凝胶渗透色谱GPC

1、凝胶渗透色谱,2007年4月12日 顾好粮,关于PL公司,内容概要,凝胶渗透色谱的回顾 凝胶渗透色谱的任务 凝胶渗透色谱的原理 凝胶渗透色谱的特点 凝胶渗透色谱的仪器组成 影响凝胶渗透色谱数据置信度的因素 凝胶渗透色谱的发展,凝胶渗透色谱的简单回顾,凝胶渗透色谱GPC（Gel Permeation Chromatography） 也称作体积排斥色谱SEC(Size Exclusion Chromatography)是用溶剂作流动相，流经多孔填料(如多孔硅胶或多孔树脂) 作为分离介质的液相色谱法。 1953年Wheaton和Bauman用多孔离子交换树脂按分子量大小分离了苷、多元醇和其它非离子物

2、质，观察到分子尺寸排除现象。 1959年Porath和Flodin用葡聚糖胶联制成凝胶来分离水溶液中不同分子量的样品。 1962年J.C.Moore将高交联度聚苯乙烯-二乙烯基苯树脂用作柱填料，以连续式高灵敏度的示差折光仪，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分布的测定仪，从而创立了液相色谱中的凝胶渗透色谱技术。,2 凝胶色谱的任务,分子量的分布与高分子材料的所有关键加工特性以及材料性能紧密相关,Plastics Technology, May 1986,聚合物的分子结构,大分子的性质 分子量及其分布 化学组成(Chemical Composition) 化学结构(C

3、hemical Structure) 组装结构(Architecture), CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 ,M = 单体的数量 单体的分子量,聚合物的分子结构,分子量 M, CH2 CH2 聚乙烯单体 A, CH CH2 聚丙烯单体 B,CH3, A A A A A A A A A 聚乙烯 B B B B B B B B B 聚丙烯 A B A B A A B B 聚乙烯-聚丙烯共聚物,A，% 化学组成,聚合物的分子结构,化学组成,A 聚乙烯单体，B 聚丙烯单体, A A B A B A A B B 随机共聚物(random copolymer) A A A A B B B

4、 B B 嵌段共聚物(大块，block copolymer) A B A B A B A B A 交替共聚物(alternating copolymer), 平均序列长度,聚合物的分子结构,化学结构,LINEAR,BRANCHED C6 长链,B：支化频率(branching frequency) = 每1000个碳原子的支化数,聚合物的分子结构,组装结构(Architecture),STAR-SHAPED,f - number of arms,聚合物的分子结构,组装结构(Architecture),聚合物的分子结构,可用分子参数的分布及这些分布的统计数据来表示聚合物样品的性质 最重要的聚合物

5、分布： 分子量分布 Molecular Weight Distribution MWD 化学组成分布 Chemical Composition Distribution CCD,分子量分布,增加分子量,PD = Mw / Mn,增加浓度,聚合物的分子结构,聚合物的各种平均分子量,用GPC测得的不同种平均分子量可对应于其他仪器所测的值： 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(Polydispersit

6、y) MnMvMwMzMz+1,性质/工艺参数 随MW增加 冲击强度 融化粘度 加工温度 脆性 拉伸能力(纤维) 融流,分子结构与物理性质,分子量的影响，定性关系,分子结构与物理性质,分子量的影响 Mn 与流动性质有关 Mw 与强度性质有关，例如张力及抗冲击力 Mz 与延伸及柔韧性有关 MZ+1 与挤出膨胀(die swell)有关 挤出膨胀发生在材料从模具中挤出时塑料发生膨胀,比较结果,聚氯乙烯180C拉伸强度与分子量关系,2700,180C下的拉伸强度,1900,50,000,160,000,分子量,3 凝胶渗透色谱的原理,以多孔树脂为固定相，用溶剂推动分子量大小不同的样品流过固定相产生分

7、子尺寸大小顺序流出的分离 流出级份的保留时间（洗脱体积）提供其分子量（尺寸）的信息 用检测器得到各流出组分的强度和流出时间 用已知分子量的标样标定出流出时间和分子量的关系 用标定好的时间和分子量的关系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到分子量分布,DVB/PS Packing Particle 20,000 x,有机 GPC 介质,悬浮聚合产生苯乙烯基二乙基苯聚合物的单体颗粒 开始的小颗粒融合集合成最终的颗粒 仔细控制反应环境产生出合适的单体孔和颗粒的尺寸,Pore Structure Defines Resolving Range,体积排除分离机理,GPC是如何工作的,M

8、n=1/i(Ci/Mi) Mw=i(CiMi) Ci normalized concentration of slice i Mi molecular weight of slice i,Mi,Mw,number = number,weight = weight,Ci,Log M,Mn,聚合物的分子结构,分子量平均值,各种平均分子量的公式,分子量分布,增加分子量,PD = Mw / Mn,增加浓度,聚合物的分子结构,为GPC加热的理由,使GPC检测处在一个温度稳定的环境 降低流动相黏度，使得谱柱内部溶剂处于接近理想的GPC状态（如Polyethylene Terphthalate m-Cres

9、ol + 0.05 m LiBr/100 C） 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） 使难于溶解的样品得以溶解（如聚烯烃PEPP、工程塑料PPS等）,溶剂特性,Polyisobutylene Polybutylene Chlorinated Rubber Polybutadiene Polyisoprene Polydimethylsiloxane Chlorinated Polyethylene Polyethylene Ethylacrylate Polyethylene Vinylacetone Polyethylene Methacrylic

10、acid Polyphenyleneoxide Poly-4-methylpentene(1) Polyethylene Ultra-high Molecular Weight Polyethylene Polypropylene Polyetheretherketone Polyetherketone,Toluene Toluene/75 C TCB/135 - 160 C TCB/135 - 160 C Phenol/TCB 1:1/145 C,各种样品所对应的溶剂条件,各种样品所对应的溶剂条件,Melamine Formaldehyde Nylon (All types) Polybut

11、ylene Terphthalate(PBT) Polyethylene Terphthalate(PET) Poly Acrylonitrile(聚丙烯睛) ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) ASA (Acrylic Styrene Acrylonitrile ABA (Acrylonitrile Butdiene Acrylate) Carboxymethyl Cellulose ABS/Polycarbonate Polybutadiene Acrylonitrile Polyurethane Polyacetal Polyoxymethylen

12、e Polyimide Polyamide imide Polyetherimide Polyethersulfone Polyvinyldienefluoride Polyfuran Formaldehyde,Hexafluoroisopropanol + 0.075 M Sodium Trifluoroacetate/55 C or m-Cresol + 0.05 m LiBr/100 C DMF + 0.05 m LiBr/85 C DMF + 0.05 m LiBr/145 C N-Methyl Pyrrolidone + 0.05 m LiBr/100 C Dimethylaceta

13、mide/60 C,Polycarbonate Polyglycolic acid Acrylonitrile Methylmethacrylate Cellulose Acetate Cellulose Acetate Butyrate Cellulose Acetate Proprionate Cellulose Nitrate Cellulose Proprionate Cellulose Triacetate Diallyl Phthalate Ethyl Cellulose Epoxy Polyester Alkyd Polybutene(1) Polybutadiene Styre

14、ne Phenol Formaldehyde Phenol Furfural Polymethylmethacrylate Polypropyleneglycol Polystyrene Polysulfone Polyvinylacetate Polyvinylbutyral Polyvinylchloride Polyvinylchloride Acetate Polyvinyldienechloride Polyvinylformal Polystyrene Acrylonitrile Polystyrene Alphamethylstyrene Polyester Thermoset

15、Phenolics Rosin Acids Polyglycolic Acid,Methyl Chloride gamma-Butyl Lactone THF/40 C,4 凝胶渗透色谱的特点,实验所需时间可以预知 整个洗脱过程用恒定比例的淋洗液，不能用梯度洗脱 一般情况下试样能溶解就能测定，减少了用于摸索实验条件所需的时间 组分的保留时间提供其分子尺寸的信息 以时间顺序流出的级份进行分级收集就得到了目标分子量的样品可以进一步分析（GPC cleanup）,5 凝胶渗透色谱的仪器组成,In,Out,S,R,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

16、,溶剂,典型分离式GPC系统示意图液相色谱改装为凝胶色谱的系统,进样阀,柱温箱,预热板,一体化设计集中温控,In,Out,S,R,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,示差检测器的原理,Temp.(Deg C),18.5,19.0,19.5,20.0,MV,-1.00,0.00,1.00,2.00,Minutes,5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,实验室温度波动对RI检测器基线的影响,Mobil Phase Methanol 0.25/mL minute De

17、tector Temp 35 C No Column Heater Used,Room Temperature,RI Baseline,分离式系统温度稳定性的解决方案与色谱追求的分离度相矛盾（柱外扩散）,准确控温的柱温箱容纳了进样系统、 色谱柱 和各种检测器,带温控的输液单元包含溶剂瓶泵和脱气机,PL-GPC220 Modules,多检测器集成的 GPC 系统,紫外检测器（浓度型） 粘度检测器（分子量型） 多角激光光散射检测器（分子量型） 红外接口（特征基团型为测量短链支化）,影响凝胶渗透色谱数据置信度的因素,输液系统的影响 样品制备对结果的影响 进样系统的影响 柱温变化带来的的影响 色谱柱性

18、能带来的的影响 检测器的影响 流动相带来的的影响,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 (半结晶),液态 (稀溶液),样品制备的影响,溶剂必须聚合物链打开成最放松的状态 允许充分的时间让链展开 有些聚合物需要大于3小时 分子量及结晶度愈大，所需真正溶解的时间就俞多 某些结晶的聚合物需要加热,样品制备的影响,除非该样品可能会有剪切效应发生，聚合物溶液必须过滤 为了增加样品的溶解，可轻微扰动（不要剧烈摇动或用超声） 窄分布标样不必过滤，高分子量标样也不要剧烈摇动 可使用在线过

19、滤器，但是不推荐使用保护柱,样品制备的影响,Sample PE-150C-2h,Sample PE-150C-4h,Sample PE-160C-2h,Sample PE-160C-4h,Sample PE-170C-2h,Sample PE-170C-4h,样品制备的影响,Sample PE-150C-2h,Sample PE-150C-4h,Sample PE-160C-2h,Sample PE-160C-4h,Sample PE-170C-2h,Sample PE-170C-4h,带示差检测器的色谱图,样品制备的影响,样品制备的影响,40 瓶位样品盘 2ml 玻璃瓶卷边压紧铝瓶盖 优先进

20、样的样品缓慢搅拌 双温区设计是降解风险降至最低,进样点,50,100,200,温度 (C),-20,-10,0,10,20,瓶位,Carousel Motion,进样点,Agitated,自动进样器,在柱温箱中平衡的进样瓶可编程 Excess solution returned to vial Injection precision RSD 1% with no cross contamination New Multiple Injection capability up to 3 injections per vial.,柱温箱,进样阀,自动进样器,PL-GPC 50优于分离式系统（检测器

21、）,这是PL-GPC50在室温下设置40C 时和典型的分离式系统4分钟基线漂移的比较,在相同实验室环境温度变化时，相比之下，分离式系统的基线漂移近3毫伏。,PL-GPC 50 的基线漂移小于1毫伏,Samples: 250K, 35K, and 8K PS Stds. Columns: HR3 & HR5 Styragel Mobile Phase: Toluene Flow Rate: 1 ml/min Concentration: 0.04% each,温度对分辨率影响,MIXED bed columns give extended range over individual pore s

22、ize 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,凝胶渗透色谱的发展,多检测器的应用 快速GPC技术 微流量GPC技术 新型色谱柱技术,多检测器的比较,用多检测器GPC技术探究 poly(n-butyl methacrylate) 的支化结构,The MWDs indicate the samples to b

23、e extremely heterogeneous and gave multi-modal distributions.,The Mark-Houwink plots show that although two of the samples (grey traces) were similar in structure, the third (black trace) gave lower values of intrinsic viscosity at any given molecular weight, indicative of the more dense polymer str

24、ucture which accompanies an increase in the level of polymer branching.,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,聚合物色谱中的检测器,浓度 示差，紫外，蒸发光散射(ELSD)， 分子量敏感 粘度，光散射 组成 多波长紫外，示差+紫外，质谱(MS)，付里叶变换红外(FTIR)，,“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

25、 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 H,2,4,6,8,10,Elution volume V, mL,16,18,20,22,24,26,28,RI/V 检测器结合使用，第一步：用任何 窄分布标样(化学结构不重要)建立普适校正曲线, ST = VI / RI for each standard H = MST ST for each standard Polyno

26、mial fit to Log H universal calibration curve,“绝对”分子量分布的测定,“绝对”分子量分布的测定,RI/V 检测器结合使用 第二步：用聚合物分布每一切片“i”计算“绝对”分子量 i = VIi / Rii Mi = Hi / i,1683 Run 1,1683 Run 2,1683 Run 3,1683 Run 4,1683 Run 5,3.00,4.00,5.00,6.00,7.00,0.00,0.20,0.40,0.60,0.80,1.00,Log(Molecular Weight),dW / dLogM,Conventional,Univer

27、sal,通过重叠5次普通及5次普适校正所得到的图，清楚地看到分子量的准确度及精度,宽分布聚苯乙烯标样分子量分布比较,普通及普适校正之间的一致性,GPC中的大分子结构形态,大分子的结构形态(支化)可通过粘度理论曲线得到： Log 对 Log M 粘度理论曲线也被称为Mark-Houwink曲线，可由下列方程式描述： Log = Log K + Log M K 及 可随 M 变化,GPC中的大分子结构形态,支化降低了大分子的尺寸： 对于同样分子量的大分子来说 branch lin 支化指数 表示了支化程度的特性 g = branch / lin 1 支化聚合物的支化指数： g = gSCB gLC

28、B,GPC中的大分子结构形态,线性聚合物有线性的MH曲线： Log lin = Log Klin + lin Log M 具有短链支化(short-chain branches)的聚合物同样具有线性的曲线 但是；KSCBKlin，并且 SCB = lin gSCB 1 常数(不依赖于M) 线性粘度理论曲线用Mark-Houwink方程式描述,The PL-HTGPC/FTIR Interface,The PL-HTGPC/FTIR interface comprises,Design specifically for use with Perkin Elmer Spectrum Series, Nicolet Avatar, and now Bruker FTIR.,HT Flow Cell Control Module HT Transfer Line,先进的混合凝胶技术,非常简单的色谱柱选择 对于各种应用都非常优化的色谱柱 简化色谱柱库存 错配柱子带来的遗憾 简单的增加相同的色谱柱就可以得到 更好的分辨率 当在线使用激光光散射检测器或黏度检测器时非常容易