流出曲线 vs. 分子量分布曲线：如何高效解读GPC测试结果？

高分子材料问世至今仅有一百多年的历史，但其发展速度之快及应用范围之广，使它和钢铁、木材、水泥一起构成现代社会的四大基础材料。与其它材料相比，高分子材料具有非常优良的成型加工性能和机械强度，这与其特殊的结构、分子量大小和分子量的差异程度（分子量分布）有着非常密切的关系。

国高材分析测试中心的高温GPC设备，分子量测试范围从1,000到1000,000，流动相为1,2,4-三氯苯，可在150 ℃下对聚合物进行分析，适用于常温下难溶的聚合物，如聚乙烯、聚丙烯、聚噻吩等，样品要求为1 mg～1g固体或液体 。

因此，掌握平均分子量和分子量分布等信息，对于高分子材料的研究、开发、制备以及生产工艺管理和品质把控等方面至关重要，而凝胶渗透色谱（GPC）则可以快速而简单地提获取这些信息。

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什么是凝胶渗透色谱法？

凝胶渗透色谱（GPC）是1964年，由J.C.Moore首先研究成功。不仅可用于小分子物质的分离和鉴定，而且可以用来分析化学性质相同分子体积不同的高分子同系物（聚合物在分离柱上按分子流体力学体积大小被分离开）。

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凝胶色谱仪的基本结构

凝胶渗透色谱仪由以下四部分构成：1.输液系统（包括溶液储存器、输液泵。进样器等），2.色谱柱系统（包括柱温控制箱），3。检测器（RI、UV等），4.数据收集及数据处理系统（包括模数转换器、计算机、打印机/绘图仪等）。其流程图如下图所示：

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凝胶色谱法的基本原理

凝胶具有化学惰性，它不具有吸附、分配和离子交换作用。凝胶渗透色谱的分析是利用体积排除机理，色谱柱装填的是多孔性凝胶或微粒，孔径大小与待分离的聚合物分子相似。利用GPC分析高分子化合物分子量流程如下：

在检测时，样品进入进样器后被淋洗溶剂带入凝胶色谱柱，让被测量的高分子化合物溶液通过一根内装不同孔径的色谱柱，柱中可供分子通行的路径有粒子间的间隙（较大）和粒子内的通孔（较小）。当聚合物溶液流经色谱柱（凝胶颗粒）时，较大的分子（体积大于凝胶孔隙）被排除在粒子的小孔之外，只能从粒子间的间隙通过，速率较快；而较小的分子可以进入粒子中的小孔，通过的速率要慢得多；中等体积的分子可以渗入较大的孔隙中，但受到较小孔隙的排阻，介乎上述两种情况之间。

经过一定长度的色谱柱后，高分子化合物根据相对分子质量不同而被分开，相对分子质量大的在前面（即淋洗时间短），相对分子质量小的在后面（即淋洗时间长）。这样，分离后的高分子化合物按照分子量从大到小的顺序被连续淋洗出色谱柱，进入检测器。通过做已知分子量的高分子聚合物的标准曲线，就能分析未知待测高分子化合物的分子量了。

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凝胶渗透色谱谱图的构成

实验上，在色谱柱后面配以（通用型/选择型）浓度监测器，便可以记录出高聚物的GPC图，如图所示。

高聚物四种平均分子量在GPC谱图中的示意图

当聚合物样品的色谱图完成以后，经处理的数据，可作多方面的应用。通过观察色谱图可获得很多有用的信息。色谱图中不同的区域与聚合物样品中各成分有关，如果对高分子材料作一次全分析，就可以发现高分子材料的GPC谱图4中：A是高聚物的图谱；B是齐聚物的图谱；C是各种类型添加剂的图谱；D是低分子化合物杂质的图谱。

高分子材料全分析GPC谱图中各部分组成的示意图

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数据分析

对于GPC的数据的测试结果来说，并不是单一的出一个分子量是多少多少的数据，而常常有很多种数据，比如数均分子量，重均分子量，峰值分子量等等很多个，到底哪个才是分子量结果？为什么会有这么多个分子量？为什么GPC的结果会这么复杂而繁多。

1）流出曲线图

横坐标为时间，纵坐标为信号强度，GPC的色谱柱就是将分子按照从大到小的先后顺序排列分离，分子量大的通过时间短，分子量小的通过时间长，流出曲线图就是代表着这一个过程。有信号产生就代表着有目标物质通过，信号强度就代表着含量，下方的时间结合标准曲线的换算就能得到分子量分布曲线图，同时在这里也能直观的看出有几个出峰，一般有几个出峰就代表着有几种分子量分子。

附

标准曲线建立方法

用已知相对分子质量的标准聚合物建立一条保留时间和相对分子质量对应关系的“校正曲线”，即可从GPC谱图中计算出测试样品的相对分子质量和相对分子质量的分布信息。如图下所示，为含有不同相对分子质量聚苯乙烯标样的色谱图及其绘制的校正曲线。

a) 含有不同相对分子质量聚苯乙烯标样的色谱图；

b) 以图a) 绘制的校正曲线

标准曲线方程：

Y=-0.00008194x^5+0.008864x^4-0.3806x^3+8.104x^2-85.7x+364.6

2）分子量分布曲线图

横坐标为分子量，从小到大排列。纵坐标分为左右两边，左边代表信号每种分子量的信号强度，越高代表这个分子量的分子越多。右边代表累积分的结果，即图中那条从0%开始慢慢涨到到100%的的曲线，这条称为累积积分曲线，利用它可以直接在图中估计任意分子量区间的分子在总分子中的占比。

举个例子：如图中，可以直接读出：分子量在100至10000之间分子约占总量的25%。通过分子量分布曲线图，我们可以直观的从图中得到各种分子量的分子具体分分布情况以及含量的情况。

3)切片数据

在此我们要先说明一下什么叫切片数据，不管从流出曲线图还是分子量分布曲线图我们看到的都是一条曲线，但是实际上在测试过程中，这条曲线是拟合的结果，实际上在GPC测试的过程中，是一份一份进行测试的。

例如，我们将1s时间内通过检测器溶液作为一个部分，测试他的信号响应，然后将第二个1s时间内用过检测器的溶液作为第二个部分，将整个流程切分为很多个部分，对每一个部分进行测量，最后先得到的是如下图左边的直方图，只要我们切分的组分足够多，它与曲线的相似度就越高，从而得到如下图右边的曲线图。我们就将这切分成一份一份的数据称为切片数据。

4）分子量统计结果

如图中所示左边的编号代表峰号，当出现多个峰的完整峰的时候一般会分开计算。后面依次是一些统计量的分子量结果。分别有：

Mn（数均分子量）

Mw（重均分子量）

Mp（峰值分子量）

Mz（Z均分子量）

Polydispersity（多分散系数）

重均分子量与数均分子量的比值就称为多分散系数，即PD=Mw/Mn。

Mp代表着这个分子量左右分分子在整个材料的占比是最多的。

Mn体现小分子物质在材料中情况，因为分子量越小会导致分子数据越多。

Mw体现的大分子物质才材料的情况，因为分子量越大则单个分子会更重。

PD系数则体现了整体大分子与小分子的分布情况，系数越接近1就代表着分子量分布越小，分子量越集中，所有的分子分子量都在一个比较窄的范围内。系数越大则分布越宽，说明大大小小各种分子量的分子都存在。（其中系数约等于1的我们称之为单分散物质，理想的单分散物质系数等于1即材料中只有一种分子量的分子，但是现实中一般较难实现。）

因此如果要表征一个高分子材料的分子量情况，一般是需要从多个角度去看的，而不是单一看一个结果。如果必须选取一个数值作为代表，一般工业上常使用重均分子量作为代表，因为高分子物质具有诸多特异性的性能主要就因为他们的分子量特别高，而重均分子量正好体现的是大分子的情况，而大分子的也更能体现高分子材料的特性。

如上面我们计算过程中的例子，其中100-300分子量的物质很可能就是其中未反应的残留物质，其中会让材料产生高分子特性的可能就为2000分子量的那个分子，但是在Mn中计算之后其分子量结果是360，而Mw的是1205。很显然在以Mn作为参考值的话基本就忽略掉了2000分子量的那个高分子可能引入的高分子特性。所以一般工业上常说的分子量如果未特指，一般采用重均分子量Mw作为表征结果。