[基础医学]第05章 色谱分析技术和色谱分析仪器.ppt

第五章 色谱分析技术和色谱 分析仪器 色谱仪器是近几十年来迅速发展起 来的一类新型分离分析仪器，主要用于 复杂的多组分混合物的分离、分析。 本章将系统介绍有关色谱仪器的原 理、结构和使用。 第五章 色谱分析技术和色谱分析仪器 第一节 色谱法概述 第二节 气相色谱仪 第三节 高效液相色谱仪 第四节 色谱仪的数据处理系统 第五章 色谱分析技术和色谱分析仪器 目 录 引言 本章内容小结 色谱法（chromatography）是一 种物理分离技术，实质上是利用混合 物中各个组分在互不相溶的两相（固 定相和流动相）之间的分配的差异而 使混合物得到分离的一种方法，也有 人称之为色层法、层析法等。 第一节 色谱法概述 引 言 色谱仪（chromatograph）的实质 是利用色谱分离技术再加上检测技术 ，对混合物进行先分离后检测，从而 实现对多组分的复杂混合物进行定性 、定量分析。 第一节 色谱法概述 色谱分离中的两相是指系统具有 一个有大比表面积的固定相（ stationary phase）（可以是固体或 以某种方式固定了的液体）和一个能 携带待分离混合物流过固定相的所谓 流动相（mobile phase）（可以是气 体或液体）。 第一节 色谱法概述 色谱工作就是根据被测样品（混合 物）的性质，选择适当的两相和其他操 作条件，利用分离系统将各个组分分离 开来，通过检测系统进行定性、定量分 析。具有高分辨率、高灵敏度、样品量 少且速度较快、结果准确等优点，是分 析混合物的有效方法。 第一节 色谱法概述 第一节 色谱法概述 目 录 一、色谱法的研究进展 二、色谱分离的基本原理 三、色谱仪的分类及特点 四、色谱仪的输出信息 五、色谱技术在临床检验中的应用 一、色谱法的研究进展 1903年至1906年俄国植物学家茨维 特（Tswett）首先利用分离及分析技术 进行植物色素方面的研究，“色谱”因 此而得名。 1931年，文特斯汀（Winterstein) 开始将这种分离技术应用于无色物质的 分离。 第一节 色谱法概述 1952年，马丁（Martin）等人提 出了气液（分配）色谱法，正式推出 了气相色谱技术，为色谱技术及色谱 仪的发展开辟了广阔的前景。在50年 代60年代，气相色谱仪的发展速度 几乎居各类分析仪器的首位。 第一节 色谱法概述 液相色谱技术的发展相当缓慢。直 到60年代初，由于高压技术、高效固定 相、检测技术的发展以及电子、计算机 技术等方面的新成就的不断涌现，才给 液相色谱技术及液相色谱仪的发展创造 了有利条件，使它在70年代迅速发展起 来。 第一节 色谱法概述 目前气相色谱仪和液相色谱仪都已 发展成熟厂家在生产此类仪器，应用也 十分普遍。 采用微处理器自动控制可以通过键 盘操作完成色谱条件的设定、控制和对 仪器工作状态的监控，色谱输出信息也 可通过接口电路送入计算机进行计算、 标定、测量与分析，最后用打印机等输 出设备给出需要的结果。 第一节 色谱法概述 色谱仪的联用技术也越来越受到 广泛的重视，如气相色谱仪和质谱仪 的联用已十分普及，液相色谱仪与质 谱仪的联用也在不断发展。微机化和 联用技术在目前的色谱仪中既已普遍 采用又在不断向纵深发展。 第一节 色谱法概述 在气相色谱仪中，除常用的填充 柱气相色谱仪外，由于毛细管柱尤其 是大口径毛细管柱的发展，毛细管柱 气相色谱仪由于其强大的分离效能也 得到了越来越普遍的应用。 第一节 色谱法概述 在液相色谱仪中，用得最多的还是 高效液相色谱仪，但随著生物技术和生 物医学工程学科的发展，制备型液相色 谱仪、低压液相色谱仪、超临界流体色 谱仪（特别是毛细管超临界流体色谱仪 ）、膜色谱技术、离子色谱仪也在不断 研究、开发和应用。 第一节 色谱法概述 二、基本原理 色谱是利用待分离的样品组分在 两相中分配的差异而实现分离的。 第一节 色谱法概述 第一节 色谱法概述 检测器色谱柱（固定相） 样品组分 123 流动相流动相流动相流动相流动相流动相 时间（t） 响 应 R 图5.1 色谱分离原理示意图 进样峰 1 2 3 1 1 2 2 2 3 3 3 3 由此可见，色谱分离的两要素是 互不相溶的两相（流动相及固定相） 以及样品（混合物）各组分在两相中 分配的差异，它是决定色谱最终分离 结果好坏的基础。 第一节 色谱法概述 三、色谱仪的分类及其特点 1.色谱仪的分类 目前比较成熟的主要是气相色谱仪 与液相色谱仪（高效液相色谱仪）两大 类。仪器的组成极为相似，主要由流动 相供给、进样、分离（色谱柱）、检测 、数据处理记录、温度控制和其他控制 系统等组成。 第一节 色谱法概述 气相色谱仪具有高分辨率、高速度 、高灵敏度及选择性好等优点。但只能 用于被气化物质的分离、检测，而常压 下可气化或可定量转变为气化的衍生物 的物质，其总的比例大约只占几百万种 化合物的20左右。大部分物质不能被 气化，因而也就不能用气相色谱法。 第一节 色谱法概述 液相色谱的样品无需气化而直接导 入色谱柱进行分离、检测，特别适用于 气化时易分解物质的分离、分析。约有 70左右的有机物能分析。通常认为有 机物质分子量400时，用气相色谱仪； 在4001000时，最好用高效液相色谱仪 ；1000时用凝胶色谱(排阻色谱)。 第一节 色谱法概述 2.色谱仪的特点 根据色谱分离的基本原理可以看出 ：色谱仪的主要特点是可以对混合物进 行多组分分析或全分析。仪器结构简单 ，操作使用方便，具有应用范围广、样 品用量少、高选择性、高效能、高速度 以及高灵敏度等优点。 第一节 色谱法概述 （1）应用范围广是指色谱仪可用于所有 化合物的分离和分析，既能对有机物、无 机物、低分子或高分子化合物，又能对有 生物活性的生物大分子分离和测定。 （2）样品用量少是指色谱仪用极少的样 品就能完成一次分离及分析，进而可以实 现痕量分析、微量分析。 第一节 色谱法概述 （3）高选择性是指对性质极为相近的物 质，如同位素、同分异构体等，通过选取 适当的固定相及流动相和分离条件，可实 现分离及分析。 （4）高效能是指色谱分析能够分析分配 系数极为接近的组分，从而可分离并分析 极为复杂的混合物。 第一节 色谱法概述 （5）高灵敏度是指色谱仪能分析含量极 微的物质，如气相可检出10-11g1013g 物质。液相也接近此精度。 （6）色谱仪的分析速度较快，只需几分 钟至几十分钟就可完成一个样品的分析 工作。 第一节 色谱法概述 与光谱仪、质谱仪等分析仪器相 比较，色谱仪的突出优点是对多组分 混合物分离、分析能力较强，其分析 灵敏度与质谱仪接近，比光谱仪高。 而且造价低，使用方便。 第一节 色谱法概述 色谱仪最大的不足之处是难于分析 未知物。因此，可以将其与光谱仪、质 谱仪联合起来使用，优势互补，形成色 谱-光谱法、色谱-质谱法联用技术，再 配备上微机进行自动控制与信息处理。 多机联用与微机化、自动化是现代分析 仪器发展的重要趋势。 第一节 色谱法概述 四、色谱仪的输出信息 1.色谱图（chromatogram） 表明已被色谱柱分离的物质流过 检测器的含量与时间的关系。 第一节 色谱法概述 图5.2 色谱图 检 测 器 的 响 应 R 基线b 进 样 峰 进 样 峰 a 进 样 峰 h 1 2 3 时间 t(min) tRa tR1 tR2 tR3 第一节 色谱法概述 2.基线（base line） 是图中与时间轴平行t的记录线b。 它表明纯流动相流过检测器时所产生的 响应。判断基线稳定与否的标准是基线 稳定性，即基线b与时间轴t平行或偏离 的程度。 第一节 色谱法概述 3.色谱峰 检测器的输出信号随流入组分的浓 度或质量的变化出一个个的峰形，即为 色谱峰（chromatographic peak）。色 谱峰所包围的面积称为峰面积，是色谱 定量分析的基础。色谱峰最高点至峰底 的垂直距离称为峰高（peak height)h。 第一节 色谱法概述 进样峰（injection peak）是进样 时操作条件被干扰出现的，也可在进样 时通过连动装置进行标记，是色谱分离 过程中时间的起点。空气峰（air peak ）是由于空气等物质不被固定相吸收， 最先被流动相冲洗出来到达检测器而形 成的峰形。 第一节 色谱法概述 4.保留时间 从进样开始到出现色谱峰最大值所 需的时间为保留时间（re-tention time ）。常用tR（组分名）（或简写为tR）表示 ，如tR1、tR2等，单位为min。与保留时间 有关的其他参数，如保留体积、校正保 留时间等，统称保留参数。 第一节 色谱法概述 5.死时间 死时间（dead time）是指惰性物 质组分，从注入到出现峰的最高点所需 时间，若组分是空气，用符号t0表示， 单位为min。死体积（dead volume）指 色谱柱内流动相的体积，在实际中包括 从进样系统到检测器的体积。 第一节 色谱法概述 五、色谱技术在临床检验中的应用 气相色谱仪常用于人体微量元素的 快速分析，血与尿等体液中的脂肪酸、 氨基酸、甘油三酸酯、甾族化合物、糖 类、蛋白质、维生素、巴比妥酸等化合 物的分析，分析鉴定药物的组成和含量 、检测人体的代谢产物，通过气相色谱 仪串联质谱，在“兴奋剂”检测中可分 析100余种违禁药品等。 第一节 色谱法概述 高效液相色谱仪可以应用在：分析 人体体液内正常与异常代谢物质；分析 药物的组成和含量，在药物生产中进行 中间控制；分析药物在体内的残留量， 测定药物在各器官中的代谢产物，进行 治疗药物效果的监测（治疗药物检测)； 定性测定细胞核中的核苷及核苷酸，分 析核酸以及分析氨基酸、酶、糖；激素 水平的测定，微生物的鉴定等。 第一节 色谱法概述 一台典型的气相色谱仪主要由气路 系统、进样系统、分离系统(色谱柱)、 检测系统、温度控制系统、数据处理、 记录系统及电源、电子线路等构成。 第二节 气相色谱仪 国产气相色谱仪 第二节 气相色谱仪 国外产气相色谱仪 载 气 源 减 压 阀 净 化 器 稳 压 阀 稳 流 阀 进 样 气 化 色 谱 柱 检 测 器 放 大 器 记 录 仪 温度控制系统 图5.3 气相色谱仪方框图 第二节 气相色谱仪 第二节 气相色谱仪 一、气路系统 二、进样系统 三、气相色谱柱及温度控制 四、程序升温气相色谱法 五、气相色谱仪常用检测器 六、气相色谱仪的操作 目 录 一、气路系统 气相色谱仪的气路系统通常由载气 源、减压阀、净化器、稳压阀、稳流阀 、柱子及全部连接管道构成。气路系统 的目的是向色谱柱提供质地洁净、流动 平稳的流动相。 第二节 气相色谱仪 （一）载气源和减压阀 载气一般选用氦气、氮气、氢气 或氩气。贮存在高压气瓶中。减压阀 作用是把气体的压强从10MPa15MPa 的高压降低到0.2MPa0.4MPa的工作 压强。 第二节 气相色谱仪 10 图5-4 减压阀结构示意图 1调节手轮 2弹簧 3隔膜 4提升针阀 5出口腔 6入口腔 7气体入口 8高压压力表 9气体出口 10低压压力表 9 8 7 6 54 3 2 1 第二节 气相色谱仪 （二）净化器 载气中一般含有水、碳氢化合物、 二氧化碳和其他惰性气体。 载气是否 净化对检测器的稳定性和响应的影响的 严重程度与检测器的灵敏度的增加成正 比。净化器主要对载气净化，去掉其中 的水分、有机烃类杂质。 第二节 气相色谱仪 （三）稳压阀和稳流阀 用于控制载气流量和压强，保证载 气的平稳性。均为机械负反馈形式，通 过波纹管压缩、伸张或弹性膜片受力改 变产生机械作用，带动入气口或出气口 的改变，引起气体流量的变化，从而调 整压强或流量，达到载气流量或压强恒 定的目的。 第二节 气相色谱仪 PS PI 6 5 43 2 1 图5-5 稳压阀示意图 1阀座 2针形阀(或平面阀) 3波纹管 4弹簧 5手柄 6阀杆 A B 第二节 气相色谱仪 2 1 P1 P4 P2 P3 B A 4 3 图5-6 稳流阀示意图 1弹性膜片 2上游反馈管 3手柄 4针阀 第二节 气相色谱仪 二、进样系统 进样系统由载气预热器、取样器、 样品分流器和进样气化装置等组成。进 样系统的要求一方面是准确定量，迅速 注入。另一方面气态或经气化的样品能 在载气中形成一个窄带集中地进入色谱 柱，否则测量结果将毫无意义。 第二节 气相色谱仪 （一）载气预热器、取样器 载气预热器是一种可以给载气加 热的装置，主要是为了防止气化后的 样品遇上冷的载气而被冷凝下来，影 响样品的分离。 第二节 气相色谱仪 液体样品进入色谱柱的最普通的 方法是使用微升注射器。样品量在 1l10l之间。常用5l和10l 注射器。当是气态样品时，必须有一 个理想规格（0.1ml5ml）的气密注 射器。 第二节 气相色谱仪 为了取样的准确性，常选用专门 的取样阀取样。气体取样阀按其结构 通常分为膜片式、拉动式和旋转式几 种。也可按样品和载气分为四通、六 通、十通阀等类型。以旋转式六通阀 最为常用。 第二节 气相色谱仪 载气 接柱 载气接柱 图5-7 六通阀工作原理示意图 6 5 4 3 2 1 7 6 5 4 3 21 7 第二节 气相色谱仪 （二）进样气化装置 进样气化装置（或称气化器）功 能是接收样品后，立即使其气化。由 于液体样品进入后在瞬间应使其各组 分完全气化，并保证组分瞬间完全气 化，而又不致于分解。 第二节 气相色谱仪 三、气相色谱柱及温度控制 （一）气相色谱柱 1.固定相 整个气相色谱系统的核心是分析 柱，混合物各个组分的分离就是在此 完成。在使用气相色谱仪的过程中， 优良的柱子应该具有适当的尺寸和适 当的固定相。 第二节 气相色谱仪 一般说来，非极性液态固定相最适 于分离链烷烃之类的非极性混合物，而 极性固定相最好是分离极性化合物，如 醇或酚等。 在气固色谱中，常选用的填充吸附 剂主要有强极性的硅胶，中等极性的氧 化铝，非极性的活性炭以及分子筛等。 第二节 气相色谱仪 2.柱管形状和尺寸 柱管形状一般有三种，即U型管、 盘形管和螺线管，其中以U型管最常用 。 第二节 气相色谱仪 柱子的尺寸应对容量（样品量） 和分析速度最佳化。为获得最大效率 ，可用内径较小、长度较长的毛细管 柱。 当分析的样品量较大且分离不困 难时，可用内径较大、长度较短的填 充柱。 第二节 气相色谱仪 （二）温度控制 气态样品决定了必须进行温度操作。 首先，温度对于固定相十分重要。操 作时一定要知道所用固定相温度的极限， 把全部操作保持在临界温度以下100C 150C进行。这将有助于延长柱子的使用寿 命和避免检测器与其他装置受固定相“流 失”所造成的污染。 第二节 气相色谱仪 其次，在气相色谱仪中，温度不仅 对样品在色谱柱上的分离过程有很大影 响，对许多检测器（如热导、电子捕获 、示差折光等）的检测结果也有很大影 响。即温度的测控与色谱仪的正常工作 及其测量结果的可靠性有密切的关系。 因此必须实行温度控制。 第二节 气相色谱仪 控温的关键在于温度条件的稳定 性。它将直接影响色谱柱的分离效率 ，保留参数的重复性以及检测器的性 能。 温度控制一般是通过对具有一定 体积的恒温箱内部的温度控制来实现 的，对恒温箱主要要求可概括为： 第二节 气相色谱仪 点温度的稳定性，即测量恒温箱内部 任意一点的温度，其精度一般应保持在 0.10.5 。 温度场的均匀性，要求恒温箱内部色 谱柱的上、下端及沿柱（不单是一根柱 ）任意横断面平均温度的差值不超过 1 。 恒温范围可以调节。 第二节 气相色谱仪 绝热性能好，从起动到稳定点的时间 要短。 要有足够的可用恒温空间，供装色谱 柱之用。 目前在色谱仪中一般通过提供电流 的方式来给恒温箱加热，用空气浴来进 行热交换。温度的调节与稳定用温度控 制器来实现。 第二节 气相色谱仪 温度控制器主要有三种形式： （1）开关式。 （2）比例调节器式。 （3）三作用调节器式。 目前用得较多的是比例式调节器。 第二节 气相色谱仪 设定电阻 交流电桥 电阻感温元件 交流放大器相敏检波器触发电路 加热炉丝可控硅功率调节器 图5-8 比例调节器式温度控制器工作原理框图 第二节 气相色谱仪 四、程序升温气相色谱法 气相色谱仪的温度操作（或控制） 有恒温（或定温）和程序升温两种方式 。恒温是在整个工作过程中始终把温度 控制在一个设定范围内。对于样品中各 组分的沸点分布范围较窄时，用恒温操 作，可以得到较好分离结果。 第二节 气相色谱仪 在样品中各组分的沸点相差较大时 ，一般在沸点分布范围大于80 100 时，采用恒温，分离效果往往就 不太理想，此时必须使用程序升温。程 序升温是一般恒温色谱法的一种逻辑推 广，在一台性能较为完善的气相色谱仪 中，都具有程序升温装置。 第二节 气相色谱仪 （一）恒温控制系统 是一种闭环负反馈自动控制系统。 由恒温控制电路、恒温箱及测温、补偿 等环节构成。电路形式多样，但反馈原 理类似。属于连续温度控制的方法，控 温精度比断续式温度控制高得多，因此 色谱仪中大都采用此控温方式。 第二节 气相色谱仪 （二）程序升温控制系统 程序升温（temperature programmer）就是使色谱柱的温度在 分离的过程中按照预定的程序逐步增 加。其目的是使样品中每个组分都在 最佳的温度条件下流出色谱柱，以保 持较好的峰形。 第二节 气相色谱仪 常用的程序升温方式有两种：线性 程序（单阶线性升温）和非线性程序（ 多阶线性升温）。 1.线性程序： 即柱温T随时间成比例地升高。可表示 为T=T0rT，式中T0为初温， ；t表 示时间，min；r代表升温速度， /min。 第二节 气相色谱仪 2.非线性程序 （1）线性恒温：适于高沸点组分 较多的样品的分离。 （2）恒温线性：适于低沸点组分 较多的样品的分离。 （3）恒温线性恒温：适于组分 沸点范围很宽的样品。 （4）多种升温速度。 第二节 气相色谱仪 r t1 T0 t 0 T 图5-9 程序升温方式 e) 多种升温速度 d) 恒线恒 c) 恒温线性 b) 线性恒温 a) 线性 T0 r t 0 T r T1 T0 t 0 T t2 T1 t1 T0 t 0 T r3 r2 t3t2 T2 r1 11 t1 T0 t 0 T T1 t1 第二节 气相色谱仪 终止温度 3.程序升温控制方式 程序升温控制方式最常见的有机 电式与电子式两种，而以电子式最常 用。 第二节 气相色谱仪 （1）机电式：机电式程序升温控制 器通过振荡器和环形脉冲分配器控制 步进电机，使它按程序控制单元所设 置的时间线性地改变变阻器的阻值， 将变阻器的阻值作为此调节器式温度 控制器的设定电阻，就可以达到程序 升温的目的。 第二节 气相色谱仪 （2）电子式：由温度定值器和温度控 制器构成。 图5-10电子式程序升温控制器原理框图 V2 V1 检测电路 升温速率选择 脉冲发生器 整形电路 初温设定与控制 D/A转换 终温设定 终温控制 计数器 比较放大器 感温元件Rt 检 波 恒温箱 加热器 控制驱动 第二节 气相色谱仪 4程序升温操作中应注意的问题 （1）升温方式：主要根据样品的性质 决定。 （2）起始温度：主要根据样品中沸点 最低组分的沸点决定，在其附近或稍 低一点。 第二节 气相色谱仪 （3）升温速度：升温的快慢会影响到 分离效率和分析时间，可视具体样品性 质而定。对于内径为3mm6mm，长2m 3m的填充柱，升温速度r一般可取3 /min8 /min，而对毛细管柱，一 般选取0.5 /min2 /min为宜。 第二节 气相色谱仪 （4）终止温度：取决于固定液的最高 使用温度及高沸点组分的沸点。可以 以其中较低的温度为依据来确定终止 温度。 第二节 气相色谱仪 检测器（detector）就是将样品 组分的浓度或质量（含量）转换为电 信号、并进行信号处理的一种传感装 置。色谱仪除分离部分外，另一个十 分重要的部分就是检测器。检测器性 能的好坏将直接影响到色谱仪器最终 分析结果的准确性。 第二节 气相色谱仪 五、气相色谱仪常用检测器 （一）气相色谱仪检测器分类 按照检测器的输出信号与物质含 量的关系可以将气相色谱仪常用检测 器分为两大类，一类是积分型的检测 器，另一类是微分型的检测器。 第二节 气相色谱仪 1.积分型检测器 积分型检测器所给出的响应与色 谱柱流出物的总量成正比，记录仪记 录下来的色谱图是一种阶梯状曲线。 每一个阶梯表示一种物质从色谱柱中 分离出来，而阶梯的垂直高度则与该 物质的总量成比例。 第二节 气相色谱仪 2.微分型检测器 微分型检测器所给出的响应与已分 离组分在载气中的浓度或质量流速有关 ，记录仪记录下来的色谱图就是常用的 具一个个峰形的曲线，每一个峰代表一 种物质的出现，峰与基线所包围的面积 与样品组分的含量成比例。 第二节 气相色谱仪 微分型检测器又分为浓度检测器 （第一类）和质量流速检测器（第二 类）两类。 （1）浓度型检测器的输出与已分离的 组分在载气中的浓度成比例。色谱流 出曲线上的每一点都对应于该瞬间组 分在载气中的浓度。 第二节 气相色谱仪 第二节 气相色谱仪 时间t (min) t2t1 峰a 检 测 器 响 应 R 图5-11 浓度型检测器的输出曲线 dt 假定用某种浓度型检测器测定某 一样品，其色谱图如图5-11所示。峰 a为某组分的响应曲线。峰面积为A， 组分全部质量为M，Xa表示该组分的 瞬时浓度，系统工作在线性范围之内 ，即K1为一常数。 第二节 气相色谱仪 则检测器的响应为： R1 = K1Xa （5-1） K1为比例系数。而 Xa = dma/（dma+dmc） = Va/（Va+Vc） （5-2） 式中dma、dmc分别为dt间期流过检测 器的组分和载气的质量，Va、Vc分别 为相应质量流速。 第二节 气相色谱仪 所以峰a面积A1为： 第二节 气相色谱仪 （2）质量流速检测器的输出信号与已 分离组分流过检测器的质量流速（单位 时间内通过的组分质量）成比例。色谱 峰上的每一点都对应于分离物质该瞬时 的质量流速，系统工作在线性范围之内 ，即K2为一常数。 第二节 气相色谱仪 则检测器的响应为： 式中K2为比例系数。 同样可得此时峰a面积A2： 由此看出A2与M成比例而与载气流 速无关。 第二节 气相色谱仪 （二）对气相色谱仪检测器的要求及 综合技术指标 1.灵敏度高。 2.最小检测量愈低愈好，以适应痕量 分析的要求。 第二节 气相色谱仪 所谓最小检测量是指检测器能确 切反应的物质的最低含量（指能产生 二倍于噪声信号的响应时，单位时间 检测器的样品量，或单位体积载气所 含样品量）。即： 第二节 气相色谱仪 3.线性范围要宽。 4.噪音要低、漂移要小。 5.选择性问题。 6.响应时间要快。 第二节 气相色谱仪 （三）气相色谱仪常用检测器 1.热导检测器 热导检测器（TCD，thermal conductivity detector）由热导池、测 量桥路、热敏元件、稳压电路、信号衰 减及基线调节等部分组成，具有结构简 单，线性、稳定性好，适用面广等特点 ，还可与其他检测器联用。 第二节 气相色谱仪 热导检测器最基本的特点是载气和 样品各组分具有不同的导热系数。 图5-12 热导检测器基本原理图 记录 仪 输出电阻 E 电桥 参比 热导池 热敏元件 载气 支承丝 工作 热导池 第二节 气相色谱仪 热导检测器基本上对所有的组分都 敏感，但由于样品量很小，样品组分变 化带来的温度变化必然很小，同时电桥 电压也不可能太大（20V50V）。因而 热导检测器的灵敏度（10000mVmL/mg) 不太高。最小检测量一般在10-6g至10-8g 左右，线性范围104。 第二节 气相色谱仪 2.氢火焰离子化检测器（flame ioniza- tion detector，FID） 简称氢焰检测器，是电离检测器的 一种，属第二类检测器。主要基本构成 环节是：电极、电离室、离子源、极化 电源、本底电流补偿环节以及静电计、 记录仪等。 第二节 气相色谱仪 图5-13 氢焰检测器基本原理图 R0E0 记录仪 本底电流 补偿环节 离子源 电极电离室 极化电源 第二节 气相色谱仪 氢焰检测器输出信号是电流，输出阻 抗很大，其后所接的微电流放大器必须要 有更高的输入阻抗，信号才能正常传递下 去。可采用绝缘栅场效应管作为输入级， 同时采用较高放大倍数的负反馈放大器， 以保证微电流放大器具有输入阻抗高，稳 定性好等特点。 第二节 气相色谱仪 氢焰检测器是一种选择性检测器， 对含碳有机物较敏感。由于氢焰检测器 是通过电离的方式检测离子流，其灵敏 度高，约在10-10g/s10-12g/s。最小检 测量可达10-11g/s10-13g/s。线性范围 广（51065107）。稳定性好，响 应时间快。 第二节 气相色谱仪 3.电子捕获检测器（electron capture detector，ECD） 可以分为两类，一类是由一个阴极 （内装圆筒状放射源3H或63Ni的池体) 和一个不锈钢阳极组成。称之为放射性 电子捕获检测器。另一类是非放射性电 子捕获检测器。 第二节 气相色谱仪 记录仪 数据 处理 放大 器 极化电源 出口 63Ni 放射源 阳极 阴极(池体 ) 绝缘体 载气样品 图5-14 电子捕获检测器基本原理图 第二节 气相色谱仪 载气受低能射线照射后发生电离 ，产生正离子和低能量的电子。如 电负性组分即是具有亲负性离子的 中性分子，或对电子具有较大亲和力易 捕获电子的物质。 第二节 气相色谱仪 电子捕获检测器是一种浓度型检测 器，它具有选择性，只对具有电负性的 组分有响应，且其灵敏度随电负性的增 加而增加。其灵敏度最高，最小检测量 可达10-13g/s10-14g/s。其线性范围较 窄。在做痕量分析时常用电子捕获检测 器。 第二节 气相色谱仪 六、气相色谱仪的操作 在气相色谱仪的操作过程中，要 特别注意柱参数的合理选择。它对色 谱的分离效果会产生很大的影响，可 以认为柱参数就是有关色谱操作的所 有参数的统称。 第二节 气相色谱仪 1.色谱柱和填料（固定相） 所有新柱子，使用前必须经老化处 理。老化处理就是在比操作温度高200C 的条件下，将色谱柱“烘烤”12h以上。 目的：有助于除去填料中的污染物和减 轻对检测器的污染。 第二节 气相色谱仪 2.柱长 选择柱长的依据是分离度和分离 速度。增加柱长可提高分离度，但分 析时间也会加长。基本要求是，在保 证样品各个组分完善分离的条件下， 尽量缩短柱长，以提高分析速度。填 充柱则以1m3m为宜。 第二节 气相色谱仪 3.载气流速 以兼顾灵敏度和分辨率为出发点， 外径为3.175mm的柱子，载气流速可在 1530ml/min的范围内选择，外径为 6.35mm的柱子，可在40100ml/min范 围内选择流速。 载气流速主要会影响样品的保留时 间和峰高，必须让它保持恒定。 第二节 气相色谱仪 4.进样器和检测器的温度 要求大约比恒温箱最高温度高出 25 50 ，主要是为了防止样 品组分冷凝。 第二节 气相色谱仪 5.恒温操作 恒温操作的温度一般要求比样品最 高沸点低40 左右，也可以取样品组分 的平均沸点或稍低一点的温度。也可视 样品不同而上下调节。一般的原则是温 度每上升1 ，保留时间缩短5。温 度每上升30 ，分配系数下降一半， 分析速度加快一倍。 第二节 气相色谱仪 6.程序操作 在样品沸点分布范围较大，用恒温 操作的方法很难完善地分离样品时，可 用程序升温技术，保证在适当的范围内 流出低沸点和高沸点相差甚远的样品组 分来。具体操作中可根据组分沸点分布 情况选择适当的升温方式。 第二节 气相色谱仪 7.进样 注射器进样最为常用。在进样时， 注射器应保持垂直于进样器隔膜，以保 证重复性。进样时要稳而快，以保证样 品完全气化。 第二节 气相色谱仪 8.初步分析 色谱工作本身就是一个不断改进操 作参数、改善分离的过程，通过对结果 的初步分析，将有助于操作者修改和确 定最佳的操作条件。这也是色谱工作过 程中所必须作的工作。 第二节 气相色谱仪 高效液相色谱仪又称高速液相色 谱仪、高压液相色谱仪等。依据分离 的原理虽有吸附、分配、离子交换、 凝胶色谱等不同的类型。主要由溶济 输送系统、 进样系统、分离系统(色 谱柱)、温度控制系统、检测系统和 数据处理与记录系统等构成。 第三节 高相液相色谱仪 第三节 高相液相色谱仪 第三节 高相液相色谱仪 图5-15 高效液相色谱仪结构框图 废液 分离柱检测器数据处理 进样装置温度控制 流量控制 梯度装置 高压泵 记录仪 脱气装置储液槽 第三节 高相液相色谱仪 一、溶剂输送系统 二、进样系统 三、分离系统和温度控制系统 四、高效液相色谱仪用检测器 五、操作条件的选择 目 录 一、溶剂输送系统 又称输液系统，对其主要要求是能 有效的容纳所要求的溶剂，并将溶剂输 送到系统的各个有关部位。它应具备宽 的流速范围和入口压力范围，并能适用 于所有的溶剂。这里的溶剂就是高效液 相色谱仪的流动相。 第三节 高相液相色谱仪 该系统主要由液源、脱气装置、高 压输液泵、流量控制器及梯度洗脱装置 等构成。 （一）液源、脱气装置 色谱柱极易被微小的颗粒杂质堵塞 ，使操作压力速升高而无法使用。 气 体可能形成气泡影响工作。 第三节 高相液相色谱仪 （二）高压输液泵 是高效液相色 谱仪最重要的部件 之一，它将洗脱液 在高压下连续不断 地送入分离柱以完 成色谱分离过程。其性能对分离及检 测均有十分明显的影响。 第三节 高相液相色谱仪 对高压输液泵的要求： （1）能产生较高的压力推动流动相， 且压力要平稳，脉动小。 （2）能提供无脉动恒定流量。 （3）输送流动相的流量能在较大范围 内连续调节。 （4）更换流动相方便。 （5）便于实现程序控制。 第三节 高相液相色谱仪 高效液相色谱仪中常用的高压泵大 致可分为两类，一类是恒压泵，常用的 有直接气动泵和气动放大泵等。另一类 是恒流泵，如机械注射泵、机械往复式 柱塞泵都属于恒流泵。目前最常用的高 压泵是机械往复式柱塞泵。 第三节 高相液相色谱仪 出 口 入 口 单 向 阀 液缸 柱塞 凸轮 图5-17 机械往复式柱塞泵示意图 第三节 高相液相色谱仪 注意：机械往复式柱塞泵的工作过程 是抽液和排液交替进行，因此其输出的流 量必然有脉动。克服这个问题常采用下述 方法。 （1）可通过采用多头泵交替工作。 （2）设置压力缓冲器。 （3）采用更合理的驱动凸轮几何形状设 计方案。 第三节 高相液相色谱仪 机械往复式柱塞泵通过调整凸轮的 驱动电压来自动控制流量。在工作过程 中，如果有管道堵塞或流量过大等原因 造成压力过高而不能监测出来，就可能 造成仪器有关部件的损坏。由此可见， 在自动化程度越高的仪器中，越应该有 完善的监测保护装置，以提高仪器使用 的安全性。 第三节 高相液相色谱仪 （三）梯度洗脱及洗脱方式 控制高效液相色谱仪流动相的有常液 洗脱（isocratic elution）和梯度洗脱 两种方式。梯度洗脱与程序升温具有相似 的作用及目的。常液洗脱是在样品分离过 程中从始至终采用相同的流动相和相同的 流量，在样品各组分K值分布范围不是很 宽时，可得到较好的分离效果。 第三节 高相液相色谱仪 对于一些复杂样品各组分的 K值对 任意一种流动相都分布很宽时，分配比 小的先出色谱柱，但往往分离不好，甚 至不能完全分离。而最后出来的若干组 分因时间太长，峰形扩散，致使检测器 的灵敏度显著降低，甚至无法检出。解 决此问题可用下列措施： 第三节 高相液相色谱仪 图5-18 复杂样品的不良分离 重叠峰 拖尾峰 t (min) 检 测 器 的 响 应 R 第三节 高相液相色谱仪 1.程序升温; 第三节 高相液相色谱仪 2.程序变流速; 3.组合柱; 4.梯度洗脱。 梯度洗脱是在色谱的分离过程中，把 两种或更多的不同极性互溶洗脱液随时间 按某种变化的比例混合，使流入色谱柱的 洗脱液组成作连续的改变。其目的是让样 品每个组分都在最佳分配系数的条件下分 离出来，以获得较好的峰形。 梯度洗脱分为内梯度洗脱（高压）和 外梯度洗脱（低压）两类。 第三节 高相液相色谱仪 第三节 高相液相色谱仪 图5-19 梯度洗脱装置原理示意图 液A 比例阀A 液B 比例阀B 混合器 高压泵色谱柱 液A 泵A 液B 泵B 混合器 色谱柱 (a)外梯度洗脱(b)内梯度洗脱 （三）流量控制器 高压的流动相流经色谱柱时，与固 定相产生相互作用，固定相会形成一个 与流动相流动方向相反的作用力，即构 成一个与流向相反的压力，称之为柱反 压，它将阻碍流动相的正常流动。流量 控制器是为消除色谱柱反压过高对分离 造成的不良影响而设计的。 第三节 高相液相色谱仪 二、进样系统 高效液相色谱仪的进样系统，要求 能将样品有效地注入到系统里去，而不 破坏在色谱柱和检测器里所建立的流量 平衡。理想的进样系统应能给系统带来 最低限度的死体积。否则，柱效率将受 到损失。 第三节 高相液相色谱仪 进样装置有注射器和多通进样阀。 为适应高压条件下进样，进样方式又有 停流动相和不停流动相进样两种方式。 （一）注射器进样 高效液相色谱仪进样量一般都比较 小，因而注射器进样常采用微量注射器 。可分为直接注射器进样与隔断式注射 器进样两种。 第三节 高相液相色谱仪 直接注射器进样与气相色谱仪相类 似。进样时注射器直接插入色谱柱上端 的进样器隔膜，将样品注入到色谱柱中 固定相的顶端。其结构简单，使用方便 ，可在不停流情况下进样。但对隔膜、 弹性垫片要求耐压高，一般在压力低于 14.71MPa时可以使用。 第三节 高相液相色谱仪 导向头 洗脱液 色谱柱 亚硝基氟橡胶密封圈 图5-20 隔膜注射进样器 第三节 高相液相色谱仪 为了使注射器进样适应更高压力， 可采用隔断式进样器。它在不进样时用 隔断器将进样系统与流动相隔断开。进 样时将隔断器提起，让进样系统与流动 相连通，同样将注射器针头插到色谱柱 顶端进样，流动相带着样品进入色谱柱 ，进样完毕马上关闭隔断器。工作压力 可达34.32MPa。 第三节 高相液相色谱仪 （二）高压进样阀（多通进样阀） 高压进样阀的结构与气相色谱仪所用 进样阀完全一样。有四通、六通阀等。常 用的也是旋转式六通阀。但由于在高效液 相色谱仪中是在高压的条件下进样，因而 对其承受高压的能力和密封性要求更严格 。它的工作压力可达到19.61MPa。 第三节 高相液相色谱仪 图5-21 自动进样器 第三节 高相液相色谱仪 以上两种方法均是在流动相保持流 动的情况下进样，称为不停流进样。 为适应更高的工作高压，可采用停 流进样，即在进样瞬间停止流动相流动 ，进样完毕后立即恢复流动相的流动。 但要求进样器尽量保持原压力，以利于 进样完后压力的迅速恢复。 第三节 高相液相色谱仪 三、分离系统和温度控制系统 分离系统包括色谱柱、填料（固定 相）。它承担着样品的分离，是色谱仪 最重要的部件之一。色谱柱的高效率是 现代高效液相色谱仪的一个显著特点。 为达到好的分离效果，色谱柱的选择尤 为重要。 第三节 高相液相色谱仪 （一）柱材料、几何形状和尺寸 1.材料 色谱柱管的材料有不锈钢、厚壁玻璃 和石英。工作压力超过3.92MPa时，必须 用不锈钢管柱。 2.形状 柱管的形状有直管柱和螺旋柱。现在 基本上都采用直管柱。 第三节 高相液相色谱仪 3.尺寸 柱长和内径是由实际需要的分离度、 压力降、分析时间以及样品量的大小综合 决定的。 要求柱管内壁经抛光处理，内径上下 一致，以免引起流量变化。装柱时将柱内 固定相上、下面与密封过滤片接触面顶紧 ，以免出现柱头下陷，影响柱效。 第三节 高相液相色谱仪 第三节 高相液相色谱仪 12 3 4 5 6 7 8 9 10 图5-22 色谱柱 1不锈钢管柱 2，7螺帽 3，9压圈 4，8密封圈 5不锈钢过滤片 接头 10细不锈钢管 （二）固定相和流动相 1.液固吸附色谱法 固定相都是一些吸附活性强弱不等 的吸附剂，所用的吸附剂大部分以硅胶 为基体。此外也有用氧化铝、分子筛等 的。从结构上看，吸附剂可以分为全多 孔型及表面多孔型（或称薄壳型）两类 。实际都是一些颗粒。 第三节 高相液相色谱仪 柱管的填充主要根据固定相的粒度大 小分别采用干装法和湿装法。装填时要注 意让固定相颗粒保持适当的松紧程度。 干装法适用于粒度20m的固定相 颗粒的填充。 颗粒20m用湿装法（浆装法或匀 浆法）。有等比重、非等比重两种。常用 等比重匀浆法。 第三节 高相液相色谱仪 由于可用作流动相的溶剂很多，不同 溶剂的性质（包括极性、浓度、pH值、粘 度等）均有较大的差异。因此，适当地选 择流动相，就可使样品各组分在两相间分 配的差异有较大的变化，从而使分离效果 得到很大改善。这也是液相色谱法比气相 色谱法优越的条件之一。 第三节 高相液相色谱仪 正确选择流动相的基本原则： 稳定性。主要是指柱效率或柱子的保 留性质要长期不变。 适应所采用的检测器。 能溶解待分离样品。 清洗方便。 粘度要小一些。 重复性差是液固吸附色谱法的重大 缺陷。 第三节 高相液相色谱仪 2.液液分配色谱法 液液分配色谱法与气液分配色谱法 一样，也是在担体（载体）上涂敷一层 固定液作为固定相。有可控表面多孔载 体、全多孔型担体等，如硅藻土、表面 蚀刻微球等可作担体。有正向分离和反 向分离两种分离形式。 第三节 高相液相色谱仪 正向分离是用极性固定液和非极性 流动相来分析极性化合物的色谱系统。 反向分离是指用非极性固定液和极 性流动相来分析非极性化合物的色谱系 统，非极性的样品与固定液有很好的相 互作用，它的保留就比极性强。 第三节 高相液相色谱仪 对流动相的要求及选择： 流动相尽可能地与固定相不溶。 粘度应尽可能小。 适应所用检测器的性能。 对样品应有选择性。即样品中各组分 的值（选择性系数，两个组分的相对 校正保留时间之比，=tR2/tR1）不 能为1。 第三节 高相液相色谱仪 （三）温度控制系统 由于高效液相色谱仪的操作约有 70以上可以在室温的条件下完成， 因而对温度的要求不象气相色谱仪那 样严格。 第三节 高相液相色谱仪 四、高效液相色谱仪用检测器 （一）高效液相色谱检测器的基本要求 和分类 对高效液相色谱仪检测器的特性要 求与气相色谱基本是一致的，但有两个 问题有必要说明。 1.对流动相的适应。 2.峰扩展的问题。 第三节 高相液相色谱仪 目前常用的检测器有两大类，一类是 保持溶质在溶剂中，即流动相加已分离组 分直接进入检测器检测，即对洗脱液和组 分总体的物性（如折光率、电导率等）进 行检测。称为总体性检测器。另一类是把 从色谱柱流出物的溶质和溶剂分开，让溶 质单独进入检测器，称为溶质性检测器。 第三节 高相液相色谱仪 （二）常用检测器 1.紫外及可见光检测器 由光源、光路系统、测量池、参比 池、光电接收元件及电子线路和记录仪 构成。其具体结构基本与紫外-可见分光 光度计相同。遵循朗伯-比尔定律。要注 意它的样品池做成细长的流动型，如Z型 、H型。便于动态实时检测分离组分。 第三节 高相液相色谱仪 图5-23 紫外检测器 第三节 高相液相色谱仪 图5-24 紫外分光检测器 第三节 高相液相色谱仪 光路 出口 样品洗脱液 样品洗脱液 光路 出口 图5-25 紫外检测器样品池 (a) “ Z ”型 (b) “ H ”型 第三节 高相液相色谱仪 检测器可设计为单波长紫外检测器 与紫外及可见分光检测器两类。一般单 波长紫外检测器常采用较易获得的两种 波长254nm及280nm的单色光。紫外分光 检测器的工作波长可通过调节棱镜或光 栅来加以选择，因而可将检测器的工作 波长选择在吸收系数较大波长上，以提 高检测灵敏度。 第三节 高相液相色谱仪 检测器与分光光度计的主要差异有： 样品检测池体积只有5l8l，不致 于影响峰形，并做成流动式。 检测灵敏度达0.050.01O.D.的满度值 （光度计为1.00.5O.D.）。为提高灵敏 度，样品池做得细长。 对分光后光的单色性、波长精度要求不 高，光谱宽度可在10nm，波长精度可以低 至2nm。 第三节 高相液相色谱仪 紫外及可见光检测器是目前高效液 相色谱仪中最常用的检测器。它具有灵 敏度和检测精度高、线性范围宽、受流 量和温度波动的影响小、适用于梯度洗 脱及不破坏样品等特点，是一种选择性 检测器，只能用于在工作波长范围内有 吸收的样品。 第三节 高相液相色谱仪 2.示差折光检测器（RID） 主要由光源系统、光路系统、接收 、放大、记录系统构成。由于各种物质 具有不同的折射率，一种混合物的折射 率又是各组分折射率的平均值，而溶剂 和样品各组分折射率存在一定差异，所 以通过检测折射率的变化，就可以达到 分析样品各组分的目的。 第三节 高相液相色谱仪 接照作用原理可将示差折光检测器 分为反射式和偏转式两种。 （1）反射式示差折光检测器： 根据菲涅尔反射原理，相分界面上 反射光的强度取决于入射角和相分界面 上两种介质的折射率，折射光的强度同 样也受入射角和相分界面上两种介质的 折射率的影响。 第三节 高相液相色谱仪 第三节 高相液相色谱仪 1 洗脱液、样品 棱镜 L2 D 接收系统 底板 样品槽 参比槽 L M2 投影系统 F M1 S 出口 (a)光路图 洗脱液或样品 不锈钢底板 棱镜 反射光（不用） 来自光源 L2 接收器 D (b)原理示意图 图5-26 反射式示差折光检测器 （2）偏转式示差折光检测器： 根据折射定律， n1sin1 = n2sin2 （59） 折射角2取决于入射角1和相分界 面上两种介质的折射率n1、n2。 第三节 高相液相色谱仪 第三节 高相液相色谱仪 图5-27 偏转式示差折光检测器 记录仪 光电倍增管 五棱镜 光源 调零 光阑 透镜 参比 样品 反射镜 放大器 反射式液槽体积小，在35l，线 性范围小，为了避免出现全反射现象， 需根据洗脱液和样品组分的折射率更换 入射方的棱镜。偏转式的线性范围较宽 ，不需换液槽，稳定性好，但液槽体积 大。 第三节 高相液相色谱仪 示差折光检测器是一种非选择性检 测器。基本上对所有被测对象均有响应 ，且不破坏被测物质的性质。但灵敏度 较低，不适于做痕量分析。也不适于梯 度洗脱。因样品-洗脱液的折射率将随洗 脱液组成变化而变化，从而产生干扰信 号。 第三节 高相液相色谱仪 3.荧光检测器 某些物质在吸收了一定的光能后， 会发射出频率较低、波长较长的荧光。 荧光检测器就是用紫外光（称为激发光 ）照射样品，通过光电倍增管检测样品 所发出的荧光（称为发射光），记录出 色谱图的。 第三节 高相液相色谱仪 荧光检测器根据单色器的不同，分 为多波长荧光检测器（由多个滤光片构 成单色器）和荧光分光检测器（由光栅 构成单色器）。荧光检测器在选择性和 灵敏度方面优于紫外检测器。但它检测 的样品