凝膠滲透色譜儀是一種基于分子尺寸差異進行物質分離的高效分析儀器,廣泛應用于高分子科學、生物醫藥、材料研發及環境監測等領域。其核心原理是利用多孔凝膠填料的孔徑差異,實現不同分子量物質的分級分離——大分子因無法進入凝膠孔隙而優先被洗脫,小分子則因滲透路徑長而滯后,從而按分子量從大到小依次淋出。
其主要由泵系統、進樣器、色譜柱、檢測系統及溫控模塊構成。泵系統維持恒定流速(通常0.2-10mL/min),確保流動相穩定輸送;色譜柱填充多孔凝膠或微粒,孔徑與待測分子尺寸匹配,實現精準篩分;檢測系統集成示差折光、紫外、光散射等多類型檢測器,可同步獲取分子量及濃度信息。
1、溶劑輸送系統(泵系統)
功能:提供穩定、無脈動、流速精確可控的流動相(溶劑),將樣品連續、恒速地輸送到色譜柱中。
關鍵部件:
高壓恒流泵:通常采用雙柱塞或多柱塞串聯設計,確保流速穩定(常見流速范圍:0.1–5.0 mL/min),壓力可達3000 psi以上。
溶劑脫氣裝置:在線或離線脫氣機,去除溶劑中的溶解氣體(如氧氣、氮氣),防止氣泡進入系統影響泵的穩定性和檢測器基線。
溶劑選擇閥:用于切換不同溶劑,實現梯度洗脫(在GPC中較少用,主要用于多維GPC或與其它技術聯用)。
要求:流速精度高、壓力波動小、耐腐蝕(因常用四氫呋喃THF、氯仿、DMF等有機溶劑)。
2、進樣系統
功能:將待測樣品以“塞狀”形式注入流動相流路中,確保進樣體積精確、重復性好。
類型:
手動進樣閥:如六通閥,通過進樣環(Loop)控制進樣體積(常見10μL、20μL、100μL等)。
自動進樣器(AS):可實現多批次、無人值守的自動進樣,提高通量和重復性,減少人為誤差。
關鍵:進樣體積準確、死體積小、交叉污染少。
3、分離系統(色譜柱)
功能:這是GPC的核心分離部件,依據分子尺寸大小實現分離。
結構:
色譜柱:通常為不銹鋼柱,內徑多為7.5mm或8mm,長度300mm。
固定相:填充有多孔凝膠顆粒(如交聯聚苯乙烯-二乙烯基苯、硅膠等)。孔徑大小決定分離范圍。
工作原理:大分子無法進入凝膠孔洞,流經路徑短,先流出;小分子可進入大部分孔洞,流經路徑長,后流出。從而實現按分子尺寸從大到小的洗脫順序。
配置:常采用多根色譜柱串聯(如2-4根),以擴展分子量分離范圍并提高分辨率。
4、檢測系統
功能:檢測從色譜柱流出的組分,并將其轉化為電信號,形成色譜圖。GPC通常采用多種檢測器串聯以獲得更全面的信息。
常用檢測器:
示差折光檢測器(RI Detector):
z常用、z通用的濃度檢測器。
基于樣品與溶劑折光率的差異進行檢測。
優點:通用性強;缺點:靈敏度相對較低,對溫度波動敏感。
紫外-可見光檢測器(UV-Vis Detector):
適用于含有紫外吸收基團的聚合物(如含苯環的PS、PC等)。
靈敏度高,選擇性好。
光散射檢測器(Light Scattering Detector):
多角度光散射(MALS)或低角度光散射(LALS):可直接測定絕對分子量,無需依賴標樣。
優點:提供絕對分子量信息;缺點:儀器昂貴,對樣品清潔度要求高。
粘度檢測器(Viscometer):
測量溶液的粘度變化,結合濃度檢測器可計算特性粘度和分子結構信息(如支化度)。
紅外檢測器(FTIR):用于化學結構分析,較少用于常規GPC。
5、溫控系統
功能:保持色譜柱和檢測器處于恒定溫度,確保分離過程的穩定性和重現性。
組成:
柱溫箱:將色譜柱置于恒溫環境中,溫度控制精度通常達±0.1°C。
檢測器溫控:部分檢測器(如RI)也需恒溫。
重要性:溫度變化會影響溶劑粘度、擴散系數和聚合物構象,進而影響保留時間和分子量測定結果。
6、數據采集與處理系統
功能:采集各檢測器的信號,進行數據處理、分析和報告生成。
組成:
計算機:運行專用GPC軟件。
數據采集卡:將模擬信號轉換為數字信號。
GPC軟件:
控制儀器運行(泵、進樣、溫控等)。
采集和顯示色譜圖。
進行基線校正、峰識別。
利用校準曲線(由標準樣建立)或光散射/粘度模型計算分子量(Mn,Mw,Mz)和分子量分布(PDI=Mw/Mn)。
生成分析報告。
7、輔助系統
溶劑過濾裝置:在溶劑進入泵之前,使用0.2μm或0.45μm濾膜過濾,去除顆粒雜質,保護泵和色譜柱。
在線過濾器:安裝在泵出口或進樣器前,進一步保護系統。
廢液收集瓶:收集使用過的溶劑和樣品。
