凝膠滲透色譜的技術進展及其在高聚物中的應用

一、 凝膠滲透色譜法產生的背景

　　凝膠滲透色譜[GPC（Gel Permeation Chromatography）][也稱作體積排斥色譜(Size Exclusion Chromatography)]是上世紀60年代才發展起來的一種新型液相色譜，是色譜中較新的分離技術之一。簡而言之就是利用高聚物在凝膠色譜柱上所表現的分子量依賴性，對高聚物分級、測定高聚物統計平均分子量及分布的技術。GPC技術的產生、發展是隨高聚物在社會經濟發展中的廣泛應用而推動發展起來的。

1.高聚物的分子量特性

　　高聚物除有限的幾種天然蛋白質具有單一的分子量，其余的無論是天然的，還是合成的，都是由不同分子量的同系物構成的。這就決定了無論是像聚烯烴這樣的高聚物，還是其他的高聚物必然是分子量不均的混合物，只能用統計平均分子量加以描敘。同時由于組成高聚物的各個分子的分子量的不均一性，它們的分子量必將在一定的范圍分布（即分子量分布）。這就是高聚物分子量的多分散特性。

　　正是高聚物所具有的分子量的多分散特性，使得高聚物具有不同于別的材料的加工和使用性能。

2.測定高聚物分子量及分布的重要意義

　　高聚物的分子量對其力學性能有顯著的影響，同時高聚物的物理、機械性能不僅與平均分子量有密切的關聯，還受分子量分布的影響，分子量分布是表征高聚物分子鏈長短的重要參數。在加工中，高聚物的熔融體粘度強烈依賴高聚物的分質量分布。所以研究開發高聚物材料必須測定高聚物的分子量及其分布。

3.早期高聚物的平均分子量及分布的測定

　　早期人們通常利用高聚物的某一特性測定平均分子量，如粘度法、端基滴定法、超速離心法、光散射法，或利用溶液的依數性來測試分子量等。而分布的測定一般采取沉淀分級或離心分級的方法來測定。這些工作，要不只能測定單一的分子量，要不工作煩瑣，且沉淀分級法由于受限，結果誤差很大。

4. 凝膠滲透色譜的優點

• 實驗所需時間可以預先知道

• 整個淋洗均用單一淋洗劑，不使用梯度淋洗

• 試樣在柱中稀釋少，因而容易檢測

• 試樣能溶解就能測定，減少了用于試驗實驗條件的時間

• 組分的保留時間提供它們的分子尺寸信息

二、 凝膠滲透色譜發展的簡單回顧

　　上世紀60年代隨著液相色譜技術的不斷成熟和廣泛應用，人們在用凝膠色譜分離高分子化合物時發現了高分子化合物隨凝膠孔徑大小分布的分子量依賴性，從而建立一種新的測試高聚物的分子量及分布的液相色譜技術，稱之為體積排除色譜；常常根據測試的對象不同，使用的溶劑為有機的稱為凝膠滲透色譜（GPC）；溶劑為水的稱為凝膠過濾色譜（GFC）。此種技術可以將高聚物按分子量連續分級測定，從而測得高聚物各個統計平均分子量和分布。

　　利用多孔性物質按分子體積大小進行分離，在很早就已經有這方面的報道。Mc Bain用人造沸石成功地分離了氣體和低分子量的有機化合物，1953年Wheaton和Bauman用離子交換樹脂按分子量大小分離了苷、多元醇和其它非離子物質。1959年Porath和Flodin用交聯的縮聚葡糖制成凝膠來分離水溶液中不同分子量的樣品。而對于有機溶劑體系的凝膠滲透色譜來說，首先需要解決的是制備出適用于有機溶劑的凝膠。二十世紀60年代J.C.Moore在總結了前人經驗的基礎上，結合大網狀結構離子交換樹脂制備的經驗，將高交聯度聚苯乙烯凝膠用作柱填料，同時配以連續式高靈敏度的示差折光儀，制成了快速且自動化的高聚物分子量及分子量分布的測定儀，從而創立了液相色譜中的凝膠滲透色譜技術。

三、凝膠滲透色譜的應用

　　三十多年來，凝膠滲透色譜的理論、實驗技術和儀器的性能等方面有了突飛猛進的發展。尤其是隨著新型柱填料的誕生、高效填充柱的出現(目前其理論塔板數已超過10,000/米)以及計算機的普及，凝膠滲透色譜在工業、農業、醫藥、衛生、國防、宇航以及日常生活的各個領域得到了廣泛的應用。特別是近年來，隨著各種高分子材料的問世，人們對高分子科學的不斷探索，高聚物的分子量及其分布的測定顯得尤為重要，成為科研和生產中不可缺少的測試項目之一。例如：常見的聚苯乙烯塑料制品，其分子量為十幾萬，如果聚苯乙烯的分子量低至幾千，就不能成型；相反，當分子量大到幾百萬，甚至幾千萬，它又難以加工，失去了實用意義。科研和生產上通過控制高聚物的分子量及其分布寬度指數D(D=Mw/Mn)、分子量微分分布曲線、分子量積分分布曲線來生產出高性能的高聚物產品。

　　另外，除了快速測定分子量及其分布以外，凝膠滲透色譜還廣泛用于研究高聚物的支化度，共聚物的組成分布及高聚物中微量添加劑的分析等方面。如果配以在線的分子量檢測器（如：LALLS、Multi-Angle LS、Dual-Angle LS等），凝膠滲透色譜可以測定高聚物的分子量。凝膠滲透色譜作為一門新興的科學，隨著各種新型檢測器的出現（如UV、FT-IR、LS、Viscometer等），它的應用范圍也逐步從生物化學、高分子化學、無機化學等向其它領域滲透，成為化學領域內必不可少的分析手段。

四、凝膠滲透色譜的基本概念

1. 凝膠滲透色譜的分離機理

　　目前關于凝膠滲透色譜的分離機理存在著以下幾種基本理論：1.立體排斥理論；2.有限擴散理論；3.流動分離理論。除上述理論外，尚有分子熱力學理論和二次排斥理論等。由于應用立體排斥理論解釋凝膠滲透色譜中的各種分離現象與事實比較一致，因此立體排斥理論已為人們普遍采用。即：它的分離基礎主要依據溶液中分子體積（流體力學體積）的大小來進行分離。

    凝膠滲透色譜的分離過程是在裝有多孔物質為填料的色譜柱中進行的，一個填料的顆料含有許多不同尺寸的小孔（這些小孔具有一定的分布），這些小孔對于溶劑分子來說是很大的，它們可以自由地擴散出入。由于高聚物在溶液中以無規線團的形式存在，且高分子線團也具有一定的尺寸，當填料上的孔洞尺寸與高分子線團的尺寸相當時，高分子線團就向孔洞內部擴散。顯然，尺寸大的高聚物分子，由于只能擴散到尺寸大的孔洞中，在色譜柱中保留的時間就短；而尺寸小的高聚物分子，幾乎能夠擴散到填料的所有的孔洞中，向孔內擴散的較深，在色譜柱中保留的時間就長。因此，不同分子量的高聚物分子就按分子量從大到小的次序隨著淋洗液的流出而得到分離。圖1是不同尺寸的高聚物分子分離過程。

　　圖1 高聚物分子分離過程

2. 凝膠滲透色譜儀

　　簡單地說，凝膠滲透色譜儀由以下四部分構成：1.輸液系統（包括溶

　　液儲存器、輸液泵。進樣器等），2.色譜柱系統（包括柱溫控制箱），3。檢測器（RI、UV等），4.數據收集及數據處理系統（包括模數轉換器、計算機、打印機/繪圖儀等）。其流程圖如圖2示。實驗上，在色譜柱后面配以（通用型/選擇型）濃度監測器，便可以記錄出高聚物的GPC圖，如圖3示。

　　圖2 凝膠滲透色譜儀

　　圖3 高聚物的GPC原始譜圖

3．高聚物的幾種平均分子量

　　高聚物GPC計算結果一般可以給出以下四種最常用幾種平均分子量。

　　其中Ni：分子量為Mi的分子的個數；Wi：分子量為Mi的組分的重量；

　　α：特性粘度－分子量方程中的常數

　　Mz＞ Mw ＞ M η＞ Mn

　　圖4 高聚物平均分子量在GPC譜圖中的示意圖

4．高聚物的分子量分布

　　高聚物的分子量分布是指樣品中各種分子量組分在總量中所占的各自的分量，它可以用一條分布曲線或一個分布函數來表示。分子量分布曲線有兩種形式：

　　(1)用重量分數W對分子量作圖的曲線叫做微分分布曲線

　　(2)用累積重量分布對分子量作圖的曲線叫積分分布曲線

　　 樣品分子量分布寬度的比較，最直接的方法是將實驗所得到的分子量分布曲線作對比。還有一種更一般化且最常用的定量方法就是重均數均比，即：Mw/Mn。

　　圖4 微分分布曲線和積分分布曲線的示意圖

　　大量的實驗數據證明，高聚物材料的宏觀性能與其微觀結構有著密切的聯系。高聚物的分子量及其分子量分布是高聚物結構中兩個重要的參數。凝膠滲透色譜技術的發展，大大推動了高聚物分子量、分子量分布與其性能間關系的研究。