凝胶渗透色谱的技术进展及其在高聚物中的应用

　　部分 凝胶渗透色谱法概要

　　凝胶渗透色谱的技术进展及其在高聚物中的应用

　　部分 凝胶渗透色谱法概要

　　一、 凝胶渗透色谱法产生的背景

　　凝胶渗透色谱[GPC（Gel Permeation Chromatography）][也称作体积排斥色谱(Size Exclusion Chromatography)]是上世纪60年代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。简而言之就是利用高聚物在凝胶色谱柱上所表现的分子量依赖性，对高聚物分级、测定高聚物统计平均分子量及分布的技术。GPC技术的产生、发展是随高聚物在社会经济发展中的广泛应用而推动发展起来的。

　　1.高聚物的分子量特性

　　高聚物除有限的几种天然蛋白质具有单一的分子量，其余的无论是天然的，还是合成的，都是由不同分子量的同系物构成的。这就决定了无论是像聚烯烃这样的高聚物，还是其他的高聚物必然是分子量不均的混合物，只能用统计平均分子量加以描叙。同时由于组成高聚物的各个分子的分子量的不均一性，它们的分子量必将在一定的范围分布（即分子量分布）。这就是高聚物分子量的多分散特性。

　　正是高聚物所具有的分子量的多分散特性，使得高聚物具有不同于别的材料的加工和使用性能。

　　2.测定高聚物分子量及分布的重要意义

　　高聚物的分子量对其力学性能有显著的影响，同时高聚物的物理、机械性能不仅与平均分子量有密切的关联，还受分子量分布的影响，分子量分布是表征高聚物分子链长短的重要参数。在加工中，高聚物的熔融体粘度强烈依赖高聚物的分质量分布。所以研究开发高聚物材料必须测定高聚物的分子量及其分布。

　　3.早期高聚物的平均分子量及分布的测定

　　早期人们通常利用高聚物的某一特性测定平均分子量，如粘度法、端基滴定法、超速离心法、光散射法，或利用溶液的依数性来测试分子量等。而分布的测定一般采取沉淀分级或离心分级的方法来测定。这些工作，要不只能测定单一的分子量，要不工作烦琐，且沉淀分级法由于受限，结果误差很大。

　　4. 凝胶渗透色谱的优点

　　? 实验所需时间可以预先知道

　　? 整个淋洗均用单一淋洗剂，不使用梯度淋洗

　　? 试样在柱中稀释少，因而容易检测

　　? 试样能溶解就能测定，减少了用于试验实验条件的时间

　　? 组分的保留时间提供它们的分子尺寸信息

　　二、 凝胶渗透色谱发展的简单回顾

　　上世纪60年代随着液相色谱技术的不断成熟和广泛应用，人们在用凝胶色谱分离高分子化合物时发现了高分子化合物随凝胶孔径大小分布的分子量依赖性，从而建立一种新的测试高聚物的分子量及分布的液相色谱技术，称之为体积排除色谱；常常根据测试的对象不同，使用的溶剂为有机的称为凝胶渗透色谱（GPC）；溶剂为水的称为凝胶过滤色谱（GFC）。此种技术可以将高聚物按分子量连续分级测定，从而测得高聚物各个统计平均分子量和分布。

　　利用多孔性物质按分子体积大小进行分离，在很早就已经有这方面的报道。Mc Bain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。

　　三、凝胶渗透色谱的应用

　　三十多年来，凝胶渗透色谱的理论、实验技术和仪器的性能等方面有了突飞猛进的发展。尤其是随着新型柱填料的诞生、高效填充柱的出现(目前其理论塔板数已超过10000/米)以及计算机的普及，凝胶渗透色谱在工业、农业、医药、卫生、国防、宇航以及日常生活的各个领域得到了广泛的应用。特别是近年来，随着各种高分子材料的问世，人们对高分子科学的不断探索，高聚物的分子量及其分布的测定显得尤为重要，成为科研和生产中的测试项目之一。例如：常见的聚苯乙烯塑料制品，其分子量为十几万，如果聚苯乙烯的分子量低至几千，就不能成型；相反，当分子量大到几百万，甚至几千万，它又难以加工，失去了实用意义。科研和生产上通过控制高聚物的分子量及其分布宽度指数D(D=Mw/Mn)、分子量微分分布曲线、分子量积分分布曲线来生产出性能

　　的高聚物产品。

　　另外，除了快速测定分子量及其分布以外，凝胶渗透色谱还广泛用于研究高聚物的支化度，共聚物的组成分布及高聚物中微量添加剂的分析等方面。如果配以在线的分子量检测器（如：LALLS、Multi-Angle LS、Dual-Angle LS等），凝胶渗透色谱可以测定高聚物的分子量。凝胶渗透色谱作为一门新兴的科学，随着各种新型检测器的出现（如UV、FT-IR、LS、Viscometer等），它的应用范围也逐步从生物化学、高分子化学、无机化学等向其它领域渗透，成为化学领域内的分析手段。

　　四、凝胶渗透色谱的基本概念

　　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.立体排斥理论；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。由于应用立体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，因此立体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。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是不同尺寸的高聚物分子分离过程。

　　图1 高聚物分子分离过程

　　2. 凝胶渗透色谱仪

　　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、。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（包括模数转换器、计算机、打印机/绘图仪等）。其流程图如图2示。实验上，在色谱柱后面配以（通用型/选择型）浓度监测器，便可以记录出高聚物的GPC图，如图3示。

　　图2 凝胶渗透色谱仪

　　图3 高聚物的GPC原始谱图

　　3．高聚物的几种平均分子量

　　高聚物GPC计算结果一般可以给出以下四种几种平均分子量。

　　其中Ni：分子量为Mi的分子的个数；Wi：分子量为Mi的组分的重量；

　　α：特性粘度－分子量方程中的常数

　　Mz＞ Mw ＞ M η＞ Mn

　　图4 高聚物平均分子量在GPC谱图中的示意图

　　4．高聚物的分子量分布

　　高聚物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)用累积重量分布对分子量作图的曲线叫积分分布曲线

　　 样品分子量分布宽度的比较，最直接的方法是将实验所得到的分子量分布曲线作对比。还有一种更一般化且的定量方法就是重均数均比，即：Mw/Mn。

　　图4 微分分布曲线和积分分布曲线的示意图

　　大量的实验数据证明，高聚物材料的宏观性能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、分子量分布与其性能间关系的研究。