聚合物广泛应用于化工、生物医药、食品、环境等领域。凝胶渗透色谱作为在高效液相色谱的基础上发展而来的新技术，自19世纪60年代问世以来，已广泛应用于聚合物的分离与表征，并且成为测定聚合物分子量及其分布最常用也最有效的方法之一。聚合物通常是由一类简单的结构单元通过共价键重复连接而成的高分子量化合物，不像小分子物质一样具有固定的分子量，其只能用平均分子量来进行表述。根据不同的统计方式，平均分子量主要分为数均分子量、重均分子量、黏均分子量和Z均分子量[1]。由于聚合物分子量数值很大及具有分散性即不均一性的特点，所以聚合物具有强度高、弹性大和黏度高等优良特性[2]。
常见的平均分子量测定方法有沸点升高法、冰点下降法、蒸气压渗透法、端基滴定法、光散射法、黏度法、凝胶渗透色谱法等[3]。凝胶渗透色谱由于具有操作简单、分析速度快、所需样品量少以及可连接多种不同的检测器对样品进行分析等特点，已被广泛应用于聚合物分子量及其分布的测定中[4]。我国石油化工行业也制定了凝胶渗透色谱法测定聚合物分子量及其分布的相关标准[5]。
1 凝胶渗透色谱的原理
凝胶渗透色谱法，即分子排阻色谱法，样品溶液与固定相间不存在相互作用力。与依靠吸附、分配、离子交换等作用进行分离的色谱不同，凝胶渗透色谱是一种依靠体积排阻机理在色谱柱上按照不同物质的流体力学体积大小对化合物进行分离的色谱[6–7][6–7]。色谱柱由惰性的多孔凝胶装填而成，因此，一般情况下不会有强保留的组分残留在色谱中，样品组分不会丢失，也可有效地延长色谱柱的使用寿命。凝胶内部有大小不等的孔径，且凝胶颗粒之间也存在大量缝隙。样品的分离过程是聚合物溶液在流动相的带动下，流经色谱柱，由于分子量大的聚合物体积较大，不易流入较小的孔径之中而被排阻，只能随着流动相的冲刷从固定相填料的缝隙中流出色谱柱，通过速率较快，保留时间较短；而分子量较小的聚合物由于自身体积较小，不仅可渗入较大的孔径中，还可扩散进入更小的孔径中，所以较小的分子移动速率较慢，需要更长的流动时间洗脱出色谱柱[6,8][6,8]。因此，分子量较大的聚合物保留时间较短，最先流出色谱柱，其次是中等分子量的聚合物，最后流出色谱柱的是小分子，可以此为依据实现分子量大小不同的聚合物的分离，再通过检测器和数据采集处理系统得到不同组分的分子量。
体积排阻机理仅是理想状态下的分离机理，这种状态下只能选用非极性或极性较弱的凝胶作为固定相填料[9]。除此之外，还存在次级分离机理。实际应用中分子尺寸大小并非唯一的影响因素，样品组分的极性强弱、带电与否，流动相的组成和极性，以及聚合物、固定相、流动相3者之间可能存在的相互作用如氢键作用、疏水作用等均有可能影响样品的测定结果[10]。
聚合物的分离过程中可能只有单一的体积排阻机理，也可能依靠体积排阻机理和非体积排阻机理的共同作用。但当非体积排阻机理占据主导作用时，分离过程违背了凝胶渗透色谱按照分子尺寸分离的原则，得到的结果偏差较大[11]。
2 不同因素对结果的影响
在分离过程中影响测定结果的因素可能有流动相的选择、柱温、流速、样品的进样浓度等。
2.1 流动相的选择
流动相应尽量与固定相互不相溶，且具有较低的黏度和适当低的沸点，同时具有足够溶解样品的能力。
但在非理想状态下，聚合物、固定相、流动相3者之间可能存在相互作用，影响出峰时间，从而导致样品测定结果不准确，这就需要在流动相中加入适量盐配成缓冲溶液来提高测试的准确性[11–12][11–12]。范娅等人[13]在测定聚羧酸盐分散剂的分子量时发现使用单一NaNO3溶液作为流动相时，由于色谱柱对含羧基、羟基等官能团的聚合物有较强的吸附作用，导致色谱峰无法完全分离，但加入缓冲盐溶液后，色谱峰可完全分离，并且无杂峰出现，有效提高了测试结果的准确性。张森林等[14]用凝胶渗透色谱法测定聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的分子量时同样发现适当的增强流动相离子强度并调整流动相为中性或弱酸性时，可有效抑制固定相对PVP的吸附作用，并改善分离效果。
当流动相中盐浓度过高时，盐可能会在分离过程中析出，损害色谱柱和设备。因此，在实际应用中，流动相中的盐含量也不宜过髙[15]。同时，流动相应先通过滤膜过滤以及超声波脱气后使用，避免流动相中的气泡或杂质造成泵压的改变，导致分析结果出现误差[16]。
2.2 色谱柱的选择
色谱柱的选择对实验结果同样至关重要。为获得更好的分离效果，应选择可得到峰形完整、分离度好、曲线平滑以及分子量分布尽量窄的色谱图的色谱柱；必要时还经常将色谱柱联用提高分辨率，以得到更准确的结果。GJB 1965—94中提到测定端羟基聚丁二烯分子量及其分布时柱或柱组的分辨率不应小于2.0[17]。
在分离过程中，可将聚合物分子看作微球，当聚合物微球随流动相流经色谱柱时，微球的大小和固定相凝胶的孔径及缝隙大小共同决定了聚合物的洗脱时间。由于固定相填料上的孔径大小一定，所以每根色谱柱都有一个固定的可测得的分子量范围[18]。叶纯麟等[19]在使用常规色谱柱对分子量高达上百万且流动性较差的高分子量聚乙烯测量时发现，由于常规色谱柱中凝胶颗粒粒径偏小，孔径分布较窄，所以不能将样品中的不同组分完全分离，导致分子量分布变宽，并且数据向低分子量偏移，使测定结果偏低，需要使用9级以上分离度等级的色谱柱，才能改善分子量分布变宽的现象，得到较为准确的结果。
2.3 柱温的影响
随柱温的升高，溶剂的黏度降低，聚合物分子的扩散速度变快，使柱效提高。分子量大的物质对柱温的改变较为敏感，所受影响较大，小分子物质的洗脱时间随柱温改变变化不大[16,20][16,20]。刘玉成等[21]在测定异戊烯醇聚氧乙烯醚含量时，发现柱温为35℃时，分离效果较好。王小兵等[22]发现采用甲苯作溶剂，在40℃下测试聚苯醚分子量及其分布比采用氯仿作溶剂在常温下测定聚苯醚分子量及其分布具有快速、准确、操作简便、再现性高等优点，同时克服了聚苯醚在氯仿中溶解性差需过滤的问题。杨倩等人[23]考察了不同柱温（25、30、35℃）对分离头孢替唑钠及其注射剂中的聚合物杂质的影响。结果表明，随柱温的升高，可改善色谱峰峰形，且头孢替唑钠溶液的稳定性较好，故最终柱温选择了35℃。
2.4 流动相流速的影响
由于在凝胶渗透色谱测试中质量传输效应对样品分离影响很大，所以流动相流速将直接影响分离效果。流速过低会延长分离时间，从而延长样品测试周期；流速过高时，理论塔板高度与质量传输速率成反比，与纵向扩散速率成正比[24]，会使柱效降低，影响样品洗脱时间，从而影响分子量测定结果；会导致一些分子尺寸大小相近的聚合物无法彻底分离[25–26][25–26]。因此需要选择一个合适的流速，既能将聚合物完全分离，又能有较高的样品测试效率。董雅卓等[27]在测定氟醚橡胶的分子量时，发现与流速为0.5 mL/min和1.5 mL/min的条件相比，流速为1.0 mL/min时色谱图显示分离效果更好，得到的分子量结果准确并且样品测试时间适当。
2.5 聚合物进样浓度的影响
聚合物进样浓度大时，溶液黏度较大，分子在凝胶中的扩散受到阻碍，使分离效果变差，流出体积变大，峰形有明显的拖尾和变宽[16,28][16,28]，影响分子量测定结果的准确性；聚合物浓度过低会使响应信号变弱，产生误差。渠丽景等[29]采用凝胶渗透色谱法测定聚丙烯腈分子量时发现样品浓度的增加以及进样体积的增大会使聚丙烯腈的数均分子量、重均分子量测试结果偏低。韩风[28]在测定聚丙烯腈聚合物分子量时，经综合考虑，将样品的进样质量浓度选择为1 mg/mL，这是因为若样品质量浓度过高可能会出现溶解不完全，堵塞色谱柱甚至色谱柱被污染的情况。因此在选择样品进样质量浓度时应同时考虑提高分离效果和延长色谱柱使用寿命2个因素。
在实际操作中，样品的测试结果受多种因素的共同影响。王艳飞等[30]通过正交试验探讨了样品浓度、色谱柱温度、流动相流速对PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）分子量测定结果的影响。正交试验表明，样品浓度对分子量测定的影响最大，其次是流动相流速，最后是色谱柱温度；并且实验发现样品质量浓度2 g/L、柱温35℃、流动相流速1 mL/min为最佳条件。侯洋等人[31]发现测定聚丙烯酸钠的分子量时的最佳条件为以0.1mol/L NaNO3水溶液为流动相，聚丙烯酸钠为标准品，流速1 mL/min，柱温30℃，进样质量分数0.1%，进样体积50μL，测定结果相对标准偏差小于1%，可准确测定聚丙烯酸钠的分子量及其分布系数。
3 凝胶渗透色谱与不同检测器联用测定分子量
3.1 示差折光检测器
示差折光检测器是测定聚合物分子量及其分布时最常用的检测器，主要是根据样品组分的折射率与纯流动相溶剂的折射率有所不同，当待测物组分流出，流动相的折射率会发生改变[32]，可用于数均分子量的测定。Mohd等[33]将凝胶渗透色谱与示差折光检测器联用，用已知分子量的聚醚多元醇作为标准样品测得了一系列商用聚醚多元醇的分子量及其分布，比采用聚苯乙烯（PS）作为标准样品测定的结果更接近理论值。
3.2 多角度激光散射检测器
凝胶渗透色谱还可与多角度激光散射检测器联用。由于激光的准直性较好，所以可通过在小角度下测定较稀溶液的散射光强，直接计算出重均分子量的近似值。无需标准品，也不必进行峰加宽改正便可得到绝对分子量。Ma等[34]通过凝胶渗透色谱与多角度激光散射检测器联用的方法直接测得了光稳定剂Tinuvin622的分子量及其分布情况，解决了色谱、质谱等常规方法中难以直接定性定量并同时获得分子量的问题。
但是多角度激光散射检测器使用成本较高，学者们希望寻求一种成本更低廉的方式获得聚合物的绝对分子量。张蕊鑫等[35]在测定褐藻胶的分子量时发现，用示差折光检测器得到的相对分子量经公式转换计算得到的绝对分子量与多角度激光散射检测器得到的绝对分子量的相对误差可控制在±12%以内，有效节约成本，减少投资。
3.3 黏度检测器
黏度检测器也是一种常用的检测器，是利用样品在层流状态下流过毛细柱时，柱两端的压力与黏度成正比，样品流过4个毛细柱后黏度检测器可利用公式给出样品的特征黏度，计算样品的分子量[36]。
3.4 多个检测器联用
凝胶渗透色谱还可与多个检测器联用。由于紫外检测器可对共聚物中的某种组分进行选择性吸收，对于含有共轭结构的化合物响应尤为敏感，适用范围广，精密度及线性范围均较好，所以将凝胶渗透色谱与紫外检测器和示差折光检测器联用可同时测定聚合物的分子量和共聚物各组分的含量变化[37]。张志远等[38]利用凝胶渗透色谱与示差–紫外检测器联用得到了丁苯橡胶（SBR）无规共聚物和苯乙烯–丁二烯–苯乙烯（SBS）三嵌段共聚物中随分子量变化时各组分含量的变化，但小分子以及饱和化合物在紫外检测器中的信噪比过低，无法得到准确结果。
林朝阳等[39]在对聚丙烯酰胺的合成过程进行研究时，发现将凝胶渗透色谱与多角度激光散射检测器和示差检测器同时联用可实现一次进样即可同时检测合成工艺中单体的残留和聚合物的分布及分散指数。
将凝胶渗透色谱与示差折光检测器、黏度检测器、多角度激光散射检测器同时联用也广泛应用于聚合物的研究中。通过多个检测器的联用可同时得到聚合物的组分信息、各组分的含量和分子量及其分布、特征黏度、流体力学半径等信息，从而进一步对聚合物的结构等信息有更深的认知[34]。韩杰等人[40]将凝胶渗透色谱与上述3种检测器同时联用，对卡拉胶的分子量及分子结构进行了研究，得到了卡拉胶的分子量、分子量分布、特性黏度、流体力学半径、均方旋转半径、折光指数增量等指标，为促进卡拉胶在食品、医疗等方面的应用提供了帮助。Liu等[41]同样通过凝胶渗透色谱与示差折光检测器、黏度检测器、多角度激光散射检测器等联用研究了异构化聚酰亚胺在二甲基甲酰胺中的链构象和局部刚性。
4 凝胶渗透色谱应用
4.1 测定聚合物分子量及其分布
近年来的许多研究都分别通过选择合适的流动相、色谱柱以及不断探索对不同物质而言最佳的色谱条件，提高了聚合物分子量测定的准确性，节约了测样时间；与合适的检测器联用，也可在较低的样品浓度下获得结果，并且自动化程度较高的凝胶渗透色谱的应用，也极大节约了成本。
笔者尝试采用凝胶渗透色谱法取代蒸气压渗透法测定改性六亚甲基多异氰酸酯（HDI）的平均分子量。当选用常用的PS作为标准样品时，发现由于HDI是一种较为复杂的混合物，分布较宽，因此用窄分布的PS作为标准样品时获得的分子量与实际结果偏差较大。后期还需继续探索对于宽分布的样品，是否能通过凝胶渗透色谱法得到平均分子量，实现一次进样同时得到样品的分子量以及反应过程中未反应完全的游离HDI的含量。
4.2 在聚合物方面的其他应用
赵鹏等人[42]通过凝胶渗透色谱法探究了在溶液自由基聚合法合成聚苯乙烯磺酸钠过程中引发剂用量、反应时间和反应温度对聚苯乙烯磺酸钠分子量及其分布的影响，可对生产过程进行分析和控制。
陈伟华[43]同样利用凝胶渗透色谱法对SBS橡胶的生产过程进行控制，以确定反应温度和偶联剂加入时间等因素。该研究测定过程中还引入内标物来锁定保留时间，即使样品的保留时间受外因影响发生改变，色谱工作站也可根据内标物保留时间的漂移，自动计算校正系数，以消除仪器自身状态不稳定造成结果的变化，减小了误差，提高了准确度[44]。
对于带有支链的聚合物，可用黏度检测器来研究聚合物的支化程度[45–46][45–46]。凝胶渗透色谱与黏度检测器、光散射检测器同时联用现已被广泛应用于聚合物支化程度的研究中[47]。此外凝胶渗透色谱还可用于研究共聚物的组成以及高分子材料中的低聚物和微量小分子等的分析[48]。Boborodea等[49]采用凝胶渗透色谱–质谱–紫外检测器联用的方式，将聚苯乙烯中的大分子和未反应完全的小分子或低聚物进行分离并检测，方便准确地分析了聚合物中所含的小分子和低聚物。
4.3 在其他领域的应用
凝胶渗透色谱–气相色谱–串联质谱是一种可对样品进行综合分析的方法，具有灵敏度高、重现性好、分析速度快以及可一次完成多种成分、复杂样品的在线分析等特点，在农药残留、辐照标志物、半挥发性成分、增塑剂、光引发剂、激素残留、多环芳烃类有机污染物、赋香剂的分析与检测等领域均有广泛应用[50]。樊子便等[51]在分析乳制品中的香精成分时，利用凝胶渗透色谱对乳制品中的脂肪、蛋白质等大分子成分进行分离后，再通过与气相色谱–质谱联用的方法，对乳制品中的5种香精组分进行了分析检测，为食品安全领域提供强有力的技术帮助。
5 结束语
目前，凝胶渗透色谱法不仅是测定聚合物的分子量及分布最常用且准确的方法之一，也由于其优秀的分离能力而广泛应用于复杂样品的组分分析和聚合物分子构象等领域。由于目前常用的测定聚合物分子量的标准样品分子量分布均较窄，不能得到分布较宽的复杂混合物的平均分子量，后期还可探索对分子量分布较宽的复杂混合物如何通过凝胶渗透色谱法得到准确的平均分子量。凝胶渗透色谱除了可连接多种不同的检测器外还可与红外色谱、气相色谱、高效液相色谱、质谱等仪器联用，在化工、食品、医药等领域做出贡献。因此，凝胶渗透色谱有着很广泛的应用前景。
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