凝胶渗透色谱的介绍.ppt

单击此处编辑母版文本样式,单击此处编辑母版标题样式,CHANGZHOU,UNIVERSITY,相对分子质量及其分布的测定,王标兵 博士,办公电话：,86330075,办公地点：材料楼,314,手 机：,15851926636,Email,：,biaobing,凝胶渗透色谱,凝胶渗透色谱,（,Gel permeation chromatography,GPC,）也称作,体积排斥色谱,（,Size exclusion chromatography,SEC,）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。,1906,年，俄国植物学家,M.Tswett,发表了他的实验结果,:,为了分离植物色素，他将含有植物色素的石油醚提取液倒入装有碳酸钙粉末的玻璃管中，并用石油醚自上而下淋洗，由于不同的色素在碳酸钙颗粒表面的吸附力不同，随着淋洗的进行，不同色素向下移动的色带，使各色素成分得到了分离。他将这种分离方法命名为色谱法,(chromatography),。,1964,年，,J.C.,Moore,发表了第一篇有关凝胶渗透色谱法测定高聚物分子量分布的文章。,美国,Waters,公司的凝胶渗透色谱仪商品问世，以示差折光仪为浓度检测器，以体积指示器为分子量间接指示器。,在对聚合物样品进行分级的同时还可以有效地检测出各级分的分子量和相对含量，快速简便。,目前已成为测定聚合物分子量大小和分布的最重要方法之一,凝胶色谱仪及工作原理,淋洗液通过输液泵成为流速恒定的流动相，进入紧密装填多孔性微球的色谱柱，中间经过一个可将样品带动溶液样品进入色谱柱并开始分离，随着淋洗液的不断洗提，被分离的高分子组份陆续从色谱柱中淋出。浓度检测器不断检测淋洗液中高分子组份的浓度响应，数据被记录最后得到一张完整的,GPC,淋洗曲线。,为,GPC,加热的理由,使,GPC,检测处于一个温度稳定的环境,减低流动相黏度，使得谱柱内部溶剂处于接近理想的,GPC,状态,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,PE/PP,、工程塑料,PPS,等）,凝胶色谱仪核心部件,载体,载体是,GPC,产生分离作用的关键,载体内部结构均为多孔性的，而且空洞的大小和多少决定了对高聚物的分离能力。,GPC,仪器对载体的要求,：,良好的化学稳定性和热稳定性,有一定的机械强度，不易变形,流动阻力小，对试样没有吸附作用,分离范围越大越好（取决于孔径分布）,载体的粒度愈小，愈均匀，堆积的愈紧密，色谱柱分离效率愈高。,GPC,载体的种类,：,交联聚苯乙烯凝胶,多孔性玻璃,半硬质及软质填料包括聚乙酸乙烯酯凝胶及聚丙烯酰胺凝胶,木质素凝胶等,流动相和试样注入系统,将溶剂经过进样器进入色谱柱中，然后从检测器的出口流出，这时整个系统就被溶剂充满。当待分离样品从进样器注入时，流经进样器的溶剂将其带入色谱柱中进行分离。,高压计量泵,是凝胶色谱仪的心脏，泵的工作状况好坏直接影响着最终数据的准确性。要求流量的误差应该低于,0.01mL/min.,流动相选择,在凝胶色谱分离中,溶剂是流动相。样品中不同分子量级分的分离并不依赖于溶剂与样品之间的相互作用力。因此溶剂的选择主要是从对样品的溶解能力,溶剂与仪器的匹配以及实验结果处理的方便来考虑。,检测系统,检测器的作用是将色谱柱淋出液中样品的组成、含量的变化转化为可供检测的信号，从而完成定性、定量的判断分离情况的任务。,用于,GPC,的检测器很多，包括：,示差折光检测器,适用于所有聚合物的检测；,紫外,/,红外检测器,适用于对该检测器有特殊响应的聚合物。,自动馏分收集器,自动计算出淋出液的体积；,由此得到随淋洗时间延长样品中不同级份的含量变化。从而得到被测样品中的相对分子量和相对分子量分布的信息。,数据处理和控制系统,GPC,仪器配置有一台计算机工作站，它的主要功能的两项：,对仪器的工作状态进行控制，包括温度、压力、流速,；,自动地对检测结果进行数据处理，最后给出分子量分布和平均分子量的数据和曲线。,整个测试过程都要在严格的恒温条件下进行。,凝胶渗透色谱分离机理,凝胶渗透色谱的色谱过程,色谱过程是物质分子在相对运动的两相间分配平衡的过程。在混合物中，若两个组分的分配系数不等，则被流动相携带移动的速率不等，即形成差速迁移而被分离。如图所示。,色谱过程的实质,色谱过程是吸附与解析的过程；,不同组分极性的差异导致吸附与解析的差异；,不同组分向前移动的过程是差异不断累积过程，是在动态中由量变到质变的过程。,当被分析的试样随着淋洗溶剂引入柱子后，溶质分子即向填料内部孔洞扩散。较小的分子除了能进入大的空外，还能进入较小的孔；较大分子则只能进入较大的孔；而比最大的孔还要大的分子就只能留在填料颗粒之间的空隙中。因此，随着溶剂的淋洗，大小不同的分子就得到分离，较大的分子先被淋洗出来，较小的分子较晚被淋洗出来。,GPC,的基本原理,凝胶渗透色谱是一种液相色谱，原理是利用高分子溶液通过装有凝胶的柱子，在柱中按分子大小进行分离。,柱子为玻璃柱或金属柱，内填装有交联度很高的球形凝胶。其中的凝胶类型有很多，都是根据具体的要求而确定（常用的有,PS,凝胶）。然而无论哪一种填料，它们都有一个共同点，就是球形凝胶本身都有很多按一定分布的大小不同的空洞。,尺寸不同的高聚物分子，按其分子大小能自由地渗透进和渗透出这些凝胶空洞。,凝胶孔洞与分子尺寸是相适应的，超过这个尺寸的大分子就不能渗透进去，它们只能随溶剂的流动而在凝胶粒子之间的 空间中流动。因此，大分子比起小分子来说，在柱中的行程就短得多。,根据大小分子不同的行程就可以把混在一起的高聚物分子逐级分离开来，先分离出来的是大分子，较小的聚合物分子受到溶剂分子的排斥也随后分离出来，然后再用一定的方法检测每级中溶质德 浓度和分子量。,GPC,分离机理,平衡排除机理,限制扩散机理,流动分离理论,平衡排除理论,假设条件,：,溶质分子扩散出固定相空洞所需要的时间远小于溶质区域在此停留的时间，即可以不考虑扩散的影响。,聚合物在容易中是以无规线团形式存在，线团具有一定的尺寸，只有小于凝胶孔尺寸的分子才能进入孔中，这样大分子能进入的孔洞数目比小分子要少；即使大、小分子都能进入的孔洞，在孔中也存在着不可渗透的孔壁，限制了溶质分子的渗入体积。,凝胶色谱柱的分离效果,V,0,空隙体积；,V,i,孔穴体积；,V,g,载体的骨架体积；,色谱柱总体积：,V,t,=V,0,+V,i,+V,g,柱子内部的空间体积：,V,0,+V,i,每根凝胶柱都有其最佳的分离效果,色谱柱分离上限,V,0,；（高分子的体积比孔洞尺寸大）,色谱柱分离下限,V,0,+V,i,；（高分子的体积很小，远小于所有的孔洞大小）,如果高分子的体积为中等大小，而孔的大小是均匀不等的锥体，则高分子能进入较大的孔洞，而不能进入较小的孔洞。这样高分子可以扩散至所有的粒间体积外，还可以进入载体的部分孔洞中，淋出体积,Ve,，,V0,Ve V,0,+V,i,大分子能进入的孔洞少，在孔内流经的路程也短；小分子能进入的孔洞多，在孔内流经的路程也长；中等分子则介于两者之间。所以大分子所走路程最短，最先从柱中流出。,限制扩散理论,平衡排斥理论的假设中没有考虑溶质分子大小不同在扩散速度上的差别。,限制扩散理论认为在分离时溶质分子在流动相和固定相之间没有达到平衡。在色谱柱中，大小不同的溶质分子的扩散速度是不同的，分子的扩散系数随,R/a,的比值增大而迅速减小（,a,为凝胶孔的截面半径，,R,为分子半径）。,大小不同的分子其扩散受阻情况是不同的。,分离过程是和流速有关的。,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分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。,使用,GPC,进行分子量大小和分布的测定过程中，仪器记录了两个方面的数据：,（,1,）淋出体积；（,2,）淋出液中溶质的相对浓度；,GPC,谱图的横坐标为淋出体积，它反映了聚合物分子量的大小；,纵坐标是淋出液中溶质浓度的响应，它反映了某一级分的相对含量。,如何根据,GPC,谱图计算样品的相对分子质量及其分布？,浓度响应,淋出体积或淋出时间,GPC,数据处理,GPC,谱图分析,V,e,log,M,A,B,C,D,V,0,log,M,a,log,M,b,一般而言，分子量与淋出体积间具有如下关系,:,当分子量大于,M,a,时,曲线如何,?,当分子量小于,M,b,时,曲线如何,?,色谱柱的分离范围,:,M,b,M,a,M,1,M,2,M,3,M,4,M,5,V,e,V,1,V,2,V,3,V,4,V,5,排阻极限,渗透极限,计算相对分子质量与分布的关键是将,Ve,转换成相对分子质量，即得到,Ve,与,lgM,的关系曲线，称为相对分子质量标准曲线。,GPC,按照溶质分子体积大小进行分级。但是分子体积与分子量之间不存在严格对应关系，不同聚合物在分子量相同的情况下分子体积不一定相同，分子体积相同时分子量不一定相同。,推论,使用,PS,标准样品制定的标定曲线只适用于,PS,试,样的,GPC,测定，不适合其它聚合物。如果测定某种聚合物的分子量分布，必须使用该种聚合物的单分散性标准样品制定分子量,-,淋出体积标定曲线。,那么：可作为普适标定参数,能否用一种聚合物的标准样品制定出一条对各种聚合物都普遍适用的标定曲线？,式中，,V,h,是溶质分子的流体力学体积。,Einstein,粘度公式：,Yes!,实验结果也发现：对不同的聚合物样品，以,log M,对,Ve,作图，得到的曲线是重叠在一起的。因此可以用,PS,标准样品的,logM,对,Ve,作图，制备出适用于各种聚合物的普适标定曲线,。,流体力学体积与保留体积的关系曲线具有普适性，称为,普适标准曲线。,对于不同的聚合物，只要它们在溶液中的流体力学体积相同，其,M,值就相同。,根据普适标定曲线，从聚合物样品,GPC,曲线的横坐标上确定淋出体积,Ve,，,然后从在普适曲线上找到在相同,V e,下的,M,。,根据,1,M,1,=,2,M,2,，,从标准样品的分子量,M,1,计算出被测样品的分子量,M,2,。,具体做法是：,普适校正方程：,单分散性试样,即使是单分散性试样，其淋出液浓度对淋出体积的,GPC,曲线也会有一个分布,色谱柱的扩展效应。,淋出体积的确定,按正态分布函数处理，由峰两侧的拐点作曲线的切线，两切线交于,O,点，,O,点所对应的体积即为,Ve,。,GPC,数据处理,1,）把,GPC,曲线分割成与纵轴平行的,n,个长条，每条的宽度都相等，实际上相当于把样品分成了,n,个级分。,2,）读出每个级分所对应的淋出体积,V,和基线至谱线之间的高度,H,。,多分散性聚合物,GPC,谱图,H,Ve,3,）由淋出体积从标定曲线上求出各级分所对应分子量,M,，,并由,H,计算出各级分的重量分数：,多分散性试样,GPC,实验技术,色谱柱的装填,干法装柱,：多孔硅胶、多孔玻璃等粒度较大的硬胶,等密度装柱法,：粒子直径在,10m,以下,湿法装柱,：有机半硬凝胶,在有机溶剂中有一定的溶胀作用及带有较大的静电。,GPC,实验技术,溶剂的选择,低粘度,：减少流动阻力,高沸点、毒性小,、,溶解性好,：能溶解种类较多的高聚物,化学性质稳定,：能润湿凝胶，与凝胶不起化学反应,根据不同检测器要求：,示差折光仪,：溶剂折光指数与试样折光指数相差要大；,紫外检测器,：溶剂在所选的波长内没有明显吸收。,通常选用,THF,GPC,实验技术,试样用量与浓度,试样用量,20mg,为宜,浓度：,0.05-0.5wt%,范围,高聚物分子量越大，溶液浓度应越低。,流速：,1mL/min,流速升高，色谱峰变宽，柱效率降低。,影响凝胶渗透色谱数据置信度的因素,输液系统,样品制备,进样系统,柱温变化,色谱柱性能,检测器,流动相,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,样品制备的影响,溶剂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,有些聚合物需要大于,3h,分子量及结晶度愈大，所需真正溶解的时间愈长,某些结晶的聚合物需要加热,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）,窄分布样品不必过滤，高分子量标样也不要剧烈摇动,可使用在线过滤器，但是不推荐使用保护柱,GPC,在高分子研究中的应用,聚合机理的研究,例：用凝胶色谱研究辐射聚合机理,辐射聚合对物质的处级作用是电离，讨论聚合反应条件，如温度、水分 含量、转化率、照射剂量对聚合过程的影响。,一般认为：,自由基聚合在高温进行，离子型聚合在低温进行,自由基聚合产物峰,离子聚合产物峰,GPC,在高分子材料生产及加工过程中的应用,在加工过程中由于加热和机械剪切等作用，高聚物的分子量会发生变化，直接影响到材料的性能。,当,PC,分子量低于,2,万时，各项性能指标急剧下降，因此分子量低于,2,万的低分子量部分含量越小，冲击韧性越好，但低分子量部分多，可降低其加工流动性,在高分子材料加工过程中的应用,高聚物使用过程中分子量分布的变化,高分子材料在使用过程中由于光、热、氧及微生物等的作用会引起高分子链的降解，使高分子材料老化而影响材料的性能和使用寿命。,GPC,可以观察材料在使用过程中分子链的断裂、耦合与交联，可以为老化机制的研究提供必要的数据。,PC,是一种性能优异的工程塑料，但其耐热水老化性能很差，使其应用受到限制。,采用共混的方法制备高聚物合金材料，可以改善其耐热水老化的性能，其中最突出的是,PC/PE,合金材料。,老化过程,