，只能得到与标样分子溶剂采用标样的校正曲线，只能得到与标样分子溶剂化体积相同的相对分子量化体积相同的相对分子量讨论：讨论：请给出你的解决办法请给出你的解决办法5. 5. 对测试结果产生影响的因素对测试结果产生影响的因素输液系统输液系统样品制备样品制备进样系统进样系统柱温变化柱温变化色谱柱结构与性能色谱柱结构与性能检测器的影响检测器的影响流动相的种类流动相的种类溶剂输送系统高流速精度是获得重现性GPC结果的基础微小的流速误差会导致分子量计算的很大误差使用参考峰(Flow Markers)的技术可校正流速误差固态固态 ( (半结晶半结晶) )液态液态 ( (稀溶液稀溶液) )样品制备的影响样

12、品制备的影响用淋洗液制样，使聚合物在分析的整个过用淋洗液制样，使聚合物在分析的整个过程中处于稳定状态，并且使溶剂峰最小程中处于稳定状态，并且使溶剂峰最小溶解必须使聚合物链打开成最放松的状态溶解必须使聚合物链打开成最放松的状态允许充分的时间让链展开允许充分的时间让链展开有些聚合物需要大于有些聚合物需要大于3 3小时小时分子量及结晶度愈大，所需真正溶解的时分子量及结晶度愈大，所需真正溶解的时间就俞多间就俞多某些结晶的聚合物需要加热某些结晶的聚合物需要加热样品制备的影响样品浓度与分子量相关（分子量越大，浓度越低）样品浓度与分子量相关（分子量越大，浓度越低）除非该样品可能会有剪切效应发生，聚合物溶液必

13、除非该样品可能会有剪切效应发生，聚合物溶液必须过滤须过滤为了增加样品的溶解，可轻微扰动（不要剧烈摇动为了增加样品的溶解，可轻微扰动（不要剧烈摇动或用超声）或用超声）窄分布标样不必过滤，高分子量标样也不要剧烈摇窄分布标样不必过滤，高分子量标样也不要剧烈摇动动可使用在线过滤器，但是不推荐使用保护柱可使用在线过滤器，但是不推荐使用保护柱 Sample PE-150C-2h Sample PE-150C-4h Sample PE-160C-2h Sample PE-160C-4h Sample PE-170C-2h Sample PE-170C-4h Minutes16.017.018.019.020

14、.021.022.023.024.025.0150 C170 C样品制备的影响进样系统的影响40 40 瓶位样品盘瓶位样品盘2ml 2ml 玻璃瓶卷边压紧铝瓶盖玻璃瓶卷边压紧铝瓶盖优先进样的样品缓慢搅拌优先进样的样品缓慢搅拌双温区设计是降解风险降至最低双温区设计是降解风险降至最低 进样点热区温区50 100 200 温度 (C)-20 -10 0 10 20 瓶位Carousel Motion进样点Agitated自动进样器自动进样器柱温对分辨率影响Column : PLgel 5um MIXED-C300 x7.5mmEluent : DMFFlow rate :1.0ml/minPEO/P

15、EG standards990,000 252,00086,00018,0004,800200增加温度 : 降低操作压力改善分辨率, 尤其是对于高分子量色谱柱结构与性能的影响色谱柱结构与性能的影响 在在THFTHF中包含胺类基团的聚合物经常中包含胺类基团的聚合物经常会和色谱柱填料发生作用，造成保留时间会和色谱柱填料发生作用，造成保留时间延长延长 在溶剂中添加少量的三乙胺降低相互在溶剂中添加少量的三乙胺降低相互作用的影响就可使色谱图恢复正常作用的影响就可使色谱图恢复正常 在例子中一个含胺的紫外稳定剂，在用在例子中一个含胺的紫外稳定剂，在用四氢呋喃分析时加入四氢呋喃分析时加入 5% 5% 三乙胺，

16、谱图明三乙胺，谱图明显得到改善显得到改善Sample:Hostavin N30Column:2xPLgel 3m MIXED-EFlow rate: 1.0ml/minInjection volume: 20lDetector: PL-ELS 1000Eluent Modification in Organic GPC - AcidsSample:Acrylic copolymerColumn:3xPlgel 5m MIXED-C Flow rate: 1.0ml/minInjection volume: 20lDetector: DRI Some acidic samples contain

17、ing polar components can be dissolved in THF but when analysed in that solvent show interactions with the packing material Addition of a small amount of acetic acid reduces these interactions by reducing the ionic character of the polymers In this example a acrylic co-polymer showing ionic exclusion

18、 could be analysed in THF with 5% acetic acidColumn Conditioning in Organic GPC Some samples, especially polar resins (e.g. phenol formaldehyde) can interact with packing materials on first injection Subsequent injections result in a changing peak profile as the number of interacting sites is reduce

19、d Eventually the peak shape stabilises This is called column conditioning To condition the column, multiple sample injections can be made to block interacting sitesEluent: THFColumn:ResiPoreFlow rate: 1.0ml/minInjection volume: 20lDetector: DRI MIXED bed columns give extended range over individual p

20、ore size Manufactured to give no discontinuities Combine individual pore size columns to extend range Can cause peak shape variation due to mismatch in pore volume色谱柱对数据的影响色谱柱对数据的影响 聚合物色谱中的检测器浓度响应值正比于浓度C实例：示差(refractometer)检测器 N = (dn/dc) C紫外检测器蒸发光散射检测器使用单一浓度型检测器的体积排除分离模式色谱被称作 传统GPC“绝对”分子量分布的测定RI/V 检测器结合使用 VI的响应值正比于 C H / M = C H，大分子的尺寸；流体力学体积 = VI / RI，特征粘度(intrinsic viscosity) 普适校正的假设：具有同样大小(H)的大分子应有同样的洗脱体积，即依赖性在给定的流动相、色谱柱组及温度下，H = H(V)是通用的Log H246810Elution volume V, mL16182022242628RI/V 检测器结合使用，第一步：用任何任何 窄分布标样(化学结构不重要)建立普适校