GPC 基础知识高分子测试与表征高分子测试与表征

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SEC 定义 SEC 全称 Size Exclusion Chromatography( 体积

排阻色谱，或者尺寸排阻色谱）

SEC 定义：是利用多孔凝胶固定相的独特特性，而产生的一种主要依据分子尺寸大小的差异来分离的液相色谱方法。

凝胶渗透色谱 (GPC: Gel permeation chromatography )– 主要用于聚合物领域– 以有机溶剂为流动相 ( 氯仿， THF ， DMF)

– 常用固定相填料：苯乙烯－二乙烯基苯共聚物 凝胶过滤色谱 (GFC:Gel filtration chromatography)

– 主要用于生命科学领域– 以水溶液为流动相– 常用固定相填料：亲水性有机凝胶 ( 葡聚糖， 琼脂糖，聚丙烯酰胺等 )

高聚物的性能特别是机械性能、加工性能及高分子在溶液中的特性等都与高聚物分子量有关。如冲击强度、模量、拉伸强度、耐热、耐腐蚀性都与高聚物的分子量和分子量分布有关 ( 分子量低易碎，分子量高难加工 ) 。例如，一般的聚苯乙烯制品平均分子量为十几万，如果分子量低到几千极易粉碎，几乎没有应用价值。当分子量达到 20 万以上时，其机械性能较好，但分子量达到百万以上时，又难以加工，也失去实用价值。

高分子材料的加工性能，不仅和高聚物的平均分子量有关，而且也与分子量分布有关。例如，在涤纶片基生产过程中，（若分子量分布过宽，即含有较多的高分子量和低分子量部分时，其成膜性差，抗应力开裂能力也会降低）。测定高聚物的分子量分布也是研究高分子聚合物或降解动力学的重要途径。

高聚物分子量的多分散性是高聚物最基本特征之一，平均分子量及其分布宽度不仅可以用来表征聚合物的链结构，而且也是决定高分子材料性能的基本参数之一，因此研究高聚物就必须掌握分子量分布的测定方法。

固定相是多孔填料，小分子样品可以进入孔径内部

样品与固定相之间无作用力 迁移时间不同

孔穴

填充物颗粒

大 中

小

样品

GPC 分离原理

简单吧！

分子量校正曲线（ Log M-V 曲线 ） 由凝胶色谱图计算样品的分子量分布的关键是把凝胶色谱曲线中的淋洗体积 V转化成分子量 M ，这种分子量的对数值与淋洗体积之间的关系曲线（ Log M-

V ） 称之为分子量校正曲线

排阻极限渗透极限

GPC 柱

Log

(M

W)

MW 与 V 之间的关系

GPC理想校正曲线

排阻极限 排阻极限是指不能进入凝胶颗粒孔穴内部的最小分子的分子量。所有大于排阻极限的分子都不能进入凝胶颗粒内部，直接从凝胶颗粒外流出，所以它们同时被最先洗脱出来。排阻极限代表一种凝胶能有效分离的最大分子量，大于这种凝胶的排阻极限的分子用这种凝胶不能得到分离。随固定相不同，排阻极限范围约在 400 至 60×106 之间。

渗透极限 能够完全进入凝胶颗粒孔穴内部的最大分子的分子量。在选择固定相时，应使欲分离样品粒子的相对分子质量落在固定相的渗透极限和排阻极限之间。

GPC 两个术语

数均分子量

重均分子量

Z 均分子量

Z+1 均分子量

Mw =Mi Hi

Hi

Mn =Hi

(Hi / Mi)

Mz =ΣMi

2 Hi

Mi Hi

Mz+1 =ΣMi

3 Hi

Mi2 Hi

Hi ： 峰高

Mi ：分子量

数均分子量 (Mn)– 拉力、抗冲击性

重均分子量 (Mw)– 脆度

Z 均分子量 (Mz)– 弹性、硬度

分布宽度指数 D( 分散度 )= Mw/Mn

对于多分散试样 Mn ＜ Mw ＜ Mz

平 均 分 子 量 含 义

高聚物多分散性表征 样品间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。 分子量分布曲线有两种形式：

– 用重量分数 W 对分子量作图的曲线叫做微分分布曲线；– 用累积重量分布对分子量作图的曲线叫做积分分布曲

线。 还有一种更一般化且最常用的方法就是重均数均

比，即： Mw/Mn 。

测定聚合物分子量的方法 直接方法

– 渗透压方法 (for Mn)– 光散射方法 (for Mw)– 粘度方法 (for Mv)– 超速离心方法 (for Mz)

间接方法– GPC (for Mn, Mw and Mz)

用标准品进样得到分子量校正曲线，间接算出聚合物样品的相对分子量。如和标准品结构不同，还需进行相应的计算才能得到聚合物样品自身的分子质量

相对分子量分布 ( 多分散性指数 ) 对聚合物的性质有重要影响。

在相对分子质量分布（多分散性指数）成为人们关注的热点后，经典方法却不能同时测定聚合物的相对分子质量分布。凝胶渗透色谱 (GPC) 的应用改善了测试条件，并提供了可以同时测定聚合物的相对分子质量及其分布的方法，使其成为测定高分子相对分子质量及其分布最常用、快速和有效的技术。

现在知道了吧？

为什么要用 GPC 法

GPC 系统配置

泵进样器

色谱柱

柱温箱检测器

THF, 氯仿 , DMF 示差检测器

需要 GPC软件才可计算 Mw

GPC 色谱柱类型 普通凝胶柱

– 按照不同的排阻极限分成很多种型号 ( 如 GPC-80X)

– 每种排阻极限的柱子使用同一种凝胶颗粒– 在一段范围内校正曲线成线性

混合凝胶柱– 一种型号 ( 如 GPC-80M)

– 使用混合凝胶颗粒– 在较宽范围内校正曲线都成线性，可消除不同柱子串联时可能产生非线性校正曲线导致结果偏差的问题

GPC 色谱柱选择 按照样品所溶解的溶剂来选择柱子所属系列– THF 、氯仿、 DMF

– 必须选择合适的溶剂来溶解聚合物

按照样品分子量范围来选择柱子型号– 样品分子量应该处在排阻极限和渗透极限范围内，并且最好是处

在校正曲线线性范围内

聚苯乙烯 (PS ，溶于各种有机溶剂 ) 聚甲基丙烯酸甲酯 (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 )

(PEO 与 PEG 的碳链骨架相同，但是其合成原料和封端不同，由于原料的性质，使其产物的分子量和结构都有一定的区别。 PEO 常是指一端为甲基封端，一端为羟基封端的聚环氧乙烷，而 PEG 一般是两端都是羟基封端的聚乙二醇。 )

标 样

校正曲线 逐一注入聚合物标样以确定分子量与保留时间的

关系ID Time MW

1 14.797 853000

2 15.559 380000

3 16.239 186000

4 16.888 100000

5 17.476 48000

6 18.032 23700

7 18.495 12200

8 19.005 580015.0 16.0 17.0 18.0 min

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0log(M.W.)

1

2

3

4

5

6

7

8

常用线性拟合或者三次方拟合

GPC 校正方法 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。

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 2 种高聚物的 K 和 α 值必须己知。

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， Mw 和 Mn 为已知），采用数学处理方法得到渐进试差法的校正曲线。

GPC 分析大致步骤

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 ;

配制标样和样品，用进样器进样得到色谱图 ;

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 .

GPC 分析注意事项 如何配制标样和样品 系统平衡 柱子冲洗及保存 校正曲线有效时间 亲水性聚合物分析

GPC标样配制 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。

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。

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。

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。

进样浓度范围及体积 分子量范围 样品浓度

– 低于 5,000 <1.0%– 5,000 ～ 25,000 <0.5%– 25,000 ～ 200,000 <0.25%– 200,000 ～ 2,000,000 <0.1%– 高于 2,000,000 <0.05%

进样体积 50-100uL 之间 (浓度在 0.05%-0.5% 之间 )

色谱柱： Shodex GPC KF-804,802,801三根串联 保护柱： Shodex GPC KF-G 流动相： THF 流 速： 1.0ml/min 柱 温： 50℃ 进样量： 50ul 检测器：示差折光检测器 RID-10A 标准品： PS(8个不同分子量标样 )

标准品及样品配制方法 分子量校准曲线所用的标准品为 PS ，有 8 种

不同分子量的标品。将它们按下表分为 4组，每组含 2 种标品，各称约 4mg左右，然后用20ml 流动相溶解，配成 4个标样。PS Standard 分子量 称量值 (mg)

STD_1560000 4.2

20650 4.1

STD_2156000 4.0

11600 4.0

STD_366000 4.2

7000 4.1

STD_428500 4.0

2950 4.2

标样图谱

15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0 22.0 min

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

mV

4 (#1) 3 (#1) 2 (#1) 1 (#1)

四种颜色分别表示四个标样的图谱

分子量校准曲线

16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0 min

3.50

3.75

4.00

4.25

4.50

4.75

5.00

5.25

5.50

5.75

log(M.W.)

1

2

3

4

5

6

7

8

样品分析结果

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 min

-1.0

0.0

1.0

mV(x10)Detector B

17.7

23

Mn Mw Mz Mz1 Mw/Mn Mz/Mw

43679 73178 101377 125121 1.67534 1.38536

结果评价示例

PS1 和 PS2 为同一操作人员测定同一样品的两次测定结果

PS3 为另一实验室对同一样品测得的结果

Macromolecules 2007, 40, 4429-4438

例 二

GPC （纳米 SiO2 表面）

European Polymer Journal 41 (2005) 1326–1332

Yun-Pu Wang *, Xiao-Wei Pei.

Fig. 3. GPC traces of (a) the grafted PMMA and (b) thegrafted PMMA-b-PSt.