【正文】 ? 凝膠色譜的分離原理眾說不一，有體積排除、限制擴散、流動分離等各種解釋。實驗證明，體積排除的分離機理起主要作用。因此，這一技術(shù)又被賦予另一個名稱 —— 體積排除色譜(Size Exclusion Chromatography, SEC)。 體積排除機理 ? 分離的核心部件是一根裝有多孔性載體的色譜柱。最先被采用的載體是苯乙烯和二乙烯基苯共聚的交聯(lián)聚苯乙烯凝膠球。球的表面和內(nèi)部含有大量彼此貫穿的孔，孔的內(nèi)徑大小不等。隨后又發(fā)展了許多其他類型的凝膠以及各種無機多孔材料，如多孔硅球和多孔玻璃等。 孔 穴凝 膠 球? 進行實驗時，以待測試樣的某種溶劑充滿色譜柱，使之占據(jù)載體顆粒間的全部空隙和顆粒內(nèi)部的孔洞，然后把以同樣溶劑配成的試樣溶液自柱頭加入，再以這種溶劑自頭至尾淋洗，同時從色譜柱的尾端接受淋出液，計算淋出液的體積，并測定淋出液中溶質(zhì)的濃度。自試樣進柱到被淋洗出來，所接受的淋出液的總體積稱為該試樣的淋出體積。 ( a ) ( b ) ( c )( a ) 試 樣 的 注 入 ； ( b ) 淋 洗 ； ( c )繼 續(xù) 淋 洗? 當試樣隨淋洗溶劑進入柱子后，溶質(zhì)分子即向多孔性凝膠的內(nèi)部孔洞擴散。較小的分子除了能進入大的孔外，還能進入較小的孔，而較大的分子只能進入較大的孔，甚至完全不能進入孔洞而先被洗提。因而尺寸大的分子先被洗提出來，尺寸小的分子較晚被洗提出來，分子尺寸按從大到小的次序進行分離。 ( a ) ( b ) ( c )( a ) 試 樣 的 注 入 ； ( b ) 淋 洗 ； ( c )繼 續(xù) 淋 洗 ? 若用 Vg表示載體的骨架體積； Vi表示載體內(nèi)部所有孔洞的體積； Vo表示載體的粒間體積 那么，色譜柱內(nèi)總體積： Vt = Vo + Vi + Vg Vo + Vi構(gòu)成柱內(nèi)的空間 ? 對于溶劑分子來說，因它的體積很小，可以充滿柱內(nèi)的全部活動空間 Vo + Vi；而對于高分子來說，假若高分子的體積比孔洞的尺寸大，任何孔洞都進不去，那么它只能從載體的粒間流出，其淋出體積為 Vo。假若高分子體積很小，遠遠小于所有孔洞尺寸，它在柱中活動空間與溶劑相同，淋出體積為 Vo + Vi。假若高分子的體積是中等大小，高分子可以進入大的孔，而不能進入小的孔，其淋出體積介于 Vo和 Vo+Vi之間。 ? 這種不考慮溶質(zhì)和載體之間的吸附效應(yīng)以及溶質(zhì)在流動相和固定相之間的分配效應(yīng)，淋出體積僅僅由溶質(zhì)分子大小和載體孔尺寸決定，分離完全是由于體積排除效應(yīng)所致，故稱為體積排除機理。 2．儀器 ? 凝膠色譜儀由輸液系統(tǒng)、進樣器、色譜柱、濃度檢測器、分子量檢測器以及一些附屬電子儀器組成。 ① 載體和色譜柱 ? 載體是凝膠色譜產(chǎn)生分離作用的關(guān)鍵，載體的結(jié)構(gòu)是影響儀器性能的主要因素。載體除了要有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，有一定的機械強度，流動阻力小和對試樣沒有吸附作用外，還要求載體的分離范圍愈大愈好。 ? 分離范圍取決于載體的孔徑分布，孔徑分布愈寬則分離范圍也愈大。為了加大分離范圍，有時可選用幾種不同孔徑分布的載體混合裝柱。 ? 高分子的分離發(fā)生在 Vo和 Vo+Vi之間， Vo是柱內(nèi)載體的粒間體積，對分離是無效的，而且 Vo增大會使擴展效應(yīng)增大， Vi是載體內(nèi)部孔洞體積之和， Vi越大則可用于分離的容量越大。因此，要求色譜柱的 Vi/Vo越大越好，柱中載體裝填得越緊密則 Vo愈小。所以，載體的粒徑愈小，愈均勻，堆積得愈緊密，柱的分離效率愈高。 ? 色譜柱的分離效率用單位柱長的理論塔板數(shù) N來表示： ? 式中： Ve為淋出體積； L為柱長； W為峰寬。 ? 有時用 N的倒數(shù)來表示色譜柱的效率，稱為等效理論塔板高度 (HETP)，簡稱板高 (H)。 ② 濃度檢測 ? 對于凝膠色譜來說，級分的含量即是淋出液的濃度。常用的方法是用示差折光儀測定淋出液的折光指數(shù)與純?nèi)軇┑恼酃庵笖?shù)之差 Δn，以表征溶液的濃度。因為在稀溶液范圍， Δn與溶液濃度 C成正比。此外，還有紫外吸收，紅外光譜等各種類型的濃度檢測器。 ③ 分子量測定 ? 分子量的測定，有直接法和間接法。直接法是在測定淋出液濃度時，同時測定黏度或光散射，從而求出分子量。由于這種儀器設(shè)計和制造比較困難，尚未普遍使用。間接法是用一組分子量不等的，單分散試樣作為標準樣品，分別測定它們的淋出體積，作為分子量－淋出體積標定曲線。 常溫 GPC凝膠滲透色譜儀 產(chǎn)地：英國 PL(Polymer Laboratories) ? 主要特點： PLGPC50是適用于常溫到 50℃ 的高分離度，經(jīng)濟實用型 GPC系統(tǒng)。該系統(tǒng)的檢測器可選擇 UV檢測器及包括示差折光（ PLRI），黏度（ PLBV400RT）及光散射在內(nèi)的三束檢測器。其他的檢測器及系統(tǒng)也可根據(jù)需要組合。 Viscotek－ M302 TDA多檢測凝膠色譜系統(tǒng) 主要特點 a) 中溫凝膠色譜分離檢測系統(tǒng) b) 可選擇示差折光、紫外、黏度、直角 /小角光散射等多種凝膠色譜新型檢測器 Viscotek－M302 TDA多檢測凝膠色譜系統(tǒng) 產(chǎn)地：美國 三、 GPC譜圖 ? GPC得到的原始曲線是淋出體積 Ve與儀器響應(yīng)值（常用示差折光檢測器，其響應(yīng)值為 Δn）的關(guān)系。 ? 橫坐標是淋出體積，其值與分子量的對數(shù)值成比例；縱坐標代表淋出液的濃度，即單位體積的溶液中溶質(zhì)的重量，其值與試樣的重量分數(shù)成比例，也是重量微分分布函數(shù)。那么， GPC譜圖即可看成是以分子量的對數(shù)值為變量的微分重量分布曲線。 1．譜圖 ? Δn值經(jīng)歸一化后得重量分數(shù)： ? Ve還必須轉(zhuǎn)換成分子量才能成為分布曲線?，F(xiàn)代 GPC儀器已經(jīng)利用激光小角光散射或自動黏度計等方法對每一級分的分子量快速直接測定。 ? 利用一組已知分子量的標樣測得 Ve，以 lgM對Ve作圖得校準曲線，直線兩頭的拐彎是因為相對分子質(zhì)量太大的部分被完全排斥而相對分子質(zhì)量太小而完全 “ 滲透 ” 導(dǎo)致的。 單分散性標準試樣校正法： V 0 V elogMl o g M al o g M b分 子 量 － 淋 出 體 積 標 定 曲 線? 對于線性校正曲線可用下列方程表示： lgM=A－ BVe 2．數(shù)據(jù)處理 ① 條法計算平均分子量 ? 把 GPC曲線沿橫坐標分成 n等分，相當于把樣品分成 n個級分，由 GPC譜圖得到每個級分的淋洗體積 Vi和濃度響應(yīng) Hi，通過校正曲線求出 i級分的分子量，樣品平均分子量可按統(tǒng)計平均分子量定義計算： ? 式中： Hi為檢測器的響應(yīng)值。此法的優(yōu)點是適用于任何形狀的 GPC譜圖。 ② 函數(shù)適應(yīng)法（與基于溶解度的分級不同，這里利用正態(tài)分布函數(shù)） ? 許多聚合物的 GPC譜圖是對稱的，接近 Gauss（高斯）分布，可用正態(tài)分布函數(shù)描述： ? 式中： σ －標準方差，等于半峰寬的 1/2，近似等于峰底寬的 1/4； Vp－峰值處的淋出體積。 ? ?22e x pwnMdBM? ? ? ?? 此法的優(yōu)點是不必把響應(yīng)值歸一化處理成重量分數(shù)，而直接利用 GPC原始譜圖的峰寬和峰值即可計算。 ? 式中： B’ －以自然對數(shù)為底的校準曲線斜率，即 B’ ＝ B 。 四、凝膠色譜在高分子研究中的應(yīng)用 ? 在高分子材料生產(chǎn)過程中，可用 GPC分析監(jiān)測聚合過程，選擇最佳聚合工藝，研究聚合機理。采用不同的聚合工藝條件，得到的產(chǎn)品分子量分布是不同的。 ? 在高分子材料加工過程中，由于加熱和擠壓等作用，高聚物的分子量會發(fā)生變化，直接影響到材料的性能，用 GPC研究高聚物加工過程時，可以在加工過程中不斷吸取分樣，以確定最佳的加工條件。 ? 在共聚物中不僅存在分子量分布，而且其共聚組成也有一定的分布，這二者是相互關(guān)聯(lián)的。用 GPC可以同時測定共聚物的分子量分布和組成分布，既可研究共聚反應(yīng)過程，也可測定共聚物組成。 ? 一般利用 GPC測定共聚物組成有兩類方法：一類是利用 GPC與其他分析手段聯(lián)用。如 GPC－FTIR， GPC－ PGC等聯(lián)用，同時測定分子量分布與組成分布。另一類方法是利用雙檢測器，一般采用紫外檢測器與示差折射檢測器串聯(lián)。 ? 高分子在聚合過程中，如果產(chǎn)生支化，會使其一系列參數(shù)發(fā)生變化，也是影響高聚物性能的因素之一。 ? 利用 GPC研究支化聚合物，是依據(jù)高分子支化后其 [η]等一系列參數(shù)發(fā)生變化，支化后的聚合物比相當分子量的線性聚合物，在給定的溶劑中，具有較低的特性黏度和較小的流體力學體積。 ? 高分子材料的使用性能和壽命在很大程度上是與其所含有的助劑和殘留的小分子物有關(guān)。由于這些小分子物含量很低，而且還有可能是混合物，采用光譜方法測定比較困難。但由于小分子助劑和高分子的流體力學體積相差較大，采用 GPC法最理想。 ? 高分子材料在使用過程中，由于光、熱、氧及微生物的作用，會產(chǎn)生高分子鏈的降解，使高分子材料老化而影響其性能和使用壽命。 GPC是研究這種降解過程的良好手段。用 GPC可以觀察在使用過程中分子鏈的斷裂、偶合與交聯(lián)、可以為老化機理的研究提供必要的數(shù)據(jù)。 作業(yè)： ?，寫出它們的表達式及各自的測定方法分別有哪些？ ?（ GPC）的分離機理。