凝胶渗透色谱仪是一种基于分子尺寸差异进行物质分离的高效分析仪器,广泛应用于高分子科学、生物医药、材料研发及环境监测等领域。其核心原理是利用多孔凝胶填料的孔径差异,实现不同分子量物质的分级分离——大分子因无法进入凝胶孔隙而优先被洗脱,小分子则因渗透路径长而滞后,从而按分子量从大到小依次淋出。
其主要由泵系统、进样器、色谱柱、检测系统及温控模块构成。泵系统维持恒定流速(通常0.2-10mL/min),确保流动相稳定输送;色谱柱填充多孔凝胶或微粒,孔径与待测分子尺寸匹配,实现精准筛分;检测系统集成示差折光、紫外、光散射等多类型检测器,可同步获取分子量及浓度信息。
1、溶剂输送系统(泵系统)
功能:提供稳定、无脉动、流速精确可控的流动相(溶剂),将样品连续、恒速地输送到色谱柱中。
关键部件:
高压恒流泵:通常采用双柱塞或多柱塞串联设计,确保流速稳定(常见流速范围:0.1–5.0 mL/min),压力可达3000 psi以上。
溶剂脱气装置:在线或离线脱气机,去除溶剂中的溶解气体(如氧气、氮气),防止气泡进入系统影响泵的稳定性和检测器基线。
溶剂选择阀:用于切换不同溶剂,实现梯度洗脱(在GPC中较少用,主要用于多维GPC或与其它技术联用)。
要求:流速精度高、压力波动小、耐腐蚀(因常用四氢呋喃THF、氯仿、DMF等有机溶剂)。
2、进样系统
功能:将待测样品以“塞状”形式注入流动相流路中,确保进样体积精确、重复性好。
类型:
手动进样阀:如六通阀,通过进样环(Loop)控制进样体积(常见10μL、20μL、100μL等)。
自动进样器(AS):可实现多批次、无人值守的自动进样,提高通量和重复性,减少人为误差。
关键:进样体积准确、死体积小、交叉污染少。
3、分离系统(色谱柱)
功能:这是GPC的核心分离部件,依据分子尺寸大小实现分离。
结构:
色谱柱:通常为不锈钢柱,内径多为7.5mm或8mm,长度300mm。
固定相:填充有多孔凝胶颗粒(如交联聚苯乙烯-二乙烯基苯、硅胶等)。孔径大小决定分离范围。
工作原理:大分子无法进入凝胶孔洞,流经路径短,先流出;小分子可进入大部分孔洞,流经路径长,后流出。从而实现按分子尺寸从大到小的洗脱顺序。
配置:常采用多根色谱柱串联(如2-4根),以扩展分子量分离范围并提高分辨率。
4、检测系统
功能:检测从色谱柱流出的组分,并将其转化为电信号,形成色谱图。GPC通常采用多种检测器串联以获得更全面的信息。
常用检测器:
示差折光检测器(RI Detector):
z常用、z通用的浓度检测器。
基于样品与溶剂折光率的差异进行检测。
优点:通用性强;缺点:灵敏度相对较低,对温度波动敏感。
紫外-可见光检测器(UV-Vis Detector):
适用于含有紫外吸收基团的聚合物(如含苯环的PS、PC等)。
灵敏度高,选择性好。
光散射检测器(Light Scattering Detector):
多角度光散射(MALS)或低角度光散射(LALS):可直接测定绝对分子量,无需依赖标样。
优点:提供绝对分子量信息;缺点:仪器昂贵,对样品清洁度要求高。
粘度检测器(Viscometer):
测量溶液的粘度变化,结合浓度检测器可计算特性粘度和分子结构信息(如支化度)。
红外检测器(FTIR):用于化学结构分析,较少用于常规GPC。
5、温控系统
功能:保持色谱柱和检测器处于恒定温度,确保分离过程的稳定性和重现性。
组成:
柱温箱:将色谱柱置于恒温环境中,温度控制精度通常达±0.1°C。
检测器温控:部分检测器(如RI)也需恒温。
重要性:温度变化会影响溶剂粘度、扩散系数和聚合物构象,进而影响保留时间和分子量测定结果。
6、数据采集与处理系统
功能:采集各检测器的信号,进行数据处理、分析和报告生成。
组成:
计算机:运行专用GPC软件。
数据采集卡:将模拟信号转换为数字信号。
GPC软件:
控制仪器运行(泵、进样、温控等)。
采集和显示色谱图。
进行基线校正、峰识别。
利用校准曲线(由标准样建立)或光散射/粘度模型计算分子量(Mn,Mw,Mz)和分子量分布(PDI=Mw/Mn)。
生成分析报告。
7、辅助系统
溶剂过滤装置:在溶剂进入泵之前,使用0.2μm或0.45μm滤膜过滤,去除颗粒杂质,保护泵和色谱柱。
在线过滤器:安装在泵出口或进样器前,进一步保护系统。
废液收集瓶:收集使用过的溶剂和样品。
