学术干货丨影响GPC/SEC测试的因素

引言：

GPC 用户经常会遇到这样的问题：通过GPC得到的平均分子量和预想/估算的分子量差别很大。在GPC系统测试中寻找解决这个问题的答案是一个艰巨的任务，但是必需去面对。我们的任务是去寻找一个符合逻辑的方式，通过检验那些影响GPC测试的重要因素，最大程度的减小GPC测试过程中可能会产生的误差，使得测试结果的准确性得到保障。

Gel Permeation Chromatography (GPC)，也称作Size Exclusion Chromatography (SEC) 或者Gel Filtration Chromatography (GFC)，是一种根据尺寸分离高分子材料的色谱技术。GPC柱子分离原理是基于分子大小而不是分子量（Mw），当样品从色谱柱中洗脱出来，使用一个或多个检测器对其进行检测，通过传统校正曲线，通用校正曲线或者多检测器联用计算得到不同的物理参数的分布，比如分子量，分子尺寸（包括回旋半径（Rg）和流体力学体积半径（Rh）），粘度特性，同时还有高分子结构，构象，缔合，共聚组成等信息。

GPC技术：

传统校正曲线：使用一个浓度检测器和一个校正的GPC柱子，提供相对分子量Mw和分散程度。优点：简单、便捷、广泛使用、相对便宜。缺点：检测样品只有和标样为相同物质分子量才准确、忽略结构差异，所有的标样和样品都假想为线性结构，不考虑支链，缔合和其他结构修饰。

通用校正曲线：使用粘度检测器，浓度检测器和校准的GPC柱子，提供真实分子量，分子尺寸，特性粘度，以及构象，缔合，支化度信息。优点：提供了真实的不依赖于标准物的分子量，粘度检测器提供了其他附加信息，如结构、构象、缔合、接枝，这些都是传统校正所不能提供的。

多（三或四）检测器联用：使用光散射检测器，粘度检测器，折光指数检测器，或紫外检测器。提供绝对分子量，分子尺寸，特性粘度，以及构象，缔合，支化度等信息。优点：光散射检测器提供了绝对分子量不需要色谱柱校正，粘度检测器同时提供特性粘度和结构信息，如构型，链刚性，支化度，缔合等，对于Rg>10 nm的高分子可检测Rg，可检测任意尺寸的高分子材料的Rh。

多检测器联用GPC硬件配置示意图：

GPC 验证过程中的质量控制

（1） 找到 “基本问题元素”：计算所需参数，计算过程 ；流速，样品浓度，进样体积，色谱柱 ；仪器冲洗，清洁，噪声水平。

（2） 通过标准样品检查仪器的性能：仪器常数，信号响应。

（3）数据处理 – 验证：测试一个通常使用的标准样品用于检验。

直接变量：（基本考虑因素）质量, 粘度计和光散射检测器常数, 校正曲线。

中间变量：（和直接变量同样重要） dn/dc, 流速, 样品浓度, 进样体积；在一个绝对的测试过程中，所有的变量都必须是绝对数值。

性能参数：（准确性和精确性）泵噪声，检测器噪声，软件整合，色谱柱，进样技术。

流速的贡献

（1） 影响分辨率：太高或者太低的流速对于轴向渗透和孔径保留不利 (保持流速在 0.5 - 1.5 mL/min: 注意溶剂的粘度)，超过 3% 的改变，将影响色谱柱的性能。

（2） 影响通过校正曲线的到的结果：1% 的流速误差造成 10% 以上的分子量误差。

（3）影响浓度，粘度和光散射检测器计算：产生的误差正比于流速误差。

浓度的贡献

（1） 影响分辨率：粘性指进/Viscous Fingering，色谱柱过量上样。

（2） 对通用校正的影响：粘度误差正比于浓度误差，分子量误差和浓度误差倒数成正比 ，Mark-Houwink 误差和浓度误差的平方成正比。

（3） 对于光散射的影响： 分子量误差正比于浓度误差，dn/dc 误差和分子量误差的平方成正比。

进样体积的贡献

（1） 影响分辨率：粘性指进/Viscous Fingering，色谱柱过量上样，初始分散，进样体积越大：精确性（重复性）增加，准确性下降。

（2）计算过程中的误差：和浓度误差相同。

dn/dc 的贡献

（1） dn/dc 影响 RI 信号：很小的 dn/dc 意味着 RI 信号很低，对于宽分布样品的测试影响最大，分布宽，难积分。

（2） dn/dc大小 严重影响 LS 信号：光散射信号正比于 (dn/dc)2。

（3）dn/dc 会扭曲 RI 和 LS 信号：无规共聚物的 dn/dc 随分子量改变而改，RI + LS 不能直接检测到分子量和浓度，交替共聚物没有这个问题。

实际影响因素

（1） 粘度检测器对于颗粒物的存在并不敏感，但是对于气泡十分敏感：气泡导致毛细管中的介质的可压缩性增加：这种可压缩性可以转化为很强的噪声，需要适当的溶剂脱气。气泡同时导致色谱柱降级：色谱柱内凝胶填料的膨胀和环境溶剂相关。

（2） 粘度检测器在没有脉冲/低脉冲下工作可以达到最佳性能：噪音模式取决于色谱泵脉冲输出：较高脉冲水平导致噪音。较高脉冲同时加速色谱柱退化：较大的压力变化改变色谱柱填料的堆积方式。

（3）通用校正曲线取决于流速的重复性：流速不稳定导致色谱曲线漂移：在一个测试过程中的流速漂移不能被更正。希望得到高重复性的流速控制：随着时间变化的流速改变可以通过人为添加一个标记物来更正，即使是使用了标记物来进行流速更正，较大的流速改变也会导致色谱柱分辨率的变化。

小结

凝胶渗透色谱 (GPC) 是一种表征聚物分子量和分子量分布等特征的物理化学 方法。 近年来，由于仪器的不断改进，包括高效填料的使用、多种检测器的联用及与计算机的联用、仪器操作和数据处理的自动化等，使其在高聚物领域中的 应用范围不断扩大。当使用高灵敏度的浓度和分子量检测器时，GPC 不但可以测 定线性高聚物平均分子量及其分布，还可提供高聚物的支化情况、共聚物的分子 量和化学组成等多种信息。但是不论用 GPC 进行哪一项研究，欲想得到定量数据，必然对 GPC 分析的精度和准确性提出要求。

本文由材料人编辑部高分子组u4109687253供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

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