GPC原理分析课件.ppt
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- GPC 原理 分析 课件
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1、 第一节第一节 色谱分析方法导论色谱分析方法导论20 20 世纪中期,大量采用世纪中期,大量采用一些经典的分离方法:沉一些经典的分离方法:沉淀、蒸馏和萃取现代分析淀、蒸馏和萃取现代分析中,大量采用色谱和电泳中,大量采用色谱和电泳分离方法。迄今为止,色分离方法。迄今为止,色谱方法是最为有效的分离谱方法是最为有效的分离手段!其应用涉及每个科手段!其应用涉及每个科学领域。学领域。5050年代,色谱发展最快(年代,色谱发展最快(一些新型色谱技术的发展一些新型色谱技术的发展;复杂组分分析发展的要;复杂组分分析发展的要求。求。 1937-19721937-1972年,年,1515年中有年中有1212个个N
2、obelNobel奖是有关色谱奖是有关色谱研究的!研究的! 第一节第一节 色谱分析方法导论色谱分析方法导论 第一节第一节 色谱分析方法导论色谱分析方法导论色谱分离基本原理:色谱分离基本原理: 使用外力使含有样品的流动相(气体、液体或超临界流使用外力使含有样品的流动相(气体、液体或超临界流体)通过一固定于柱或平板上、与流动相互不相溶的固定体)通过一固定于柱或平板上、与流动相互不相溶的固定相表面。样品中各组份在两相中进行不同程度的作用。与相表面。样品中各组份在两相中进行不同程度的作用。与固定相作用强的组份随流动相流出的速度慢,反之,与固固定相作用强的组份随流动相流出的速度慢,反之,与固定相作用弱的
3、组份随流动相流出的速度快。由于流出的速定相作用弱的组份随流动相流出的速度快。由于流出的速度的差异,使得混合组份最终形成各个单组份的度的差异,使得混合组份最终形成各个单组份的“带带(band)(band)”或或“区区(zone)(zone)”,对依次流出的各个单组份物质,对依次流出的各个单组份物质可分别进行定性、定量分析。可分别进行定性、定量分析。 第一节第一节 色谱分析方法导论色谱分析方法导论色谱分类方法:色谱分类方法:1. 1. 按固定相外形分:按固定相外形分: 柱色谱(填充柱、空心柱)、平板色谱(薄层色谱和纸色谱柱色谱(填充柱、空心柱)、平板色谱(薄层色谱和纸色谱。2. 2. 按组份在固定
4、相上的分离机理分:按组份在固定相上的分离机理分: 吸附色谱:不同组份在固定相的吸附作用不同;吸附色谱:不同组份在固定相的吸附作用不同; 分配色谱:不同组份在固定相上的溶解能力不同;分配色谱:不同组份在固定相上的溶解能力不同; 离子交换色谱:不同组份在固定相(离子交换剂)上的亲和离子交换色谱:不同组份在固定相(离子交换剂)上的亲和力不同;力不同; 凝胶色谱(尺寸排阻色谱)不同尺寸分子在固定相上的渗透凝胶色谱(尺寸排阻色谱)不同尺寸分子在固定相上的渗透作用。作用。 3. 按两相状态分按两相状态分第一节第一节 色谱分析方法导论色谱分析方法导论分类分类 方法方法 固定相固定相 平衡类型平衡类型 气液色
5、谱气液色谱 液体吸附液体吸附于于固体固体 气液间分配气液间分配 气固色谱气固色谱 固体吸附剂固体吸附剂 吸附吸附 气气 相相 色色 谱谱 气相键合色谱气相键合色谱 有机组份键合于有机组份键合于固体表面固体表面 液体和键合体液体和键合体表面间的分配表面间的分配 液液色谱液液色谱 液体吸附液体吸附于于固体固体 不相溶液体间不相溶液体间的分配的分配 液固液固 (吸附吸附)色色谱谱 固体吸附剂固体吸附剂 吸附吸附 液相键合色谱液相键合色谱 有机组份键合于有机组份键合于固体表面固体表面 液体和键合体液体和键合体表面间的分配表面间的分配 离子交换色谱离子交换色谱 离子交换树脂离子交换树脂 离子交换离子交换
6、 液液 相相 色色 谱谱 凝胶渗透凝胶渗透(尺寸尺寸排阻排阻)色谱色谱 液体附于多孔聚液体附于多孔聚合物合物 分配分配/筛析筛析 超临界超临界流体流体 有机组份键合于有机组份键合于固固体表面体表面 超临界流体和超临界流体和键合相间键合相间分配分配 GPC 18601930: porous materials have adsorption-separation function (especially for dye) 19401970: appearance of Liquid Chromatography 1964: The first GPC produced by Waters com
7、pany 1970: HPLC (rapid test 、good separation effects、less sample、more sensitive);New technology of HPLC applied in GPC area6.1 Background6.1 BackgroundSignificance of Molecular Weight Distribution (MWD) Statistic Average Molecular WeightExpressions of MWDMeasurement of MWDRelation between molecular
8、weight and properties of polymer6.1.2 6.1.2 Statistic Average Molecular WeightNumber-average Molecular WeightWeight-average Molecular Weight6.1.2 6.1.2 Statistic Average Molecular WeightZ-average Molecular WeightViscosity-average Molecular Weight6.1.3 6.1.3 Expressions of MWDParametersBreadth parame
9、ter of molecular weight distribution: variance and standard deviation between different molecular weights and the average molecular weightPolydispersity index of molecular weight: 6.1.3 6.1.3 Expressions of MWDGraphic MethodsDiscrete distribution curvesContinual distribution curves 第一节第一节 色谱分析方法导论色谱
10、分析方法导论色谱流出曲线(色谱图)色谱流出曲线(色谱图)混合组分的分离过程混合组分的分离过程及检测器对各组份在及检测器对各组份在不同阶段的响应不同阶段的响应第一节第一节 色谱分析方法导论色谱分析方法导论色谱术语:色谱术语:1 1)基线:在实验条件下)基线:在实验条件下,色谱柱后仅有纯流动,色谱柱后仅有纯流动相进入检测器时的流出相进入检测器时的流出曲线称为基线,曲线称为基线,S/NS/N大的大的、稳定的基线为水平直、稳定的基线为水平直线。线。2 2)峰高:色谱峰顶点与)峰高:色谱峰顶点与基线的距离。基线的距离。3 3)保留值)保留值(Retention value, R)(Retention v
11、alue, R) a.a. 死时间死时间(Dead time, t(Dead time, t0 0) ) :不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大值时:不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大值时的时间,它与色谱柱的空隙体积成正比。由于该物质不与固定相作用,因此,其流的时间,它与色谱柱的空隙体积成正比。由于该物质不与固定相作用,因此,其流速与流动相的流速相近。速与流动相的流速相近。 第一节第一节 色谱分析方法导论色谱分析方法导论 b. 保留时间保留时间tr:试样从进样到出现峰极大值时的时间。它包括组份随流动相:试样从进样到出现峰极大值时的时间。它包括组份随流动相通过柱子的时间通过柱子的时间t0和
12、组份在固定相中滞留的时间。和组份在固定相中滞留的时间。 c. 调整保留时间调整保留时间 :某组份的保留时间扣除死时间后的保留时间,它是组:某组份的保留时间扣除死时间后的保留时间,它是组份在固定相中的滞留时间。即份在固定相中的滞留时间。即 由于时间为色谱定性依据。但同一组份的保留时间与流速有关,因此有时由于时间为色谱定性依据。但同一组份的保留时间与流速有关,因此有时需用保留体积来表示保留值。需用保留体积来表示保留值。 d. 死体积死体积V0:色谱柱管内固定相颗粒间空隙、色谱仪管路和连接头间空隙:色谱柱管内固定相颗粒间空隙、色谱仪管路和连接头间空隙和检测器间隙的总和。勿略后两项可得到:和检测器间隙
13、的总和。勿略后两项可得到:其中,其中,Fco为柱出口的载气流速为柱出口的载气流速(mL/min),其值为:,其值为:F0-检测器出口流速;检测器出口流速;Tr-室温;室温;Tc-柱温;柱温;p0-大气压;大气压;pw-室温时水蒸汽压。室温时水蒸汽压。rt0rrttt co00FtV 0w0rc0copppTTFF 第一节第一节 色谱分析方法导论色谱分析方法导论 e. 保留体积保留体积Vr:指从进样到待测物在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相:指从进样到待测物在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积。的体积。 f. 调整保留体积调整保留体积 :某组份的保留体积扣除死体积后的体积。:某组份的保留
14、体积扣除死体积后的体积。 g. 相对保留值相对保留值r2,1:组份:组份2的调整保留值与组份的调整保留值与组份1的调整保留值之比。的调整保留值之比。注意:注意: r2,1只与柱温和固定相性质有关,而与柱内径、柱长只与柱温和固定相性质有关,而与柱内径、柱长L、填充情况及流动相、填充情况及流动相流速无关,因此,在色谱分析中,尤其是流速无关,因此,在色谱分析中,尤其是GC中广泛用于定性的依据!中广泛用于定性的依据!具体做法:固定一个色谱峰为标准具体做法:固定一个色谱峰为标准s,然后再求其它峰,然后再求其它峰 i 对标准峰的相对保留值对标准峰的相对保留值,此时以,此时以 表示:表示: 1, 又称选择因
15、子又称选择因子(Selectivity factor)。cor0FtV rVcor0rrFtVVV 1r2r1r2r1 , 2VVttr )s(t)i (tsr 色谱法基本原理色谱法基本原理1) 1) 分配系数分配系数(Distribution constant, K)(Distribution constant, K): 描述组份在固定相和流动相间的分配过程或吸附描述组份在固定相和流动相间的分配过程或吸附- -脱附过程脱附过程的参数,称为分配系数。的参数,称为分配系数。第一节第一节 色谱分析方法导论色谱分析方法导论描述分配过程的参数描述分配过程的参数msccK 溶质在流动相中的浓度溶质在流动
16、相中的浓度溶质在固定相中的浓度溶质在固定相中的浓度K K 只与固定相和温度有关,与两相体积、柱管特性和所用仪器无关。只与固定相和温度有关,与两相体积、柱管特性和所用仪器无关。 第一节第一节 色谱分析方法导论色谱分析方法导论2)选择因子选择因子 :色谱柱对:色谱柱对A、B两组分的选择因子两组分的选择因子 定义如下:定义如下:A AB Br rr rK KK KA At tB Bt t )()( A A为先流出的组分,为先流出的组分,B B为后流出的组分。为后流出的组分。注意:注意:K K 反映的是某一组分在两相间的分配;而反映的是某一组分在两相间的分配;而 是反映是反映两组分间的分离情况!当两组
17、分两组分间的分离情况!当两组分 K K 相同时,相同时, =1 =1 时,两时,两组分不能分开;当两组分组分不能分开;当两组分 K K 相差越大时,相差越大时, 越大,分离得越大,分离得越好。也就是说,两组分在两相间的分配系数不同,是色越好。也就是说,两组分在两相间的分配系数不同,是色谱分离的先决条件。谱分离的先决条件。 和和 K K 是计算色谱柱分离效能的重要参数!是计算色谱柱分离效能的重要参数! 第一节第一节 引言引言凝胶色谱法是一种新型的液体色谱凝胶色谱法是一种新型的液体色谱(Gel Permeation ChromatographyGel Permeation Chromatograp
18、hy 简称 GPCGPC)别名:体积排除色谱别名:体积排除色谱(Size Exclusion Chromatography (Size Exclusion Chromatography 简称简称 SEC)SEC)凝胶过滤色谱凝胶过滤色谱(Gel Filtration Chromatography (Gel Filtration Chromatography 简称简称GFC)GFC)等。等。从分离机理看,使用体积排除色谱从分离机理看,使用体积排除色谱(SEC)(SEC)较为确切。较为确切。 第一节第一节 引言引言19641964年由年由J. C. MooreJ. C. Moore首先研究成功首先
19、研究成功 (J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 19641964, 2(2): 835-843) 在总结前人经验的基础上,结合大网状结构离子交换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。凝胶渗透色谱技术。 第一节第一
20、节 引言引言主要特点主要特点 操作简便快捷、进样量小、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。数据可靠且重现性好、自动化程度高等。 应用领域应用领域 应用于聚合物分子量及其分布、聚合物的支化度、共聚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、高聚物中微物及共混物的组成、聚合物分级及其结构分析、高聚物中微 量添加剂的分析等。如果配以在线的绝对分子量检测器量添加剂的分析等。如果配以在线的绝对分子量检测器(如:(如:LALLSLALLS、Multi-Angle LSMulti-Angle LS、Dual-Angle LSDual-
21、Angle LS等),凝胶等),凝胶渗透色谱可以测定高聚物的绝对分子量。渗透色谱可以测定高聚物的绝对分子量。 第二节第二节 机理机理 当被分析的试样随着淋当被分析的试样随着淋洗溶剂引入柱子后,溶质分洗溶剂引入柱子后,溶质分子即向填料内部孔洞扩散。子即向填料内部孔洞扩散。较小的分子除了能进入大的较小的分子除了能进入大的孔外,还能进入较小的孔;孔外,还能进入较小的孔;较大分子则只能进入较大的较大分子则只能进入较大的孔;而比最大的孔还要大的孔;而比最大的孔还要大的分子就只能留在填料颗粒之分子就只能留在填料颗粒之间的空隙中。因此,随着溶间的空隙中。因此,随着溶剂的淋洗,大小不同的分子剂的淋洗,大小不同
22、的分子就得到分离,较大的分子先就得到分离,较大的分子先被淋洗出来,较小的分子较被淋洗出来,较小的分子较晚被淋洗出来。晚被淋洗出来。 第二节第二节 机理机理VtV0ViVgVt: 色谱柱总体积色谱柱总体积 V0: 载体的粒间体积载体的粒间体积Vi: 载体内部的空洞体积载体内部的空洞体积 Vg: 载体的骨架体积载体的骨架体积溶剂分子:溶剂分子: V0中的溶剂称为流动相;中的溶剂称为流动相; Vi中的溶剂称为固定相中的溶剂称为固定相高分子:高分子:1) 体积比孔洞尺寸大,淋出体积即为体积比孔洞尺寸大,淋出体积即为V0; ; 2) 体积远小于所有孔洞体积,淋出体积即为体积远小于所有孔洞体积,淋出体积即
23、为V0 +Vi ; 3) 体积中等,淋出体积则大于体积中等,淋出体积则大于V0,小于,小于V0 +Vi. 第二节第二节 机理机理Ve: 溶质的淋出体积;溶质的淋出体积;K : 分配系数分配系数 (孔体积孔体积Vi中可以被溶质分子进入的部分与中可以被溶质分子进入的部分与Vi之比之比) 特别大的溶质分子:特别大的溶质分子:VeV0,K0; 特别小的溶质分子:特别小的溶质分子:VeV0Vi,K1 中等大小的溶质分子:中等大小的溶质分子:V0 Ve V0+Vi,0 K 1VeV0KViK =Ve - ViVi孔穴孔穴填充物填充物颗颗粒粒 大大 中中小小样样品品 第二节第二节 机理机理 溶质分子的体积越
24、小,其淋出体积越大。这种解释不溶质分子的体积越小,其淋出体积越大。这种解释不考虑溶质与载体之间的吸附效应以及在流动相和固定相考虑溶质与载体之间的吸附效应以及在流动相和固定相之间的分配效应,其淋出体积仅仅由溶质分子尺寸和载之间的分配效应,其淋出体积仅仅由溶质分子尺寸和载体的孔尺寸决定,分离完全时由于体积排除效应所至,体的孔尺寸决定,分离完全时由于体积排除效应所至,故称为体积排除机理。故称为体积排除机理。孔穴孔穴填充物填充物颗颗粒粒 大大 中中小小样样品品GPC柱柱 第二节第二节 机理机理Log (MW)排阻极限排阻极限渗透极限渗透极限GPC柱柱第二节第二节 机理机理GPC术语术语排阻极限排阻极限
25、排阻极限是指不能进入凝胶颗粒孔穴内部的最小分子的排阻极限是指不能进入凝胶颗粒孔穴内部的最小分子的分子量。所有大于排阻极限的分子都不能进入凝胶颗粒分子量。所有大于排阻极限的分子都不能进入凝胶颗粒内部,直接从凝胶颗粒外流出,所以它们同时被最先洗内部,直接从凝胶颗粒外流出,所以它们同时被最先洗脱出来。排阻极限代表一种凝胶能有效分离的最大分子脱出来。排阻极限代表一种凝胶能有效分离的最大分子量,大于这种凝胶的排阻极限的分子用这种凝胶不能得量,大于这种凝胶的排阻极限的分子用这种凝胶不能得到分离。随固定相不同,排阻极限范围约在到分离。随固定相不同,排阻极限范围约在 400400至至606010106 6之间
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