凝胶渗透|过滤色谱

凝胶色谱简介

凝胶色谱法（技术），是上世纪六十年代初发展起来的一种简单、快速、有效的分离分析技术，尤其能够很好地进行高分子物质的分离。其分离过程主要是高聚物的相对分子质量分级分析以及相对分子质量分布测试，因此也叫分子排阻色谱法或者空间排阻色谱法。

凝胶色谱法特点是设备简单、操作方便，不需要有机溶剂。

在具体操作时，优点如下：

（1）可以预测洗脱时间，可以连续进样。

（2）全部组分均在溶剂分子洗脱之前洗脱下来，分离时间短。

（3）保留时间短，色谱峰窄，容易检测。

（4）一般情况下，凝胶色谱的分离过程不依靠分子间作用力，没有强保留的分子累积在色谱柱，所以分离时试样组分不会丢失，柱的使用寿命也会延长。

凝胶色谱分离机理

凝胶色谱是利用被分离物质分子大小的不同导致在填料上渗透程度不同使组分分离；常用的填料有分子筛、葡聚糖凝胶、微孔聚合物、微孔硅胶或玻璃珠等，根据固定相和供试品的性质选用水或有机溶剂作为流动相。

简单的说就是：凝胶分子内有空隙，装入色普柱后,分子与分子之间也有空隙而且比分子内孔径大,分离时,大分子物质直接从凝胶分子间的空隙通过时间少;而小分子物质则通过分子内空隙,路程多时间多,后出来,这就分离了

凝胶色谱有两类

根据分离的对象是水溶性的化合物还是有机溶剂可溶物，凝胶色谱又可分为凝胶过滤色谱（GFC）和凝胶渗透色谱（GPC）。

凝胶过滤色谱

凝胶过滤色谱一般用于分离水溶性的大分子，如多糖类化合物。凝胶的代表是葡萄糖系列，洗脱溶剂主要是水。

凝胶过滤是依据分子量的不同来进行分离的，由于它的这一分离特性，以及它具有简单、方便、不改变样品生物学活性等优点，使得凝胶过滤成为分离纯化生物大分子的一种重要手段，尤其是对于一些大小不同，但理化性质相似的分子，用其它方法较难分开，而凝胶过滤无疑是一种合适的方法。例如对于不同聚合程度的多聚体的分离等。

凝胶过滤功能作用

a.生物大分子的纯化

凝胶过滤是依据分子量的不同来进行分离的，由于它的这一分离特性，以及它具有简单、方便、不改变样品生物学活性等优点，使得凝胶过滤成为分离纯化生物大分子的一种重要手段，尤其是对于一些大小不同，但理化性质相似的分子，用其它方法较难分开，而凝胶过滤无疑是一种合适的方法。例如对于不同聚合程度的多聚体的分离等。

b.分子量测定

外水体积是指凝胶柱中凝胶颗粒周围空间的体积，也就是凝胶颗粒间液体流动相的体积。内水体积是指凝胶颗粒中孔穴的体积，凝胶层析中固定相体积就是指内水体积。

c.去热源物质

热源物质是指微生物产生的某些多糖蛋白复合物等使人体发热的物质。它们是一类分子量很大的物质，所以可以利用凝胶过滤的排阻效应将这些大分子热源物质与其它相对分子量较小的物质分开。例如对于去除水、氨基酸、一些注射液中的热源物质，凝胶过滤是一种简单而有效的方法。

d.脱盐及去除小分子杂质

利用凝胶过滤进行脱盐及去除小分子杂质是一种简便、有效、快速的方法，它比一般用透析的方法脱盐要快得多，而且一般不会造成样品较大的稀释，生物分子不易变性。一般常用的是Sephadex G-25，另外还有Bio-Gel P-6 DG或Ultragel AcA 202等排阻极限较小的凝胶类型。目前已有多种脱盐柱成品出售，使用方便，但价格较贵。

e.溶液的浓缩

利用凝胶颗粒的吸水性可以对大分子样品溶液进行浓缩。例如将干燥的Sephadex（粗颗粒）加入溶液中，Sephadex可以吸收大量的水，溶液中的小分子物质也会渗透进入凝胶孔穴内部，而大分子物质则被排阻在外。通过离心或过滤去除凝胶颗粒，即可得到浓缩的样品溶液。这种浓缩方法基本不改变溶液的离子强度和pH值。

f.蛋白质的复性

为了减少高浓度下的聚集反应,凝胶过滤层析技术也可以用来进行蛋白的体外复性。层析介质的隔离作用,降低了蛋白之间相互作用产生的聚集,使复性浓度、复性率都得到很大的提高。同时,蛋白经过凝胶过滤层析本身也可得到一定的纯化。

凝胶渗透色谱

凝胶渗透色谱法主要用于有机溶剂中可溶的高聚物 (聚苯乙烯、聚氯已烯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等) 相对分子质量分布分析及分离，常用的凝胶为交联聚苯乙烯凝胶，洗脱溶剂为四氢呋喃等有机溶剂。

凝胶色谱不但可以用于分离测定高聚物的相对分子质量和相对分子质量分布，同时根据所用凝胶填料不同，可分离油溶性和水溶性物质，分离相对分子质量的范围从几百万到100以下。近年来，凝胶色谱也广泛用于分离小分子化合物。化学结构不同但相对分子质量相近的物质，不可能通过凝胶色谱法达到完全的分离纯化的目的。

凝胶色谱应用——聚合物生产

凝胶色谱技术非常广泛的应用于高聚物的分析，广泛应用于高分子材料、糖类、脂肪烃类的分离分析，尤其是聚合物生产及使用过程的监测。

a ．生产工艺的选择选择

什么样的工艺流程会直接影响产品的分子量及其分布。因此分析不同工艺流程的分子量分布为选择Z佳的工艺提供依据。用凝胶色谱研究釜式、釜式连续以及塔式连续聚合等三种不同生产工艺对聚碳酸酯分子量分布的影响见下图。从图中看出：三种不同工艺的聚合产物在高分子量尾端差别不大，但以PC-62（1）塔式连续聚合试样低分子量含量Z多且分布也宽。这种工艺需要改进。

b ．聚合过程的控制与监视

在聚合反应过程中不断取样通过凝胶色谱监测来确定聚合条件对产物分子量分布的影响。如聚氯乙烯常有微凝胶存在，会影响它的物理和溶液性质。微凝胶与什么因素有关？Abdel-Alim用凝胶色谱研究了聚合温度对聚氯乙烯微凝胶含量的影响见下图。从图中的分子量分布曲线上分子量大于8.5×105的部分为微胶部分，可看出：聚合温度愈低，微凝胶的含量愈高，当聚合温度为70℃ 时，微凝胶几乎没有了。因此，用凝胶色谱的监视，可以控制产品的微凝胶。

c ．加工过程中的检测

聚合物在加工过程中由于受热、氧及机械作用而降解。用凝胶色谱研究挤出成型过程中高分子的降解，实验简单快速，可以细致地观察不同挤出条件下试样柱条的ZX和表面的分子量及其分布的差别，这在凝胶色谱出现以前是不可能做到的。下图是用凝胶色谱测定160℃挤出50%后聚苯乙烯样品柱条不同部位的分子量分布的比较。从图中可以看出，在挤出过程中，样品的平均分子量下降、样品柱条表面的分子量比其ZX降解得快。

d ．使用过程中的检测

聚合物材料在使用过程中由于光、热、氧的作用而产生高分子链断裂。Hendrickson研究聚苯乙烯的老化过程，用凝胶色谱分析了聚苯乙烯（Mw= 2.67×105，Mw/ Mn = 1.08）试样在老化箱中老化2×103小时后分子量分布的变化见下图。从图中可看出，经老化后分子量分布变宽，40%部分其分子量仍在原试样范围，49%的部分其分子量低于原试样的分子量，而11%部分的分子量大于原试样的分子量范围，这可能是聚苯乙烯分子间的藕合所致。凝胶色谱不仅检验老化过程分子量的变化而且还可以为老化机理的研究提供数据。

e ．产品质量检验

聚2 , 6-二甲基苯醚( PPO）与PS , ABS等共混形成一种性能优良的工程塑料(MPPO)，从GPC测定发现其冲击强度与PPO 的低分子量含量有关。因此，通过测量GPC ，即可检验产品的质量。

凝胶色谱应用——高聚物及低聚物的组成分离与分析

对于高聚物中的高分子或单体含量的分析以往是先用抽提方法将高分子与单体或助剂分离，然后，用光谱或色谱进行定量测定。而凝胶色谱法对上述分离和分析能同时进行，故很方便。

单体含量的分析：

聚乙烯咔唑是有机光导材料，而残留单体的存在会影响材料的使用寿命。叶美玲用凝胶色谱简单而准确地测定了残留单体的含量。将含有单体的高分子溶液通过色谱柱先进行分离得到高分子和单体两个峰如下图。采用外标法，制作已知单体浓度的标定线。然后，量取单体的峰高，用标定线求得单体的含量，Z小检知量为0.03%。

同理可进行混合溶液中高分子含量的测定，此时，需选择小孔径的色谱柱，使高分子全部在渗透极限排出，得到一个对称的窄峰便于进行定量计算。用凝胶色谱成功地分析了油田污水中聚丙烯酰胺的含量，Z小检知量为0.1×10-6 (0.1ppm )。

小分子化合物的分离：Kato 等用微粒凝胶TSK-gel 柱，流速0.6ml / min ，以四氢呋喃为淋洗济，2h 内完成对聚乙二醇低聚体的分离。

凝胶色谱应用--共聚物的分析

共聚物除了分子量分布外，还有组成的多分散性。以往对共聚物的组成分析很麻烦，首先进行分级，然后用光谱、色谱等测定每级分组分，这样既费时又不准确。用凝胶色谱能快速、同时测定共聚物的组成分布及分子量分布。对于一个组分有紫外吸收另一组分没有紫外吸收的共聚物，Tung采用具有紫外和示差双检测器的凝胶色谱测定了丁苯橡胶的组成分布如下图，可看出分子量分布较宽但组成分布较均匀。