凝胶渗透色谱法有机分离分析马志讲稿.ppt

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1、凝胶渗透色凝胶渗透色谱法有机分离分析法有机分离分析马志志第一页，讲稿共二十八页哦一、引言二、凝胶渗透色谱法的基本原理三、凝胶色谱仪四、载体和色谱柱五、GPC在测定聚合物分子量及其分布中的应用六、GPC的特殊应用举例七、结语八、参考文献主要内容第二页，讲稿共二十八页哦一、引言 凝胶色凝胶色谱法是一种新型的液体色法是一种新型的液体色谱 (GelPermeationChromatography 简称 GPC)别名：体名：体积排除色排除色谱(SizeExclusionChromatography简称称SEC)凝胶凝胶过滤色色谱(GelFiltrationChromatography简称称GFC)等等。

2、从分离机理看，使用体从分离机理看，使用体积排除色排除色谱(SEC)较为确切。确切。1964年由年由J.C.Moore首先研究成功首先研究成功 (J.Polym.Sci.,Part A:Polym.Chem.1964,2(2):835843)在在总结前人前人经验的基的基础上，上，结合大网状合大网状结构离子交构离子交换树脂制脂制备的的经验，将高交，将高交联度聚苯乙度聚苯乙烯凝胶用作柱填料，同凝胶用作柱填料，同时配以配以连续式高灵敏式高灵敏度的示差折光度的示差折光仪，制成了快速且自，制成了快速且自动化的高聚物分子量及分子量分布化的高聚物分子量及分子量分布的的测定定仪，从而，从而创立了液相色立了液相色

3、谱中的凝胶渗透色中的凝胶渗透色谱技技术。第三页，讲稿共二十八页哦一、引言主要特点主要特点 操作操作简便快捷、便快捷、进样量小、量小、数据可靠且重数据可靠且重现性好、自性好、自动化程度高等。化程度高等。应用用领域域应用于聚合物分子量及其分布、聚合物的支化度、共聚用于聚合物分子量及其分布、聚合物的支化度、共聚物及共混物的物及共混物的组成、聚合物分成、聚合物分级及其及其结构分析、高聚物中微构分析、高聚物中微量添加量添加剂的分析等。如果配以在的分析等。如果配以在线的的绝对分子量分子量检测器（如：器（如：LALLS、Multi-AngleLS、Dual-AngleLS等），凝胶渗透等），凝胶渗透色色谱可

4、以可以测定高聚物的定高聚物的绝对分子量。分子量。第四页，讲稿共二十八页哦二、凝胶渗透色谱法的基本原理当被分析的当被分析的试样随着淋洗溶随着淋洗溶剂引入柱子后，溶引入柱子后，溶质分子即向填料内部孔洞分子即向填料内部孔洞扩散。散。较小的分子除了能小的分子除了能进入大的孔外，入大的孔外，还能能进入入较小的孔；小的孔；较大分子大分子则只能只能进入入较大的孔；而比最大的孔大的孔；而比最大的孔还要大的分子就只能留在填料要大的分子就只能留在填料颗粒之粒之间的空隙中。因此，随着溶的空隙中。因此，随着溶剂的淋洗，大小不同的分子就得到分离，的淋洗，大小不同的分子就得到分离，较大的大的分子先被淋洗出来，分子先被淋洗

5、出来，较小的分子小的分子较晚被淋洗出来。晚被淋洗出来。第五页，讲稿共二十八页哦二、凝胶渗透色谱法的基本原理VtV0ViVgVt:色色谱柱柱总体体积V0:载体的粒体的粒间体体积Vi:载体内部的空洞体体内部的空洞体积Vg:载体的骨架体体的骨架体积体积排除机理溶溶剂分子：分子：V0中的溶中的溶剂称称为流流动相；相；Vi中的溶中的溶剂称称为固定相固定相高分子：高分子：1)体体积比孔洞尺寸大，淋出体比孔洞尺寸大，淋出体积即即为V0;2)体体积远小于所有孔洞体小于所有孔洞体积，淋出体，淋出体积即即为V0+Vi;3)体体积中等，淋出体中等，淋出体积则大于大于V0，小于，小于V0+Vi.第六页，讲稿共二十八页

6、哦二、凝胶渗透色谱法的基本原理Ve:溶溶质的淋出体的淋出体积；K:分配系数分配系数(孔体孔体积Vi中可以被溶中可以被溶质分子分子进入的部分与入的部分与Vi之比之比)特特别大的溶大的溶质分子：分子：VeV0，K0；特特别小的溶小的溶质分子：分子：VeV0Vi，K1中等大小的溶中等大小的溶质分子：分子：V0 VeV0+Vi，0K 1VeV0KViK=Ve-ViVi溶溶质分子的体分子的体积越小，其淋出体越小，其淋出体积越大。越大。这种解种解释不考不考虑溶溶质与与载体之体之间的吸附效的吸附效应以及在流以及在流动相和固定相之相和固定相之间的分配效的分配效应，其淋出体，其淋出体积仅仅由溶由溶质分子尺寸和分

7、子尺寸和载体的孔尺寸决定，分离完全体的孔尺寸决定，分离完全时由于体由于体积排除效排除效应所至，故称所至，故称为体体积排除机理排除机理。第七页，讲稿共二十八页哦三、凝胶渗透色谱仪 GPC仪器主要由器主要由输液系液系统（柱塞（柱塞泵）、）、进样器器、色色谱柱柱、检测系系统（示差折光（示差折光检测器、多波器、多波长UV、FTIR等）及等）及数据采集与数据采集与处理系理系统。第八页，讲稿共二十八页哦三、凝胶渗透色谱仪Waters 1515型凝胶渗透色谱仪第九页，讲稿共二十八页哦四、载体和色谱柱GPC仪器器对载体的要求：体的要求：1.良好的化学良好的化学稳定性和定性和热稳定性；定性；2.有一定的机械有一

8、定的机械强度度3.不易不易变形形;4.流流动阻力小阻力小5.对试样没有吸附作用没有吸附作用6.分离范分离范围越大越好（取决于孔径分布越大越好（取决于孔径分布)等等7.载体的粒度愈小，愈均匀，堆体的粒度愈小，愈均匀，堆积的愈的愈紧密，色密，色谱柱分离效率愈高。柱分离效率愈高。载体是体是GPC产生分离作用的关生分离作用的关键GPC载体的种体的种类：1.交交联聚苯乙聚苯乙烯凝胶凝胶2.多孔性玻璃多孔性玻璃3.半硬半硬质及及软质填料包括聚乙酸乙填料包括聚乙酸乙烯酯凝胶及聚丙凝胶及聚丙烯酰胺凝胶胺凝胶4.木木质素凝胶等素凝胶等第十页，讲稿共二十八页哦四、载体和色谱柱柱效率柱效率N：色色谱柱的效率可借用柱

9、的效率可借用“理理论塔板数塔板数”N进行描述。行描述。测定定N的方法：用一种相的方法：用一种相对分子量均一的分子量均一的纯物物质，如，如邻二二氯苯、苯甲醇、乙苯、苯甲醇、乙腈、苯等，、苯等，作作GPC测定，得到色定，得到色谱峰，从峰，从图上可以求得从上可以求得从样品加入到出品加入到出现峰峰顶位置的淋洗体位置的淋洗体积VR，以，以及由峰的两及由峰的两侧曲曲线拐点出作出切拐点出作出切线与基与基线所截得的基所截得的基线宽度即峰底度即峰底宽W，然后按照下，然后按照下式式进行行计算算N：评价色价色谱柱性能的两个重要参数柱性能的两个重要参数对于相同于相同长度的色度的色谱柱，柱，N值越大，意味着柱效率越高。

10、越大，意味着柱效率越高。式中，式中，V1，V2分分别为对应于于样品品1和和样品品2的两个峰的两个峰值的淋洗体的淋洗体积；W1，W2分分别为峰峰1和和峰峰2的峰底的峰底宽。显然，若两个然，若两个样品达到完全分离，品达到完全分离，R应等于或大于等于或大于1，如果，如果R小于小于1，则分离是不完全的。分离是不完全的。分离度分离度R：第十一页，讲稿共二十八页哦五、GPC在测定聚合物分子量及其分布中的应用5.1聚合物的分子量及分子量分布聚合物的分子量及分子量分布聚合物分子量聚合物分子量：统计平均分子量平均分子量假定在某一高分子假定在某一高分子试样中含有若干中分子量不等的分子，中含有若干中分子量不等的分子

11、，该试样的的总质量量为w，总摩摩尔数数为n，种，种类数用数用i表示，第表示，第i种分子的分子量种分子的分子量为Mi，摩，摩尔数数为ni，重量，重量为wi，在整个在整个试样中的重量分数中的重量分数为Wi，摩，摩尔分数分数为Ni，则这些量之些量之间存在下列关系：存在下列关系：数均分子量数均分子量：以数量：以数量为统计权重，定重，定义为：第十二页，讲稿共二十八页哦五、GPC在测定聚合物分子量及其分布中的应用重均分子量重均分子量：以重量：以重量为统计权重，定重，定义为：Z均分子量均分子量：以：以Z值为统计权重，重，Zi=wiMi，定定义为：粘均分子量粘均分子量：用稀溶液粘度法：用稀溶液粘度法测得的平均

12、分子量，定得的平均分子量，定义为：第十三页，讲稿共二十八页哦五、GPC在测定聚合物分子量及其分布中的应用第十四页，讲稿共二十八页哦五、GPC在测定聚合物分子量及其分布中的应用检测器信号器信号H：比例于淋出液的比例于淋出液的浓度；度；保留体保留体积（淋出体（淋出体积）：）：分子尺寸的大小分子尺寸的大小Ve换算成分子量算成分子量M，即，即为分子量分布曲分子量分布曲线对于于GPC来来说，级分的含量即是淋出液的分的含量即是淋出液的浓度。只要度。只要选择与溶液与溶液浓度由度由线性关系的某种物理性性关系的某种物理性质，即可通，即可通过对其其测量以量以测定溶液的定溶液的浓度。度。常用的方法：常用的方法：示差

13、折射示差折射仪。测定出淋出液的折光指数与定出淋出液的折光指数与纯溶溶剂的折光指数之差，以的折光指数之差，以表征溶液的表征溶液的浓度。度。此外此外还有有UV和和IR等各种等各种类型的型的浓度度检测器。器。虽然从然从谱图已能直已能直观地了解分子量分布的某些信息，地了解分子量分布的某些信息，但要定量地得到分子量及分子量分布的数据，但要定量地得到分子量及分子量分布的数据，还要做一些要做一些处理。理。5.2GPC谱图谱图第十五页，讲稿共二十八页哦根据根据GPC分离机理，保留体分离机理，保留体积(或淋出体或淋出体积)Ve与分子量之与分子量之间有有线性关系性关系式中：式中：A和和B为常数，其常数，其值与溶与

14、溶质、溶、溶剂、温度、温度、载体及体及仪器器结构有关，可由分子构有关，可由分子量淋出体量淋出体积曲曲线的直的直线段的截距和斜率求出。段的截距和斜率求出。首先首先测定一定一组分子量不同的分子量不同的单分散或窄分布分散或窄分布样品（已用其它方法精确确定了分子品（已用其它方法精确确定了分子量）的淋出体量）的淋出体积和分子量的和分子量的GPC谱图（图7-15），然后以），然后以logM对Ve作作图，得到反，得到反S形工形工作曲作曲线（图7-16）。工作曲）。工作曲线中中间的直的直线部分就是部分就是标定曲定曲线。logMABVe5.3分子量淋出体积标定曲线分子量淋出体积标定曲线五、GPC在测定聚合物分子

15、量及其分布中的应用第十六页，讲稿共二十八页哦5.4分子量淋出体积普适标定曲线分子量淋出体积普适标定曲线五、GPC在测定聚合物分子量及其分布中的应用实际上，上，对大多数聚合物很大多数聚合物很难获得窄分布得窄分布标准准样品，由容易品，由容易获得的阴离子聚合的聚得的阴离子聚合的聚苯乙苯乙烯(Mw/Mn 1.1)测得的校准曲得的校准曲线，也不能直接用于其他高分子，因，也不能直接用于其他高分子，因为不同高分子尽管不同高分子尽管分子量相同，但体分子量相同，但体积却不一却不一样。因而必。因而必须寻找一个分子找一个分子结构参数代替分子量，希望用构参数代替分子量，希望用这一参数求出的一参数求出的标定关系定关系对

16、所有高分子普遍适用，称所有高分子普遍适用，称为普适普适标定定。根据根据爱因斯坦（因斯坦（Einstein）公式）公式 式中：式中：hh特性粘数；特性粘数；NA阿伏加德阿伏加德罗常数；常数；Vh流体力学体流体力学体积。具有体具有体积的量的量纲，可当作，可当作流体力学体流体力学体积。不同高分子的。不同高分子的 校准曲校准曲线应当相同，大量当相同，大量实验事事实已已证明了明了这一点（一点（图7-17）。）。流体力学体流体力学体积：在聚合物溶液中，高分子在聚合物溶液中，高分子链卷曲卷曲缠绕成无成无规线团状，在流状，在流动时，其分子，其分子链间总是裹挟着一定量的溶是裹挟着一定量的溶剂分子，所表分子，所表

17、现出的体出的体积称之称之为流体力学体流体力学体积。第十七页，讲稿共二十八页哦5.4分子量淋出体积普适标定曲线分子量淋出体积普适标定曲线五、GPC在测定聚合物分子量及其分布中的应用若已知一种聚合物的若已知一种聚合物的M1，只，只须简单计算，就能得到同算，就能得到同一保留体一保留体积的另一种聚合物的的另一种聚合物的M2。根据根据马克公式有克公式有 式中式中K、对每一特定高分子每一特定高分子溶溶剂体系是常数。将此两式代入上体系是常数。将此两式代入上式，并整理后得到式，并整理后得到第十八页，讲稿共二十八页哦5.5GPC数据处理数据处理5.5.1单分散试样单分散试样五、GPC在测定聚合物分子量及其分布中

18、的应用单分散分散试样分子量均一，不存在分布和平均分子量均一，不存在分布和平均值问题，可以根据，可以根据GPC谱图求出求出Ve值，根据，根据标定曲定曲线求得其分子量求得其分子量第十九页，讲稿共二十八页哦5.5.2 多分散试样多分散试样五、GPC在测定聚合物分子量及其分布中的应用许多聚合物的多聚合物的GPC谱图是是对称的（称的（图7-19），近似于高斯分布，可以用正），近似于高斯分布，可以用正态分分布函数来布函数来处理，由以下公式理，由以下公式计算分子量算分子量：式中：式中：Mp峰峰值分子量，从分子量，从图中中Vp通通过校准曲校准曲线求得；求得；:校准偏差，等于峰校准偏差，等于峰宽W的四分之一；的

19、四分之一；B:校准曲校准曲线的斜率。的斜率。第二十页，讲稿共二十八页哦5.5.3加宽效应的改正加宽效应的改正五、GPC在测定聚合物分子量及其分布中的应用对于于单分散分散样品，品，GPC谱图理理应是一条是一条谱线，但，但实际上却是一个窄峰。峰加上却是一个窄峰。峰加宽效效应来来源于多流路效源于多流路效应、纵向分子向分子扩散、高分子在凝胶孔洞中的散、高分子在凝胶孔洞中的扩散，以及凝胶散，以及凝胶对试样的吸附的吸附作用。加作用。加宽效效应使高分子的使高分子的GPC谱图比比实际的分子量分布要的分子量分布要宽。一种一种简单的改正方法是把分子量的改正方法是把分子量计算算值做数做数值上的修正，即上的修正，即式

20、中 改正前的表改正前的表观值其中其中0为用小分子化合物用小分子化合物(常用常用亚甲基甲基蓝等等)测定得到的定得到的标准偏差，准偏差，B的定的定义同前。同前。G改正因子，改正因子，第二十一页，讲稿共二十八页哦5.5.4离散型或不对称谱图离散型或不对称谱图五、GPC在测定聚合物分子量及其分布中的应用将将谱峰下的峰下的Ve分成若干等分（如右分成若干等分（如右图），），归一化一化处理，理，则各点的重量分数各点的重量分数为根据分子量的定根据分子量的定义，有，有重均分子量重均分子量数均分子量数均分子量 第二十二页，讲稿共二十八页哦六、GPC的特殊应用举例6.1GPC/LALLS(小角激光光散射小角激光光散

21、射)联用联用联用：将用：将试样通通过GPC进行分离，令淋洗液通行分离，令淋洗液通过常常规的的浓度度检测器器测定其定其浓度度，同，同时通通过LALLS仪测量其散射光量其散射光强。由于。由于浓度和散射光度和散射光强的信号都是的信号都是连续测定的，根据需要把淋洗定的，根据需要把淋洗谱图分割成若干区分割成若干区间，计算算每个区每个区间的中均分子量的中均分子量Mi以及相以及相应的的浓度度Ci，根据根据这两两组数据求出整个数据求出整个试样的分子量分布曲的分子量分布曲线，并，并计算出算出试样的各种平均分子量及多分散指的各种平均分子量及多分散指数。数。将将相相对法法变成成绝对法法，不用不用标样直接直接测定定试

22、样的各种平均分子量，的各种平均分子量，并可做并可做扩展效展效应的校准与改正。的校准与改正。第二十三页，讲稿共二十八页哦六、GPC的特殊应用举例6.2GPC测定共聚物的组成分布与分子量分布测定共聚物的组成分布与分子量分布共聚物除了分子量的多分散性以外，共聚物除了分子量的多分散性以外，还有有组成的多分散性。分成的多分散性。分子量分布和子量分布和组成分布都是影响共聚物成分布都是影响共聚物产品性能的重要因素。品性能的重要因素。共聚物共聚物组成分布研究的常成分布研究的常规方法：方法：首先利用交叉分首先利用交叉分级法将待法将待测试样分成很多分成很多级分，然后再借助于光分，然后再借助于光谱、核磁共振核磁共振

23、谱、气相色、气相色谱等分析方法等分析方法测定各个定各个级分的分的组成。成。缺点：缺点：实验耗耗时长，分，分级效果不佳，所得效果不佳，所得级分的分子量和分的分子量和组成都成都不是不是单分散的，因此分散的，因此测得的得的组成也只是每个成也只是每个级分的平均分的平均值。第二十四页，讲稿共二十八页哦六、GPC的特殊应用举例6.2GPC测定共聚物的组成分布与分子量分布测定共聚物的组成分布与分子量分布共聚物共聚物组成分布研究的成分布研究的GPC方法方法优点点：分析：分析时间大大大大缩短，分离效率得到提高。短，分离效率得到提高。将将GPC配以光配以光谱、核磁共振等方法，或直接再、核磁共振等方法，或直接再GP

24、C中使用双中使用双检测器，器，如示差折光如示差折光仪/紫外吸收光紫外吸收光谱，示差折光，示差折光仪/红外吸收光外吸收光谱，就可以快速而，就可以快速而细致地同致地同时测定共聚物的定共聚物的组成分布和分子量分布。成分布和分子量分布。举例：丁二例：丁二烯苯乙苯乙烯共聚物共聚物UV检测器器l=260l=260nm：用以用以测定含苯定含苯环的聚苯乙的聚苯乙烯链段的段的浓度度RI示差折光示差折光仪：对两两组分都有响分都有响应，但灵敏度不同。，但灵敏度不同。第二十五页，讲稿共二十八页哦六、GPC的特殊应用举例6.3GPC在高分子涂料中的应用在高分子涂料中的应用样品在做凝胶色品在做凝胶色谱前，需要除去前，需要

25、除去样品中的粉品中的粉质和溶和溶剂。常用溶。常用溶剂去除方法有室温自然干去除方法有室温自然干燥法和燥法和红外灯干燥。外灯干燥。对一些和氧气有反一些和氧气有反应的的树脂如醇酸脂如醇酸树脂，使用脂，使用红外灯干燥外灯干燥时需要使用氮需要使用氮气保气保护，某些受，某些受热易自聚的易自聚的树脂只能使用自然干燥的方法除去溶脂只能使用自然干燥的方法除去溶剂。如果溶。如果溶剂与与树脂的峰脂的峰图不不产生重叠干生重叠干扰也可以不用干燥直接也可以不用干燥直接进样分析。分析。醇酸醇酸树脂脂是涂料中用量最大的是涂料中用量最大的树脂材料。分脂材料。分为长油型、中油型、短油型。不同的涂料品种有油型、中油型、短油型。不同

26、的涂料品种有不同的分子量要求。因此凝胶色不同的分子量要求。因此凝胶色谱技技术作作为涂料工涂料工业的一个重要的一个重要质量控制量控制设备要被广泛使用。其要被广泛使用。其中中长油型主要用于自干性清漆，一般需要有油型主要用于自干性清漆，一般需要有较高的分子量，干燥高的分子量，干燥时容易成膜，重均分子量可达十容易成膜，重均分子量可达十几万，分布几万，分布宽度度长达达20以上。另外两种型号一般分子量及其分布都要小一些。以上。另外两种型号一般分子量及其分布都要小一些。此外此外许多其它可以利用凝胶色多其它可以利用凝胶色谱进行分析的高分子涂料行分析的高分子涂料还有：有：环氧氧树脂、氨基脂、氨基树脂、脂、丙丙烯

27、酸酸树脂、脂、脲醛树脂、醋酸脂、醋酸纤维素、不素、不饱和和树脂、聚氨脂、聚氨酯固化固化剂、丙、丙烯酸乳液等。酸乳液等。第二十六页，讲稿共二十八页哦六、GPC的特殊应用举例6.4GPC在农药残留分析中的应用在农药残留分析中的应用为提高粮食生提高粮食生产率，使用率，使用农药进行植物保行植物保护是必不可少的重是必不可少的重要手段。施用于作物上的要手段。施用于作物上的农药虽有部分降解，但仍然有部分残有部分降解，但仍然有部分残留留农药最最终以食物等方式以食物等方式进入人、畜体内，造成人、畜的入人、畜体内，造成人、畜的农药中毒，中毒，严重的甚至会危机生命。重的甚至会危机生命。农产品安全品安全问题成成为影响

28、影响农产品市品市场竞争力的主要因素。争力的主要因素。开开发建立符合国建立符合国际标准、快速、可靠、灵敏和准、快速、可靠、灵敏和实用的用的农药残留分析技残留分析技术用于控制用于控制农药残留，保残留，保证食品安全和避免国食品安全和避免国际间有关有关贸易争端，成易争端，成为国内外国内外实验室研究的重点。室研究的重点。第二十七页，讲稿共二十八页哦六、GPC的特殊应用举例6.4GPC在农药残留分析中的应用在农药残留分析中的应用农药残留分析包括残留分析包括样品品预处理理(提取提取、浓缩和和净化化)和和检测两部分。两部分。预处理理过程将有利于程将有利于净化在化在样品中存在的、会干品中存在的、会干扰或阻碍残留

29、或阻碍残留农药分析的分析的大量大量杂质，提高色，提高色谱检测分析的分离度、重分析的分离度、重现性和准确度；同性和准确度；同时，预处理理还能能富集富集浓缩样品，使品，使样品中含量品中含量过低的待低的待测组分达到色分达到色谱仪的最低的最低检测限。限。预处理理过程中的程中的净化方法主要有液液分配、柱化方法主要有液液分配、柱层析析净化、吹化、吹扫蒸蒸馏法、法、磺化法、凝磺化法、凝结剂沉淀法、低温冷沉淀法、低温冷冻法等。法等。传统的方法存在很多局限性，如使用的方法存在很多局限性，如使用大量溶大量溶剂，样品品处理步理步骤复复杂，操作，操作费时费力，力，样品回收率和精密度不理想，品回收率和精密度不理想，溶溶剂蒸蒸发时产生的生的样品品损失等。失等。利用利用GPC技技术则能能够简单、高效地、高效地净化化样品提取液中的蛋白、油脂、色素等大分子品提取液中的蛋白、油脂、色素等大分子杂质，分离并富集，分离并富集样品中残留的超微量品中残留的超微量农药，以利于下一步利用毛，以利于下一步利用毛细管气相色管气相色谱和高效和高效液相色液相色谱及其及其联用技用技术进行行农药残留分析残留分析检测。第二十八页，讲稿共二十八页哦