凝胶色谱与多角激光光散射联用研究聚氧化乙烯的扩展效应和链构象

李 琦, 赵文杰, 赵梓良, 姬相玲, 薄淑琴, 刘勇刚

(1. 长春工业大学化学工程学院, 长春 130012;2. 中国科学院长春应用化学研究所, 高分子物理与化学国家重点实验室, 长春 130022)



凝胶色谱与多角激光光散射联用研究聚氧化乙烯的扩展效应和链构象

李 琦1,2, 赵文杰1, 赵梓良2, 姬相玲2, 薄淑琴2, 刘勇刚2

(1. 长春工业大学化学工程学院, 长春 130012;2. 中国科学院长春应用化学研究所, 高分子物理与化学国家重点实验室, 长春 130022)

采用凝胶色谱与多角激光光散射联用的方法, 测定了一系列不同分子量的聚乙二醇(PEG)和聚氧化乙烯(PEO)在色谱柱中的扩展效应. 扩展因子随PEG/PEO分子量的增加而增大, 经扩展效应改正后得到了样品的准确分子量和分子量分布. 同时建立了PEO的Z均回转半径Rgz与重均分子量Mw之间的单分散标度关系: Rgz=0.0272Mw0.56, 结果表明, 长链PEO在水溶液中由于排除体积效应采取溶胀的无规线团构象.

凝胶渗透色谱; 多角激光光散射; 聚氧化乙烯; 扩展效应; 链构象

利用凝胶色谱(也称凝胶渗透色谱, GPC)准确测定高分子的分子量和分子量分布, 除了对色谱柱的分子量分离作校准外, 还需要考虑高分子在色谱系统中的扩展效应带来的影响[1]. 与色谱柱中的扩展效应相比, 柱外的扩展效应通常可以忽略不计. 色谱柱的分子量校准关系可由已知分子量的标样建立, 或通过与激光光散射检测器联用得到, 然而高分子在色谱柱中的扩展效应并不易直接得到[2]. 理论上高分子在色谱柱中的扩展效应可以由单分散高分子样品的色谱图得到, 但是高聚物一般都存在宽窄不一的分子量分布. 由温度梯度相互作用色谱制备的分子量分布极窄的高分子样品, 可视为单分散样品, 用于测定其在色谱柱中的扩展效应[3], 但这类样品不易得到, 限制了其应用范围. 根据程镕时[4]提出的凝胶色谱扩展和分离效应的统一理论, 将凝胶色谱与激光光散射联用[5,6], 可以用多分散高分子样品同时校准色谱柱的分离和扩展效应, 并准确得到样品的多分散指数; 利用已知确切分子量分布的多分散高分子样品, 也可以校准色谱柱的扩展效应[7]. 凝胶色谱与多角激光光散射联用(GPC-MALLS)已经广泛用于表征高分子的分子量、 尺寸及链构象[8～11], 然而扩展效应对GPC-MALLS测定结果的影响尚需研究.

本文利用GPC-MALLS研究了不同分子量的聚乙二醇(PEG)和聚氧化乙烯(PEO)在水相GPC中的扩展效应, 并建立了聚氧化乙烯在水溶液中的Z均回转半径Rgz与重均分子量Mw之间的单分散标度关系.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

分子量为3.9×103～1.36×106的窄分布PEG和PEO标样购自英国Polymer Laboratories公司; 分子量为8×103, 10×103, 20×103和35×103的较窄分子量分布PEG购自Sigma-Aldrich公司; 具有较宽分子量分布、 标称分子量为1.0×106的PEO购自美国PolyScience公司. 表1列出了上述样品的标称分子量数据, 样品名称中PEG和PEO后的数字代表其分子量. 其它试剂均为分析纯. 所有溶液均由Sartorious水净化系统制备的超纯水(电阻率为18.2 MΩ·cm)配制.

Table 1 Molecular weight of PEG/PEO samples as given by the suppliers

a.Mw,LSdetermined by GPC coupled with light scattering at 15° or 90°;b.Mw,MnandMw/Mndetermined by GPC;c. Polymer Laboratories Ltd.;d. Sigma Aldrich;e. PolyScience Inc.

1.2 凝胶色谱与多角激光光散射联用

配制浓度为0.2～2.0 mg/mL的PEG/PEO水溶液, 经0.45 μm滤膜过滤后用自动进样器进样(进样量为100 μL), 进行GPC-MALLS实验. MALLS检测器所用激光波长为658 nm, 可用散射角为15.4°, 25.9°, 34.8°, 42.8°, 51.5°, 60.0°, 69.3°, 79.7°, 90.0°, 100.3°, 110.7°, 121.2°, 132.2°, 142.6°, 152.6°和163.3°.

用窄分布标样PEG12000和PEO15000对经甲苯校准的MALLS检测器进行归一化标定, MALLS检测器与示差检测器之间的间隔体积也由这2个标样测定, 参照文献[12]方法测得PEG/PEO在流动相中的折光指数增量dn/dc=0.136 mL/g.

数据的收集和处理采用美国Wyatt公司的Astra软件, 用Zimm方法得到经色谱柱分离后各级分的重均分子量Mw,i和Z均回转半径Rgz,i. 对于高分子量样品, 采取无规线团模型进行分析[13].

2 结果与讨论

2.1 凝胶色谱的扩展效应

Fig.1 GPC-MALLS chromatograms of PEO448000 at a flow rate of 1.0 mL/minThe lines are Rayleigh ratios Rθ from the MALLS detector of 11 angles between 34.8° and 142.6°(from top to bottom is in the order of increasing angle).

图1是PEO448000的GPC-MALLS色谱图, 显出了经色谱柱分离后各级分在不同散射角的光散射信号. 可以看出, 高分子在低角度具有更高的散射光强. 从GPC各级分散射光强的角度依赖性, 结合从示差检测器得到的级分浓度, 可得到每一级分的Mw,i和Rgz,i(图2), 可以看出, lgMw,i和lgRgz,i都随淋出体积V的增加而线性降低.

Fig.2 Weight-averaged molecular weight Mw,i(A) and Z-averaged radius of gyration Rgz,i(B) of GPC fractions as functions of elution volume for PEO448000The solid lines are polymer concentrationof GPC fractions as calculated from the refractive index detector signals, while the dashed lines are the LS signals at scattering angle of 90°.

凝胶色谱的校准关系M(VR)是指色谱柱在无扩展效应时单分散组分的分子量M与保留体积VR的关系, 对于线性柱, 其表达式如下:

(1)

式中:AM和BM分别为校准线的截距和斜率.

由于扩展效应的影响, 从GPC-MALLS联用测得的是多分散样品各级分的重均分子量Mw与淋出体积V的关系Mw(V):

董玘的文章总体上是朴淡深奥、雍容纡徐的，但他的诗歌却有一些抒发性灵之作，尤其是五绝写得颇好。比如《湖山春晓图》：

(2)

式中:Aw和Bw分别为重均分子量校准线的截距和斜率.

程镕时理论指出实测关系Mw(V)的斜率要小于校准关系M(VR)的斜率, 两者的关系

(3)

式中:ξ为扩展效应的改正因子;σ20为扩展函数的方差(称为扩展因子);σ2T为样品实测GPC谱图的方差. 这里假定扩展函数和实测GPC谱图都满足正态分布,σ20总是小于σ2T, 故0 <ξ2< 1,Bw

Fig.3 Monodisperse calibration relation lnM of the GPC columns and the experimental relation lnMw of individual PEG/PEO samplesThe monodisperse calibration relation lnM-V is showed as a long straight line, which is obtained by linear fit to the cross points [Vw, M(Vw)](solid circles). The experimental relations lnMw-V of PEG3900, PEG12000, PEO45000, PEO293000, and PEO1358000 are shown as short straight lines, which are obtained by linear fits to the GPC-MALLS data(open squares), and the corresponding cross points are encircled.

(4)

(5)

图3给出了19个PEG/PEO样品的交点坐标, 建立的色谱柱校准关系为

(6)

可见具有良好的线性关系, 其斜率BM=1.007. 各个样品的实测重均分子量校准关系的斜率Bw位于0.431～0.786之间(图3给出了几个典型的例子), 均小于BM.

根据式(3)计算得到各个样品的扩展因子σ20=(1-Bw/BM)σ2T, 结果在0.026～0.091 mL2之间(表2). 样品PEO1000000的扩展因子较高, 是由于其GPC谱图偏离正态分布. 图4给出了所有样品的扩展因子与重均分子量之间的关系. 可以看出, 随着PEG/PEO分子量的增加(或淋出体积的减小), 样品在色谱柱中的扩展因子增大, 表明扩展效应导致的色谱峰加宽越严重. 文献[5]观察到高分子在凝胶色谱柱中的扩展因子在样品分子量接近渗透上限时会出现极值, 本文并未观察到这一现象, 与之前对聚苯乙烯、 1,2-聚丁二烯、 聚乙烯、 聚丙烯等的研究结果一致[6,7]. 最近Coto等[14]研究了聚苯乙烯在凝胶色谱柱纵向的扩散, 观察到随分子量增加, 聚苯乙烯在色谱柱中的有效扩散系数增大, 色谱峰加宽效应变得更加严重.

Table 2 Spreading factor σ20 and averaged molecular weights for PEG/PEO samples before and after band broadening correction(in parenthesis)

Fig.4 Dependence of the spreading factor σ20 on the molecular weight Mw of PEG/PEO samples The straight line is a linear fit of σ20 on lgMw for all samples except PEO1000000.

利用GPC校准关系M(VR)或各个样品的重均分子量校准关系Mw(V), 可以将GPC谱图转换成分子量分布, 计算得到整个样品的重均分子量Mw、 数均分子量Mn和多分散指数Mw/Mn. 表2列出了基于这2种不同校准关系得到的结果, 分别称为GPC法和GPC-LS法, 前者得到的多分散指数偏大, 而后者得到的多分散指数偏小. 利用文献[5,6]建议的方法, 上述2种方法经扩展效应改正后的多分散指数Mw/Mn列于表2的括号中, 两者得到了一致的结果.

从PEG/PEO的扩展因子和GPC校准关系, 还可以计算出各个样品的实效分子量校准关系M*(V)[4,7]:

(7)

2.2 PEO的链构象

Fig.5 Rgz as a function of Mw for PEO in waterPEO samples with narrow molecular weight distribution(solid squares); GPC fractions of PEO1000000(open circles); Devanand and Selser[15](upward-pointing triangles); Kawagichi et al.[16](downward-pointing triangles). The straight line indicates Rg,z=0.0272Mw0.56, while the dashed and short dashed lines are Rgz=0.0215Mw0.583 established in ref.[15] and Rgz=0.0202Mw0.580 obtained in ref.[16], respectively.

尽管凝胶色谱存在扩展效应, 通过对窄分布样品的整个谱图的积分, 我们仍然能够得到整个样品的重均分子量Mw和Z均回转半径Rgz[13]; 而对于宽分布样品, GPC各级分几乎是单分散的, 其Mw和Rgz由MALLS直接测定, 不受扩展效应的影响. 图5给出了窄分子量分布PEO样品的Rgz与Mw之间的依赖关系, 宽分布样品PEO1000000各级分的数据也一同给出. 这2组数据几乎完全重合, 与文献[15,16]中的数据也吻合得很好. 在分子量4×104～4×106之间, 我们得到的单分散标度关系为Rgz=0.0272Mw0.56, 标度关系指数ν=0.56, 与文献值0.583[15]和0.580[16]接近, 也与最近从PEO水溶液的黏弹性得到的结果ν=0.565[17]一致. 结果表明, 高分子量PEO在水溶液中采取溶胀的无规线团构象(真实链), 而非没有排除体积效应的高斯链[18～20].

3 结 论

采用GPC-MALLS测定了不同分子量PEG和PEO样品在凝胶色谱柱中的扩展效应, 表明PEG和PEO的扩展因子随分子量的增加而增大. 尽管GPC-MALLS可以得到样品的准确重均分子量Mw, 但是得到的分子量分布偏窄, 需作扩展效应改正后才能得到真实的多分散指数. 利用GPC-MALLS建立了PEO分子尺寸与分子量之间的单分散标度关系: Rgz=0.0272Mw0.56, 结果表明长链PEO在水溶液中由于排除体积效应采取溶胀的无规线团构象.

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(Ed.: D, Z)

† Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.21274147), the Natural Science Foundation of Jilin Province, China(No.201215093), the China-South Africa Joint Research Program and the Partner Group Program of the Max Planck Society and the Chinese Academy of Sciences.

Band Broadening and Chain Conformation of Polyethylene Oxide by Gel Permeation Chromatography Coupled with Multi-angle Laser Light Scattering†

LI Qi1,2, ZHAO Wenjie1*, ZHAO Ziliang2, JI Xiangling2, BO Shuqin2, LIU Yonggang2*

(1.SchoolofChemicalEngineering,ChangchunUniversityofTechnology, 130012Changchun,China;2.StateKeyLaboratoryofPolymerPhysicsandChemistry,ChangchunInstituteofAppliedChemistry,ChineseAcademyofSciences,Changchun130022,China)

The band broadening of aqueous gel permeation chromatography columns was studied by coupling with a multi-angle laser light scattering detector, using narrow polyethylene glycol(PEG) and polyethylene oxide(PEO) samples. The determined spreading factor of PEG/PEO increased with increasing molecular weight between 4.0×103and 1.3×106. True molecular weight distributions of these samples were obtained with band broadening correction. Despite the presence of band broadening in the columns, the monodisperse scaling law between radius of gyration and molecular weight of PEO is established to beRgz=0.0272Mw0.56, indicating that the long PEO chains take a swollen random coil conformation in water due to the presence of excluded volume effect.

Gel permeation chromatography; Multi-angle laser light scattering; Polyethylene oxide; Band broadening; Chain conformation

10.7503/cjcu20150940

2015-12-09.

日期: 2016-03-16.

国家自然科学基金(批准号: 21274147)、 吉林省自然科学基金(批准号: 201215093)、 第七批中国-南非联合研究计划和中国科学院-德国马普学会伙伴小组项目资助.

O631.4

A

联系人简介: 赵文杰, 男, 博士, 副教授, 主要从事聚合反应动力学研究. E-mail: zhaowenjie@ccut.edu.cn

刘勇刚, 男, 博士, 副研究员, 主要从事高分子溶液和生物膜物理研究. E-mail: yonggang@ciac.ac.cn