1、凝胶色谱的分离机理众说不一，有体积排除、限制扩散、与流动分离等各种解释。实验证明，体积排除的分离机理起主要作用。因此，这一技术又被赋予另一个名称：体积排除色谱（size exclusion chromatography，SEC）、图 1.GPC 分离过程示意图 圆球表示颗粒；黑点表示溶质分子 在凝胶色谱中会有三种情况，一是分子很小，能进入分子筛全部的内孔隙；二是分子很大，完全不能进入凝胶的任何内孔隙；三是分子大小适中，能进入凝胶的内孔隙中孔径大小相应的部分。大、中、小三类分子彼此间较易分开，但每种凝胶分离范围之外的分子，在不改变凝胶种类的情况下是很难分离的。对于分子大小不同，但同属于凝胶分离范
2、围内各种分子，在凝胶床中的分布情况是不同的：分子较大的只能进入孔径较大的那一部分凝胶孔隙内，而分子较小的可进入 较多的凝胶颗粒内，这样分子较大的在凝胶床内移动距离较短，分子较小的移动距离较长。于是分子较大的先通过凝胶床而分子较小的后通过凝胶床，这样就利用分子筛可将分子量不同的物质分离。另外，凝胶本身具有三维网状结构，大的分子在通过这种网状结构上的孔隙时阻力较大，小分子通过时阻力较小。分子量大小不同的多种成份在通过凝胶床时，按照分子量大小排队，凝胶表现分子筛效应。GPC 色谱柱装填的是多孔性凝胶（如最常用的高度交联聚苯乙烯凝胶）或多孔微球（如多孔硅胶和多孔玻璃球），它们的孔径大小有一定的分布，并
3、与待分离的聚合物分子尺寸可相比拟。GPC 仪工作流程图如 2 图所示。图 2.GPC 仪工作流程图 色谱柱总体积为 Vt，载体骨架体积为 Vg，载体中孔洞总体积为 Vi，载体粒间体积为 V0，则 VtVgV0Vi V0和 Vi之和构成柱内的空间。溶剂分子体积远小于孔的尺寸，在柱内的整个空间（V0Vi）活动；高分子的体积若比孔的尺寸大，载体中任何孔均不能进入，只能在载体粒间流过，其淋出体积是 V0；高分子的体积若足够小，如同溶剂分子尺寸，所有的载体孔均可以进出，其淋出体积为（V0Vi）；高分子的体积是中等大小的尺寸，它只能在载体孔 Vi的一部分孔中进出，其淋出体积 Ve为 VeV0KVi K 为
4、分配系数，其数值 0Kl，与聚合物分子尺寸大小和在填料孔内、外的浓度比有关。当聚合物分子完全排除时，K0；在完全渗透时，K1（见图4-3）。当 K0 时，VeV0；此处所对应的聚合物分子量是该色谱柱的渗透极限（PL），商品 GPC 仪器的 PL 常用聚苯乙烯的分子量表示。聚合物分子量超过 PL值时，只能在 V0以前被淋洗出来，没有分离效果。V0和 Vg对分离作用没有贡献，应设法减小；Vi是分离的基础，其值越大柱子分离效果越好。制备孔容大，能承受压力，粒度小，又分布均匀，外形规则（球 形）的多孔载体，让其尽可能紧密装填以提高分离能力。柱效的高低，常采用理论塔板数 N 和分离度 R 来作定性的描述
5、。测定 N 的方法可以用小分子物质作出色谱图，从图上求得流出体积 Ve和峰宽 W，以下式计算 N 值：N（4VeW）2，N 值越大，意味着柱子的效率越高。“l”、“2”代表分子量不同的两种标准样品，Ve,1、Ve,2、W1，W2为其淋出体积和峰宽，分离度 R 的计算为,2,1122eeVVRWW，若 R1，则完全分离。上面阐述的 GPC 分离机理只有在流速很低，溶剂粘度很小，没有吸附，扩散处于平衡的特殊条件下成立，否则会得出不合理的结果。实验测定聚合物 GPC 谱图，所得各个级份的分子量测定，有直接法和间接法。直接法是指 GPC 仪和粘度计或光散射仪联用；而最常用的间接法则用一系列分子量已知的
6、单分散的（分子量比较均一）标准样品，求得其各自的淋出体积Ve，作出 logM 对 Ve校正曲线（图 4-3）。logMABVe-（1）当 logMlogMa时，曲线与纵轴平行，表明此时的流出体积（V0）和样品的分子量是无关，V0即为柱中填料的粒间体积，Ma就是这种填料的渗透极限。当logMlogMa时，Ve对 M 的依赖变得非常迟钝，没有实用价值。在 logMa和 logMd点之间为一直线，即式（1）表达的校正曲线。式中 A、B 为常数，与仪器参数、填料和实验温度、流速、溶剂等操作条件有关，B 是曲线斜率，是柱子性能的重要参数，B 数值越小，柱子的分辨率越高。上述订定的校准曲线只能用于与标准物
7、质化学结构相同的高聚物，若待分析样品的结构不同于标准物质，需用普适校准线。GPC 法是按分子尺寸大小分离的，即淋出体积与分子线团体积有关，利用 Flory 的粘度公式：3RM 3MR R 为分子线团等效球体半径。M 是体积量纲，称为流体力学体积。众多的实验中得出M 的对数与 Ve有线性关系。这种关系对绝大多数的高聚物具有普适性。普适校准曲线为 log eMABV-（2）因为在相同的淋洗体积时，有 1M12M2-（3）式中下标 1 和 2 分别代表标样和试样。它们的 MarkHouwink 方程分别为 1111 K M 2222 K M 因此可得 12211111212KMMK-（4）或 112
8、122211logloglog11KMMK-（5）将（1）式代入（5），即得待测试样的标准曲线方程 11121222111loglog111eeKMABVABVK K1、K2、1、2可以从手册查到，从而由第一种聚合物的 M-Ve校正曲线，换算成第二种聚合物的 M-Ve曲线，即从聚丙稀标样作出的 M-Ve校正曲线，可以换算成各种聚合物的校正曲线。有了校正曲线，即可根据 Ve 读得相应的分子量。一种聚合物的 GPC 校正曲线不能用于另一种聚合物，因而用 GPC 测定某种聚合物的分子量时，需先用该种聚合物的标样测定校正曲线。但是除了聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等少数聚合物的标样以外，大多数的聚合物的标
9、样不易获得，多数时候只能借用聚苯乙烯的校正曲线，因此测得的分子量 M 值有误差，只具有相对意义。用 GPC 方法不但可以得到分子量分布，还可以根据 GPC 谱图求算平均分子量和多分散系数，特别是当今的 GPC 仪都配有数据处理系统，可与 GPC 谱图同时给出各种平均分子量和多分散系数，无需人工处理。三、仪器与样品三、仪器与样品 四氢呋喃 THF（流动相）聚合物样品（如 PS）样品瓶 注射器（100 l）样品过滤头 注射器（5ml）PL120 型 GPC 色谱仪 四、实验步骤四、实验步骤 1 用超声波在减压的条件下对流动相（THF）经行减压退气。2 1溶液配制：分别配制 5ml 的聚苯乙烯标样及
10、待测样品的溶液。2PL120 型液相色谱仪的启动：（1）色谱级四氢呋喃注入泵的溶剂瓶，检测器废液出口接废液回收瓶。（2）打开计算机，联机记录。（3）依次打开泵（Waters-1515），打开示差折光检测器（2414），柱温箱。（4）打开 Breeze2 工作站。（5）启动泵：从抽液阀排管路气泡；向右打开参比阀，在工作站上设定 4ml/min 流速，排赶泵内气泡。大约 3分种后在工作站上停止流速。将参比阀向左关闭；在工作站上设定在 5 分钟内升至 0.8ml/min 流速；（6）启动示差折光检测器（Waters-2414）在检测器面板上设定温度.Dec=40，Col=45.按 shift pur
11、ge 使 LCD 屏幕上出现“”符号。平衡系统，直到 LCD 显示稳定。按 shift purge 键，使“”负号消失。3.运行样品。（1）在 Breeze2 工作站中调用已经编辑好的仪器方法。（2）点击平衡系统，观察基线至平衡。（3）停止观察基线。（4）在样品表中编辑待测样品的信息。（5）点击运行样品表图标。按照对话框提示输入样品组名称，点击“等待用户”。点击“确定”。（6）将进样器把手扳到“LOAD”位（动作要迅速），用进样注射器吸取样品 100 l，注意排除气泡，并匀速注入进样器。（7）观察工作站提示“等待进样”，这时将进样器把手扳到“INJECT”位（动作要迅速），即进样完成。（8）等
12、待完成采集。4试验结束（1）应清洗进样器。（2）检测器温度设为 OFF。待温度下降后关机。（3）柱温设为 OFF,保持流速不低于 0.2ml/min,直到温度在室温附近，方可以停流速，关柱温箱。（4）关泵。5.数据备份。将所使用的项目备份到指定的计算机路径。五、五、记录及数据处理记录及数据处理 1GPC 谱图的归一化处理 如果仪器和测试条件不变，那么实验得到的谱图可作为试样之间分子量分布的一种直观比较。一般地，应将原始谱图进行“归一化”后再比较。所谓“归一化”，就是把原始谱图的纵坐标转换为重量分数，以便于比较不同的实验结果和简化计算。具体作法：确定色谱图的基线后，把色谱峰下的淋出体积等分为 2
13、0个计算点。记下这些计算点处的总坐标高度 Hi（它正比于被测试样的重量浓度）。把所有的 Hi加和后得到 Hi（它正比于被测试样的总浓度）。那么，Hi/Hi就等于各计算点处的组分点总试样的重量分数，以 Hi/H 对 Ve（或 logM）作图就得归一化的 GPC 图。2计算wM、nM、M及分散度 d 1）平均分子量 定义法 将谱峰下的 Ve 分成若干等分，则各点的重量分数 Wi=Hi/Hi。按定义有：wiiMMW；1iniWMM；12iiMWM；wnMdM 计算所需的 Mi值可由校正曲线上查得。六、六、注意事项：注意事项：1、样品应尽量采用四氢呋喃溶剂配制。2、开机后一定要基线稳定后才可测量，否则样品测试误差加大。3、未经允许不可接触任何设备，包括软管。七七、思考题：思考题：1色谱柱是如何将高聚物分级的？影响柱效的因素有哪些？2 本实验中校准曲线的线性关系，在色谱柱重装或更换色谱柱后，能否再使用？3GPC 法的溶剂选择有什么要求？4同样分子量样品支化的和线性的分子那个先流出色谱柱？
