凝胶渗透色谱仪及其使用

凝胶渗透色谱也称为体积排除色谱或尺寸排除色谱，是液相色谱的一个分支，是高聚物表征的重要方法之一。

1 基本概念

1.1高聚物的平均分子量

合成聚合物都是以单体为原料经过聚合反应而制得的，每个聚合物分子都是由数目很大的单体分子加成或缩合而成，所以合成聚合物的分子量比单体要大百倍、千倍甚至上万倍，而且生成的聚合物的分子量是不均一的，也就是说每个聚合物分子可以由不同数目的单体分子聚合而成，所以各聚合物的分子量是不相等的，这种现象叫做聚合物的分子量的不均一性或多分散性。对这样一个多分散的体系来说，我们要表征它的分子量就需要用统计的方法，求出试样分子量的平均值和分子量分布。由于应用统计方法的不同，即使对同一个试样，也可以有许多不同种类的平均分子量，几种最常用的平均分子量为：Mn（数均分子量）；Mw（重均分子量）；Mz（Z均分子量）；Mz+1（Z+1均分子量）；Mp（峰位分子量）；Mη（粘均分子量）。一般情况下，多分散样品的平均分子量有以下次序：Mz＞Mw＞Mη＞Mn。

2 凝胶渗透色谱

2.1凝胶渗透色谱（GPC）的意义

高聚物的分子量及其分布是高聚物最基本的参数之一。高聚物的许多性质，例如冲击强度、模量、拉伸强度、耐热、耐腐蚀性都与高聚物的分子量和分子量分布有关。在相对分子质量分布（多分散性指数）成为人们关注的热点后，由于经典方法在测定聚合物的相对分子量时不能同时测定聚合物的相对分子质量分布而GPC改善了测试条件，可以同时测定聚合物的相对分子质量及其分布情况，故1964年GPC出现后获得了飞速的发展和广泛的应用。

2.2分离原理

GPC/SEC的分离机理比较复杂，目前有体积排除理论、扩散理论和构象熵理论等几种解释，其中最有影响力的是体积排除理论。GPC/SEC的固定相是表面和内部有着各种各样、大小不同的孔洞和通道的微球，可由交联度很高的聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、葡萄糖和琼脂糖的凝胶以及多孔硅胶、多孔玻璃等来制备。当被分析的聚合物试样随着溶剂引入柱子后，由于浓度的差别，所用溶质分子都力图向填料内部孔洞渗透。较小的分子除了能进入较大的孔外，还能进入较小的孔；较大的分子就只能进入较大的孔；而比最大的孔还要大的分子就只能停留在填料颗粒之间的空隙中。随着溶剂洗提过程的进行，经过多次渗透-扩散平衡，最大的聚合物分子从载体的粒间首先流出，依次流出的是尺寸较小的分子，最小的分子最后被洗提出来，从而达到依高分子体积进行分离的目的，得出高分子尺寸大小随保留时间（或保留体积V_R、淋出体积V_e）变化的曲线，即分子量分布的色谱图。高分子在溶液中的体积决定于相对分子量、高分子链的柔顺性、支化、溶剂和温度，当高分子链的结构、溶剂和温度确定后，高分子的体积主要依赖于相对分子量。基于上述理论，GPC/SEC的每根色谱柱都是有极限的，即：排阻极限和渗透极限。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内部，直接从凝胶颗粒外流出，不但达不到分离的目的还有堵塞凝胶孔的可能；渗透极限是指能够完全进入凝胶颗粒孔穴内部的最大分子的分子量，如果两种分子都能全部进入凝胶颗粒孔穴内部，即使它们的大小有差别，也不会有好的分离效果。所以，在使用GPC/SEC测定相对分子量时，必须首先选择好与聚合物相对分子量范围相配的色谱柱。对一般色谱分辨率和分离效率的评定指标，在凝胶渗透色谱中也被沿用。

2.3GPC柱的填料

GPC是以有机溶剂（氯仿，THF,DMF)等为流动相，与之相匹配的填料是疏水性的，其分离对象一般是油溶性的高分子物质，填料的粒度及粒度分布、孔径或孔径分布以及孔容是基本参数。根据凝胶的材料来源可以把它们分为有机和无机凝胶两大类。

2.3.1有机凝胶

交联聚苯乙烯是一种应用很广的有机凝胶，它是苯乙烯和二乙烯苯的共聚物，一般以悬浮聚合或分散聚合方式制成苯乙烯-乙烯基苯多孔微球，以致孔剂制出所需孔径和孔容。这类凝胶的特点是孔径分布比较宽，分子量分离范围比较大，且柱效高。主要用于非极性有机溶剂，丙酮、乙醇一类极性溶剂不能应用。在有机溶剂中，有机凝胶通常都处于溶胀状态对不同的溶剂溶胀因子各不相同，因此不能在柱中直接更换溶剂，进样时也不能带进大量不良溶剂和空气。

2.3.2无机凝胶

在无机基质材料中最重要最基本的是硅胶，多孔硅胶的特点是化学惰性、热稳定性和机械强度好，使用寿命长，可在柱中直接更换溶剂。以硅胶为基质的无机凝胶的最大问题是其表面残余硅羟基所导致的“二级效应”，它会使GPC谱图复杂化。为解决这一问题，通常通过与小分子硅烷化试剂的作用，尽可能地将表面残余的硅羟基加以覆盖。由于多孔硅胶的机械强度很高，因此在交联聚苯乙烯凝胶之后，细粒度的多孔硅胶已经发展成为一种很好的高速、高效凝胶色谱填料。

多孔玻璃是一类和多孔硅胶很相似的无机凝胶，它是碱性硼硅酸盐玻璃经高温分相，再用酸洗去碱性可溶相的产物。它的优点是可以做到孔径分布很窄，对某一分子量范围的分离特别有效，选择性强；孔性结构好有利于试样分子的传质过程。缺点是质脆易碎，柱子装填不紧，柱效低。

2.4流动相

做GPC检测时首先要考虑被测样品的溶解情况，以此确定流动相，还要考虑柱子的测试范围，应使被测物分子量落在柱子的分子量-淋出曲线线性部分之内，若柱子范围太窄则可考虑将不同规格的柱子串联使用。对于适用于GPC仪器的每一根柱子都会配有详细的使用说明，使用之前应认真阅读，严格遵从，特别值得注意的是严禁超压（超流量），否则会降低柱效、损毁柱子。

3 其它应用

3.1在药物、化工原料等质量检测中的应用

药物通常由不同尺寸的组分构成。从理论上讲，对于一个给定品牌的药物，在一定色谱条件下，其GPC谱图犹如人的指纹一样具有特征性。通过比较两个样品GPC谱图的异同，可确定它们是否属同一品牌。同样道理GPC可用于化工原料的质量检测，此时无需计算出原料的相对分子量及分子量分布，直接由合格品与新进原料的GPC色谱图对比即可准确判断，此法简单、方便，对于控制终端产品的质量稳定性具有重要意义。

3.2在农药残留分析前处理中的应用

农药残留分析是对复杂基质中的痕量组分进行分析，其过程主要包括样品前处理和测定两部分。样品前处理过程的难点是要将多种农药痕量组分同时提取，并有效地去除杂质，同时又要保持较高的回收率，并且直接关系到农药残留分析的准确度和灵敏度。GPC由于其自身的特点在农药残留分析前处理中起到了重要的作用，能把农药残留物从各种复杂基质中分离出来。GPC技术作为一种样品前处理的手段，在国外应用已较普通，这方面的研究报道也很多。

总之，GPC在用于测定高聚物分子量及其分子量分布的情况时要注意选择合适的数据处理方法，GPC还可用于农药残留分析的前处理、药物、化工料料等方面的质量检测，用户应根据实际情况合理使用GPC。

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