凝胶色谱仪（GPC）

【简介】

凝胶色谱法(Gel Permeation Chromatography，简称：GPC)是一种新型的液体色谱，又名体积排除色谱(Size Exclusion Chromatography，SEC)、凝胶过滤色谱(GelFiltration Chromatography，GFC)，是液相色谱的一个分支，是高聚物表征的重要方法之一。

1964年由J.C.Moore首先研究成功。在总结前人经验的基础上，结合大网状结构离子交换树脂制备的经验，将高交联度聚苯乙烯凝胶用作柱填料，同时配以连续式高灵敏度的示差折光仪，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。

【特点及应用领域】

操作简便快捷、进样量小、数据可靠且重现性好、自动化程度高等。

主要应用于聚合物分子量及其分布、聚合物的支化度、共聚物及共混物的组成、聚合物分级及其结构分析等。适于分析水溶液中的多肽、蛋白质、生物酶等生物分子。

【基本原理】

当被分析的试样随着淋洗溶剂引入柱子后，溶质分子即向填料内部孔洞扩散。较小的分子除了能进入大的孔外，还能进入较小的孔；较大分子则只能进入较大的孔；而比最大的孔径还要大的分子就只能留在填料颗粒之间的空隙中。因此，随着溶剂的淋洗，大小不同的分子就得到分离，较大的分子先被淋洗出来，较小的分子较晚被淋洗出来。

图1 GPC的分离原理

【GPC工作流程】

GPC仪器主要由输液系统（柱塞泵）、进样器、色谱柱、检测系统（示差折光检测器、多波长UV、FTIR等）及数据采集与处理系统。

图2 GPC仪器

载体和色谱柱

载体是GPC产生分离作用的关键

GPC仪器对载体的要求：

1. 良好的化学稳定性和热稳定性；

2. 有一定的机械强度；

3. 不易变形;

4. 流动阻力小；

5. 对试样没有吸附作用；

6. 分离范围越大越好（取决于孔径分布)等；

7. 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。

GPC载体的种类：

1. 交联聚苯乙烯凝胶

2. 多孔性玻璃

3. 聚乙酸乙烯酯凝胶及聚丙烯酰胺凝胶

4. 木质素凝胶等

评价色谱柱性能的两个重要参数

柱效率N：可用“理论塔板数”N进行描述。淋洗体积VR，峰底宽W，然后按照下式进行计算N：

对于相同长度的色谱柱，N值越大，意味着柱效率越高。

分离度R：V1，V2分别为对应于样品1和样品2的两个峰值的淋洗体积；W1，W2分别为峰1和峰2的峰底宽。

显然，若两个样品达到完全分离，R应等于或大于1，如果R小于1，则分离是不完全的。

【GPC测定聚合物分子量】

聚合物分子量：统计平均分子量

假定在某一高分子试样中含有若干中分子量不等的分子，该试样的总质量为w，总摩尔数为n，种类数用i表示，第i种分子的分子量为Mi，摩尔为ni，重量为wi，在整个试样中的重量分数为Wi，摩尔分数为Ni，则这些量之间存在下列关系：

数均分子量：以数量为统计权重

重均分子量：以重量为统计权重

Z均分子量：以Z值为统计权重

粘均分子量：用稀溶液粘度法测得的平均分子量

分子量比较

GPC谱图

检测器信号H：比例于淋出液的浓度；

保留体积（淋出体积）：分子尺寸的大小，Ve换算成分子量M，即为分子量分布曲线。

分子量－淋出体积标定曲线

根据GPC分离机理，保留体积(或淋出体积)Ve与分子量之间有线性关系

logM＝A－BVe

式中：A和B为常数，其值与溶质、溶剂、温度、载体及仪器结构有关，可由分子量－淋出体积曲线的直线段的截距和斜率求出。

首先测定一组分子量不同的单分散或窄分布样品（已用其它方法精确确定了分子量）的淋出体积和分子量的GPC谱图（图A），然后以logM对Ve作图得到反S形工作曲线（图B）。工作曲线中间的直线部分就是标定曲线。

分子量－淋出体积普适标定曲线

实际上，对大多数聚合物很难获得窄分布标准样品，由容易获得的阴离子聚合的聚苯乙烯(Mw/Mn<1.1)测得的校准曲线，也不能直接用于其他高分子，因为不同高分子尽管分子量相同，但体积却不一样。因而必须寻找一个分子结构参数代替分子量，希望用这一参数求出的标定关系对所有高分子普遍适用，称为普适标定。

根据爱因斯坦（Einstein）公式

若已知一种聚合物的M1，只须简单计算，就能得到同一保留体积的另一种聚合物的M2。

式中K、α――对每一特定高分子－溶剂体系是常数。将此两式代入上式，并整理后得到

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