色谱法分析技术

化学法
端基分析法 冰点降低法
热力学法
沸点升高法 气相渗透法 膜渗透法
光学法 动力学法 色谱法
光散射法 超速离心沉降平衡法
粘度法
1×104～1×107
粘均 M
各种平均
相对
相对
凝胶渗透色谱法（GPC） 1×103～1×107
二、 凝胶渗透色谱的基本原理
1. 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 (Size Exclusion Chromatography)]是三十年前才发展起来的一种新型液相色谱， 是色谱中较新的分离技术之一。利用多孔性物质按分子体积大小进行分离，在六十 年前就已有报道。 首先，McBain用人造沸石成功地分离了气体和低分子量的有机化合物；1953年， Wheaton和Bauman用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质。 1959年Porath和Flodin用交联的缩聚葡糖制成凝胶来分离水溶液中不同分子量 的样品。 而对于有机溶剂体系的凝胶渗透色谱来说，首先需要解决的是制备出适用于有 机溶剂的凝胶。二十世纪60年代J.C.Moore在总结了前人经验的基础上，结合大网状 结构离子交换树脂制备的经验，将高交联度聚苯乙烯凝胶用作柱填料，同时配以连 续式高灵敏度的示差折光仪，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。
※常用柱塞泵示意 图
2. 色谱柱
色谱柱是凝胶色谱的分离基础，它的主要部件是一支内部装有固定相的不锈钢柱 管，一般多采用内径为7～8mm，长为300～500mm的不锈钢柱管，它应具有耐压、 耐温、耐腐蚀等性能。 凝胶色谱柱的固定相种类很多，可分为有机和无机的，或者亲水性和亲油性的，
出于各类凝胶色谱固定相的性能适用范围不同，需要根据样品的特点进行选择。
测定高分子分子量方法概述
类 型 方 法 适用范围
3×104以下 5×103以下 3×104以下 3×104以下 2×104～1×106 1×104～1×107 1×104～1×106
分子量意义
数均 Mn 数均 Mn 数均 Mn Mn 数均 Mn 数均 重均 M w
M w，Mz
类型
绝对 相对 相对 相对 绝对 相对 相对
性能间关系的研究，同时，GPC已成为分离分析科学家族中不可缺少的
一名成员。
三．凝胶渗ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ色谱仪的结构
简单地说，凝胶渗透 色谱仪由以下四部分 构成：1.输液系统
（包括溶液储存器、
输液泵。进样器等）， 2.色谱柱系统（包括 柱温控制箱），3.检 测器（RI、UV等）， 4.数据收集及数据处 理系统（包括模数转
高分子分子量分布的表示方法
高分子的分子量分布是指样品中各种分子量组分在总量中所占的各自的分量，它可以用 一条分布曲线或一个分布函数来表示。 分子量分布曲线有两种形式： 1.用重量分数W对分子量作图的曲线叫做微分分布曲线； 2.用累积重量分数（或摩尔分数）对分子量作图的曲线叫做积分重量分布曲线。 分子量的分布宽度指数：重均数均比，即：Mw/Mn。 目前实验上能够合成的"单分散"样品、一般多分散样品、分子量分布比较宽的样品的 Mw/Mn值如表所示。
换器、计算机、打印
机/绘图仪等）。
1. 泵系统 包括一个溶液储存器、一套脱气装置和一个高压泵。它的工作是将流动 相经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 被流动相充满。当欲分离样品从进样器进入时，流经进样器的流动相将 其带入色谱柱中进行分离，分离后的不同组分依先后顺序进入检测器， 记录仪将进入检测器的信号记录下来，得到液相色谱图。 输液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。越是精密的仪器，要求泵的工作状态越稳定。要求流量的误差 应该低于0.01ml/min. 溶剂的选择： 能溶解多种聚合 物、不能腐蚀仪 器部件、与检测 器相匹配
件下的参数K1、α1及K2、α2值，就可由第一种高分子（标准样品）的logMVe标定线，应用上式直接求出第二种高分子（被测样品）的logM-Ve标定线。 目前，人们普遍采用市售的单分散聚苯乙烯（PS）标样来作为第一种高聚物， 然后查取（或采用其它的实验方法测得）聚苯乙烯标样及被测样品在测定条件下 的K值（K1、K2）和α值（α1、α2），经过上述转换便可求出被测样品的分子量。 目前由于计算机的引进，上述转换可在测定样品的同时由GPC软件实行自动转换。
Kd = 1, Ve = V0＋Vi 样品分子全部进入凝胶孔洞，完全被分离；
0 < Kd < 1, V0 < Ve < V0＋Vi 样品分子选择性渗透, 样品组分按它们的分子大 小被分离。出峰顺序为从大到小,均在溶剂峰之前流出柱子。 分离原理：当仪器和实验条件确定后，溶质的淋出体积与其分子量有关， 分子量愈大，其淋出体积愈小。
普适校正法
这种方法是用流体力学体积[η]·M作为通用校正参数，也被称作普适校正 法。不同高聚物在同样实验条件下进行凝胶色谱的实验，若淋洗体积Ve相同， 则这两个高聚物的流体力学体积相等。即： [η]1· M1=[η]2· M2 k1M1α1+1=k1M2α2+1 两边取对数：logk1+(α1+1)logM1=logk2+(α2+1)logM2 上式中K1、K2、α1、α2在固定条件下是常数，只要知道两种高聚物在该条
第七章 色谱法在高分子结构表征中的应用
主讲人 邹其超
第一节 凝胶渗透色谱(GPC)的基本原理及应用
一、高分子分子量的回顾
高聚物分子量的统计意义
分子量、分子量分布是高分子材料最基本的结构参数之一
高分子材料的许多性能与分子量、分子量分布有关：优良性能（抗 张、冲击、高弹性）是分子量大带来的，但分子量太大则影响加工性能 （流变性能、溶液性能、加工性能）通过分子量、分子量分布可研究机 理（聚合反应、老化裂解、结构与性能）所以既要考虑使用性能，又要 考虑加工性能，我们必须对分子量、分子量分布予以控制。
1. 凝胶渗透色谱的分离机理
目前关于凝胶渗透色谱的分离机理存在着以下几种基本理论：
1.体积排斥理论；2.有限扩散理论；3.流动分离理论。
除上述理论外，尚有分子热力学理论和二次排斥理论等。
由于应用体积排斥理论解释凝胶渗透色谱中的各种分离现象与事 实比较一致，因此体积排斥理论已为人们普遍采用。即：它的分离基 础主要依据溶液中分子体积（流体力学体积）的大小来进行分离。
4. 凝胶渗透色谱中几种常用平均分子量的定义
一般情况下，多分散样品的平均分子量有以下次序：
图为高聚物四种平均分子量在GPC谱图中的示意图。 大量的数据证明，任何材料的宏观性能都与其微观结构有着密切的 联系。高聚物的分子量及其分子量分布是高聚物结构中两个重要的参数。 凝胶渗透色谱技术的发展，大大推动了高聚物分子量、分子量分布与其
流动分离理论
溶液中不同分子量的高分子在细管流速场分布的影响下，高分 子量物质集中在细管中心，小分子量物质集中在管壁。由于流速不同， 大分子比小分子跑得快，首先从色谱柱流出，小分子量最后从色谱柱
中流出，于是随着流动的进行高分子得到了分离。
2.凝胶渗透色谱的分离原理：
色谱柱体积： Vt = V0 + VS + Vi 式中Vi为凝胶的孔洞体积，VS为凝胶的骨架体积，V0为凝胶的粒间体积 如果定义溶质高分子能进入凝胶孔洞的体积Vi’ 与凝胶孔洞体积Vi的比值为 分配系数Kd，则：Kd=Vi’/Vi（＜1） 令试样的淋出体积为Ve（自试样进柱到被淋洗出来，所接受到的淋出液总 体积），则：Ve=V0+Vi’ 故：Ve = V0＋KdVi Kd = 0, Ve = V0 样品分子完全不能进入凝胶孔洞，不能被分离；
有限扩散理论
在色谱拄中，不同分子量的高分子就要向凝胶的孔洞扩散。
该理论认为，小分子扩散速度要比大分子快，它进入的凝胶孔也
多，深度也深，因此小分子在凝胶孔洞中停留时间就长。溶液中
的大分子，它的扩散速度要受一定限制，即所谓有限扩散观象。
大分子进入凝胶的孔洞少，深度浅，在孔洞中停留时间就短，较 快地从色谱拄中被淋洗出来。中等分子量的高分子．它的扩散的 速度介于大分子和小分子之间。这样高聚物样品就按分子量的不 同而被分离。
高分子分子量的多分散性（Polydispersity）
高分子分子量的特点: ①分子量在103-107之间 ②分子量不均一，具有多分散性
高分子具有相同的化学组成，是由聚合度不等的同
系物的混合物组成，所以高聚物的分子量只有统计的意 义。 用实验方法测定的分子量只是统计平均值，若要确 切描述高分子分子量，除了给出统计平均值外，还应给 出试样的分子量分布。
单分散标样制定标定线
所谓单分散标准样品是指高聚物的Mw/Mn值在1.05~1.10以内。此方
法类似于其它化学分析上的工作曲线法。它的前提是能够获得一系列 （不同分子量）被测样品的单分散标样，用这些单分散标样来制得logMVe标定线；然后，以此来测定样品。图所示为单分散标样的校正线绘制 过程示意图。
3.凝胶渗透色谱的校正原理
用已知相对分子质量的单分散标准聚合物预先做一条淋洗体积
或淋洗时间和相对分子质量对应关系曲线，该线称为“校正曲线”。
聚合物中几乎找不到单分散的标准样，一般用窄分布的试样代替。 在相同的测试条件下，做一系列的GPC标准谱图，对应不同相对分 子质量样品的保留时间，以lgM对t作图，所得曲线即为“校正曲 线”。通过校正曲线，就能从GPC谱图上计算各种所需相对分子质 量与相对分子质量分布的信息。
扩散。显然，尺寸大的高聚物分子，由于只能扩散到尺寸大的孔洞中，在 色谱柱中保留的时间就短；而尺寸小的高聚物分子，几乎能够扩散到填料 的所有的孔洞中，向孔内扩散的较深，在色谱柱中保留的时间就长。因此 ，不同分子量的高聚物分子就按分子量从大到小的次序随着淋洗液的流出 而得到分离。图1是高聚物分子和固定相颗粒间相互作用的示意图。图2是 不同尺寸的高聚物分子分离过程的示意图。
i
当 1 时， M [Wi M i ] 当 1 时，
i
1

Mw
1 M Wi i Mi
W
i
i
Wi i Mi
N M N
i i i i
i
Mn
几种分子量统计平均值之间的关系
M n M M w M z
• 对单分散试样有：M n M M w M z
i
（i聚体的重量分数）
i
3.Ｚ均分子量（按Ｚ量统计平均）定义 为： Z i M i Wi M i2 用加和性表示 M i i
z
Wi N i M i
Zi
i
Wi M i
i
Z i Wi M i N i M i2
（i聚体的重量＝i聚体的分子数× i聚体的分子量）
4. 粘均分子量（用溶液粘度法测得的平均分子量为粘均分子量） 1 定义为： M [Wi M i ] α 为参数，通常在0.5～1之间
高聚物 单分散样品
一般多分散样品 分布比较宽的样品
样品举例 聚苯乙烯标样
聚氯乙烯，聚碳酸酯 聚乙烯，聚丙烯
Mw/Mn 1.02~1.10
1.5~3.0 20~30或更高
测定高聚物分子量的方法 ⑴ 因高聚物分子量大小以及结构的不同所采用的测 量方法将不同 ⑵ 不同方法所得到的平均分子量的统计意义及适应 的分子量范围也不同 ⑶ 由于高分子溶液的复杂性，加之方法本身准确度 的限制，使测得的平均分子量常常只有数量级的准确 度。
体积排斥理论
凝胶渗透色谱的分离过程是在装有多孔物质为填料的色谱柱中进行的，一 个填料的颗料含有许多不同尺寸的小孔（这些小孔具有一定的分布），这 些小孔对于溶剂分子来说是很大的，它们可以自由地扩散出入。由于高聚 物在溶液中以无规线团的形式存在，且高分子线团也具有一定的尺寸，当
填料上的孔洞尺寸与高分子线团的尺寸相当时，高分子线团就向孔洞内部
常用的几种统计平均分子量
1.数均分子量（按分子数的统计平均）定义为 用加和表示：
Ni N i Ni Ni N
i
（i聚体的数量分数）
2.重均分子量（按重量的统计平均）定义为 用加和表示： Wi M i Wi Wi Wi Mw i Wi M i Wi W i Wi