1、收集整理：李佼佼收集整理：李佼佼SEC定义定义SEC：Size Exclusion Chromatography 体积排阻色谱，或者尺寸排阻色谱体积排阻色谱，或者尺寸排阻色谱SEC定义定义：是利用多孔凝胶固定相的独特特是利用多孔凝胶固定相的独特特性，而产生的一种主要性，而产生的一种主要依据分子尺寸大小的依据分子尺寸大小的差异差异来分离的液相色谱方法。来分离的液相色谱方法。SECGFCGPCSEC分类分类凝胶渗透色谱凝胶渗透色谱(GPC:Gel Permeation Chromatography)主要用于聚合物领域；主要用于聚合物领域；以有机溶剂为流动相以有机溶剂为流动相(氯仿氯仿，THF，DM
2、F)；常用固定相填料：苯乙烯二乙烯基苯共聚物。常用固定相填料：苯乙烯二乙烯基苯共聚物。凝胶过滤色谱凝胶过滤色谱(GPC:Gel Filtration Chromatography)主要用于生命科学领域；主要用于生命科学领域；以水溶液为流动相；以水溶液为流动相；常用固定相填料：亲水性有机凝胶常用固定相填料：亲水性有机凝胶(葡聚糖，琼脂糖，葡聚糖，琼脂糖，聚丙烯酰胺等聚丙烯酰胺等)。俄国植物学家俄国植物学家茨维特茨维特(Tsweett)(Tsweett)19061906年首先系统地年首先系统地提出提出色谱法色谱法色谱、色谱分析的由来色谱、色谱分析的由来 主要内容主要内容分子量与分子量分布分子量与分
3、子量分布1GPC分离机理分离机理2GPC分析分析3GPC应用应用4 分子量与分子量分布分子量与分子量分布高聚物的性能特别是机械性能、加工性能及高分高聚物的性能特别是机械性能、加工性能及高分子在溶液中的特性等都与子在溶液中的特性等都与高聚物分子量高聚物分子量有关。有关。聚合物的分子量与使用性能及加工性能密切相关聚合物的分子量与使用性能及加工性能密切相关，分子量太低，材料的机械强度和韧性都很差，分子量太低，材料的机械强度和韧性都很差，没有应用价值，分子量太高熔体粘度增加，给加没有应用价值，分子量太高熔体粘度增加，给加工成型造成困难，因此聚合物的分子量一般控制工成型造成困难，因此聚合物的分子量一般控
4、制在在10 10 10 10 之间。之间。37 分子量与分子量分布分子量与分子量分布Eg.冲击强度、模量、拉伸强度、耐热、耐腐蚀冲击强度、模量、拉伸强度、耐热、耐腐蚀性都与高聚物的性都与高聚物的分子量和分子量分布分子量和分子量分布有关有关(分子分子量低易碎，分子量高难加工量低易碎，分子量高难加工)。高分子材料的加工性能，不仅和高聚物的平均高分子材料的加工性能，不仅和高聚物的平均分子量有关，而且也与分子量有关，而且也与分子量分布分子量分布有关。有关。分子量与分子量分布分子量与分子量分布 高聚物分子量的高聚物分子量的多分散性多分散性是高聚物最基本特是高聚物最基本特征之一，平均分子量及其分布宽度不仅
5、可以征之一，平均分子量及其分布宽度不仅可以用来表征聚合物的链结构，而且也是决定高用来表征聚合物的链结构，而且也是决定高分子材料性能的基本参数之一，因此分子材料性能的基本参数之一，因此研究高研究高聚物就必须掌握分子量分布的测定方法聚物就必须掌握分子量分布的测定方法。那么，分子量分布用什么方法来测最明智？那么，分子量分布用什么方法来测最明智？分子量与分子量分布分子量与分子量分布有多种测定高聚物平均分子量的方法。例如可用化有多种测定高聚物平均分子量的方法。例如可用化学反应测定聚合物的端基数，从而计算平均分子量学反应测定聚合物的端基数，从而计算平均分子量 (端基分析方法端基分析方法)；也可利用高聚物的
6、物化性质如；也可利用高聚物的物化性质如高分子稀溶液的热力学性质高分子稀溶液的热力学性质(沸点上升、冰点下降沸点上升、冰点下降及渗透压及渗透压 ）。）。动力学性质动力学性质 (超速离心沉降、粘度、体积排除超速离心沉降、粘度、体积排除 )及光学性质及光学性质 (光散射光散射 )等测定平均分子量。等测定平均分子量。GPC不仅能测定平均分子量还能同时测定不仅能测定平均分子量还能同时测定分子量分布！分子量分布！GPC分离机理分离机理GPC是固定相采用凝胶状多孔性填充剂，根据样品是固定相采用凝胶状多孔性填充剂，根据样品中各种分子的流体力学体积的不同来进行分离。中各种分子的流体力学体积的不同来进行分离。溶质
7、分子的体积越小，其淋出体积越大。这种溶质分子的体积越小，其淋出体积越大。这种 解释不考虑溶质与载体之间的吸附效应以及在流动相和解释不考虑溶质与载体之间的吸附效应以及在流动相和固定相之间的分配效应，其淋出体积仅仅由溶质分子尺固定相之间的分配效应，其淋出体积仅仅由溶质分子尺寸和载体的孔尺寸决定，分离完全时由于体积排除效应寸和载体的孔尺寸决定，分离完全时由于体积排除效应所至，故称为体积排除机理。所至，故称为体积排除机理。孔穴孔穴填充物填充物颗颗粒粒 大大 中中小小样样品品GPC柱柱GPC分离机理分离机理 Log (MW)排阻极限排阻极限渗透极限渗透极限GPC柱柱GPC分离机理分离机理排阻极限排阻极限
8、排阻极限是指不能进入凝胶颗粒孔穴内部的最小分子的排阻极限是指不能进入凝胶颗粒孔穴内部的最小分子的分子量。所有大于排阻极限的分子都不能进入凝胶颗粒分子量。所有大于排阻极限的分子都不能进入凝胶颗粒内部，直接从凝胶颗粒外流出，所以它们同时被最先洗内部，直接从凝胶颗粒外流出，所以它们同时被最先洗脱出来。排阻极限代表一种凝胶能有效分离的最大分子脱出来。排阻极限代表一种凝胶能有效分离的最大分子量，大于这种凝胶的排阻极限的分子用这种凝胶不能得量，大于这种凝胶的排阻极限的分子用这种凝胶不能得到分离。随固定相不同，排阻极限范围约在到分离。随固定相不同，排阻极限范围约在 400400至至606010106 6之间
9、。之间。渗透极限渗透极限能够完全进入凝胶颗粒孔穴内部的最大分子的分子量。能够完全进入凝胶颗粒孔穴内部的最大分子的分子量。在选择固定相时，应使欲分离样品粒子的相对分子质量在选择固定相时，应使欲分离样品粒子的相对分子质量落在固定相的渗透极限和排阻极限之间。落在固定相的渗透极限和排阻极限之间。GPC分离机理分离机理平平均均分分子子量量计计算算公公式式数均分子量数均分子量 重均分子量重均分子量 Hi：峰高峰高 Mi：分子量：分子量Mw=S S Mi HiS S Hi Mn=S S HiS S(Hi/Mi)GPC分离机理分离机理 GPC分离机理分离机理 数均分子量数均分子量 (M(Mn n)拉力、抗冲击
10、性拉力、抗冲击性 重均分子量重均分子量 (M(Mw w)脆度脆度平平 均均 分分 子子 量量 含含 义义分布宽度指数分布宽度指数D(分散度分散度)=Mw/Mn对于多分散试样对于多分散试样 Mn Mw 多聚物分散性常用重均数均比，即：多聚物分散性常用重均数均比，即：Mw/MnMw/Mn表征。表征。GPC分离机理分离机理GPCGPC仪工作流程图如下所示：仪工作流程图如下所示：GPC分离机理分离机理GPCGPC色谱柱选择色谱柱选择按照样品所溶解的溶剂来选择柱子所属系列按照样品所溶解的溶剂来选择柱子所属系列THF、氯仿、氯仿、DMF必须选择合适的溶剂来溶解聚合物必须选择合适的溶剂来溶解聚合物按照样品分
11、子量范围来选择柱子型号按照样品分子量范围来选择柱子型号样品分子量应该处在排阻极限和渗透极限范围内，并且样品分子量应该处在排阻极限和渗透极限范围内，并且最好是处在校正曲线线性范围内最好是处在校正曲线线性范围内 GPC分离机理分离机理载体是载体是GPCGPC产生分离作用的关键产生分离作用的关键GPC仪器对载体的要求：仪器对载体的要求：1.1.良好的化学稳定性和热稳定性；良好的化学稳定性和热稳定性；2.2.有一定的机械强度有一定的机械强度3.3.不易变形不易变形;4.4.流动阻力小流动阻力小 5.5.对试样没有吸附作用对试样没有吸附作用6.6.分离范围越大越好（取决于孔径分布分离范围越大越好（取决于
12、孔径分布)等等7.7.载体的粒度愈小，愈均匀，堆积的愈紧密，色谱柱分离载体的粒度愈小，愈均匀，堆积的愈紧密，色谱柱分离 效率愈高。效率愈高。GPC载体的种类：载体的种类：1.1.交联聚苯乙烯凝胶交联聚苯乙烯凝胶2.2.多孔性玻璃多孔性玻璃3.3.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4.4.木质素凝胶等木质素凝胶等GPC分离机理分离机理标样标样聚苯乙烯聚苯乙烯(PS，溶于各种有机溶剂，溶于各种有机溶剂)聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚环氧乙烷聚环氧乙烷 (PEO，也叫聚氧化乙烯，溶于水，也叫聚氧化乙烯，溶于水)聚乙
13、二醇聚乙二醇(PEG，溶于水，溶于水)GPC分离机理分离机理(PEO与与PEG的碳链骨架相同，但是其合成原料和封的碳链骨架相同，但是其合成原料和封端不同，由于原料的性质，使其产物的分子量和结端不同，由于原料的性质，使其产物的分子量和结构都有一定的区别。构都有一定的区别。PEO常是指一端为甲基封端，常是指一端为甲基封端，一端为羟基封端的聚环氧乙烷，而一端为羟基封端的聚环氧乙烷，而PEG一般是两端一般是两端都是羟基封端的聚乙二醇。都是羟基封端的聚乙二醇。)校正曲线校正曲线逐一注入聚合物标样以确定分子量与保留时间的关系逐一注入聚合物标样以确定分子量与保留时间的关系IDTimeMW114.797853
14、000215.559380000316.239186000416.888100000517.47648000618.03223700718.49512200819.005580015.016.017.018.0min4.04.55.05.56.0log(M.W.)12345678GPC分离机理分离机理普适校正法普适校正法用一种高聚物标样做校正曲线，常用聚苯乙烯用一种高聚物标样做校正曲线，常用聚苯乙烯样品结构可以与标样不一样，并且可以有支链样品结构可以与标样不一样，并且可以有支链样品及标样在流动相溶剂中的样品及标样在流动相溶剂中的K K和和值必须己知（可以值必须己知（可以用粘度法来测定用粘度法来
15、测定K K和和的值）的值）GPC分离机理分离机理GPC反映的是淋洗体积与高聚物流体力学体积间的关系。反映的是淋洗体积与高聚物流体力学体积间的关系。根据根据Einstein粘度关系：粘度关系：MNV/5.2为特性粘度；为特性粘度；vv表示聚合物链等效的流体力学体积；表示聚合物链等效的流体力学体积；N N为阿佛加德罗常数；为阿佛加德罗常数；M M为聚合物分子量。为聚合物分子量。根据上式可用根据上式可用MM表示流体力学体积。表示流体力学体积。GPC分离机理分离机理普适校正法普适校正法当样品与标样有相同的淋洗体积时，下式成立：当样品与标样有相同的淋洗体积时，下式成立：式中下标式中下标1 1为标样参数，
16、为标样参数，2 2为样品参数。为样品参数。将将Mark-Houwink方程方程(=KM)代入，即得到：代入，即得到：从而得出：从而得出：2211MM21122111MKMK2121212lg11lg11lgKKMMGPC分离机理分离机理GPC标样配制标样配制由于凝胶色谱中浓度检测通常使用示差折光检测器，其由于凝胶色谱中浓度检测通常使用示差折光检测器，其灵敏度不太高，所以试样的浓度不能配置得太稀。但另灵敏度不太高，所以试样的浓度不能配置得太稀。但另一方面色谱柱的负荷量是有限的，浓度太大易发生一方面色谱柱的负荷量是有限的，浓度太大易发生“超超载载”现象。现象。一般情况下，进样浓度按分子质量大小的不
17、同在一般情况下，进样浓度按分子质量大小的不同在0.050.050.5%0.5%（质量分数）（质量分数）范围内配置。分子质量越大，溶液浓范围内配置。分子质量越大，溶液浓度越低。度越低。标样配制应该严格按照标样说明书进行。通常室温静置标样配制应该严格按照标样说明书进行。通常室温静置1212小时以上，然后轻轻混匀。绝对不能超声或者剧烈振小时以上，然后轻轻混匀。绝对不能超声或者剧烈振荡来加速溶解。荡来加速溶解。溶液进样前应先经过溶液进样前应先经过过滤过滤，以防止固体颗粒进入色谱柱，以防止固体颗粒进入色谱柱内，引起柱内堵塞，损坏色谱柱。内，引起柱内堵塞，损坏色谱柱。GPC分离机理分离机理GPC标样配制标
18、样配制分子量范围分子量范围 样品浓度样品浓度低于低于5,000 1.0%5,00025,000 0.5%25,000200,000 0.25%200,0002,000,000 0.1%高于高于2,000,000 0.05%GPC分离机理分离机理 GPC分析分析 主要药品与仪器主要药品与仪器 THF THF（流动相）（流动相）1000 ml 1000 ml 聚合物样品聚合物样品 （如（如PSPS）10 mg 10 mg 样品瓶样品瓶 注射器（注射器（1ml1ml）流动相脱气系统流动相脱气系统 样品过滤头样品过滤头 GPC分析分析 （1）THF（流动相）（流动相）的脱气的脱气 THF过滤、真空脱气
19、后，加入到流动相瓶中。过滤、真空脱气后，加入到流动相瓶中。（2 2）样品配制样品配制 将将10mg聚合物样品溶于聚合物样品溶于1ml THF中，过滤后置于样品瓶中中，过滤后置于样品瓶中。（3 3）用进样器取）用进样器取20m，从从GPC仪的进样口注入。仪的进样口注入。（4 4）在电脑数据系统的窗口上观察）在电脑数据系统的窗口上观察GPC曲线，处理数据。曲线，处理数据。实验步骤实验步骤 GPC分析分析 色谱柱：色谱柱：Shodex GPC KF-804,802,801三根串联三根串联 保护柱：保护柱：Shodex GPC KF-G 流动相：流动相：THF 流流 速：速：1.0ml/min 柱柱
20、温：温：50 进样量：进样量：50ul 检测器：示差折光检测器检测器：示差折光检测器RID-10A 标准品：标准品：PS(8(8个不同分子量标样个不同分子量标样)GPC分析一例分析一例 GPC分析分析 GPC分析一例分析一例 分子量校准曲线所用的标准品为分子量校准曲线所用的标准品为PSPS，有，有8 8种不同分子种不同分子量的标品。将它们按下表分为量的标品。将它们按下表分为4 4组，每组含组，每组含2 2种标品，种标品，各称约各称约4mg4mg左右，然后用左右，然后用20ml20ml流动相溶解，配成流动相溶解，配成4 4个标个标样。样。PS Standard分子量分子量称量值称量值(mg)ST
21、D_15600004.2206504.1STD_21560004.0116004.0STD_3660004.270004.1STD_4285004.029504.2 GPC分析分析 GPC图谱图谱15.016.017.018.019.020.021.022.0min0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.07.5mV4(#1)3(#1)2(#1)1(#1)四种颜色分别表示四个标样的图谱四种颜色分别表示四个标样的图谱 GPC分析分析 分子量标准曲线分子量标准曲线16.017.018.019.020.021.0min3.503.754.004.254.50
22、4.755.005.255.505.75log(M.W.)12345678 GPC分析分析 样品分析结果样品分析结果0.05.010.015.020.025.030.0min-1.00.01.0mV(x10)Detector B 17.723MnMwMzMz1Mw/MnMz/Mw43679731781013771251211.675341.38536 GPC分析分析 结果评价示例结果评价示例PS1PS1和和PS2PS2为同一操作人员测定同一样品的两次测定结果为同一操作人员测定同一样品的两次测定结果PS3PS3为另一实验室对同一样品测得的结果为另一实验室对同一样品测得的结果高分子与低分子同时测定
23、高分子与低分子同时测定由于小分子和高分子的流体力学体积相差较大，因而由于小分子和高分子的流体力学体积相差较大，因而GPC可可以同时分析而不必进行预先分离，一般来说从高分子材料的以同时分析而不必进行预先分离，一般来说从高分子材料的GPC可以同时看到三个区域：可以同时看到三个区域：A:A:高分子高分子 B:B:添加剂和齐聚物添加剂和齐聚物 C C：未反应的单体和低分子的：未反应的单体和低分子的污染物如水。污染物如水。GPC应用应用GPC应用应用 在高分子材料生产过程中的检测在高分子材料生产过程中的检测丁苯橡胶在塑炼时分子量分布的丁苯橡胶在塑炼时分子量分布的变化变化在塑炼过程中定时取样分析，结在塑炼过程中定时取样分析，结果如图，随时间的增加，高分子果如图，随时间的增加，高分子量组分裂解增加，量组分裂解增加，GPCGPC曲线向低曲线向低分子量方向移动，经过分子量方向移动，经过25min25min以以后，高分子量组分几乎完全消失。后，高分子量组分几乎完全消失。如果塑炼的目的就是消除该组分，如果塑炼的目的就是消除该组分，那么那么25min25min足够了。通过足够了。通过GPCGPC数据数据可以帮助工作人员确定塑炼时间。可以帮助工作人员确定塑炼时间。
