GPC基礎化學

大小分離簡介

凝膠滲透層析(GPC)也稱為粒徑篩析層析(SEC)，實際上是所有液相層析技術中最容易理解的一項技術。這項技術的分離機制嚴格以樣品在溶液中的大小為準據，不會像使用傳統HPLC一樣，與管柱填料產生交互作用（吸附、分配等）。分離模式並非依據分子量，而是依據分析材料（通常是聚合物）在溶液中的大小。換句話說，要正確進行GPC，樣品必須溶解在合適的溶劑中。

樣品在溶液中的濃度取決於分子量，而分子量約100,000的聚合物濃度通常為0.10% (w/v)。（更多資訊請參考下節〈樣品製備〉）。有時，樣品溶液必須經過加熱才能使樣品溶解。例如，某些聚烯烴需要高於120 °C的溫度才能溶解，通常溶解於140 °C的1,2,4三氯苯中。

樣品適當溶解後，就會經由進樣機制引進一組當做分子過濾系統的管柱上。管柱會填充交鏈凝膠（例如用於有機應用的苯乙烯/二乙烯苯共聚物），其中包含表面孔隙。這些孔隙有大有小，可充當上文提到的分子過濾器。較大的分子進不了較小的孔隙，反之，較小的分子進得了大部分孔隙，可以滯留更久時間。

Waters幾十年前進行的首批GPC示範中，有一種是口香糖的分析。口香糖其實是合成橡膠加上香精、穩定劑等添加劑。

這是一張原始GPC層析圖，分離處理是在串聯數支具有不同孔隙大小的管柱上進行的。聚合物（此例是指橡膠）會先洗脫出來，因為它是最大的分子，其次是「添加劑」，按大小遞減順序洗脫。這也可以是PVC與塑化劑、抗氧化劑和紫外線穩定劑之混合物的層析圖。

單體、低聚物、聚合物和分子量分布

單體的分子量單一，據說屬於單分散分子，例如乙烯、苯乙烯、氯乙烯等。在單體之後，則是二聚體、三聚體、四聚體、五聚體等，稱為低聚物。隨著分子量增加，這組低聚物即稱為聚合物。聚合物具有鏈長分布，因此具有分子量分布。根據執行聚合作用的方式，這種分布範圍可能很窄，也可能很廣泛。例如，縮聚物或逐步增長聚合物的分子量分布範圍就相當窄，如聚酯（聚對苯二甲酸乙二酯）。另一方面，自由基聚合作用可能會產生鏈長和分子量分布非常廣泛的聚合物（例如聚烯烴）。控制聚合作用的動力學很重要，這樣才能獲得所需的分子量分布。這就是GPC這項技術為什麼對聚合物化學家如此重要的原因。

此處顯示了聚合物（此例是指聚苯乙烯）兩種分子量分布的疊加圖：

獲得聚合物樣品的分子量分布後，需要一種方法來定量。我們透過簡單的統計來分配該分布的平均分子量。每個切片都有一個高度（Hi，也代表濃度Ci）、滯留時間和分子量(Mi)。分子量可從校正曲線得出（請見下一節）。接下來計算總和，以得出描述聚合物分子量分布的各種平均分子量。所顯示的PD是重均和數均分子量的比率，稱為多分散性，有時簡稱為聚合物的分散性。計算總和只是得出這四種分子量的統計動差並描述分子量分布的一個簡單辦法。

也可以使用其他技術得出這些平均分子量：

• 數均分子量(Mn)可透過薄膜滲透法或端基分析（滴定、NMR等）得出
• 重均分子量(Mw)可透過光散射方法得出
• Z均分子量(Mz)和Z+1均分子量(Mz+1)可透過超高速離心法得出

GPC系統經過校正之後，一次進樣就能得出以上所有平均值。

配置GPC系統

現在我們已經瞭解了什麼是平均分子量，可以來說明系統配置了。

這套系統（如上所示）由幫浦、某種手動或自動進樣器、管柱組、偵測器和某種數據處理裝置組成。此外，最好搭配使用除氣裝置，尤其是在折射率偵測器中使用THF時。管柱幾乎一律會加熱到某個高溫，即使是室溫可溶性的應用也是如此，確保低水平的壓力降且黏度均勻。下面我們更詳細地探討這套系統。

溶劑管理

目前與Waters GPC系統搭配使用的幫浦是非常精密的液體處理裝置。以Alliance系統中使用的流體系統來說，幫浦實際上是一個溶劑管理器。在選擇用於GPC分析的流體模組時，要考慮的最重要一件事就是流量精密度。系統校正以滯留時間（或體積）對分子量的對數繪圖。任何輕微波動都有可能會造成分子量測量出現嚴重錯誤。使用最精準的液體處理裝置能讓您如虎添翼。這種配置相較於某些仍在使用的流量精密度低的傳統幫浦，能極大地提高平均分子量量測的精密度。將溶劑管理器與Alliance系統搭配使用後，無需任何流速校正，流量精密度就能明顯達到0.075%以下！市面上有些幫浦聲稱也有類似的流量精密度，可是需要安裝軟體來校正流速。如果要配置GPC系統，請當心市面上標榜0.3%（甚至更差）規格的幫浦。

Alliance系統溶劑管理器還提供出色的梯度和流量程式效能。許多聚合物表徵分析化學家體認到，除了測定聚合物的分子量分布之外，分析套裝添加劑也很重要。在許多情況下，套裝添加劑與製造產品的聚合物一樣，跟成品能否成功應用有很大的關係。將添加劑混入主配方中時出現任何錯誤（例如使用了錯誤的抗氧化劑或塑化劑用量不正確）都可能導致不可接受的物理性質和效能。為了成功對套裝添加劑進行表徵分析，可以執行逆相梯度HPLC分析。除了聚合物添加劑外，也會透過GPC（檢查低聚物分布）和梯度HPLC（表徵分析異構物和不純物）定期分析環氧樹脂和酚醛樹脂。Alliance系統讓您只用一套系統就能進行高效能GPC和梯度分析。

樣品管理

配置系統的下一步是決定如何引入待分離的標準品和樣品。成本最低的方法是使用手動進樣器，您需要手動填充試樣環（已知體積）並打開閥門，讓溶液流入含有洗脱液流的管柱上。如果只是偶爾執行幾個樣品還可以，但若是每天都要執行多個樣品，最好考慮使用自動進樣器。

目前最常用於室溫GPC分析的自動進樣器是2707自動進樣器。這款全電動自動進樣器可以設定一整盤樣品，並在整個分析過程中以無人看守的方式運作。它的注射量準確度與再現性非常好，這對於分子量敏感型偵測器（例如黏度偵測器或光散射偵測器）的質量量測至為重要，這種偵測器必須清楚確切的上樣量。自動進樣器的另一個選擇是Alliance系統。這套系統有五個不同的轉盤，每個轉盤最多可容納24個樣品（容量共有120個樣品）。

管柱選擇

找到合適的溶劑來溶解聚合物，並製備出正確濃度的窄分布標準品和樣品之後，就可以開始分析了。這時正確的管柱組也選擇好了（若選擇好的話），因此可以執行分析。不過還是回顧一下選擇正確管柱組的程序。

許多人喜歡使用過去所謂的「線性」管柱，也稱為「擴增範圍」或「混合床」管柱。這些管柱混合了不同的孔隙大小，目的是要覆蓋比單一孔隙大小的管柱更廣泛的分子量範圍。如果孔隙混合做得足夠仔細，管柱校正曲線可能確實是線性的。

使用這些混合床管柱的缺點是，其有限分子範圍內的解析度會比單個孔隙大小的管柱更低。例如，如果正在執行一系列環氧樹脂或酚醛樹脂的分析，假設分子量範圍為幾百到五千，請問要使用哪種管柱組？首先要考慮的是，管柱組中是否有足夠的孔隙體積來發揮正確的分離效能，亦即聚合物的正確分布輪廓。一支管柱肯定不夠，兩支管柱可能還是不夠。至少應該使用三支串聯的管柱，才能保證孔隙體積足夠，讓分離成功執行。

現在，請問要使用哪種管柱來分析環氧樹脂或酚醛樹脂？是否應該使用混合各種孔隙大小的「混合床」管柱組？或是應該使用一系列單個孔隙大小的管柱，真正鎖定目標分子量範圍？下表根據聚苯乙烯鏈長篩析限制（以Å為單位），列出了使用單個孔隙大小的管柱分離苯乙烯/二乙烯苯填料的分子量範圍：

關於管柱選擇還有其他說明。如果查詢GPC溶劑指南，會注意到其中說明了典型的操作溫度範圍。在GPC分析中，幾乎一律會將管柱加熱到溶劑指南中所述的某個高溫（即使是室溫應用也是如此）。加熱管柱的目的不是使樣品溶解，而是提高分離處理的解析度，促進滲透過程，而且在某些情況下，可以降低溶劑（例如DMF）的黏度，減少整排管柱的背壓。 

偵測器選擇

現今GPC分析最廣泛使用的偵測器是微差折射儀。它是一種濃度敏感型偵測器，可以簡單量測出參考側的洗脱液與樣品側的樣品+洗脱液之間的折射率差異(dRI)。它也是一種「萬用」偵測器（不同於紫外線偵測器），只要聚合物跟洗脱液對照出現明顯的折射率差異，就會發出訊號值。在某些情況下，樣品和洗脱液（例如矽膠和THF）的dRI非常小，導致訊號很弱。這種情況下就需要找出另一種洗脱液，以便溶解聚合物並提供顯著的dRI。Waters 2414折射儀（和以前的2410和410型號）多年來一直是業界標準工具。

另一種常用於GPC的偵測器是紫外線偵測器。顯然，這種偵測器需要有一些能吸收紫外線的發色團才能發出訊號。紫外線偵測器非常適合用於苯乙烯類聚合物（聚苯乙烯、苯乙烯/異戊二烯、苯乙烯/丁二烯、ABS等）、環氧樹脂、酚醛樹脂、聚碳酸酯、聚氨酯和芳香族聚酯等。如果正在執行梯度分析（整個運作過程中溶劑組成會變化），就必須使用紫外線偵測器，因為RI偵測器的結果會隨著洗脱液組成的變化而不斷漂移。Waters 2489紫外偵測器可以為紫外線吸收聚合物和添加劑的GPC/HPLC分析提供出色的靈敏度、線性和整體傑出效能。  

還可以使用光電二極體陣列(PDA)偵測器，它是紫外線偵測器的進階版，是一款功能強大、資訊豐富的偵測器。這款偵測器使用了光電二極體陣列，因此可以瞬間看到多種波長。例如，PDA可以設定為查看190-800奈米(nm)的波長範圍，而不是像大多數紫外線偵測器那樣只查看一兩個波長。現在可以看一下聚合物樣品（或添加劑）的實際紫外光譜，方便我們測定化學組成分布的相關資訊。例如，可以測定出SBR（苯乙烯/丁二烯橡膠）是嵌段共聚物還是隨機共聚物。我們可以建立光譜庫並與不明樣品對照比較，這種方法可以用於聚合物或聚合物添加劑。現在可以試著鑑定複合的成品材料中含有哪些添加劑。PDA也可以用來解構競爭性化合物。  

由於聚合物表徵分析化學家希望能盡量發掘出樣品中的資訊，因此也會考慮其他偵測選項。當我們探索GPC分析的「進階」偵測時，開始考慮分子量敏感型偵測器，例如黏度偵測器或光散射偵測器。黏度偵測器將在隨後的校正章節中詳細討論。黏度偵測器基本是與折射儀搭配使用，不僅可以得出聚合物的特性黏度[h]，還能得出長鏈分支的「絕對」分子量和估計值。RI偵測器是濃度偵測器(C)，黏度偵測器則可提供[h](C)。串聯使用這兩個訊號，就可以知道聚合物洗脫輪廓上每個切片的特性黏度。然後可以使用下一節探討的Benoit「通用校正」概念，得出聚合物樣品的絕對分子量。  

光散射偵測器與折射儀聯合使用，是GPC分析中另一種強大的進階偵測模式。它的本質是雷射光束集中照到含有樣品溶液的流體槽（此例是指管線上）。入射光束將被溶液中的聚合物顆粒散射。根據光散射偵測器的設計（小角度或多角度），無論是否考慮溶液中聚合物的迴轉半徑，都能準確量測重均分子量(Mw)。  

在黏度偵測器和光散射偵測器與RI串聯使用的兩種情況下，可以得出許多非常實用的資訊。使用三重偵測器的方法，只要使用者能夠解讀所有數據，就能發掘出非常有意義的結果。有關簡化多偵測器數據更詳細的討論，請參閱「參考資料」一節。  

還有其他技術可進行聚合物和添加劑的進階偵測，例如質譜，但目前用於GPC分析的常用偵測器是RI、UV/PDA、黏度偵測器和光散射偵測器。

數據處理

配置完系統的主要硬體部分之後，現在必須考慮控制該系統和處理數據的軟體選項。現今的電腦功能非常強大，校正和分子量分布計算可以在幾秒內完成。Empower軟體對傳統GPC（僅限RI）數據簡化以及RI/黏度偵測器的數據處理均適用。Empower 2支援許多校正程序，包括相對校正、累積比對和Hamielec寬分布標準品校正以及通用校正，還支援零到五階曲線擬合以及獨特的有界校正和平滑曲線擬合。