场流与凝胶渗透色谱、激光散射和四毛细管粘度联用简介

应助达人

是要好好学学，看不是太懂

近十几年来，广大用户逐渐认识到了激光散射检测器在测试绝对分子量、均方旋转体积等方面的优势，许多客户都采购了激光散射检测器LS。我们团队近几年也一直在销售多检测器GPC和场流仪，在销售过程中，感觉到许多客户对激光散射检测器的技术、应用等等，在认识上有许多误区。2012年，我们团队在德国postnova分析仪器公司培训期间，外商工程师针对我们这种有一定经验和知识的实际情况，进行了比较深入一些的培训，使我们受益匪浅，也使我更加感觉国内许多用户在认识上的误区是挺严重的，从某种程度上说，甚至可以说是受到了蒙蔽。在市场上占有率较高的18角度激光散射检测器/激光散射仪，自诩严格按照瑞利散射的原理而制造，是最经典的在线/脱机两用型的激光散射检测器。但是，经过外商工程师培训后，我们了解到，在激光散射检测器中，光电二极管在采集从样品池中出来的散射光的时候，散射光会穿透样品池石英玻璃内、外壁各一次。所有激光散射检测器厂家的仪器都是如此。而18角度这款仪器，由于采用了立方体的样品池，因此，除去90度角以外，其它角度散射光在穿透样品池玻璃壁时，由于不是垂直于玻璃壁，因此会发生两次折射！这两次折射使得光电二极管取到的散射光强下降了，并不是在某一角度上的真实的散射光强！因此，如果用这一光强直接计算分子量，肯定会产生偏差的，最终数据肯定就不准确了、甚至是错误的。为解决这一问题，厂家在18角度仪器的操作手册中提供了两次折射的校正方法。因此，该型仪器需要对除90度角以外的其余17个角度，每个角度校正两次折射光强，也即：将折射散失的光强计算入取光光强中去，再计算分子量和均方旋转尺寸。关于校正折光的频率，即：多长时间校正一次，也要根据实际情况，如：更换溶剂-流动相的时候、长期使用一种溶剂的时候，都应该校正折射。客观地说，这个操作还是非常复杂繁琐的，对操作人员的素质、技术水平要求很高，某种程度上说，已经超过了大多数中国用户的实际操作水平了。因此，我见到不少客户，18角度光散射得到的数据中有一个可信度，常常只有30~40%，我觉得，没有经常地校正两次折射应该是造成数据可信度低的原因之一。
　　进一步地探讨，那么其它厂家的仪器是如何解决散射光穿透样品池玻璃壁时的折射问题呢？现在我给大家一一介绍。美国布鲁克海文brookheaven公司的产品：8角度在线激光散射检测器，采用了圆柱状的样品池，因此，不论在哪个角度上取光，散射光都是与样品池玻璃壁垂直的，因此就不会发生折射现象了，也就无需校正了。德国postnova公司的21角度和9角度激光散射检测器，也采用了这种圆柱状的样品池，从而实现了无需校正折光。而马尔文公司收购的美国viscotek公司的激光散射检测器、安捷伦公司收购的英国PL公司的激光散射检测器（实际上是PL公司收购美国PDI公司的产品与技术）都是只有两个角度，分别是：7度角和90度角、15度角和90度角，前者的7度角采用了蛋筒式结构的立体取光，因此也无需校正折射；后者的15度角，具体情况我不太了解，但是即使需要校正折射，也只有一个角度，要简单得多。此外，还有诸如德国ALV 公司、德国康森克斯公司等厂家的LS检测器，基本情况差不多，此处不再赘述。
　　再进一步探讨，从这件事情上可以发现几个问题：国内不少客户觉得自己对光散射技术很懂行，而认为18角度MALS很经典，所以就买了这款仪器。客观地说，18角度MALS确实更加符合瑞利散射的原理，尤其是与其它厂家相比较的时候更显得符合经典了。但是，激光散射检测器是一款在线联用的仪器，这种使用方式，就决定了该仪器必须照顾色谱类仪器的分离工作，因此必然不能像脱机的大型的激光散射仪那样面面俱到、照顾到瑞利散射的所有原理要求，而应该是尽量简化操作的一款实用性的仪器，这就好比大型质谱仪往往不与色谱仪联用，而小型质谱仪才适合与气相色谱、液相色谱联用的道理一样。如果说经典，那么18角度仪器肯定没有布鲁克海文和ALV 公司的脱机的大型光散射仪更加经典了吧。呵呵。再进一步说，为什么其他厂家没有生产像18角度这款仪器那样的、追求经典性的在线光散射检测器呢？难道真是其它厂家技术不行吗？呵呵，答案肯定是否定的，至少布鲁克海文公司在技术上更加强大得多啊，因为人家有脱机的大型的光散射仪，光强、波长、取光角度都是可调的啊。那么其他厂家并不在激光散射检测器方面过分追求完美、追求经典，原因就在于，在线使用就要尽量简化，否则会陷入自相矛盾的境地。有关这些内容，先说到这儿吧，因为内容实在太多了啊。以后有机会再向大家介绍。
　　我想说的最重要的是，国内用户，不论您是科学院院士也好、工程院院士也好，不论您对光散射理论多么熟悉了解，但是毕竟没有搞过激光散射检测器的研发和生产，这是最重要的，因为从理论到商业化的产品，这中间还有一个工程化的过程！！在工程化的过程中，需要许多新的知识、经验和技能，而这些恰恰是国内用户普遍不具备的，就拿校正两次折光这件事来说吧，我在国内许多知名用户那里都看到18角度MALS仪器了，可是我还没见到哪个用户知道校正34次折光这事儿呢，更甭提实际操作了，呵呵。因此，我们强烈建议，用户在采购仪器的时候，不要好高骛远、眼高手低，要选择与你自己的实际需求、实际能力相适应的分析仪器。这方面的教训就太多了，不胜枚数。如前所述，目前市场上的几款光散射检测器，除了PDI的仪器采用15度角，看起来有点儿缺乏理论依据以外，其他厂家的仪器都还是不错的，关键还是在技术服务、样品应用开发，这些都与厂家/代理商的技术服务水平有关很大关系。对于高分子行业的用户，最重要的数据其实还是分子量分布，激光散射检测器的使用不应该影响分子量分布数据的准确性！但是激光散射检测器不仅仅提供绝对分子量数据信息，还可以利用其选择性对分离过程提供重要的信息！这点对于GPC与场流仪在分离效果的比较上具有决定性意义。因此，我建议大家在采购激光散射检测器的时候，不必过分看中是否完全或更多地遵循瑞利散射的原理，而要看详细的技术细节是否先进、操作与维修、维护等方面是否简单可行，数据是否准确可靠，偏差大小、基线漂移多少等等。目前看来，viscotek、布鲁克海文、postnova等三个厂家的仪器还是很不错的，我们在实践中将其与场流仪联用，效果都是不错的，对超大分子量样品测试精度都较好，尤其是viscotek和postnova的仪器上的7度小角，具有明显的技术优势，对超大分子量组分的准确测试发挥了决定性作用。18角度仪器，如果熟练掌握，也是没问题的，以前，postnova的场流仪都是跟18角度MALS联用的。如果客户已经有18角MALS了，也可以很方便地与postnova场流仪联用。关键是厂家工程师技术服务能力、操作简便性方面，还需要提高啊。

在热场TF3的应用中，国外不少用户玩儿色谱的水平很高，将热场TF3与GPC和多检测器组合起来，串联使用：先用热场分离有机相聚合物样品，再用GPC对分离后的组分再测一次，期间，还可以先连接一个馏分收集器，将部分分子量超大、体积超大的组分——例如橡胶中的凝胶物质——收集下来以避免在GPC中堵柱子。馏分收集器还可以将热场分离后的溶剂峰（在场流中称为：void peak）收集下来，再用LC-MS分析其小分子添加剂物质的化学性质与含量。在热场-GPC分离之后，再用激光散射MALS/LALS和四毛细管粘度IV对组分进行定性分析。如果对此感兴趣，大家可登陆postnova公司网站，在参考文献中检索到相关论文的文摘。

还有人先用GPC分析，再用热场分析，即：GPC-TF3串联，其顺序与前述相反，总之，这两种组合分析的方法，都扩展了聚合物、特别是聚合物共混物的分离与分析能立，得到大量、丰富的聚合物构型信息。

这张图片，来自高温场流仪的论文，是个非常典型的例子，不仅仅说明了高温GPC分离聚烯烃样品时，存在的问题，更说明了激光散射检测器不仅仅是用来测试样品绝对分子量的，而且是可以用来检验GPC或者场流分离仪的分离效果的！这是许多用户往往没有认识到的，其实也是激光散射检测器与GPC/FFF联用时，最重要的功能。这是利用了激光散射检测器的选择性。

从上图可以看到，两个样品的激光散射检测器的分子量范围曲线（取对数后）在末端都有一个“翘尾巴”的部分，这部分样品的纵坐标值很大，说明其分子量很大，也因此而上翘，但是保留时间却在最后，这已经与GPC的分离顺序不符了，说明：这部分组分因为其它复杂原因而滞留于色谱柱中了，造成了不正常的晚馏出，从而证明，高温GPC分离聚烯烃样品存在这问题，样品可能与色谱柱固定相填料发生尺寸排阻以外的其他作用，造成了晚馏出，从而使分子量分布数据出现了错误，即：由于有这么多样品分子晚馏出，所以造成了这些分子没有参与到分子量分布的曲线中去，因此分子量分布、流体力学体积分布肯定就不正确了。一般来说，分布变窄了，而且，这些晚馏出的组分分子量很大，也造成了重均分子量、Z均分子量的测试值与真实值相比偏小。

当使用高温场流仪对这两个样品进行分离时，则出现了上图这个色谱图，从图中可以看出，随着保留时间的延长，样品分子量逐步增大，样品HDPE-120基本没有出现色谱图上翘的现象，样品LDPE-1则有很少样品是很小体积、很大分子量的，所以在色谱图的最初段有些上翘的点，并且与主要部分的曲线断开了，但是含量较少，对色谱图的影响不大。

上图不仅说明了场流仪比GPC分离能力强，更说明了激光散射检测器LS和粘度检测器对场流仪来说是多么重要的。因此，我们说，从传统GPC 到多检测器GPC，再到多检测器场流仪，这是一个发展过程、更是高分子材料科学家们在分析领域的认识过程：先认识到传统GPC的不足，于是出现了与LS&IV联用的多检测器GPC，继续使用后发现了GPC柱子存在的问题，于是换用场流仪，并结合多检测器LS&IV，最终看到了均匀的、正常的分子量范围曲线，从而证明尺寸分离过程是正确的！

上面两个色谱图，说明了对于长链支化样品，激光散射检测器的分子量范围曲线、均方旋转半径范围曲线都显示了样品在GPC上的分离过程不正确，分子量大、尺寸大的样品组分，反而晚馏出，这是不正确的，跟GPC的分离顺序不相符，说明这部分样品在色谱柱上，与固定相填料发生了缠绕等作用，造成了不正常的晚馏出。与之相比，在场流仪的分离通道内的分离过程则始终是与标准曲线的趋势一致的，证明分离过程是正确的，样品是按照流体力学体积进行分离的。注意，在场流仪中，分离顺序是：先馏出小分子量/小体积组分，再馏出大体积/大分子量组分，因此，其标准曲线的趋势和激光散射检测器的趋势曲线，都是上升式的，跟GPC的正相反。