有机实验室的“宠儿” —— GPC（二）

GPC 是液相色谱的一个分支

是处理大分子物质和高聚物的理想设备之一

也是近年来各领域有机实验室的“宠儿”

把激光光散射与凝胶色谱仪联用，在得到浓度谱图的同时，还可得到散射光强对淋出体积的谱图，从而计算出分子量分布曲线和整个试样的各种平均分子量。

把凝胶色谱仪与光散射仪联用，由光散射仪连续测定聚合物样品中各个级分的相对分子质量，由 GPC 仪中的浓度示差检测器检测各个级分的浓度，就可以得到聚合物的各种平均相对分子质量。

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”。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。

间接法分析大致步骤：

（1）根据样品的特点选择合适的 GPC 柱子和标样，并且确定采用的 GPC 校正方法；

（2）配制标样和样品，用进样器进样得到色谱图；

（3）用数据采集器和 GPC 软件生成校正曲线并计算样品平均分子量，制作报告。

聚苯乙烯（PS，溶于各种有机溶剂）

聚甲基丙烯酸甲醋（PMMA）

聚环氧乙烷（PEO，也叫聚氧化乙烯，溶于水）

聚乙二醇（PEG，溶于水）

（1）由于凝胶色谱中浓度检测通常使用示差折光检测器，其灵敏度不太高，所以试样的浓度不能配置得太稀。但另一方面色谱柱的负荷量是有限的，浓度太大易发生“超载”现象。

（2）一般情况下，进样浓度按分子质量大小的不同在 0.05-0.5%（质量分数）范围内配置，分子质量越大，溶液浓度越低。

（3）标样配制应该严格按照标样说明书进行。通常室温静置 12 小时以上，然后轻轻混匀。绝对不能超声或者剧烈振荡来加速溶解。

（4）溶液进样前应先经过过滤，以防止固体颗粒进入色谱柱内，引起柱内堵塞，损坏色谱柱。

分子量范围              样品浓度

低于 5,000

5,000~25,000

25,000~200,000

200,000~2,000,000

高于 2,000,000

进样体积

50-100μL之间（浓度在 0.05%-0.5% 之间）

逐一注入聚合物标样以确定分子量与保留时间的关系。

GPC 校正方法：

（1）窄分布标样校正法

选用与被测样品同类型的单分散性（d≤1.1）标样，先用其他方法精确测定其平均相对分子质量，然后与被测样品在同样的条件下进行 GPC 分析。 

（2）普适校正法

此法的优点是只要用一种高聚物（一般用窄分布聚苯乙烯）作标准曲线就可以测定其他类型的聚合物，但先决条件是两种高聚物的 K 和 α 值必须己知。

（3）渐进试差法（宽分布标样校正法）

这种方法不需要窄分布样品，其标样可为 1~3 个不同相对分子质量的宽分布标样（平均相对分子质量精确测量，M_w 和 M_n 为已知），采用数学处理方法得到渐进试差法的校正曲线。

首先，我们得到的数据可以先直观的分析一下。

横轴通常表示流动相（溶剂）流经凝胶柱的时间，以时间（或体积）为单位。

纵轴则表示检测器信号的强度或响应，常用吸光度或浓度表示。

其中出现的峰代表了高分子样品中不同分子量的高分子。每个峰的高度对应着该分子量的高分子在样品中所对应的相对含量。

通常来说，峰越靠近横轴的左侧，则代表着较小分子量的高分子，而峰越靠近横轴的右侧，则代表着较大分子量的高分子。因此，在图谱中，峰顶在图形的左边表示样品中存在较小分子量的高分子，峰顶在图形的右边则表示存在较大分子量的高分子。

通常，如果峰比较尖锐，表示样品中的分子量分布比较集中，高分子的分子量比较接近。而峰较宽则表示样品中的高分子分子量分布较为广泛，存在分子量差异较大的高分子。

我们在研究聚合物的链长和分子量分布时，常常遇到这样的困惑，表征一个聚合物分子量往往涉及到下列参数：数均分子量 M_n，重均分子量 M_w，更高的平均分子量 M_z 以及粘均分子量  M_v。这些参数究竟有什么不同呢？

聚合物是由重复单元（单体）通过化学键合形成的长链。如需了解聚合物的物理性质（如机械强度、溶解性和脆性），就需要首先了解聚合物链长度方面的相关知识。

链长通常以聚合物链的分子量表示，与单体的相对分子量和链中单体的数目相关。然而，所有的合成聚合物都具有多分散性，包含有长度不等的聚合链，所以聚合物的分子量不是一个单一值，而是一个聚合物链长和分子量的分布范围。

因此聚合物的分子量必须通过计算样品中所有聚合物链分子量的平均值来描述。

数均分子量（M_n）：样品中所有聚合链分子量的统计平均值。M_n 可以通过聚合机制来进行预测，并通过测定给定质量样品中的分子数量来确定，例如端基分析等依数性方法。

重均分子量（M_w）：测量样品中分子量乘以其相对含量的平均值来计算，考虑了分子量与分子量分布的影响。

峰值分子量（M_p）：曲线的最高峰处的分子量就是峰值分子量，M_p 用于表征分子量分布极窄的聚合物，如校准聚合物标准品。

更高的平均分子量（M_z, M_z+1）：通常，一系列的平均分子量可以由下面的方程定义：当 n=1 时，M=M_w；当 n=2 时，M=M_z；当 n=3 时，M=M_z+1。更高的平均分子量更多地依赖于高分子量的组分，因此也就更难以进行精确测定。通常需要使用诸如扩散和沉降等技术测量聚合物分子的行为来进行测定。虽然Z均分子量不常用于表征聚合物，但还是有几种重要的方法能够通过测定链长获得 Z 均分子量。针对所有合成的多分散性聚合物 M_n w z z+1。

多分散系数（PD）：用于衡量聚合物分子量分布的广度，M_w/M_n 多分散性指数越大，分子量分布越广。

粘均分子量（M_v）：用粘度法测得的聚合物的分子量。在所有的聚合物分子量的测定方法中，粘度法是一种相对的方法，但因它仪器设备简单，操作便利，分子量适用范围大，又有相当好的实验精确度，所以成为人们最常用的实验技术。

当图谱上出现两个或更多的峰时，我们称之为双峰图谱或多峰图谱。双峰或多峰图谱暗示着样品中存在不同分子量的高分子链或不同构象或结构的高分子。主要为：

（1）不同构型或结构的高分子：样品中含有两种不同构型或结构的高分子，这些高分子可能在空间结构上存在差异，导致在测试中呈现不同的迁移速率。

（2）杂合物或共聚物：样品中含有两种不同的高分子杂合物或共聚物，这些杂合物可能是由两种不同单体或它们的混合物形成的。

处理时，可以将不同的峰拆分处理，更能直观看出分子量区别。此外，如果样品中的高分子发生了交联反应，导致形成类似凝胶状的结构，那么图谱可能会显示出一个宽而低的峰，或者完全没有峰出现。这意味着高分子链无法渗透凝胶柱，无法被有效地分离和检测。

1、为什么样品要求在指定流动相中溶解性要好？

凝胶渗透色谱本质上是一个色谱测试，是通过色谱柱分离不同分子量的成分，溶解性不好的话是需要过滤后测试的，不溶成分的分子量就无法测试，而且如果样品溶解度差的话，样品有可能会在色谱柱析出，毁坏柱子。

2、凝胶渗透色谱测试出来的分子量和理论的分子量偏差很大，为什么？

凝胶渗透色谱测得的是相对分子量，分子量结果对标样有很大依赖性，每种流动相都有对应的一种标准物质作出的标准曲线，样品测试结果要跟标曲比较，然后得出相对分子量，跟理论结果会有偏差属于正常的。

3、GPC 各个流动相之间有什么差别？

不同流动相对应分子量范围不同，DMF：3000-100万；THF：500-200万；水相：300-50万；氯仿：500-200万。高温相要保证在该测试温度下样品不分解，目前高温流动相是三氯苯相，是针对高温溶解后降温会析出的样品，如果溶解后降温不析出样品可测常温 GPC。

4、溶剂该如何选择？

能溶解多种聚合物；不能腐蚀仪器部件；与检测器相匹配。

5、对载体的要求？

良好的化学稳定性和热稳定性；有一定的机械强度；不易变形；流动阻力小；对试样没有吸附作用；分离范围越大越好（取决于孔径分布）等；载体的粒度愈小，愈均匀，堆积的愈紧密，色谱柱分离效率愈高。

a. 流动相：DMF，流速：1.0mL/min，进样量：100μL，柱温：50℃。

b. 标准工作曲线的绘制

取重均相对分子质量为 3.21×10 ~ 3.05×10 的 5 种 Ps 标准样品，用 DMF 配制成系列浓度的标准溶液，然后用 0.45μm 滤膜过滤，取滤液测试，求得 Ps 的标准工作曲线线性方程。

c. 样品测定

将聚氨酯树脂样品溶于 DMF 中，配制成 2.00mg/mL 的样品溶液，测定并绘制色谱图，求得样品的平均相对分子质量。

样品的保留时间值带入标准曲线线性方程，计算出样品的重均相对分子质量为 8.10×10⁵，样品的数均相对分子质量为 3.00×10⁵。

聚氨酯树脂样品的 GPC 谱图

由于小分子和高分子的流体力学体积相差较大，因而 GPC 可以同时分析而不必进行预先分离。

一般来说，从高分子材料的 GPC 可以同时看到三个区域：A，高分子；B，添加剂和齐聚物；C，未反应的单体和低分子的污染物，如水。

（1）环氧树脂中树脂和齐聚物的同时分析

普通双酚 A 型环氧树脂有很宽的分子量范围(高、中、低)。GPC 能快速可靠地鉴别不同类型环氧树脂的分子量特性。

色谱条件：四根微粒凝胶柱（7.7mm×250mm），孔径分别为5、10、50 和 100nm，颗粒直径10μm，280nm 下 UV 检测，流动相为四氢呋喃，流速 1mL/min，柱温为 50℃，样品量为 10μL 0.2%~0.5% 溶液。

低、中、高分子量双酚 A 型环氧树脂的 GPC 谱图

三种不同分子量的 GPC 谱图如图所示，图上数字代表不同的聚合度 n，树脂和齐聚物的峰形特征可用作指纹图，以区别不同厂家和批号的产品。

（2）高分子材料中小分子的定性鉴别

和其他色谱方法一样，GPC也可以用保留体积来鉴别或分离后用IR等方法鉴定中小分子物质。

如果能预测某未知峰属于某种化合物，则将该化合物加入该试样中，比较前后的谱图变化，如果未知峰强化，则很可能就是该物质。

用强化法鉴别高分子材料中的小分子化合物的示意图

（1）丁苯橡胶在塑炼时分子量分布的变化

在塑炼过程中定时取样分析，结果如图。随时间的增加，高分子量组分裂解增加 GPC 曲线向低分子量方向移动，经过 25min 以后，高分子量组分几乎完全消失。

经不同时间塑炼后的丁苯胶的 GPC 谱图

塑炼时间为：0：0min；1：4min；2：5min；3：25min；4：120min；5：180min

如果塑炼的目的就是消除该组分，那么 25min 足够了，通过 GPC 数据可以帮助工作人员确定塑炼时间。

（2）控制聚合反应的终点

用GPC对聚合物进行中间反应分析，使生产人员能在达到预定的单体/聚合物比后即时终止反应。

用 GPC 对聚合终点控制分析的示意图

可以研究高分子材料在使用过程中的老化，研究老化机理。以高密度聚乙烯 HDPE 为例，必须加适量抗氧剂以提高耐候性。

在耐候试验不同阶段的 HDPE 样品的 GPC 谱图

1-开始时；2-第一阶段；3-第二阶段；4-最后阶段