凝胶渗透色谱GPC的原理及应用

一. GPC概述

1.1 凝胶渗透色谱的发展历史

凝胶渗透色谱[GPC (Gel Permeation Chromatography)] 也称作体积排斥色谱[SEC (Size Exclusion Chromatography)]是用溶剂作流动相，流经多孔填料(如多孔硅胶或多孔树脂) 作为分离介质的液相色谱法。

1953年Wheaton和Bauman用多孔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，观察到分子尺寸排除现象。

1959年Porath和Flodin用葡聚糖胶联制成凝胶来分离水溶液中不同分子量的样品。

1962年J.C.Moore将高交联度聚苯乙烯-二乙烯基苯树脂用作柱填料，以连续式高灵敏度的示差折光仪，并以体积计量方式作图，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。

1.2 GPC分离原理

A.固定相是多孔填料，小分子样品可以进入孔径内部

B.样品与固定相之间无作用力

C.迁移时间不同

1.3 GPC是如何工作的

1.4 为什么要用GPC方法

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。

二. 凝胶渗透色谱仪的基本结构

GPC的基本结构与组成大致是相同的。一般由泵系统、进样系统（分为手动进样和自动进样）、凝胶渗透色谱柱系统（包括色谱柱恒温箱）、检测系统及数据采集与处理系统组成，如图所示。

泵流速精度的影响：分子量

高流速精度是获得重现性GPC结果的基础，表面上微小的流速误差会导致分子量计算的很大误差。

2.2 进样系统

将配置好的一定浓度的聚合物溶液通过微量注射器注入到色谱柱的一个装置，分为手动进样和自动进样。自动进样由机械传动装置带动取样，进样量精度要高于手动进样，而且自动进样可以实现连续自动化操作，工作效率高。

2.3 分离系统

分离系统即色谱柱。色谱柱就是在一根不锈钢空心管中加入孔径不同的凝胶颗粒作为分离介质。

对色谱柱中填充的凝胶颗粒最基本的要求是不能被流动相溶剂溶解。

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、二甲基甲酰胺 (DMF)等，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。

2.4 检测系统

GPC的检测根据信号响应性分成两类：通用型和选择型。

通用型对所有检测的样品都有信号响应，可以满足所有样品的检测。除了早期使用的示差检测器，还有粘度检测器、激光光散射检测器等。

选择型检测器是只对被测物质的某种物理或化学特性产生信号响应，所以只适用于某一类特殊的聚合物。这种检测器包括单一波长紫外检测器，二级管阵列紫外检测器及荧光检测器等。

2.4.1 通用型检测器——示差检测器

属于浓度敏感型检测器，在使用中对压力和温度变化非常敏感。

聚合物溶液不同，所产生的折射率就不同，而在稀溶液范围内，△n与溶液浓度成正比，这就是示差检测器的检测原理。

2.4.2 选择型检测器

在GPC中应用较多的一种选择型检测器是紫外检测器，适用于有紫外吸收基团的聚合物检测。如含有苯环、共轭双键的聚合物会在紫外检测器上产生明显吸收。

三. 样品制备方法

1. 样品前处理：样品需要经过干燥，除掉水分及其他杂质。样品中的水分及杂质也会在色谱图上产生相应的色谱峰，会干扰样品本身的色谱峰。

2. 进样浓度：不同分子量范围的样品适合不同的浓度，需要根据样品情况进行调整。

3. 样品溶解：一般样品的溶解时间是4～12h,对于橡胶类大分子，溶解48～72h才能使分子链完全解开。为了增加样品的溶解，在溶解过程中可以轻微扰动样品溶液，但严禁剧烈摇动或用超声波处理，以免分子链发生断链。

4. 过滤：为了避免样品中有不溶解的颗粒或者大的分子链堵塞色谱柱孔径，聚合物溶液必须经过0.45um的过滤膜过滤。在高温型GPC中，可以使用在线过滤器。

四. 数据处理方法

4.1 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：

4.2 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。

五. GPC的应用

5.1测定聚合物材料的相对分子质量及分布

5.2 GPC积分曲线

5.3 聚合物中助剂的测定

5.4 制备窄分布的聚合物

这里讲的窄分布聚合物样品的制备方法与高化中通过活性聚合得到窄分布聚合物样品的方法不同，是指通过物理分级的方法分离原本相对分子质量比较宽的样品。

使用的仪器是制备型GPC，制备型GPC的结构与原理与常用的分析型GPC基本相同。有所区别的是泵的流速要高，色谱柱的管径要出些，进样浓度与进样量都要大。一般的GPC样品流过检测器之后就作为废液收集，而制备型GPC是在样品流经检测器之后通过一个级分收集器按时间间隔收集。

5.5 多组分样品含量的分析

5.6 聚合反应跟踪及动力学研究