密封胶条凝胶渗透色谱法

密封胶条凝胶渗透色谱法

    密封胶条凝胶渗透色谱( gel permeation chromatography,简称GPC)可以用来快速、自动测定高聚物的平均分子量和分子量分布,并可用作制备窄分布高聚物试样的手段,在分离、纯化和分析低分子混合物方面也有重要作用。因此,自20世纪60年代出现后获得了飞速的发展和广泛的应用。

    (1)原理 密封胶条凝胶渗透色谱原理是体积排除起主要作用。在色谱柱中装填的多孔填料,其表面和内部有着各种大小不同的孔洞和通道,当被分析的试样随着洗提溶剂引入柱子后,在溶剂的洗提过程中,大小不同的分子就得到了分离,Zui大的分子首先被洗提出来,Zui小的分子Zui后被洗提出来。

    (2)凝胶渗透色谱仪在GPC仪中,泵和检测器是Zui重要的。常用的有恒压泵(如气动放大泵)和恒体积泵(如机械往复泵、隔膜泵、螺旋泵等)两类。

    检测器应用较多的是一种称为示差折光检测器的光学系统。光束可从光源经聚光后通过一光栏,再经准直镜变成平行光束。此平行光束通过池(池由分别流过溶剂和试样溶液的参比池和试样池构成),经溶剂和试样溶液折射后由反射器反射回来,再次通过池、准直镜,经光学调零器,到分束器,在此光束分成两束,分别进入光电池(或光电管)。当试样池和参比池内都是纯溶剂时,调节光学调零器,使两光电池的信号差为零。当试样池流过试样溶液时,由于折射率的改变,光束产生偏折,在光电池上产生不等的光电流(其差值与溶剂和试样溶液的折射率差成正比),经放大器放大后输入记录仪。

    在简易实验室中,还可以使用玻璃制的GPC简易装置。这个装置的泵采用低压微量泵或注射器加压(甚至可用液体本身的静压代替)。柱下端有一砂芯玻璃滤片,柱长数米,下接一虹吸球,定量收集分离的级分。在收集的级分中加入沉淀剂后,放置一定时间,用分光光度计测定浊度。

    (3)测定方法

    ①密封胶条凝胶的制备和装柱GPC中常用的凝胶可分为有机物和无机物两类。有机物如聚苯乙烯凝胶,无机物如微球型多孔硅胶。

    聚苯乙烯凝胶是苯乙烯和二乙烯基苯在稀释剂存在下乳液聚合制得。改变苯乙烯和二乙烯基苯的比例,可改变凝胶的硬度;改变稀释剂的性质,可改变凝胶的孔径,从而改变其渗透分子的能力。微球型多孔硅胶可先用水玻璃和硫酸作为原料制备微球型细孔凝胶,然后进行扩孔处理。扩孔的方法有加熔盐焙烧和水蒸气加压两种。控制熔盐的种类和焙烧的温度或水蒸气压力,可制得不同孔径的硅胶。

    密封胶条凝胶装柱有干湿两种方法。干法是直接加入,湿法是浸于溶剂中加入。两种方法都必须边加凝胶边振动柱,操作也必须十分仔细,才能得到重现性良好的柱。对于聚苯乙烯的装柱,还有一种方法,即将凝胶悬浮于丙酮和过氯乙烯混合溶剂中制成浆,用泵打入柱中,再用四氢呋喃(溶剂)冲洗。柱子装好后,要测定其分离效率。柱的分离效率一般用理论塔数或塔板高度表示。

    ②体系和试验条件的选择，对一定的聚合物而言,体系的选择主要指溶剂和温度的选择。

    对GPC的溶剂一般要求低黏度、高沸点、不溶解柱中凝胶和不与凝胶起化学反应。在实际使用时,还有一些特殊要求如使用有机密封胶条凝胶,则要求溶剂能浸润。此种密封胶条凝胶。就检测器而言,如使用示差折光检测器,则要求溶剂与试样溶液的折射率差要大,以便得到较高的灵敏度,如使用红外、紫外检测器,则要求溶剂对所选用的光吸收较少,如果用火焰离子化检测器,则要求溶剂的沸点相对低一些(相对于试样溶液而言),便于蒸发除去。就溶剂的纯度而言,也与检测器类型有关,如示差折光检测器,要求溶剂纯度较髙。一般来说,检测器灵敏度越高,要求溶剂的纯度也越高。总之,具体的选择要考虑多种因素而定。

    试验温度通常是室温,对于在室温条件下不溶或难溶的聚合物,则采用高温。

    体系选择后,即可在仪器上进行试验。先调整检测器零点,待仪器基线稳定后,从进样阀加入试样溶液,在记录仪上即绘出检测器响应对时间的曲线,同时按一定的淋洗体积间隔做标记。检测器响应通过仪器校正,可转换成浓度;淋洗体积通过校正,可转换成相对分子质量。

    对于一定的体系、一定的柱子,影响淋洗体积(这里指峰值淋洗体积)和分离效果的主要因素是试样溶液的流速和浓度。流速对柱分离效率的影响通常是,降低流速提高柱的分离效率,但会使分离时间增长。浓度对淋洗体积的影响是,随试样溶液注入量增多,淋洗体积偏大。试样溶液注入时间越长,淋洗体积也偏大。因此,要求试样溶液尽可能为低浓度,且注入时间要短而恒定。

    (4)数据处理

    ①校正:如前所述,从GPC试验所得检测器响应对淋洗体积的关系,必须通过校正转换为浓度对相对分子质量的关系。

    ②检测器响应与浓度之间的关系:常用测量总峰面积作为加入聚合物的总重量,然后求出密封胶条分布的各个淋洗体积的面积分数,两者相乘即得此淋洗体积的浓度。

    淋洗体积与相对分子质量的关系,可通过已知相对分子质量的标准试样来建立。目前能作为标准试样的密封胶条仅有单分散的聚苯乙烯,它是用阴离子活性聚合制备的。

    从聚苯乙烯标准试样得到的相对分子质量与淋洗体积关系曲线(即校正曲线),不能直接应用于其他密封胶条体系,必须通过“普适”校正才可应用。

    从试验得知,对于不同类型(包括不同的构型)的密封胶条体系,其流体力学体积Vo(表征高分子在溶液中流动特性的一个体积参数,可用特性黏度[n]和相对分子质量m的乘积表示)与淋洗体积之间的关系都在同一条直线上,因此可通过流体力学体积进行“普适”校正。

    ③还有一种“十点法”,即先如上所述读出高度差H;,再算出累积高度,进一步算出累积高度分散(归一化),画出积分分子量分布曲线,然后在曲线上。