（通信与信息系统专业论文）液相色谱紫外检测器关键电路的研制.pdf

摘要 摘要 紫外检测器是高效液相色谱最常用的检测器之一，它具有检测灵敏度高，响应线性 范围宽，稳定性高等特点，在化学、生化、医学、工业、农业、环保、商检和法检等学 科领域中占据着重要位置。本设计研制的是液相色谱紫外检测器的关键电路部分，主要 包括光源供电系统、波长定位系统、微弱电流检测放大电路以及a d 转换电路。其性能 的好坏直接关系着检测器定性定量分析结果的可靠性和准确性。 论文简述了检测器的发展简史，并回顾了国内外液相色谱检测器的研究现状，指出 了我国国产色谱分析仪现存的主要问题，并从分析检测器的性能指标入手，给出了设计 预期达到的技术指标，对选用的关键元器件作了适当的说明，同时也对各部分电路的设 计进行了详细的说明。光源供电系统中恒流源的设计采用了传统的线性电源的设计方 法，得到了特性稳定、输出为3 0 0 m a 的高精度电流；微弱电流检测放大电路，采用 a d 5 1 5 a 构成微电流电压转换放大电路，并选取l o g l 0 2 对参比光电二极管与样品光 电二极管进行比值后进入a d 5 2 6 进行放大，这样有效的补偿了因光源波动产生的光强 变化。最后对检测器关键电路进行了组装和整体调试，分析结果证明其各项指标基本满 足课题提出的性能要求。 关键词高效液相色谱紫外检测器氘灯恒流源检测灵敏度 注：本研究资助：保定市科技局资助项目( 编号：0 5 g 0 0 3 ) a b s t r a c t a b s t r a c t t h eu l t r a v i o l e td e t e c t o r ( u v ) i sak i n do ft h em o s tf a m i l i a rd e t e c t o ri nh i g hp e r f o r m a n c e l i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ( h p l c ) ，w h i c hh a sg o o dc h a r a c t e r si nd e t e c t i v i t y , l i n er e s p o n s i b i l i t y a n ds t a b i l i t y , e t c i tt a k e sa ni m p o r t a n tr o l ei nm a n yf i e l d s ，s u c ha sc h e m i s t r y , b i o c h e m i s t r y ， i a t r o l o g y , a g r i c u l t u r e ，e n v i r o n m e n t ，b u s i n e s sa n dl a wd e t e c t i n g ，e t c t h i sp a p e rs t u d i e da n d d e s i g n e dt h ek e yc i r c u i to fu l t r a v i o l e td e t e c t o r , m a i n l yi n c l u d i n ge l e c t r i c i t ys u p p o r t e db y l i g h t - h o u s es y s t e m ，w a v e l e n g t hp o s i t i o n i n gs y s t e m ，l o we l e c t r i c i t yd e t e c t i n ga m p l i f i c a t o r y c i r c u i ta n da dt r a n s f o r mc i r c u i t i t sp e r f o r m a n c ei sd i r e c t l yr e l a t e dw i t ht h es t a b i l i t ya n d v e r a c i t yo ft h ed e t e c t i n gr e s u l ti nq u a l i t ya n dq u a n t i t y b a s e do nab r i e fh i s t o r yo ft h ed e t e c t o ra n dr e v i e w i n gt h es t u d ys t a t u so fu l t r a v i o l e t d e t e c t o rh o m ea n da b r o a d ，t h ep a p e rp o i n t e do u tt h em a i np r o b l e mo fn a t i o n a lc h r o m a t o g r a m a n a l y s i se q u i p m e n ta n dt h ec o m m o ns t u d yo fi n t e r n a t i o n a lu v i tr a i s e dt h ep r o s p e c t i v e t e c h n i c a lg u i d e l i n eb a s e do nt h ep e r f o r m a n c eg u i d e l i n ea n dm a d ea p p r o p r i a t ei n t r o d u c t i o nt o t h ek e ye q u i p m e n t s ，m e a n w h i l eg a v et h ed e t a i l si n t r o d u c t i o nt ot h ec i r c u i td e s i g n t h e d e s i g no fc o n s t a n tc u r r e n ts o u r c ea d o p t e dt h et r a d i t i o n a ll i n e rp o w e rd e s i g nm e t h o da n d o u t p u ts t a b l e ，h i g h v e r a c i t yc o n s t a n tc u r r e n tw h i c hi s 3 0 0 m a c i r c u i to fd e t e c t i n ga n d a m p l i f y i n go fm i c r o c u r r e n t ，w h i c h u s e sa d 515 at om a k e u p t h e p i c o a m p e r e c u r r e n t t o v o l t a g ec o n v e r t e rw i t hg a i n ，a n di tc a nb ea m p l i f i e db ya d 5 2 6a f t e ru s i n gl o g 10 2 t og e tt h er a t i oo fc o m p a r e dp h o t o e l e c t r i cd i o d et ot h es a m p l eo n e t h e ni t su s e f u lt o c o m p e n s a t et h ec h a n g eo fl u m i n o s i t yb r o u g h tb yl i g h t h o u s ef l u c t u a t i n g a tl a s tw ei n t e g r a t e d t h ek e yc i r c u i ta n dt e s t e dt h ew h o l ed e t e c t o r t h ea n a l y s i sr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h e p e r f o r m a n c eg u i d e l i n eb a s i c a l l ym e e t st h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sp r o p o s e db yt h i sp a p e r k e y w o r d sh i g h p e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y u l t r a v i o l e td e t e c t o rd e u t e r i u ml a m p c o n s t a n ts o u r c e d e t e c t i v i t y n o t e ：t h i sw o r ki s s u p p o r t e db yb a o d i n gs c i e n t i f i c a n dt e c h n o l o g i cb u r e a u ：t h e d e v e l o p m e n to fu l t r a v i o l e td e t e c t o ro fl i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ( n o 0 5 g 0 0 3 ) i i 河北大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了致谢。 柞者签名： 剡夤驿：日期：2 竺挈一年厶月且日 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本学位论文属于 1 、保密，在兰兰年一月二! 丛舀解密后适用本授权声明一 2 、不保密口。 ( 谙存以上相应方格内打“”) 作者签名： 导师签名： 、 娜爰t 名易獗j 日期：盟年j l 月尘曰 日期：趟年丘月! 芝日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 。1 液相色谱紫外检测器简介 1 1 1检测器的发展简史【1 】 色谱法是近代分析化学中发展最快、应用最广的分离分析技术。在化学、生物医学 等领域发挥着越来越重要的作用，并正在发展成为一门新兴学科。高效液相色谱是重要 的现代分析手段之一，它具有分离效率高、分析速度快和应用范围广的特点，特别适合 于高沸点、大分子、强极性和热稳定性差的化合物的分离分析。液相色谱检测器作为液 相色谱仪的核心部件之一，在液相色谱系统中起着非常重要的作用。 具体的说，液相色谱检测器是用于连续监测被色谱系统分离后的柱流出物的组成和 含量变化的装置。液相色谱检测器是液相色谱仪的“眼睛”，其作用是将色谱柱流出物 中样品组成和含量变化转化为可供检测的信号，完成定性定量分析及判断分离情况的任 务。因此，液相色谱检测器是一种与色谱柱联用的信号接收和信号转换装置。比如只在 色谱柱中进行分离，却不进行检测，就达不到分析的目的。检测器性能的好坏直接关系 着定性定量分析结果的可靠性和准确性。目前，高效液相色谱已成为化学、生化、医学、 工业、农业、环保、商检和法检等学科领域中的重要的分离分析技术，也是分析化学家 和生物化学家解决各种实际分析和分课题必不可少的工具之一。 在1 9 0 6 年首创的色谱分离实验中，m t s w e t t 观察到在碳酸钙上混合色素被分成不 同色带的现象，因此，人眼就是最初的色谱检测器。在现代薄层色谱分离中，人眼仍是 广泛应用的色谱检测器之一。但是，人眼作为检测器有着严重的缺陷：大多数被测样品 是无色的：人眼不能做精确的定量分析。液相色谱检测器的最初发展是分别收集各组分 柱后流出液，然后用光度计或滴定剂测定。后来建立的色谱柱与柱后检测器的直接连接， 使在线分析成为了现实。系统输出的信号随时在记录仪上记录下来，得到了样品组分分 离的色谱图。根据色谱峰的位置、形状和大小进行定性、定量分析及判断分析情况的优 劣。色谱柱与检测器连接，对于液相色谱的发展起了很大的促进作用。 早期出现的紫外可见光检测器( u l t r a v i o l e t v i s i b l ed e t e c t o r ，u v - v i s ，又称紫外可见 吸收检测器、紫外吸收检测器( u v ) 、或直接称紫外检测器) 和示差折光率检测器仍是 河北大学丁学硕二 ：学位论文 目前应用最广泛的检测器。示差折光率检测器是通用型检测器，但灵敏度较低，适用于 对灵敏度要求不很高的分析；紫外，可见光检测器虽有比较高的灵敏度，但只能检测出 在仪器特定波长下有光吸收的化合物。近年来发展的光电二极管阵列检测器允许对杜流 出物进行不停流的瞬间波长快速扫描，通过微处理机控制，获得光吸收、波长和时间的 三维色谱光谱图，从而获得更多的定量和色谱峰纯度鉴定信息，是一种比较理想的检 测器。荧光检测器有较高的灵敏度，一般来说可比紫外可见光检测器高1 0 1 0 0 0 倍， 但有更专一的选择性。对于一些电活性物质，电化学检测器是一类较好的选择性检测器， 譬如对有机胺类化合物，安培型电化学检测器的灵敏度可比紫外可见光检测器高2 。3 个数量级。较常用的液相色谱检测器还有光散射检测器、化学反应检测器、手性检测器 和放射性检测器等。光散射检测器是新兴的通用型检测器，化学反应检测器、手性检测 器和放射性检测器在各自的应用领域中具有独特的优点。 在液相色谱检测器的发展过程之，出现过三四十种检测器。比如：移动丝式氢火焰 离子化检测器、微吸附热检测器、反应热检测器、喷射碰撞检测器、隔膜检测器、压电 石英晶体质量检测器、蒸汽相渗透压计检测器、密度检测器等。它们中许多是为了满足 特殊的需要或扩大某些应用领域而研制的，一直处于改进和试用阶段，或是曾经获得重 要的地位，但因用途专一等原因，逐渐被淘汰。 目前正在积极开发的液相色谱与质谱、傅里叶变换红外、核磁共振、电感耦合等离 子体等联用技术的研究，以便从根本上解决色谱流出物的定性问题，其中有些技术已取 得了很大的进展，并有商品仪器出售。 液相色谱检测器进展缓慢的主要原因是在大多数条件下，流动相与样品的物理性质 相似，在大量流动相中测定痕量组份有一定困难。解决这一困难可以采取以下几种办法： ( 1 ) 在检测之前去除流动相； ( 2 ) 对样品和流动相两者都具有的性质采用差分测量方法： ( 3 ) 选择一项可测量的但为流动相所不具有的样品性质。 迄今还没有一种通用型高灵敏度的液相色谱检测器能与气相色谱中的氢火焰离子 化检测器相比，能完成所有各类物质的定性定量任务。因此，检测器是现代液相色谱中 有待进一步发展的薄弱环节。发展通用、灵敏、更专一的检测器是今后探索的重要方向。 第1 苹绪论 1 1 2 国内外研究现状 国际上研究液相色谱紫外检测器的都是朝着灵敏度高、重现性好、相应快、线性范 围宽、适用范围广、对流动项流量和温度波动不敏感、死体积小等方向发展。 在2 0 0 4 年3 月8 日1 2 目匹兹堡展会上，w a t e r s 推出的a c q u i t yu p l c ( u l t r a p e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ) 超高效液相色谱系统一经露面便引起了轰动。相 对于当今分析速度最快的高效液相色谱( h p l c ) ，该产品的分析速度提高了9 倍，分辨 率提高了2 倍，灵敏度提高了3 倍，一次分析所得到的信息量将大大超过高效液相色谱。 2 0 0 6 年3 月1 3 日奥兰多佛罗里达讯一3 月1 2 同至1 7 同在佛罗旱达州奥兰多市召 开的第5 7 届分析化学和应用光谱学匹兹堡展会上，w a t e r s 公司又重点推广其超高效液 相u p l c 丁m 系统，大篇幅地介绍u p l c 相关的最新信息，旨在进一步扩大u p l c 技术在 新领域中的应用。 a c q u i t y t ms q d 可以使色谱工作者体会到超高效液相质谱联用( u p l c m s ) 技 术的强大实力。w a t e r s 的a c q u i t y t m8 q d 相对于传统的u v 检测器而言，能够使分析 工作者获得更多的药学i 生物学、工业以及环境化合物的鉴别信息。液质联用中的单四 极杆质谱检测器因其高通量、价格、实用和体积较小等特点，在药物研发实验室中逐渐 得到广泛的使用。在常规分析方法中色谱与质谱数据得到了统一，并且提高了最终结果 的置信度。 在此次展会上，w a t e r s 推出三种为a c q u i t yu p l c 系统设计的新型或加强型检测 器一新型光电二极管阵列检测器( p d a ) 、新型蒸发光散射检测器( e l s ) 和新型增强型 可调式紫外检测器( u v ) 。 w a t e r s 的a c q u i t yu p l c 二极管阵列检测器的数据采集速率达到8 0 h z ，噪音为 i o g a u 2 1 ，新设计的光定向流通池的专利，能够得到扩展的线性范围，使分析工作者们 可以对低浓度样品进行检测及定量，在全波长和宽浓度范围内进行光谱比较。 w a t e r s 的新型增强式a c q u i t yu p l c 可调式紫外检测器是一种可调的双波长紫外。 可见光检测器，拥有光定向流通池的专利，低噪音( 6 9 a u ) ，支持数据采集速率为8 0 h z ， 可得到优化的线性、分离度和灵敏度。 二极管阵列和可调式紫外检测器都以独立优化数据采集速率和过滤常数、为客户提 供最好的灵敏度和分离度为特色。 3 河北大学工学硕士学位论文 对于没有紫外可见光响应值或响应值低，在质谱中不能充分离子化的化合物， w a t e r s 为a c q u i t yu p l c 准备了e l s d ，它是对于分析抗生素、抗滤过性病原体、生 物分子和天然产物的极好补充。a c q u i t yu p l c 的e l s d 支持8 0 h z 的数据采集速率， 为喷雾与脱溶剂过程提供精确的温度控制，提供最长运行时间，是高通量实验室和开放 环境的理想检测器。 国产色谱分析仪现在存在的主要问题一是主要技术指标如总噪声水平、灵敏度、线 性范围等达不到分析要求。二是价格偏高，很难普及到一些中小企业和县一级的技术监 督、检验检疫等单位。 随着我国的经济不断发展，诸多领域需要此类产品，尤其是我国加入世界贸易组织 后为了符合国际规划，一些产品必须进行色谱检测。我国在这方面的技术和产品比较落 后，每年需要大量进口这类仪器。因其价格以及与之配套的零部件价格都很高，从而阻 碍了我国诸多领域的发展。国家为大力发展此类产品，把色谱分析仪列为“八五”、“九 五”攻关项目，“十五”国家科技攻关重大招标项目，“十一五”国家科技支撑项目，国 家发改委组织实施的科学仪器和工业自动化高技术产业化专项项目等。 1 2 液相色谱仪的组成及工作原理 课题来源于保定市科技局资助项目资助课题“液相色谱紫外检测仪的研制” ( 编 号：0 5 g 0 0 3 ) 。 图1 2 1 液相色谱仪的组成框图 f i g 1 2 - 1s t r u c t u r eo f l i q u i dc h r o m a t o g r a p h y 图1 2 1 为液相色谱仪的组成框图。它主要由输液系统、进样器、色谱柱( 柱温箱) 、 检测器和数据处理装置等部分组成。液相色谱仪利用试样中各组分在色谱柱内固定相和 流动相间分配或吸附特性的差异，由流动相将试样带入色谱柱中进行分离，经检测器检 测，依据组分的保留时间和响应值( 峰面积或峰高) 进行定性和定量分析。 4 第1 章绪论 其中光学系统部分【1 】示意图如图1 2 2 所示。 图1 2 2 紫外检测器光学系统 f i g 1 2 - 2o p t i c a ls y s t e mo ft h eu vd e t e c t o r l 一氘灯；2 - 透镜：3 滤光片：4 狭缝：5 反射镜 鳓栅；7 分柬器；8 参比光电二极管；蜥通池；l o 一样品光电二极管 从氘灯发出的多色光经过透镜及滤光片聚焦在单色仪( 主要部分为光栅) 的入口狭 缝上，单色仪选择性的将一窄谱带的光透过出口狭缝。从狭缝出来的光束通过一个分光 器，一部分光束经过流通池，被其中的溶液部分吸收后，到达测量光电二极管：光束的 另一部分送到在参比一侧的第二个光电二极管。通过测定吸收后到达光电二极管的光强 度与空白参比时光强度的比值，来确定样品的吸收值。 系统的功能实现需要有光源供电系统、波长定位系统、微弱电流检测放大电路以及 a d 转换电路等各部分关键电路协同工作。其中高精度的恒流源以及微弱电流检测放大 电路的设计是研制工作的难点，、也是重点。能否提供高精度的恒流源，这将影响到系统 能否稳定工作；而能否准确可靠的检测并放大信号，则对检测器的性能有着决定性的影 响。 1 3 研究内容 检测器性能的好坏直接关系着定性定量分析结果的可靠性和准确性。这就要求检测 河北大学 _ 学硕十学位论文 器的主要技术指标如总噪声水平、灵敏度、线性范围等要达到分析要求。系统的可靠运 行还要求提高光源的稳定性和使用寿命，需要提供相应的高性能和高稳定度的光源供电 系统，这都增加了研制的难度。低噪声、低漂移的微弱电流检测放大电路的研制，这不 仅是本设计所面临的困难，同时也是当前国内的液相紫外检测器研制普遍所面临的困 难。 基于以上分析，本设计的主要工作如下： ( 1 ) 光源供电系统的设计( 包括高精度的恒流源和氘灯起辉电路) 采用传统的、特性稳定的线性电源的设计思想，设计并实现了输出为3 0 0 m a 高精度 的恒流源电路；以及由倍压电路、桥式整流电路以及两个单稳态电路构建了氘灯的起辉 高压( 4 5 0 v ) 电路，并对氘灯起辉前的电路进行了理论分析、计算及测试。 ( 2 ) 波长定位系统的设计 以a t 8 9 c 5 2 单片机为核心，控制步进电机带动光栅转动，同时接收两个位置反馈信 号，使步进电机带动光栅在一定范围内转动，实现波长扫描及波长定位。 ( 3 ) 微弱电流检测放大电路的设计 选用a d 5 1 5 a 微弱电流检测放大器，采用单柱分离、双光束比值检测的方法，设计 实现了微弱电流检测放大电路。 ( 4 ) a d 转换电路的设计 选用电压频率转换器a d 6 5 0 构成的u f 转换电路，并以a d 8 9 c 5 2 单片机为核心， 设计及实现了计数器、数据通信接口等硬件电路，实现了检测信号的数字输出。 总体设计方案见图1 3 1 。 6 第1 章绪论 图i 3 - 1 总体设计框图 f i g i 3 is t r u c t u r eo fg l o b a ld e s i g n 氘灯起辉电路为光源提供4 5 0 伏左右的瞬态触发高压，当氘灯达到预热效果后，在 氘灯的阴阳极间加上此触发高压，待氘灯点亮后其阴阳极间的电压变为8 0 v 左右；恒流 源电路提供给系统正常工作时氘灯阴阳极间所需的3 0 0 毫安高精度电流；步进电机控制 电路用于控制光栅，通过步进电机带动正弦螺杆达到细分的目的，以得到高精度波长的 检测光。 7 河北大学丁学硕十学位论文 第2 章液相色谱检测器理论 2 1 液相色谱理论发展简况 色谱法是一种重要的分离分析方法，它是利用不同物质在两相中具有不同的分配系 数( 或吸附系数、渗透性) ，当两相作相对运动时，这些物质在两相中进行多次反复分配 而实现分离。色谱法的分离原理是：溶于流动桎l ( m o b i l ep h a s e ) 中的各组分经过固定相时， 由于与固定f f 目( s t a t i o n a r y p h a s e ) 发生作用( 吸附、分配、离子吸引、排阻、亲和) 的大小、 强弱不同，在固定相中滞留时间不同，从而先后从固定相中流出。又称为色层法、层析 法。 色谱法最早是由俄国植物学家茨维特【3 】( t s w e t t ) 在1 9 0 6 年研究用碳酸钙分离植物 色素时发现的，色谱法( c h r o m a t o g r a p h y ) 因之得名。后来在此基础上发展出纸色谱法、 薄层色谱法、气相色谱法、液相色谱法、离子色谱法。 液相色谱法早期阶段是用大直径的玻璃管柱在室温和常压下用液位差输送流动相， 称为经典液相色谱法，此方法柱效低、时间长( 常有几个小时) 。高效液相色谱法( h i g h p e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ，h p l c ) 是在经典液相色谱法的基础上，于6 0 年代 后期引入了气相色谱理论而迅速发展起来的。它与经典液相色谱法的区别是填料颗粒小 而均匀，小颗粒具有高柱效，但会引起高阻力，需用高压输送流动相，故又称高压液相 色谱法( h i g hp r e s s u r el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ，h p l c ) 。又因分析速度快而称为高速液相 色谱法( h i g hs p e e dl i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ，h s l p ) ，也称现代液相色谱。 2 2 检测器的性能指标 理想的检测器要求对不同样品，在不同浓度和流动相条件下，能准确、及时、连续 地反映出色谱峰浓度变化。具体地说，一个理想的检测器，应具备以下特点： ( 1 ) 灵敏度高，以便能作痕量分析，能检测出1 0 击g 以下的样品量； ( 2 ) 对所有的样品都能响应； ( 3 ) 不受温度和流动相流速变化的影响； ( 4 ) 线性范围宽，在样品含量有几个数量级变化时，也能落在检测器的线性动态 范围之内，以便准确、方便地进行定量测定： 第2 审液相色谱检测器理论 ( 5 ) 噪声低，漂移小，对流动相组分的变化不敏感，从而在进行梯度淋洗时也能 测定； ( 6 ) 死体积小，不引起很大的柱外谱带扩张效应，以保持高的分离效能； ( 7 ) 对样品无破坏性； ( 8 ) 响应快，快速、精确地将流出物转换成能记录下来的电信号； ( 9 ) 能给出定性信息； ( 1 0 ) 稳定，可靠，重现性好，使用方便； ( 1 1 ) 价格便宜： ，( 1 2 ) 良好的气密性。 实际上，目前在液相色谱中使用的检测器，没有一种能够完全符合以上特点。但是， 它们在一定条件下都能符合某些主要要求，可以满足分离测定的具体需要。因此，我们 可以按照分离工作的要求去选择检测器，尽量能使现有检测器满足工作需要。 为了评价按照不同原理设计制造的众多检测器，需要给出一致的性能指标，通常从 以下几个主要方面来考虑。 2 2 1 噪声和漂移f l 】 噪声和漂移是检测器稳定性的主要表现。噪声( n o i s e ) 又称噪音，定义为没有溶质 通过检测器时，检测器输出的信号变化，以n d 表示。噪声是指与被测样品无关的检测 ，器输出信号的随机扰动变化。噪声分为短噪声和长噪声两种形式( 图2 1 - 1 ) 。短噪声 俗称毛刺，使基线呈绒毛状，因信号频率的波动而引起，是比色谱峰的有效值频率更高 的基线扰动。短噪声的存在并不影响色谱峰的分辨，但对检测限有一定影响。可以用适 当的滤波器加以消除。长噪声是输出信号随机的和低频的变化情况，是由与色谱峰相类 似频率的基线扰动构成的。长噪声引起色谱峰分辨的困难。对不同类型的检测器，长噪 声的主要来源可能是不同的。有的是由于检测器本身部件不稳定，有的是由于流动相含 有气泡或被污染，还可能是温度变化和流速波动等引起长噪声。降低长噪声可以通过改 进检测器的设计来完成。 9 河北大学t 学硕士学位论文 埘p 妒讨妒删 ( a ) 厂八、一( b ) 噪声 ( d ) 噪声= 最大峰值最小峰值 线性回归 图2 1 一i 噪声和漂移 f i 9 2 1 - 1n o i s ea n dd r i f t ( a ) 短噪声；( b ) 长噪声；( c ) 漂移； ( d ) 、 ( e ) 、( f ) 噪声和漂移的表示方式 漂移( d r i f t ) 是指基线随时间的增加朝单一方向的偏离。它是比色谱峰有效值更低 频率的输出扰动，不会使色谱峰模糊，但是为了有效地工作则需要经常地调整基线。造 成漂移的原因是电源电压木稳：温度及流动相流速的缓慢变化；固定相从柱中冲刷下来； 更换的新溶剂在柱中尚未达到平衡等。噪声和漂移直接影响分析工作的误差及检测能 力，严重时使仪器系统无法工作，应根据不同情况采取相应措施加以消除。测定噪声和 1 0 第2 章液相色谱检测器理论 漂移时，需要使流动相从柱中不断地流出进入检测器。在较低的衰减档，取超过长噪声 一个周期测量长短噪声总的最大幅值。 n d = k b = b h ( 2 2 - 1 ) 式中，n d 为检测器噪声，k 为衰减倍数；h 为放大倍数；b 是测量得到的记录仪毫伏 数标度。 由公式可知，放大倍数与衰减倍数是互成倒数的关系。通过相互变换，噪声可以用 检测器自身的物理量作单位来表示，或者用最高灵敏度下记录仪满量程的百分比来表 示。漂移则是在同一条件下，测量- d , 时基线偏离原点的数值，用检测器自身的物理量 作单位来表示。 噪声除了可以用如上所述的最常用的峰对峰噪声表示方法，即校正过漂移后，在测 量时闻内最大值减去最小值的峰值差，如图2 1 1 ( d ) 。此外，还可以将漂移以回归曲 线斜率的方式给出，测定线性回归的标准偏差的6 倍值作为噪声( 图2 1 。1 ( e ) ) 。 美国国家标准协会规定的a s t m ( 美国材料试验标准) 噪声测定方法，以峰对峰的 测量为基础，按时间周期大小分为长期噪声、短期噪声和超短期噪声。长期噪声是指每 小时内有6 6 0 个变化周期的噪声，测定时间应至少1 h ；短期噪声是指每分钟内有1 1 0 个变化周期的噪声，测定时间应在1 0 m i n 6 0 m i n 内；超短期噪声是指每分钟内有1 0 个 以上的变化周期，测定时间应至少大于l m i n 。另外，在一个周期内应至少取7 个数据 点进行计算。在a s t m 方法中，漂移的测定是以噪声对噪声的中间值为基础进行的。 2 2 2 灵敏度【4 - 6 】 灵敏度是检测器主要的性能指标，它表示一定量的样品物质通过检测器时所给出的 信号大小，也称为响应值。具体说就是一定浓度或一定质量( m ) 的样品进入检测器产 生n 向应信号( r ) ，以r 对m 作图，可得到一条通过原点的曲线( 图2 1 - 2 ) 。这种表示 样品量与检测器响应信号之间关系的曲线叫做响应曲线，图中直线部分的斜率就是检测 器的灵敏度，用s 表示： 河北大学丁学硕+ 学位论文 匣 卜 坦 翅 苣 2 n d 检测限 m 。 样品量 图2 1 - 2 检测器的响应曲线 f i 9 2 1 - 2r e s p o n s ec u r v eo f t h ed e t e c o r 时间 图2 1 3 色谱流出陆线图 f i 9 2 1 - 3c h r o m a t o g r a mc u r v e 其中 s = a r a m ( 2 2 2 ) 式中a m 为样品量增值，a r 为信号的增值，因此灵敏度就是响应信号对进样量的 变化率。 对于不同的检测器，原始的响应信号也不同，可以分别是电压、电流、电导或其它 物理量，所以r 的单位视检测器类型不同而不同，如电压( m v ) 、电流( a ) 等。另 外，原始响应值也可以用测量的物理参数表示，如紫外可见光检测器用吸光度( a u ) 或光密度( o d ) ，示差折光检测器用折射率( 酣) 等表示。液相色谱检测器绝大多数 是浓度敏感型的，测量的是流动相中样品浓度瞬间的变化，此时a m 用g m l 作单位。 质量敏感型检测器测量的是单位时间内样品进入检测器的质量，a m 的单位应为s 。 由图2 1 2 可知： ( 1 ) 在同一检测器上，a 、b 两种物质的斜率不同，斜率越大，灵敏度越高。即检 测器的灵敏度与样品性质有关，因此用这种方法给出灵敏度数值时，需同时说明是何种 样品及用何种溶剂； ( 2 ) 检测器限制了最大允许进样量( m m 默) ，超过此限，响应信号不再与样品量 成线性关系； ( 3 ) 灵敏度越高，检测限越小。当采用浓度为已知的标准样品，连续导入未填充 固定相的色谱柱、检测器，此时r 和m 均可获得稳定值，根据定义就能直接求出s 值。 1 2 第2 章液相色谱检测器理论 但在一般色谱分析中，采用瞬时进样，溶质进入检测器后，r 、m 均为随时间而变化的 量，无法直接测量。因此需要推算出在实际工作中灵敏度的计算公式。 对于常用的微分型检测器，正常的色谱峰近似为高斯分布曲线( 图2 1 3 ) 。 ( a ) 浓度敏感型检测器 进入检测器的样品量( m ) 等于它在流动相中的浓度( c ) 在全部流动相体积( v ) 下的积分值： 岬 m = l c d v ( 2 2 3 ) 其中浓c 度为： h u ， c = s h 为峰高，u ：为记录仪灵敏度，s 为检测器灵敏度。流动相体积v 为： ( 2 2 - 4 ) v = e t = f c 兰( 2 2 5 ) u l r o 为流动相的体积流速，t 为时间，x 为记录纸所走的距离，u 。为记录仪的纸速。则： m = s ”c d v = ! 訾眠言， ：+ i 堕昱d x ：生f c + r h d x ：一u 2 f c a ( 2 2 - 6 )三su l u is 二u t s 所以： s = 訾 眩2 们 u p a 为样品组分的峰面积。式中各量的单位为： u 2 m v c m ，f r m l m i n ，a c m 2 ，u l 弋m m i n ，由此得到s 的单位为 m y ( g m l ) 。 ( b ) 质量敏感型检测器 横坐标采用时间单位，则 河：l 匕大学 二学硕士学何论文 m = ”c d x = ! _ 警a t ! 訾毗讹 ：+ i 堕d x ：生玎h d x ：坐( 2 2 - 8 ) 三s u iu 】s 三u i s 故 s = u ，a u ，m ( 2 2 9 ) 在此式中时间为秒( s ) ，若考虑到常用的纸速单位为c m m i n ，加进l m i n = 6 0 s 的换 算系数，则： s ：6 0 a ( 2 2 1 0 ) u l m 单位为m v ( g s ) 。 另外，灵敏度除用检测器对物质的响应值表示外，还常用对所检测的物理参数变化 量来表示，即在一定量的噪声下，使记录仪达到满标偏转时所对应的物理量的变化值。 通常的办法是将一已知物理量的标准溶液直接注入到检测器进行测定。紫外可见光检测 器用a u f s ，或a u f s ，或o d f s 表示，示差折光检测器用r i f s ，或r i f s 表示，其 中f s 是满标( 满量程) 偏转的意思。这种表示法的优点在于，它与样品性质无关，便 于比较同一类型检测器的性能优劣。但这种表示法对分析工作者来说，使用不太方便也 不直观。 灵敏度是衡量检测器性能的重要指标，可用来评价检测器的好坏，并可同其它种类 的检测器比较。我们希望检测器有较高的灵敏度，因灵敏度高，就意味着对等量的同一 样品，检测器的响应信号大。但是检测器灵敏度的高低，并不能严格表示检测器的检测 能力。 2 2 3 检测限f 4 。6 】 检测限( d e t e c t a b i l i t y ) 又称敏感度，定义为响应值的2 倍( 或3 倍) 噪声时所需的 样品量。具体地说，是指在噪声背景上恰能产生可辨别的信号时，在单位体积或单位时 间内需向检测器送入的样品量。可辨别的信号一般规定要大于或等于2 倍噪声，即： d = 2 n s( 2 2 1 1 ) 式中n 为噪声，s 为灵敏度，d 为检测限。d 的单位对浓度敏感型检测器为g m l ，对 1 4 第2 章液相色谱榆测器理论 皇! 曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼! ! 曼曼! ! 曼曼曼曼寰! ! ! 曼曼曼曼! 蔓! ii 曼! 曼曼曼曼曼皇曼曼曼! 曼苎! ! 曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼皇! 曼曼曼曼寡 质量敏感型检测器为s 。 检测限实质上是信噪比，它考虑了噪声的影响，因而能更全面地反映检测器质量， 在评价检测器优劣时不可缺少，是衡量检测器性能的重要指标。检测限小，说明检测器 的检测能力强，性能好，检测时所需要的样品量少。检测器的噪声小，检测限也小；具 有一定噪声水平的同一台检测器，灵敏度高的物质检测限小。检测限除与检测器噪声及 灵敏度有关外，减小色谱柱尺寸和柱外死体积也可降低检测限。 可以用两种方法求得检测限：是直接测量法，即把一个已知量的标准溶液不经过 色谱分离，直接注入到检测器中，根据检测限的定义来测定其大小；另一是间接换算法， 即先通过换算得到灵敏度，再实际测量噪声，然后按照公式求得检测限。计算时，要注 意噪声单位与信号单位一致，并要在同一衰减水平上。 2 2 4 线性范围【4 。6 】 检测器的输出信号有三种响应类型：积分型、微分型和比例型。积分型响应和微分 型响应对色谱峰的鉴别都有一定困难，一般较少采用。比例型的检测信号直接j 下比于溶 质在流动相中的浓度。当用于定量分析时，比例型检测器的线性响应减少了校正和计算 过程。而在许多情况下，从检测器的传感器输出的信号不是线性的，可能是对数的或指 数的。因此，需要相关的电子元件将对数或指数信号转换成线性信号。例如指数信号输 出的传感器需要一个对数放大器来提供线性响应。 但是，由于电子和机械等原因，检测器不可能做到绝对线性。检测器的响应信号( r ) 与流动相中样品浓度( c ) 之间的关系由下式表示： r = b e 、( 2 2 1 2 ) 式中，b 为比例常数，称为响应因子，x 为检测器的响应指数。当x = l 时，r = b c ，为线 性响应。当x 1 时，则认为是非线性响应了。精确计算样品浓度与响应信号之间的关 系时，需要求出响应指数。 通常有两种方法求响应指数：增量法和对数稀释法。增量法是根据公式r = b c x ，两 边取对数，则l g r = x l g c + l g b 。以l g r 为纵坐标，l g c 为横坐标，采用实验数据，以二元 线性回归法推知直线的斜率，即x 值。直线的截距为l g b 。对数稀释法是更为精确的求 算响应指数的方法。具体计算过程可参考有关文献 7 】。通过计算表明，常用检测器的响 应指数多在0 9 8 - 1 0 2 之间，工作中一般可认为是线性的，即r = b c 。 15 河北大学- 丁学硕士学位论文 如图2 1 2 所示，检测器的线性是有一定范围的。检测器的线性范围( 1 i n e a rr a n g e ) 定义为检测信号与被检测物质量呈线性关系的范围，以呈线性响应的样品量上限、下限 之比值表示。线性范围的下限规定为噪声的两倍值。当样品量大于某一数值后，直线开 始弯曲，检测器输出的信号不再随样品量的增加而呈线性增加。这个转折点为线性范围 的上限，即图中的m m 舣，该值可由实验测得。线性范围是个比值，无量纲。常见的液相 色谱检测器的线性范围在1 0 4 1 0 5 之间，虽然不能和许多气相色谱检测器相比，但通常 已够用。 在线性范围之内，用输出信号的大小进行定量分析既方便又准确。若在非线性部分， 以输出信号大小判断样品含量，将产生负偏差。检测器有一定的线性范围，不可能在它 的响应范围内完全呈线性，一般希望检测器的线性范围尽可能大些，这样可以同时测定 大量的和痕量的组分。 2 2 5 池体积【8 1 样品池体积是检测器的重要参数。除制备色谱外，大多数h p l c 检测器的池体积都 小于1 0 i - t l 。在使用细管径柱时，池体积应减少到1 、2 1 x l 甚至更低，不然检测系统带来的 峰扩张问题就会很严重。而且这时池体、检测器与色谱柱的连接、接头等都要精心设计， 否则会严重影响柱效和灵敏度。 2 2 6 其它参数 上述各项性能指标是影响检测器质量的主要因素，使用者在选择检测器是需要把它 们综合起来考虑。此外，流动相的流速、压力和温度对检测器的噪声、漂移和响应值都 有影响。流动相流速、压力和温度灵敏度分别定义为单位流速、压力和温度的改变所能 引起的响应值得变化，单位分别是m y m i n m l 、m v m 2 k g 、m v 。c 。不同类型的检测、 器，对流动相的流速、压力和温度变化的灵敏度会有很大的不同。 1 6 第2 章液相色谱检洲器理论 表2 1 1 几种检测器的主要性能 t a b l e 2 1 1p e r f o r m a n c eo fs o m ek i n d so fd e t e c t o r s 测量参数吸光度荧光强度电流离子流强度散射光强 类型选择性选择性选择性选择性选择性 另外，对检测器的最大工作压力和温度使用范围也应有所考虑，还有检测器的配件 和流路系统的气密性；检测器后形成反压得方便与否；检测器的体积；几何形状以及安 排；操作维修的简易性；使用时的耐用可靠性和成本价格的合理性也都是需要考虑的因 素。 表2 卜1 给出了几种常用检测器的主要性能。应该指出的是，各种检测器的主要性 能指标仍在不断改进和提高。 】7 河北大学 ：学硕士学佗论文 2 3 紫外检测器 2 3 1概述 紫外检测器( u l t r a v i o l e td e t e c t o r ，u v ) 是液相色谱中应用最广泛的检测器。在 各种检测中，其使用率占7 0 左右，对占物质总数约8 0 的有紫外吸收的物质均有响应， 既可测1 9 0 n m “3 5 0 h m 范围( 紫外光区) 的光吸收变