科研院所大型仪器设备共享探讨——以凝胶渗透色谱系统的开放共享为例

大型仪器设备是科学技术研究的物质基础条件，也是科技创新发展的重要技术支撑[1]。随着国家科技创新对高水平测试的依赖程度逐渐加大，大型仪器设备在支撑国家重点研发计划、服务国家重大战略需求、推动产业科技创新和社会经济持续发展等方面发挥的作用也越来越明显。特别是近30年来，国家对大型仪器设备的投入进一步加大，科研院所及高等院校的大型仪器设备规模持续增长，质量也得到显著提高[2][3][4]。由于大型仪器设备数量的持续增加，在使用、管理等方面容易出现结构不合理、重复建设和购置、使用效率低、开放共享效果不佳、专业化服务能力欠缺等问题，为进一步提高科技资源利用效率，2015年1月国务院印发《关于国家重大科研基础设施和大型科研仪器向社会开放的意见》（国发[2014]70号）指出将通过深化改革和制度创新，加快推进科研设施与仪器向高校、科研院所、企业、社会研发组织等社会用户开放，实现资源共享，并建立统一开放的国家网络管理平台。

截止2023年，已有全国3 000多家高校和科研院所约13.6万台（套）大型仪器设备纳入国家网络管理平台向社会开放共享，各省市和300多家中央级科研单位都建立了大型仪器设备共享平台。

大型仪器设备共享平台是一个旨在整合、优化和共享各类大型仪器设备的服务系统，改变了传统的“谁买谁用、谁用谁管”的格局，形成了开放共享、互相交流学习的新局面，通过提供一个集约化的管理和服务平台，使得各类科研机构、高校、企业等能够方便快捷地访问和使用这些高精尖的仪器设备，从而提高科研资源的使用效率，降低科研成本，促进科技创新发展和成果转化[5]；此外，每台大型仪器配备专职技术人员，负责开发仪器使用功能，维护仪器正常运行，最大效率地提高开放共享成效[6][7]。

高分子材料性能测试是保障产品质量安全的关键环节，因此引起了广大科研工作者的兴趣，而分子量是表征高分子材料性能的重要指标[8][9]。凝胶渗透色谱法（GPC）是一种表征高聚物分子量大小及分布的物理化学方法[10]，它是一种利用体积排阻理论来测定聚合物重均分子量（Mw）、数均分子量（Mn）和分子量分散系数的方法，该方法具有快速、操作简便、分离效率高、重复性好和分析速度快等优点[11][12][13]，已广泛应用于化学、材料科学、生物医学等多个领域。文章以中国热带农业科学院大型仪器设备共享平台中使用率较高的凝胶渗透色谱系统为例，介绍了凝胶渗透色谱系统的仪器原理、仪器组成和操作规程，重点论述了凝胶渗透色谱系统日常使用的特点、维护的注意事项和对仪器管理员的要求，并结合该类色谱仪开放共享可能存在的问题提出解决对策，以期更好地为科研和社会服务。

1 凝胶渗透色谱系统简介

1.1 凝胶渗透色谱系统的原理和结构

1.1.1 仪器原理

凝胶渗透色谱法（GPC）是一种利用体积排阻理论来测定聚合物平均分子量及分布的方法，也称为体积排阻分离法。当目标分析物进入色谱柱时，大体积的分子由于比凝胶颗粒的孔隙大不能进入孔隙，只能在凝胶颗粒之间的空隙流过，最先被淋洗出来；中等体积的分子部分可以进入凝胶颗粒的孔隙，并经颗粒间的空隙流过，淋洗出来的顺序在大体积分子和小分子之间；体积较小的分子比凝胶颗粒的孔隙小，可以进入凝胶颗粒的空隙，并在凝胶颗粒的孔隙以及颗粒之间的空隙不断进出扩散，速度最慢，最后被淋洗出来。因此化合物的淋出体积就与其分子量大小有关，溶液中大分子量的分子先流出，小分子量的分子最后流出，分子量由大到小依次流出，由此得出分子量随淋出体积（或保留时间、保留体积）变化的曲线，即分子量分布色谱图，再用已知分子量的标准曲线对上述分子量分布色谱图进行分子量标定，即可得到目标分析物平均分子量及分布。

1.1.2 仪器组成

凝胶渗透色谱系统的组成主要包括溶剂贮存器、输液泵、进样器、色谱柱、检测器、数据采集处理系统和废液收集器。

（1）溶剂贮存器主要是用来贮存一定体积的流动相，它的材质一般是玻璃、聚四氟乙烯等耐腐蚀材料。流动相溶剂中通常会含有一些杂质颗粒，如果长期直接使用，将会造成色谱柱或输液泵的堵塞，因此在进样前，一般采用0.22μm或0.45μm的过滤膜进行过滤。另外，流动相还可能会溶有部分气体，当进入泵或色谱柱后，溶剂中的气体容易产生气泡，造成泵吸液的误差和分离效率降低等，因此在使用前，也需要对溶剂进行超声脱气。

（2）输液泵是凝胶渗透色谱系统的关键部件，它能把流动相溶剂以高压的形式连续、稳定地输入色谱系统，使样品在色谱柱中完成分离的过程。

（3）进样器是将目标分析物引入色谱柱的装置，目前经常使用的进样器有注射器式进样器和多通阀进样器两种。

（4）色谱柱是凝胶渗透色谱系统分离的核心部件，通常采用高性能、全多孔、高度交联的苯乙烯-二乙烯基苯共聚物颗粒作为填料，这些填料具有不同的特性，应根据使用需求选择最合适的色谱柱，出厂时常保存在甲苯、四氢呋喃（THF）或二甲基甲酰胺（DMF）中。每根色谱柱都客观存在一定的相对分子质量分离范围和渗透极限，因此存在测试分子量的上限和下限，使用凝胶渗透色谱系统测定相对分子质量时，必须选择一条与聚合物相对分子质量范围相匹配的色谱柱。

（5）检测器装在凝胶渗透色谱柱的出口，样品在色谱柱中分离以后，随流动相连续地流经检测器，根据流动相中的样品性质和分子量大小可以输出一个可供观测的信号，即分子量随淋出体积（或保留时间、保留体积）变化的曲线图，最终得到样品组分分离的色谱图。

（6）数据采集与处理系统由检测器输出的信号，得到样品组分分离的色谱图和各组分含量的信息。GPC的数据处理一般是通过将一系列窄分布标准样的相对分子量用对数值与淋出体积（或保留时间、保留体积）建立校正曲线，宽分布未知样通过校正计算后得出其相对分子量。

（7）废液收集器是用来收集分析过程中产生的废液。

1.2 凝胶渗透色谱系统的操作规程

凝胶渗透色谱系统的操作规程如下。

（1）流动相的准备。选择对高聚物有良好溶解性的四氢呋喃或者甲苯作为溶剂，采用溶剂过滤系统（真空抽滤）对色谱纯溶剂进行过滤和脱气处理，将经过处理的溶剂倒入溶剂存贮瓶中，待用。

（2）开机。打开稳压电源、泵、柱温箱、进样器、检测器、数据采集与处理系统等开关。

（3）泵的排气。实验前应确认泵头有没有气体，如有气体要进行排气处理，步骤如下：将泵入口管的吸滤头放在脱过气的流动相中，打开泵及在线脱气开关，将排液阀打开，设置流速为3ml/min～5ml/min，排液阀出口有液体连续流出后停止泵流速，关闭排液阀，恢复断开的管路，排气后的泵即可用于实验运行。

（4）系统的平衡。用准备好的流动相平衡系统，可在泵的控制面板上控制流速参数，系统平衡时间应大于1h，待系统稳定以达到最佳的工作状态。

（5）样品的准备。选用处理后的溶剂（流动相）溶解样品，并提供足够长的时间使高聚物完全溶解（一般在室温下静置过夜），可轻微摇动样品以促进样品溶解但不可剧烈摇动，待样品完全溶解后使用孔径为0.45μm～1.0μm的滤膜过滤，保存滤液待上机使用。

（6）仪器方法的创建。编制仪器参数，包括柱温箱和检测器温度、泵的流速和高压限制、进样体积、运行时间等等。

（7）样品的测试。根据所设定的方法进行聚合物相对分子量及其分布的测定。

（8）数据的处理。采用相对校正方法进行聚合物相对分子量及其分布计算。

1.3 仪器的日常使用与维护

凝胶渗透色谱系统的日常维护包括泵系统、色谱柱、检测器的维护。

（1）色谱泵实验前，应先确认泵头内有没有气体，如有气体要先排气，泵的维护主要包括流动相使用前需过滤，流动相用缓冲液时，停泵前要用水清洗泵头和冲洗柱塞针清洗孔，用过缓冲液的色谱泵在长期停用时，可以先用水洗去缓冲盐，然后取下水溶性GPC柱，再用纯甲醇充满泵头及管路，并保存在纯甲醇中；流动相的更换过程中，有机相与水相置换时需要逐渐过渡，先用与流动互溶的溶剂清洗管路，一般按以下顺序：四氢呋喃、甲醇或无水乙醇、纯水和水相缓冲液，严禁直接从有机相置换成水相，以免造成管路堵塞，同时，冲洗时间要充分，每换一种液体，需要在流速为1.0mL/min下至少冲洗半小时以上。

（2）色谱柱的使用上限是当聚合物最小的分子尺寸比色谱柱中最大的凝胶尺寸还大，这时高聚物无法进入凝胶颗粒孔径，全部从凝胶颗粒外部流过，达不到分离不同相对分子质量的目的，并且还会堵塞凝胶孔的可能，影响色谱柱的分离效果，降低其使用寿命；色谱柱的使用下限是当聚合物中最大尺寸的分子链比凝胶孔的最小孔径还要小，这时也达不到分离不同相对分子质量的目的。因此选择与聚合物相对分子质量范围相匹配的色谱柱至关重要。色谱柱的连接顺序按照色谱柱填料孔径尺寸递减的顺序排列色谱柱，填料孔径尺寸最大的色谱柱最靠近进样器。GPC色谱柱的使用原则：一是使用高质量的HPLC级溶剂；二是避免GPC柱子受到机械冲击、振动以及柱温循环升降；三是流速尽量不超过2.0mL/min，反压不超过3.5MPa。GPC色谱柱的保存原则：一是GPC柱停用时间较短（少于24h），则不需要特殊的保存过程；二是长时间停用GPC柱，应卸下GPC柱子，用柱两头的Peek堵头把柱封好，放在柱盒中。

（3）示差检测器容易受到环境温度和湿度的影响，应放置在弱风、温差小的环境中；色谱柱出口与检测器入口的接头不要留有空隙，保持出口管路的畅通，开启电源开关后，检测器通过自检才能被数据采集与处理系统控制，同时流动相至少需要平衡1小时后才能正常工作；示差检测器若与其他检测器串联使用，应将此检测器串在其他检测器的后面。

2 凝胶渗透色谱系统开放使用的特点

凝胶渗透色谱可用于分离和鉴定高分子化合物。对外开放共享的凝胶渗透色谱系统，需要满足不同研究领域的科研人员对样品检测的需求，样品的分子式、分子结构、溶解性等复杂多样，样品前处理条件各不相同，而不同样品对流动相种类、色谱柱型号及连接方式等也各不相同。

（1）仪器方法开发繁杂。首先要根据被测物质选择合适的样品前处理方法，其次是选择合适的标准物质，绘制相应标准曲线，关键是要选择合适的色谱柱以及检测器温度、柱温、流速、进样体积、进样时间等重要参数，最后还需根据样品溶解的试剂选择合适的流动相等进行仪器精密度、准确度测试，最终才能获得可靠的检测方法。

（2）使用者层次差别大。大型仪器设备对外开放共享面向的是社会企事业单位、高校及科研院所等，使用者包括专业技术人员、科研工作者、研究生和本科生，使用者由于研究方向、专业知识、实验技术能力等不同，对仪器的认识和熟悉程度不一致，仪器测试方法的开发能力有较大差异。

（3）仪器维护管理精细化。凝胶渗透色谱系统在开放共享使用管理过程中，因为分子量大小、凝胶含量、蛋白质含量等的不同，在样品前处理过程中往往因为使用不当等原因造成系统压力过高，导致仪器不能正常运行使用，这就需要仪器管理员经常关注仪器运行状态，对发现的问题及时处理，通过对仪器管路的冲洗、相关部件的拆洗等技术操作，使仪器处于良好的运行状态中。

3 共享平台对凝胶渗透色谱系统管理者的要求

3.1 熟练掌握仪器的能力

管理者能否熟练掌握仪器操作和应用的能力关乎仪器的使用效率，现今仪器共享平台对仪器管理者的要求不仅仅是会开关机的“保姆式”管理，而是需要熟练掌握仪器的使用原理，并根据使用者提供的样品特性开发合适的测试方法，因此这就要求管理者进行专业的技术培训，积极外出交流学习，提高自身操作技术水平能力及管理能力，避免因操作不当而造成仪器损坏，同时还需定期校准检查、维护仪器设备，使其保持正常的运行状态，提高仪器的使用效率和寿命。

3.2 及时处理预约申请，合理安排使用

使用者按照相关管理办法的规定，通过共享平台或者电话预约使用，管理者收到预约信息后合理安排时间，并做好相关准备工作。

3.3 与使用者充分沟通，确保测试方法的可行性

在测试前，使用者需充分了解凝胶渗透色谱系统的基本原理、结构和注意事项，使用者需向管理者介绍样品的信息，包括样品性质、样品处理要求、测试目的等内容，以便管理者根据样品信息确定处理方法和仪器测试条件，建立和优化测试方法。

3.4 测试后期工作

在测试结束后，管理员需做好仪器设备对外开放共享服务使用登记工作，此外，日常工作中要做好维护管理工作，以便仪器能够正常运行。

4 色谱仪开放共享存在的问题及解决对策

4.1 存在的问题

结合凝胶渗透色谱系统的开放共享，分析该类色谱仪开放共享存在的问题。

（1）方法开发的复杂性。色谱分析高度依赖样品性质和检测目标。不同样品需要不同的前处理方法、流动相、色谱柱、检测器和仪器参数。这种“一样一法”的特性使得方法开发耗时耗力，难以像通用性更强的设备（如天平、pH计）那样实现“即来即测”。

（2）对关键耗材的高度依赖与高成本。色谱柱是核心耗材，价格昂贵、使用寿命有限，且对分析结果至关重要。在开放共享环境下，多样化的样品（尤其是一些复杂、未经充分处理的样品）极易导致色谱柱污染、柱效下降甚至损坏，更换成本高昂。

（3）数据质量与重现性的挑战。色谱分析结果的准确性受流动相、柱温、流速和进样量等多种因素影响。不同用户的操作习惯、样品制备水平参差不齐，很难保证每次测试条件的绝对一致，因此对数据的准确性和重现性带来挑战。

（4）维护保养的压力大。色谱仪需要精密的日常维护，如泵的密封圈更换、流路冲洗、检测器清洁、脱气机维护等。高强度的共享使用会加速仪器损耗，管理员需要投入大量时间进行预防性维护和故障排查，否则极易因小问题导致仪器损坏。

4.2 解决对策

通过中国热带农业科学院大型仪器设备共享平台中凝胶渗透色谱系统的开放共享使用与管理实践，针对该类色谱仪开放共享存在的问题，提出解决对策可供参考。

（1）专业化管理是基础。配备专职、专业的仪器管理员，使其不仅精通仪器操作，更具备方法开发、故障排查和维护保养的能力，是保障仪器高效、稳定运行的核心。

（2）标准化流程是关键。建立从预约、沟通、样品准备、上机测试到数据处理的标准化操作规程，能够有效减少人为操作失误，确保数据质量的可靠性与可重复性。

（3）前置化沟通不可少。在测试前与使用者进行充分沟通，明确其检测目的、样品性质及前处理情况，是选择合适的色谱柱、流动相并建立正确测试方法的前提，能极大避免无效测试和仪器损耗。

（4）预防性维护是保障。制定并严格执行定期的预防性维护计划，如定期冲洗管路、更换滤膜、检查泵密封性等，能将潜在故障消除在萌芽状态，显著提高仪器的开机率和可用性。

5 结语

该文以中国热带农业科研院所大型仪器设备共享平台中凝胶渗透色谱系统的开放使用与维护管理为例，介绍了共享平台建设过程中仪器设备管理人员应具备的专业技术水平和服务能力，结合该类色谱仪开放共享可能存在的问题并提出解决对策。凝胶渗透色谱系统作为高分子材料领域不可或缺的测试仪器，为了将凝胶渗透色谱系统用好、管好，更好的服务科研院所科技创新发展，充分发挥其在科学研究、人才培养和服务社会等方面的作用，自中国热带农业科研院所成立大型仪器设备共享中心以来，在开放共享和管理方法上进行了一系列探索和实践，逐步规范了大型科研仪器管理和提高开放共享水平，提出了未来凝胶渗透色谱系统管理的一些思路，以期为科研院所的大型仪器设备的开放共享管理提供一些经验和参考。

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