如何看懂GPC譜圖

一、基本介紹：

凝膠滲透色譜(GelPermeationChromatography，簡稱:GPC)一種快速而又簡單的分離分析技術(shù)，由于設(shè)備簡單、操作方便，不需要有機溶劑，對高分子物質(zhì)有很高的分離效果。不僅可用于小分子物質(zhì)的分離和鑒定，而且可以用來分析化學性質(zhì)相同分子體積不同的高分子同系物。(聚合物在分離柱上按分子流體力學體積大小被分離開）。

二、基本原理：

當被分析的試樣隨著淋洗溶劑引入柱子后，溶質(zhì)分子即向填料內(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;較大分子則只能進入較大的孔;而比最大的孔徑還要大的分子就只能留在填料顆粒之間的空隙中。因此，隨著溶劑的淋洗，大小不同的分子就得到分離，較大的分子先被淋洗出來。

較小的分子較晚被淋洗出來。（鑠思百檢測）

GPC數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式（以傳統(tǒng)GPC為例子）

一般GPC的數(shù)據(jù)結(jié)果會包含以下4個部分。

1）流出曲線圖

2）分子量分布曲線圖

3）分子量統(tǒng)計結(jié)果

4）切片數(shù)據(jù)。

流出曲線圖

分子量分布曲線圖

分子量統(tǒng)計結(jié)果

切片數(shù)據(jù)

1. 切片數(shù)據(jù)

在此我們要先說明一下什么叫切片數(shù)據(jù)，不管從流出曲線圖還是分子量分布曲線圖我們看到的都是一條曲線，但是實際上在測試過程中，這條曲線是擬合的結(jié)果，實際上在GPC測試的過程中，是一份一份進行測試的。例如，我們將1s時間內(nèi)通過檢測器溶液作為一個部分，測試他的信號響應，然后將第二個1s時間內(nèi)用過檢測器的溶液作為第二個部分，將整個流程切分為很多個部分，對每一個部分進行測量，最后先得到的是如下圖左邊的直方圖，只要我們切分的組分足夠多，它與曲線的相似度就越高，從而得到如下圖右邊的曲線圖。我們就將這切分成一份一份的數(shù)據(jù)稱為切片數(shù)據(jù)。

2. 流出曲線圖：

如圖。橫坐標為時間，縱坐標為信號強度，如之前我們說的，GPC的色譜柱就是將分子按照從大到小的先后順序排列分離，分子量大的通過時間短，分子量小的通過時間長，流出曲線圖就是代表著這一個過程。有信號產(chǎn)生就代表著有目標物質(zhì)通過，信號強度就代表著含量，下方的時間結(jié)合標準曲線的換算就能得到分子量分布曲線圖，同時在這里也能直觀的看出有幾個出峰，一般有幾個出峰就代表著有幾種分子量分子。（鑠思百檢測）

3. 分子量分布曲線圖

如圖所示：橫坐標為分子量，從小到大排列?？v坐標分為左右兩邊，左邊代表信號每種分子量的信號強度，越高代表這個分子量的分子越多。右邊代表累積分的結(jié)果，即圖中那條從0%開始慢慢漲到到100%的的曲線，這條稱為累積積分曲線，利用它可以直接在圖中估計任意分子量區(qū)間的分子在總分子中的占比。

舉個例子：如圖中，可以直接讀出：分子量在100至10000之間分子約占總量的25%。通過分子量分布曲線圖，我們可以直觀的從圖中得到各種分子量的分子具體分分布情況以及含量的情況。

4. 分子量統(tǒng)計結(jié)果

如圖中所示左邊的編號代表峰號，當出現(xiàn)多個峰的完整峰的時候一般會分開計算。后面依次是一些統(tǒng)計量的分子量結(jié)果。分別有：

Mn（數(shù)均分子量）

Mw（重均分子量）

Mp（峰值分子量）

Mz（Z均分子量）

Polydispersity（多分散系數(shù)）

.....

到這里應該有很多人就蒙了，這么多分子量數(shù)據(jù)之間的差異還這么大，到底哪個才是我們測試出來的分子量？其實這些都是待測物的分子量，數(shù)據(jù)差異的原因只是因為統(tǒng)計的方式不一樣導致的，沒錯，統(tǒng)計方式，分子量的結(jié)果是一個統(tǒng)計結(jié)果，這個是高分子的特殊性質(zhì)決定的，一個高分子樹脂里面可能包含著成千上萬種分子，分子量從上千到幾十萬可能都有，我們不可能一一列舉，列舉也沒有意義，因此表征高分子物質(zhì)的分子量結(jié)果是一個統(tǒng)計值，但是統(tǒng)計的方式根據(jù)各自統(tǒng)計方式的不一樣會得到不同的分子量結(jié)果，這個就是為什么上面會有這么多分子量出現(xiàn)的原因，而不同的統(tǒng)計方式出現(xiàn)的結(jié)果相互結(jié)果也能表征出高分子材料整體的性質(zhì)。

一般來說最常會關(guān)注的是以下幾個結(jié)果Mn（數(shù)均分子量）、Mw（重均分子量）、Mp（峰值分子量）、Polydispersity（多分散系數(shù)）以上四個結(jié)果是最實用的，下面來對這些數(shù)據(jù)的含義進行說明：

1. Mp（峰值分子量）

顧名思義，就是峰頂端的分子量，通過之前的流出曲線圖或者分子量分布曲線圖，曲線的最高峰處的分子量就是峰值分子量。

2. Mn（數(shù)均分子量）

以數(shù)目為加權(quán)進行統(tǒng)計的分子量結(jié)果，計算公式如下：

簡單來說，就是先取其中一種分子的分子量與乘以這種分子在總分子數(shù)中的占比，然后將所有分子量的分子都這么處理之后求和得到。

例如，我們的溶液中有分子量100、200、300、2000的各有4、3、2、1個，分子總數(shù)就應該是10個。那么求得的結(jié)果就應該是Mn=100*（4/10）+200*（3/10）+300*（2/10）+2000*（1/10）=360

3. Mw（重均分子量）

以質(zhì)量作為加權(quán)進行統(tǒng)計的分子量結(jié)果，計算公式如下：

我們可以發(fā)現(xiàn)，重均分子量量與數(shù)均分子量好像就是再公式上多乘上了一個M？根據(jù)質(zhì)量計算公式m=n*M得來，類似于數(shù)據(jù)分子量，重均分子量就是先取其中一個分子的分子量乘以這種分子在總分子質(zhì)量中的占比，然后將所有分子量的分子都這么處理之后求和得到。

我們依舊用上面求數(shù)均分子量的數(shù)據(jù)試著求一下：

所有分子的總質(zhì)量=4*100+3*200+2*300+1*2000=3600

Mw=100*（4*100/3600）+200*（3*200/3600）+300*（2*300/3600）+2000*（1*2000/3600）≈1205

4. Polydispersity（多分散系數(shù)）

重均分子量與數(shù)均分子量的比值就稱為多分散系數(shù)，即PD=Mw/Mn，還是用上面的數(shù)據(jù)：PD=1205/360=3.347 。

上面各自的名稱代表的含義已經(jīng)說明白了，那么他們各自又有著說明意義？為什么要這么去體現(xiàn)高分子材料的分子量信息？

首先Mp比較直觀，其實就是代表著這個分子量左右分分子在整個材料的占比是最多的。而Mn更多會體現(xiàn)小分子物質(zhì)在材料中情況，因為分子量越小會導致分子數(shù)據(jù)越多，而Mw更多的體現(xiàn)的大分子物質(zhì)才材料的情況，因為分子量越大則單個分子會更重，PD系數(shù)則體現(xiàn)了整體大分子與小分子的分布情況，系數(shù)越接近1就代表著分子量分布越小，分子量越集中，所有的分子分子量都在一個比較窄的范圍內(nèi)。系數(shù)越大則分布越寬，說明大大小小各種分子量的分子都存在。（其中系數(shù)約等于1的我們稱之為單分散物質(zhì)，理想的單分散物質(zhì)系數(shù)等于1即材料中只有一種分子量的分子，但是現(xiàn)實中一般較難實現(xiàn)。）

因此如果要表征一個高分子材料的分子量情況，一般是需要從多個角度去看的，而不是單一看一個結(jié)果。

如果必須選取一個數(shù)值作為代表，一般工業(yè)上常使用重均分子量作為代表，因為高分子物質(zhì)具有諸多特異性的性能主要就因為他們的分子量特別高，而重均分子量正好體現(xiàn)的是大分子的情況，而大分子的也更能體現(xiàn)高分子材料的特性。

如上面我們計算過程中的例子，其中100-300分子量的物質(zhì)很可能就是其中未反應的殘留物質(zhì)，其中會讓材料產(chǎn)生高分子特性的可能就為2000分子量的那個分子，但是在Mn中計算之后其分子量結(jié)果是360，而Mw的是1205。很顯然在以Mn作為參考值的話基本就忽略掉了2000分子量的那個高分子可能引入的高分子特性。所以一般工業(yè)上常說的分子量如果未特指，一般采用重均分子量Mw作為表征結(jié)果。

GPC圖譜實例分析

實例分析一：常見的GPC檢測器為示差折光檢測器，縱坐標（MV）表示樣品與溶劑間的折光指數(shù)差，示差折光檢測器的響應信號與溶質(zhì)的濃度成正比；橫坐標表示保留時間，根據(jù)凝膠滲透色譜原理，化合物按照分子量從大到小依次出峰。PDI表征物質(zhì)分散性，GPC的多分散系數(shù)是重均分子量與數(shù)均分子量之比（即D=Mw/Mn），絕對單分散的話PDI等于1，一般活性聚合認為PDI小于1.2可看作窄分散。（注：此處GPC中所指的PDI的含義不同于粒度儀所指的PDI，一般認為粒度分布小于0.1，甚至小于0.08才看作窄分散。）

（Adv.Funct. Mater. 2018,1806567）此處主要表征聚合物的分子量。20min出峰為主要的聚合物峰，數(shù)均摩爾質(zhì)量為26370g/mol；30-35min出峰主要為洗脫溶劑。

實例分析二：

（Adv.Funct. Mater. 2018,1806567）此處主要表征聚合物的分子量。20min出峰為主要的聚合物峰，數(shù)均摩爾質(zhì)量為26370g/mol；30-35min出峰主要為洗脫溶劑。

實例分析三：

（Angew.Chem. Int. Ed. 2016, 55, 1204–1207）GPC用于監(jiān)測反應。頂部的聚合物有10個不同顏色的取代基團，依次對應左下方不同取代基團聚合物的GPC譜圖，右側(cè)質(zhì)譜圖。接枝不同的基團后，聚合物的尺寸發(fā)生變化，聚合物保留時間也就隨之改變，達到監(jiān)測反應發(fā)生的目的。

【常見問題】

1. 溶劑的選擇?

? 能溶解多種聚合物;

? 不能腐蝕儀器部件;

? 與檢測器相匹配。

2. 樣本的準備?

激光光散射實驗中必須對樣品嚴格除塵。溶液除塵是光散射成敗的關(guān)鍵。首先是溶劑除塵，配置測試樣品的溶劑應進行精餾，并經(jīng)過0.2μm超濾膜過濾后方可使用。配好的溶液也要用0.2μm的超濾膜過濾。另外，測試中所用的器械，如：注射器等，使用前要用洗液浸泡，清水強力沖洗。

3. GPC色譜柱選擇？

(1)按照樣品所溶解的溶劑來選擇柱子所屬系列（THF、氯仿、DMF）。必須選擇合適的溶劑來溶解聚合物

(2)按照樣品分子量范圍來選擇柱子型號

樣品分子量應該處在排阻極限和滲透極限范圍內(nèi)，并且最好是處在校正曲線線性范圍內(nèi)

4. GPC儀器對載體的要求？

(1)良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；

(2)有一定的機械強度；

(3)不易變形；

(4)流動阻力??；

(5)對試樣沒有吸附作用；

(6)分離范圍越大越好(取決于孔徑分布)等；

(7)載體的粒度愈小，愈均勻，堆積的愈緊密，色譜柱分離效率愈高。

5. 進樣體積？

50-100uL之間(濃度在0.05%-0.5%之間)

6. GPC系統(tǒng)如何平衡？

(1)安裝色譜柱之前，用兩通管連接管路，用流動相替換系統(tǒng)后換上GPC柱子。(注意溶劑互溶情況)

(2)RID平衡操作

分析開始前，用流動相沖洗檢測器流路。流動相流速1ml/min，切換到RFlow，使流動相通過檢測池的樣品池和參比池，沖洗20min左右。然后切換RFlow 流路數(shù)次，將氣泡趕出檢測池。關(guān)閉RFlow，等待基線平穩(wěn)。當Balance值高于50，進行Balance調(diào)整。

(3)色譜柱平衡

等溶劑峰出峰后在經(jīng)過約一次分析時間后基線才能走平。

以上是GPC案例實際應用分析介紹。