凝膠滲透色譜儀器的基本結構和原理

       1965年美國Waters公司從陶氏化學John C. Moore 獲得凝膠滲透色譜（GPC）技術的授權，生產出了第一臺商業化的凝膠滲透色譜儀GPC-100。自此，近幾十年來市場上陸續出現了各種型號的凝膠滲透色譜儀，目前市場上已有多種型號的兩用或多用凝膠滲透色譜儀，除Waters公司外，島津、Agilent、Bio-Rad、TOSOH、PE等多種品牌的凝膠滲透色譜儀出售。

        隨著液相色譜技術的不斷發展和進步，高壓輸液泵、凝膠填料、檢測器以及計算機技術的發展壯大，凝膠滲透色譜儀的基本結構也不斷的得到強化，準確、快速和自動化使它得到實驗使用人員的信賴，得到越來越廣泛的應用。下面簡單介紹一下凝膠滲透色譜儀的基本結構和基本原理。

        凝膠滲透色譜儀一般是由溶劑貯存器、過濾脫氣裝置、高壓輸液泵、進樣裝置、色譜柱及柱前過濾器、檢測器、自動樣品收集裝置、記錄儀和自動數據處理系統等部分組成。

1. 溶劑貯存器和過濾脫氣裝置
   
          溶劑貯存器主要是用來貯存一定體積的流動相，貯存過程不得與溶劑發生化學反應，它的材質一般是玻璃、不銹鋼或聚四氟乙烯等耐腐蝕材料。流動相溶劑中往往含有一些雜質顆粒，如果直接進樣使用，勢必會造成色譜柱或泵系統堵塞，所以進樣前，一般采用0.22um或0.45um的微孔過濾膜過濾。另外，流動相溶劑可能還會溶有部分氣體，當進入泵或色譜柱后，溶劑中的氣體容易產生氣泡，造成泵吸液的誤差和分離效率降低等。因此進樣前，也需要對溶劑脫氣，對于低沸點或低粘度的溶劑，多采用真空泵抽吸脫氣；對于沸點高或高粘度的溶劑，則采用加熱到接近溶劑沸點以去除其中的氣體。

2.高壓輸液泵

       高壓輸液泵是凝膠滲透色譜儀器的關鍵部件，它能把流動相溶劑以高壓的形式連續、穩定地送入色譜系統，使樣品在色譜柱完成分離過程。要求溶劑能以較快的速度通過分離效率很高的柱子。目前多數輸液泵的最高工作壓力能達到41160kPa,有的還能高至68600kPa,以至更高。同時，還要脈沖小。因此，為了完成高壓輸液的任務，對高壓輸液泵一般應滿足以下的幾個要求：

（1）無脈動的恒定流量，寬范圍內連續可調，能連續供液不間斷；

（2）高的輸液壓力，能直接測出并顯示壓力和流量大小；

（3）方便更換溶劑；

（4）能方便地實現程序控制；

（5）耐腐蝕性；

（6）體積小，方便使用維修；

3.進樣裝置

        進樣裝置是將待分析樣品引入色譜柱的裝置，凝膠滲透色譜進樣量從100ul到制備色譜的10ml，要求進樣裝置必須有比較寬的進樣范圍，重復性要好；另外進樣裝置還要能耐高壓、耐高溫、耐腐蝕；為了適應樣品連續分析和制備純樣的目的，引入自動進樣裝置是成為了很多客戶的選擇。目前經常使用的進樣裝置有注射器式進樣裝置和多通閥進樣裝置兩種。

4.柱前過濾器、色譜柱及附件

4.1柱前過濾器：在泵的出口與色譜柱之間，設置一個柱前過濾器可以防止流動相或樣品溶液中的雜質顆粒堵塞管路甚至污染色譜柱，雜質在色譜柱中的堆積很容易導致柱壓的升高。使用柱前過濾器，可以有效保護色譜柱，延長色譜柱的使用壽命。過濾器可以拆卸下來清洗，重復多次使用。

4.2色譜柱：凝膠滲透色譜柱是整個GPC儀的核心，是樣品分離的關鍵。它主要由柱管、凝膠填料、密封環、過濾板及螺帽等部件組成。依據GPC的特點，色譜柱理應具備柱效高、耐高溫高壓、耐腐蝕、柱內死體積小等，因此對于色譜柱的填料質量和技術人員的裝柱技術都有嚴格的要求。

4.3色譜柱的切換：柱切換技術是應用兩只結構相同,動作同步的切換閥，在對應接嘴間接入不同性能或不同規格的分離柱，根據需要可以完成更換色譜柱、改變淋洗條件、反沖及餾分切割等，它是配合以微機控制和智能型凝膠滲透色譜儀的部件。

4.4色譜柱恒溫器裝置：凝膠滲透色譜柱通常需要在較高的溫度下進行分離，以提高對高聚物樣品的溶解度。色譜柱恒溫或升溫有利于降低溶劑粘度和提高祥品溶解度，提高分離度，使保留體積重復穩定。特別在定性分析中，需要精確測定保留體積的樣品組分的分析，就顯得尤為重要。常見的柱恒溫器有水浴式、電加熱式和恒溫箱式三類。其中柱恒溫箱是最為簡易方便的，能根據色譜柱的長度和數量匹配不同規格的柱溫箱。

5.檢測器

        檢測器是凝膠滲透色譜的核心部件之一。在液相狀態下流動相與樣品的許多物理性質十分接近，因此要尋找一種既通用，靈敏度又高的檢測方法是困難的。檢測器一般可分為通用型檢測器和選擇性檢測器。通用型檢測器是連續地測定溶液中某種整體參數的變化，如折射率、電導率、介電常數等，這是任何液體都存在的物理量，因此這類檢瀏器適用范圍很廣。但是由于它對流動相本身有響應，易受環境溫度和流量波動等因素的影響，造成較大的噪聲和漂移，限制了檢測靈敏度的進一步提高，很難適合作痕量分析。選擇性檢測器僅對某些被測樣品或組分響應靈敏，而對流動相本身沒有響應或響應甚小，因此檢測靈敏度就高，受外界環境影響小。但由于具有選擇性，只對某些組分化合物有響應，這就大大地限制了它的應用范圍。通常一臺性能完備的GPC儀，應當同時配備有通用型檢測器和幾種選擇性檢測器。

6.記錄及自動數據處理系統

        由檢測器輸出的信號，需記錄儀來記錄出色譜圖。通常色譜使用的記錄儀為帶式記錄儀，分單筆式和雙筆式兩種。對只使用一個檢測器的分析，可用單筆記錄儀；同時使用兩個檢測器時，可采用雙筆記錄儀。

        記錄的色譜圖如果用于組分定量，則可根據峰的保留時間和峰面積或峰高進行定性和定量。儀器對記錄器的要求是響應速度快,其全量程筆速為≤1S,并應與檢測器的輸出相匹配。根據GPC分析的特點，為了同時能記錄檢測器的輸出信號和泵壓變化的信號或兩個檢測器輸出信號，以及實現記錄器與進樣器同步，經常選用雙筆、多量程且具備遙控裝置的記錄器來適應分析工作的需要。

        現代高效GPC儀多采用輸出接口方式實現與色譜數據處理系統聯機。目前主要有專用的色譜數據處理機和通用型的微處理機(配備有色譜程序)兩種類型。色譜數據處理機是一種具備打印、繪圖、積分運算等多功能的簡易型裝置，其結構主要由微處理器(CPU)、存儲器、輸入和輸出裝置等部件構成。利用特定的色譜分析程序，可用鍵盤來編制運行程序和分析條件。在色譜數據處理機接受檢測器的輸出模擬信號后，經處理轉換為數字值，并將所判的色譜峰數字信息，進行貯存和運算處理，最后用高速繪圖打印裝置完成繪圖和打印報告。