Origin軟件在凝膠色譜數據處理中的應用

戴晨偉， 郝建文

(安徽職業技術學院 環境與化工學院，合肥 230011)

0 引 言

凝膠滲透色譜(GPC)是測定高聚物分子量及其分布的一個突破，通過GPC得到的譜圖也是比較寬的連續的線，可以根據這個譜圖求得各種平均相對分子質量及相對分子質量的積分和微分分布曲線[1、2]。 因此，GPC儀必須配置專業的工作站進行數據處理，在沒有專用工作站的情況下，也可以自行編寫計算機程序對譜圖數據進行處理，但需要專業的計算機編程知識[3、4]。Origin軟件是美國OriginLab公司開發的圖形可視化和數據分析軟件，是一款科研人員和工程師常用的高級數據分析和制圖工具，在實驗數據處理中已有應用報道[5-12]。本文利用Origin8.0軟件對GPC數據進行處理，得到高聚物的重均和數均相對分子質量及相對分子質量積分和微分分布曲線，此法一方面適合沒有專業編程知識的化學工作者使用，另外無需購置額外的GPC數據專用工作站，降低了使用成本。

1 數據處理原理

實驗基于相對分子質量M的對數值與淋出體積Ve之間的線性關系，即lgM=A-BVe[13]，通過分析窄分布聚合物標準樣品，得到一組相對分子質量與淋出體積對應的數據，從而對凝膠色譜系統進行標定。對于樣品的測試譜圖，需進行條法計算，即將GPC譜圖橫坐標Ve以相等的間隔ΔVe分隔成很多離散點，并讀取每個離散點Vei所對應的信號高度DRi，然后計算各種相對分子質量統計平均值。相對分子質量的微分分布可直接采用GPC譜圖F(V)，積分分布可對各切片進行梯形積分方式得到[ 1,2,13-16]。

2 數據處理過程

2.1 凝膠色譜系統的標定

將窄分布聚苯乙烯標準樣品色譜數據導入新建的Origin工作表中，添加一新列，選中此列，并在Column菜單中選擇set column values命令，對相對分子質量一列求對數值，此新列為lgM，并導入混合標樣數據，得到圖1中的工作表，注意表中各列數據的坐標類型。

圖1 混合標樣數據

選定圖1中A、C、D、E、F列，其中以Ve為x軸，lgM為y軸，標樣Ve為x軸，混標1號和2號的信號高度為y軸，點擊Plot菜單，選擇Multi-Curve中Double-Y命令，對圖1中數據進行雙坐標作圖，雙擊圖中7個標樣對應點，彈出Plot Detals窗口，在Plot Type中，選擇scatter，單擊OK，己再點擊Analysis菜單，選擇Fitting中fit linear，打開線性擬合對話框，在Recalculate選項中選擇Auto，對數據進行一次線性擬合，結果如圖2所示。

圖2 混合標樣色譜圖及凝膠色譜系統擬合曲線

2.2 樣品譜圖基線的修正

對存在基線漂移的待測聚苯乙烯凝膠色譜圖，必須先進行基線扣除，使色譜峰的起始端和結束端的信號強度為零，具體做法是，利用儀器配套LC solutions工作站將凝膠色譜數據以ASCⅡ碼形式導出txt文件格式色譜圖數據，再將該數據導入Origin工作表中，以信號強度為y坐標繪出色譜圖，點擊Anaysis菜單中Spectroscopy下的Baseline and Peaks里的Open Dialog…命令，彈出基線和峰向導，在method中，選擇Use Rectangles方式，點擊Next按鈕，在色譜圖中顯示一可活動矩形方框，拉動方框，使待測峰完全在框內，單擊Next按鈕，直到扣除系統基線并顯示峰信息，最后單擊Finish按鈕。原始譜圖、基線、扣除基線后譜圖的對比如圖3所示。

圖3 測試樣品基線扣除

2.3 樣品譜圖切片處理及相對分子質量計算

從新生成的扣除基線后的色譜圖數據中根據色譜圖拐點選擇待測樣品峰數據黏貼于一新建工作表中，分別為A、B列。值得注意的是，此處信號強度應乘以1 000并舍棄信號小數部分，數據總列數為奇數，以便于后續條法求相對分子質量及其分布之用，如總數列為偶數，可于最后一行補零處理，且峰開始和終止處信號強度應為0。在此工作表中添加列C，并利用菜單中Column 下Fill Column with中的Row Numbers命令填充自然數列，結果見圖4。該工作表中相鄰兩行數據的時間間隔ΔVe為0.008 33 min，可據此將色譜圖劃分為2倍ΔVe即0.016 66 min的時間切片，對每一個切片從中心點取一垂直于保留時間軸的直線，以交點確定檢測器信號響應強度，該中心點相應x、y值可通過對圖4中數據進行間隔取點得到，具體做法是：在填充了自然數列的工作表中，點擊菜單中Worksheet下Extract Worksheet Data，彈出對話框，選擇新添加的自然數列，并在if對話框中填入“mod(col(C),2)==0”點擊OK按鈕，即生成填充了間隔一個數據點后的一新工作表，結果見圖5。將圖5中工作表中數據A，B列以菜單Plot下Columns/Bars中Column命令作圖，即得到樣品相對分子質量切片圖，對其進行局部放大，得到圖6。由圖6可見條法分割的色譜圖，其每個切片面積為DRi×ΔVe，每個切片中ΔVe恒定且都等于0.016 7 min，DRi為各切片區域的信號強度，其在數值上等于色譜圖數據間隔取點得到的一組新的數據的y坐標值。根據相對分子質量-時間的擬合方程可將每個切片對應的相對分子質量Mi計算出來，有了以上數據，就可以根據下式計算各種平均相對分子質量[1、2]:

圖4 測試樣品數據

2.4 樣品相對分子質量微分及積分分布曲線的繪制

對凝膠色譜數據進行處理方法有兩種，分別是以譜圖高度歸一化的離散型歸一化法和以面積歸一化的連續型歸一化法。離散型歸一化法在計算各種相對分子質量平均值時較為方便，但受離散點的數量和位置影響，往往兩個不同譜圖不能做比較，而面積歸一化法得到的譜圖高度與離散點的多少無關，適合比較譜圖[1]。

圖5 測試樣品數據間隔取點

圖6 測試樣品相對分子質量切片圖

利用累積切片面積比例Wi對lgMi作圖即可得到累積重量分數相對分子質量分布曲線。可以利用Origin 8數學運算中的積分功能實現這一操作，具體做法是以切片的相對分子質量對數lgM為x軸，切片的信號強度為y軸，得到相對分子質量的分布曲線，點擊Anaysis菜單中Mathematics下的Integrate里的Open Dialog…命令，彈出積分向導，在Area Type中，選擇Absolute Area，點擊OK按鈕，在原數據表格中即出現積分列，調整其最大值為100，以切片的相對分子質量對數lgM為x軸，切片的信號強度為y軸，積分值為y軸，點擊Plot菜單中Multi-Curve下的Double-Y，采用雙y軸坐標作圖，得到圖7的相對分子質量微分分布曲線和累積重量分數相對分子質量分布曲線。在較低版本的Origin軟件中，則需計算切片面積，并進行累加，才可以得到累積重量分數相對分子質量分布曲線。

3 結 語

(1) 依靠Origin強大的數據處理功能，能夠通過簡單的操作得到聚合物樣品的各種相對分子質量及其微分和積分分布曲線。

(2) 所建立的樣品相對分子質量及其微分和積分分布曲線Origin處理過程合理，借助其得到的數據與專業工作站處理的結果近似。

圖7 測試樣品相對分子質量微分分布曲線和累積重量分數相對分子質量分布曲線

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