多检测凝胶色谱的绝对定量化原则及其应用

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凝胶色谱法发展到今天,已经建立起非常成熟的色谱技术和理论方法。作为其主要发展趋势之一,凝胶色谱的多检测器联用技术在高聚物的表征方面有着其他技术无法比拟的优势:在检测高聚物物理性质和化学结构的同时,又不增加过多的工作量。另一方面,聚合物之间的相互作用对高分子科学来说影响巨大。聚合物之间的缔合作用,通常能够使得高分子材料在微观尺度上相容,被广泛用在生物医学、自组装及普通材料行业,等等。故研究稀溶液中的相同组分和不同组分之间的缔合作用,具有非常高的应用价值。而凝胶色谱检测的正是稀溶液中高聚物分子的物理特性和化学结构。因此,利用多检测凝胶色谱技术,更简便、快速地表征高分子物理现象、性质及化学结构,意义重大。绝对定量化原则正是应这些要求而产生。基于对该方法的拓展以及对聚合物间缔合作用的探索,我们做了如下的工作:  1.讨论了示差折光(RI)和光散射(LS)联用双检测体积排除色谱(SEC)的绝对定量化原则,强调指出了试样注入量在数据处理中的重要作用。测量注入试样的这两种检测器的响应因子,可以同时得到试样的折光指数增量(v)和重均分子量(Mw)的绝对值。这一方法除了适用于各种均聚物外,还可以应用于高分子混合物的分析。此时,如将混合物看作为单一溶质,从所得v和Mw,可对它们的组成作出定量分析,还可以判断共混物两个组分之间有无分子缔合等现象的产生。这一方法应用于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/聚苯乙烯(PS)混合物的溶液,指明在四氢呋喃(THF)中两者产生缔合而形成了复合物。  2.基于凝胶色谱LS和RI双检测器的绝对定量化原则,分析了复杂二元共混物的组成。首先从理论上预测了LS和RI的响应因子均随着组成线性变化。然后用了六组二元共混物来验证该理论,发现理论和实验结果符合得非常好。进一步比较LS法和RI法得到的组成结果,发现LS法得到的值要优于RI法的,其原因在于两种成分的LS响应因子差值一般比RI响应因子差值来得大。这正好弥补了RI法在确定共混物组成时的一大缺陷,即两种成分的折光指数增量相近时该法很不准确。  3.提出了一种校准二元共混物和无规共聚物重均分子量的简便方法。基于凝胶色谱LS和RI双检测器的绝对定量化原理,计算了多对二元共混物的重均分子量。发现该Mw值与二元共混物的真实分子量相比存在很大偏差,最高达76%。考察两者之比,发现该比值(rb)与三个因素有关:共混物的组成(W)、两种成分的重均分子量之比(x)和两种成分的折光指数增量之比(y)。对于二元无规共聚物来说,其测量值和真实值的比值(rc)只与两个因素有关:共聚物的组成(W)及两种成分的折光指数增量之比(y),这两个因素都可由SEC的RI绝对量化原则很方便地计算出。用这两个校正因子(rb和rc)去校准三对共混物和三个无规共聚物,发现经校正后所得到的分子量与真实分子量相差不到10%。  4.作为浓度检测器定量化最关键的因素,示差和紫外(UV)的响应因子一般被定义成响应面积与注入质量之比。对于聚合物而言,将响应信号与注入质量作线性图来计算响应因子时,发现总有一个虽然很小、但客观存在的非零截距。五个窄分布的PS标样被用来研究该现象产生的原因。在一个较宽的浓度范围内(从10-4 g·ml-1至3.1×10-3 g·ml-1),考察了RI和UV的响应因子随着注入浓度的变化。发现该两个因子均在一定的界限范围内有规律地变化,并且在某一浓度处发生转折。该现象反映了从极稀溶液至稀溶液时PS链所发生的构象转变,并且跟动态接触浓度(Cs)有关。通过数学模拟,算出的Cs值与以前方法报道的值相一致。进一步考察RI和UV的信号随浓度变化关系的深层物理原因,发现其与溶剂化、构象转变以及高分子团簇的形成等有关。根据溶剂化的理论和Beers-Lambert定律对该响应因子的变化进行了数学模拟,算出了溶剂化的分子数、包裹的溶剂分子数以及缠结点的数目。所算出的许多物理量都具有分子量效应,并且存在一个临界分子量。  5.基于凝胶色谱LS和RI双检测器的绝对定量化原理,以PMMA/聚乙二醇(PEG)混合物作为模型来研究其在THF中由于氢键而产生的缔合作用。理论上推导了如果有缔合物形成,重均分子量在初始态和平衡态必然不同,平衡态的要来得大。实验结果证实了PMMA/PEG在THF中确有缔合物生成。结合缔合反应平衡方面的热动力学知识,采用首创的误差最小原理,较为精确地算出了缔合反应的化学计量系数和平衡常数,以及缔合物的量、组成和分子量等多种信息,全面地研究了该体系中的缔合作用。从平衡常数以及生成缔合物的量来看,PMMA/PEG在THF中的氢键缔合作用非常弱;从缔合反应的化学计量系数和LS、RI谱图来看,该缔合体呈一种T型或H型的接枝高聚物结构,大约1-2根PMMA链与1根PEG链相连接,H1NMR分析结果进一步证实了该结论。其它算得的物理量值也是合理的。
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