粒徑篩析層析初學者指南

該使用哪種管柱，為什麼？

管柱選擇是確保目標聚合物取得正確分子量分布的關鍵。

初期要考慮的因素：溶解度

水溶性：

• Ultrahydrogel管柱系列

有機可溶性：

• Styragel HR，適用於高解析度作業
• Styragel HT，適用於高溫作業
• Styragel HMW，適用於超高分子量聚合物

該買什麼溶劑來填充管柱，為什麼？

HR、HT和HMW管柱的填充溶劑為：

• THF
• 甲苯
• DMF

我們也提供填充甲醇的專用管柱，可在室溫下使用HFIP（六氟異丙醇）進行分析。如果在應用中使用這四種以外的溶劑，就需要考慮幾個經驗法則。如果是氯仿或二氯甲烷等溶劑的「室溫」應用，請從THF轉換過來。如果預計在TCB、ODCB中進行高溫作業，例如在大約85–90°C 的溫度下作業，請從甲苯轉換過來。如果要使用極性很強的溶劑，例如DMAC（二甲基乙醯胺）或NMP（N-甲基吡咯烷酮），請從DMF轉換過來。

我的管柱目前有溶劑「A」，但想要變更為溶劑「B」怎麼辦？

一般而言，如果兩種溶劑可混溶，就能以0.1–0.2 mL/min的速度直接從一種溶劑轉換到另一種溶劑（請參閱管柱保養和使用手冊）。如果溶劑不可混溶，就必須使用中間溶劑（兩種溶劑都能與之混溶）。

該以什麼順序放置管柱，為什麼？

管柱的放置順序通常無關緊要。這個順序並不會影響洗脫聚合物的分子量分布計算。不過一律將100 Å或50 Å管柱放在管柱組末端會比較好，因為這些管柱中的苯乙烯/二乙烯苯凝膠往往更柔軟，耐久性更差。

GPC管柱應該使用什麼流速？

若分析管柱的內徑是7.8 mm，建議不要超過1.0 mL/min。這些管柱於大約0.70-0.80 mL/min的流速範圍內發揮「最佳」解析度。內徑4.6 mm的小顆粒管柱，最佳流速為0.3-0.35 mL/min。如需相關詳細資訊，請參閱保養和使用手冊。

啟動管柱時是否該逐漸提高流速和溫度？

分析型GPC管柱的流速必須持續上升，尤其是HR系列。流量突然猛增（以及後續而來的壓力）肯定會損壞管柱。溫度上升就沒有那麼嚴重。一般而言，流速在60秒的時間間隔內從0.0 mL/min提高至1.0 mL/min，溫度在數小時從環境溫度提高至150 °C（假設）。

如何選擇管柱的孔隙大小範圍？

孔隙大小範圍的選擇取決於相關樣品的大致分子量範圍。例如，如果知道分子量範圍較低（例如環氧樹脂），就可以使用10³、500、100，甚至50 Å的管柱組。如果相關樣品是中等分子量的PVC，就要使用10³、10⁴和10⁵ Å的管柱組。透過選擇鎖定聚合物分子量範圍的單個孔隙大小可達到最高解析度。如果分子量範圍不明或太寬，最好使用混合各種孔隙大小的混合床（亦即「線性」或「擴增範圍」）管柱。

什麼是解析度，需要多少解析度？

在GPC分析中，解析度是指在遞增的洗脫體積中分離的分子量範圍。範圍越大越好，達到這一目標最簡單的方法是增加更多管柱（可惜分析時間也會變長）。另一種方法則是使用更小的粒徑大小（約5 μm）來提高效率。不過這種方法會犧牲管柱的耐久性和使用壽命。在含有低聚物、添加劑、多模態分布的分離中，解析度可能很重要。如果樣品是分布廣泛的高密度聚乙烯，解析度可能就沒那麼重要。

Waters生產高解析度範圍（HR系列）管柱（5 μm顆粒）、HT系列管柱（10 μm顆粒，適用於高溫作業和多溶劑轉換應用）以及HMW系列管柱（20 μm顆粒）。這些管柱相當適合極高分子量的樣品，因為這類樣品不太能剪切，而且解析度沒那麼重要。

什麼是「窄分布」標準品？什麼是「寬分布」標準品？

• 「窄分布」標準品是指多分散性小於約1.10的標準品。多分散性定義為重均分子量(Mw)與數均分子量(Mn)的比率。
• 「寬分布」標準品的多分散性大於1.10，通常是與待分析樣品一樣的聚合物。

如果使用「窄分布」標準品，能否一次進樣多種標準品？

在具備RI偵測的傳統GPC中，進樣混合標準品絕對可行，只要洗脫的標準品之間有足夠的解析度即可。建議最多混合三種即可。使用黏度測定等進階偵測時，需要準確瞭解標準品的曲線下面積，因此一次只能進樣一種標準品。

該對聚合物使用什麼標準品？

對大多數人而言，窄分布標準品的「相對」校正就可以了。在這種情況下，聚苯乙烯標準品是有機GPC的慣用選擇，也可以使用PMMA、聚異戊二烯、聚丁二烯和聚四氫呋喃等窄分布標準品。若是水性GPC，可以使用聚環氧乙烷、聚乙二醇和聚三葡萄糖（多醣）等窄分布標準品。如果使用者需要「真正的」分子量（相對於校正物不夠好的情形下），可使用與樣品具有相同化學性質的寬分布標準品（或參比標準品）。

寬分布標準品有多可靠？

大多數情況下，市面上的寬分布標準品已透過相關技術進行過充分的表徵分析，具有合理的Mw、Mn、Mz等。購買這些標準品可以有一定的信任度，即其報告值是準確無誤的，且得出的精密度佳。畢竟，校正曲線就是奠基於這些報告值。也可以將實驗室中經常使用且具代表性的樣品送驗，以這些輔助技術進行分析。許多約聘實驗室和大學都能執行這種分析，並為希望用作寬分布標準品的樣品提供Mn、Mw、Mz等資訊。

能否使用《聚合物手冊》(Polymer Handbook)中的K值和alpha值？

通用校正的概念發展出根據流體動力學體積對數而不是分子量對數的校正程序，以得出不明物的「絕對」分子量。log [特性黏度]與log [分子量]的關係圖就是所謂的「Mark-Houwink」或「黏度定律」圖。這條曲線的斜率為alpha，截距為K（Mark-Houwink常數）。在沒有線上黏度偵測器的情況下，可以使用Mark-Houwink常數，前提是這個常數已知，不僅能為窄分布標準品開發通用校正，也能為不明物開發。《聚合物手冊》(Polymer Handbook)中提到的值必須針對正確的目標聚合物、正確的分子量範圍、使用的溶劑和操作溫度。

如何製備移動相？

大多數情況下，製備移動相所需的唯一步驟就是過濾。溶劑應以0.45 μm（微米）碳氟化合物濾膜過濾（醋酸鹽類型的濾膜用於水性GPC）。

哪些添加劑很重要，該什麼時候使用？

在某些情況下，需要一些移動相添加劑。例如，將0.05M溴化鋰加到DMF、DMAC和NMP等極性溶劑中。這些極性溶劑用於分析聚氨酯或聚醯亞胺等極性聚合物，而且會發生偶極交互作用，導致分布的高分子量端出現人造肩形狀。加入鹽後即消除這種交互作用。在聚烯烴的高溫分析中，每4升移動相（例如TCB）需要加入約1克抗氧化劑（多數受阻酚都可以）。這有助於減少樣品氧化作用，因為樣品在進樣前是在高溫下的樣品轉盤中。

如何製備樣品？（亦即溫度、時間和混合情形）

嘗試進行GPC分析之前最主要的問題是：我的樣品可溶於哪些溶劑？Waters最初是一家從事GPC的公司，我們為GPC運作過的幾乎所有聚合物開發了一長串溶劑和溫度。樣品溶解所需的時間（無論是室溫還是高溫）通常取決於兩個因素：分子量和結晶度。聚合物分子量越高，結晶度越高，溶解所需的時間就越長。通常，輕輕攪拌兩到三個小時即可溶解樣品。在某些情況下（例如，超高分子量聚乙烯）則需要數小時的時間。請避免使用高速混合、超音波溶解和微波溶解方法，除非不會對聚合物造成任何降解才可以使用。

該使用多少濃度和注射量？

根據經驗法則，峰分子量為100,000的聚合物在溶劑中的製備濃度大約為0.10–0.12%（重量/體積），表示每毫升溶劑中約有1–1.2 mg樣品（或標準品）。隨著分子量增加，濃度會相應降低。高分子量聚合物（例如重均分子量約3,000,000的聚合物）的分析濃度應<0.02% (w/v)。另一方面，分子量1000以下的環氧樹脂則可在0.20%的濃度下分析。

在這些濃度下，每支7.8 x 30 mm管柱中的最大注射量不得超過100 μL。

線上聯用黏度偵測器和/或光散射偵測器有哪些好處？

由於聚合物表徵分析化學家希望能從特定樣品中獲得更多資訊，因此越來越多人更青睞「進階偵測」技術。線上聯用黏度偵測器與折射率偵測器比起單純使用RI多了三個主要優勢：

• 透過通用校正獲得「絕對」分子量
• 整個分布中的聚合物特性黏度
• 與長鏈分枝相關的分枝資訊

光散射偵測器可讓您得出：

「絕對」重均分子量(Mw)，無須跟黏度偵測器一樣建立聚合物分枝資訊的校正曲線迴轉半徑。