（微电子学与固体电子学专业论文）基于固体成像器件的液相色谱检测器研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 液相色谱检测器是液相色谱系统的核心部件，在液相色谱中起着非常重要的作用。 液相色谱检测器的多通道检测和高性能是它的主要发展趋势。 本文共提出了以下几种基于固体成像器件的液相色谱检测器的设计方案： ( 1 ) 首先设计了一种基于s s p d 的多波长紫外可见吸收检测器。光源发出的光经 过透镜组聚焦后射入样品检测池，未被样品吸收透射出的光被光纤束收集，经狭缝射到 凹面光栅上，分光成像于s s p d 上。检测器能够实现1 6 个波长的色谱数据的同时检测。 ( 2 ) 为了实现更多波长通道的色谱数据的检测，设计了一种基于光纤的单光束光 电二极管阵列检测器。系统采用光纤束和凹面光栅实现分光，采用s s p d 接收光谱信息。 系统实时测量s s p d 的暗电流噪声并进行补偿克服其影响，采用内参比技术降低光源强 度波动对色谱信号造成的影响。检测器能够同时检测波长范围内所有波长的色谱数据。 ( 3 ) 为了降低光源波动对检测器性能的影响，设计了一种基于光纤的双光束光电 二极管阵列检测器。该检测器采用光导纤维束将光源发出的光分成两束，在斩光器的调 制下分时射入样品吸收池和参比吸收池。出射的信号光和参考光被y 型光纤束收集，通 过狭缝后被凹面光栅分光成像于s s p d 上。系统实现了在同一个s s p d 上信号光谱、参 考光谱和暗电流的分时测量，可以有效降低光源波动对系统性能的影响。 ( 4 ) 因为紫外光纤价格昂贵，并且有寿命限制，敌设计了一种基于分光镜的双光 束光电二极管阵列检测器。该检测器采用分光镜实现光的分束和合束，采用凹面光栅实 现分光系统，s s p d 作为光电接收元件。系统在斩光器和后续电路的配合下，实现了在 同一个s s p d 上信号光谱、参考光谱和暗电流的分时测量。 ( 5 ) 因为c c d 与s s p d 相比具有量子效率高，暗电流小，读出噪声低等优点，故 设计了一种基于c c d 的双光栅多波长紫外可见吸收检测器。检测器采用双光束结构， 信号光和参考光射入到多色仪的各自的狭缝上，并被各自的凹面光栅分光成像于c c d 光敏面的不同部位上，实现了在同一片c c d 上信号光谱、参考光谱和暗电流的同时测 量。 ( 6 ) 设计了一种基于c c d 的单光栅多波长紫外可见吸收检测器。检测器采用双 光束结构，信号光射入样品吸收池，透射出的信号光和参考光均被光学系统收集，经过 斩光器后通过各自的狭缝后射入到同一凹面光栅上被其分光成像于c c d 的不同位置 上。系统实时进行杂散光补偿，计算出信号光谱和参比光谱。 关键词：固体成像器件；光电二极管阵列；电荷耦合器件；紫外可见吸收检测器；二极 管阵列检测器： 大连理工大学博士学位论文 t h es t u d yo f l i q u i dc h r o m a t o g r a p h yd e t e c t o rb a s e do ns o l i d s t a t e i m a g i n gd e v i c e a b s t r a c t t h eh q u i dc h r o m a t o g r a p h yd e t e c t o ri so n eo f t h ec h r o m a t o g r a p h ys y s t e m s ，a n di tt a k e sa v e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y t h em u l t i - w a v e l e n g t hd e t e c t i n ga n dh i 曲 p e r f o r m a n c ei sm a i nd e v e l o p i n gt r e n do f t h el i q u i dc h r o m a t o g r a p h yd e t e c t o r af e wd e s i g np r o j e c t sb a s e do nt h es o l i di m a g i n gd e v i c ea r ei n t r o d u c e di nt h ep a p e r ( 1 ) f i r s t l yam u l t i - w a v e l e n g t hu v - s i b l ea b s o r b a n c ed e t e c t o rb a s e do ns s p di s d e s i g n e d t h er a yo f l i g h ts o u r c es h i n e si n t os a m p l ec e l la f t e rt h el e n s t h el i g h tw h i c hi sn o t a b s o r b e db yt h es a m p l ei sg a t h e r e db y o p t i c a lf i b e r s i tf a l l so n t ot h ec o n c a v eg r a t i n ga f t e rt h e s l o ta n di m a g e so nt h es s p d n l ed e t e c t o rc a l ld e t e c tt h ec h r o m a t o g r a p h ys i g n a l sf r o m s i x t e e nc h a n n e l sa tt h es a m et i m e ( 2 ) i no r d e rt od e t e c tt h ec h r o m a t o g r a p h ys i g n a l sf o rm o r ec c h a r m e l s ，as i n g l eb e a md i o d e a r r a yd e t e c t o rb a s e do no p t i c a lf i b e r si sd e s i g n e d t h es y s t e mu s e so p t i c a lf i b e r sa n dc o n c a v e g r a t i n ga st h es p e c t r o m e t e r , a n ds s p d 越t h el i g h ts e n s o r t h es y s t e mc a nm e a s u r et h ed a r k c u r r e n to ft h es s p da n du t i l i z ei tt oc o n q u e ri t si n f l u e n c e ，a n da d a p tt h ei n n e rr e f e r e n c e t e c h n o l o g yt od e p r e s st h en o i s ea n dd r i f to fd e t e c t o rw h i c hr e s u l t e db yt h ei n t e n s i t y f l u c t u a t i o no ft h el i g h ts o u r c e t h ed e t e c t o rc a l ld e t e c ta l lt h ec h r o m a t o g r a p h ys i g n a l si nt h e r a n g eo f t h ew a v e l e n g t hw h i c hc a nb ed e t e c t e d ( 3 ) i no r d e rt od e p r e s st h en o i s ea n dd r i f to fd e t e c t o rw h i c hr e s u l t e db yt h ei n t e n s i t y f l u c t u a t i o no ft h el i g h ts o u r c e ，ad u a lb e a md i o d ea r r a yd e t e c t o rb a s e do no p t i c a lf i b e r si s d e s i g n e d t h er a yo f l i g h ts o u r c ei sd i v i d e di n t os i g n a lb e a ma n dr e f e r e n c eb e a mb yt h ef i b e r s t h ed u a lb e a mr e s p e c t i v e l ys h i n e si n t ot h es a m p l ep o o la n dr e f e r e n c ep o o la f t e ri t p a s s e s t h r o u g ht h ec h o p p e r b o t hp r o j e c ts i 印a lr a ya n dr e f e r e n c er a ya l ec o l l e c t e db yt h ef i b e r sa n d i m a g c do nt h ep h o t o d i o d ea r r a yb y c o n c a v eg r a t i n ga f t e rs l o t t h es i g n a ls p e c t r u m , r e f e r e n c e s p e c i n t ma n dd a r kc u r r e n to fs s p dc a nb em e a s u r e do nt h es a l n es s p d s oi tc a ne f f e c t i v e l y d e p r e s st h en o i s ea n dd r i f to f d e t e c t o r ( 4 ) b e c a u s et h eu l t r a v i o l e tf i b e ri sc o s t l ya n dh a sal i m i t e dl i f e ，ad u a lb e a md i o d ea r r a y d e t e c t o rb a s e do nb e a ms p l i t t e ri sd e s i g n e d t h ed e t e c t o rr e a l i z e st h es p l i t t i n ga n dc o m b i n i n g o f l i g h tb yt h eb e a ms p l i t t e r , u s e st h ec o n c a v eg r a t i n ga st h es p e c t r o m e t e ra n dt h ep h o t o d i o d e a r r a ya st h el i g h t 鼹n s o r t h es i g n a ls p e c t r u m r e f e r e n c es p e c t r u ma n dd a r kc u r r e n to fs s p d c a nb em e a s u r e do nt h es a m es s p du n d e rt h ec o o p e r a t i o no ft h ec h o p p e ra n da c c e s s o r i a l c i r c u i t s 基于固体成像器件的液相色谱检测器研究 ( 5 ) b e c a u s ec o m p a r e dw i t ht h ep h o t o d i o d ea r r a yt h eb a c k - t h i n n e dt y p ec c dh a sm a n y b e n e f i m ，s u c h 豁l o wd a r kc u r r e n t , h i g hq u a n t u me f f i c i e n c ya n dl o wr e a d - o u tn o i s el e v e l se t c ， ad u a lg r a t i n g sm u l t i - w a v e l e n g t hu 讧v i sd e t e c t o rb a s e do nc c di sd e s i g n e d t h ed e t e c t o r a d o p t st h ed u a lb e a mc o n f i g u r a t i o n n l es i g n a lb e a ma n dt h er e f e r e n c eb e a ms h i n eo n t oe a c h s l o to f t h es p e c t r o m e t e ra n di m a g e so nd i f f e r e n tp o r t i o n so f c c d b yt h ec o n c a v eg r a t i n g 1 1 1 e s i g n a ls p e c l l u m ，t h er e f e r e n c es p e c t r u ma n dt h ed a r kc u r r e n to f c c dc a nb em e a s u r e do nt h e s a m ec c d ( 6 ) as i n g l eg r a t i n g sm u l t i - w a v e l e n g t hu v - v i sd e t e c t o rb a s e do nc c di sd e s i g n e d t h e d e t e c t o ra d o p t st h ed u a lb e a mc o n f i g u r a t i o n t 1 1 es i g n a lb e a ms h i n e si n t ot h es a m p l ec e l l t h e s i g n a lb e a m a n dt h er e f e r e n c eb e a mi m a g eo nt h ec c d b yt h e $ a m ec o n c a v eg r a t i n ga r e rt h e y p a s s e st h r o u g ht h ec h o p p e ra n de a c hs l o t n l es i g n a ls p e c t r u ma n dr e f e r e n c es p e c t r u mc a nb e o b r a i n e db yt h eu s e l e s sl i g h tc o r r e c t i o na r i t h m e t i c k e yw o r d s ：s o l i d - s t a t ei m a g i n gd e v i c e ；s e l fs c a n n e dp h o t o d i o d ea r r a y ) c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ；u v - v i s i b l ea b s o r b a n c ed e t e c t o r ；d i o d ea r r a yd e t e c t o r i i i 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：啦日期：三蚺2 口目 大连理工大学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 高效液相色谱是2 0 世纪7 0 年代迅速发展起来的一种高效的分离和分析技术。据估 计，世界上几百万种化合物中除2 0 宣用气相色谱分离分析外，其余8 0 的化合物 都可以用不同模式的高效液相色谱( h p l c ) 进行分离分析。h p l c 成为目前影响最大、发 展最快、应用最广的现代分析方法之一，无论是仪器的销售额，还是论文的发表数，均 居同期所有分析仪器的首位【”l 。 1 1 研究背景 早在古代罗马时期，人们已经知道将一滴含有混合色素的溶液滴在一块布或一块纸 上，并通过观察溶液展开产生的一个个同心圆环来分析染料与色素。1 9 世纪中叶，德国 化学家r u n g e 对古罗马人的这种方法作了重要的改进，使其具有更好的重现性和定量能 力，使盐溶液在纸上分离；同期g o p p a l s r o e d e r 也在长条纸上实现了染料和动植物色素 的分离。这些研究标志着纸色谱法的建立，并发展为今天的纸上色谱技术。在近代俄国 植物学家t s w e t t 于1 9 0 3 年在波兰华沙大学研究植物叶子的组成时，用碳酸钙作吸附剂， 分离植物干燥叶子的石油醚萃取物。他把干燥的碳酸钙粉末装到一根细长的玻璃管中， 然后植物叶子的石油醚萃取液倒到管中的碳酸钙上，萃取液中的色素就吸附在管内上部 的碳酸钙里。他再用纯净的石油醚洗托被吸附的色素，于是在管内的碳酸钙上形成三种 颜色的6 个色带。当时t s w e t t 把这种色带叫做“色谱”( c h r o m a t o g r a p h i e ，t s w e r 于1 9 0 6 年发表在德国植物学杂志上用此名，英译名为c h r o m a t o g r a p h y ) ，在这里把玻璃管叫作 “色谱柱”，碳酸钙叫作“固定相”，纯净的石油醚叫作“流动相”。后人把t s w e t t 开创的方 法叫液固相色谱法( l i q u i d - s o l i dc h r o m a t o g r a p h y ) 0 - 2 。 在t s w e t t 提出色谱概念后的2 0 多年里一直没有人关注这一伟大的发明。直到1 9 3 1 年德国的k u h n 和l e ( 1 e r o r 才重复了t s w e t t 的某些实验，用氧化铝和碳酸钙分离出小，b ， 和y 胡萝h 素，此后他们又用这种方法分离出了6 0 多种此类色素。m a r t i n 和s y n g e 在 1 9 4 0 年提出液液分配色谱法( l i q u i d - l i q u i dp a r t i t i o nc h r o m a t o g r a p h y ) 。1 9 5 7 年g o l a y 开 创了毛细管柱气相色谱法。1 9 6 2 年j a m e s 和m a r t i n 发表了从理论到实践比较完整的气 液色谱方法( g a s l i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ) ，获得1 9 5 2 年的诺贝尔化学奖。1 9 6 5 年v a n d e e m t e r 等发展了描述色谱过程的速率理论。同时在六十年代把高压泵和化合键合固定 相用于液相色谱，出现了高效液相色谱( h i g hp e r f o r m a n c eu q u i dc h r o m a t o g r a p h y , i - i p l c ) 。采用高压泵输送流动代替重力作用，使柱效更高，加快了液相色谱的分离速度， 基于固体成像器件的液相色谱检测器研究 而色谱柱分离技术与光学检测器相结合也使得液相色谱由最初的以分离目的为主发展 为可以同时完成分离分析目的的重要分析方法【2 】。 现代色谱分析将分离和连续测定相结合，可以浓缩、分离、测定联用，对复杂体系 中组分、价态、化学性质相近的元素和化合物进行分析，而且现代色谱也是制备分离和 提纯的一种有力手段。2 0 世纪7 0 年代以来的现代色谱是以高效液相色谱为代表。高效 液相色谱是一种高效的分离和分析技术，它能够将各种样品中各个不同组分迅速分离， 然后逐一加以定性和定量分析。在已知化合物中的7 0 以上均为不挥发性化合物，虽然 某些化合物可以通过衍生技术来提高挥发性，然后用气相色谱分析，但却不如液相色谱 直接简便。高效液相色谱具有分离效率高，分析速度快和应用范围广泛的特点，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。随着科学技术的发展， 高效液相色谱方法也得到长足的发展，目前已成为影响最大、发展最快、应用最广的现 代分析方法之一，广泛应用于石油化工、有机合成、生理生化、医药卫生和空间探索等 应用科学领域，也渗入到催化机理、吸附动力学、化学反应动力学、溶液理论研究等基 础理论研究方面。它用于揭示物理化学领域内的某些基本现象和微小差异，成为多组分 混合物分离分析的最重要研究领域，是分析化学家和生物化学家用来解决各种实际分析 和分离课题不可缺少的工具【1 4 1 。 色谱法作为一种分离方法，它利用物质在两相中吸附活分配系数的微小差异达到分 离的耳的。当两相做相对移动时，被测物质在两相之间进行反复多次的分配，这样使原 来微小的分配差异产生了很大的效果，达到分离、分析及测定一些物理化学常数的目的。 而色谱法作为一种分析方法，其最大特点在于能将复杂的混合物分离成为各个组分后， 逐个加以检测。 色谱过程中不同组分在相对运动、不相混溶的两相间做交换，其中相对静止的一相 被称为固定相，而另一个相对运动的相被称为流动相。不同组分在两相间的吸附、分配、 离子交换、亲和力或分子尺寸等性质存在微小差别，经过连续多次在两相间的质量交换， 这种性质微小差别被叠加、放大，最终得到分离，因此不同组分性质上的微小差别是色 谱分离的根本。色谱法具有高效、快速、灵敏的特点，液相色谱与气相色谱相比，液相 色谱的最大特点是可以分离不可挥发而具有一定溶解性的物质或受热后不稳定的物质。 高效液相色谱按色谱过程的分离机制可分为吸附色谱、分配色谱、空间排阻色谱、离子 交换色谱、亲和色谱及化学键合相色谱等类别。吸附色谱法是以固定相为吸附剂，靠组 分在吸附剂上的吸附系数的差别达到分离的目的。分配色谱法的固定相是液态，利用不 同组分在固定相与流动相中的溶解度不同所产生的分配系数差别而达到分离的目的。空 间排组色谱法是采用凝胶作为固定相，依样品组分的分子尺寸与凝胶孔径间的关系而分 大连理工大学博士学位论文 离的。离子交换色谱法是采用离子交换树脂作为固定相，依样品离子与固定相表面离子 交换基团的交换能力的差别而分离。亲和色谱法是将具有生物活性的配基键和到载体或 基质表面上形成固定相，利用蛋白质或生物大分子与固定相表面上配基的专属性亲和力 进行分离。采用化学键合相的色谱方法是化学键合相色谱法。化学键合相是将固定相的 宫能团键合在载体表面形成的固定相 2 - 5 。 图1 1 高效液相色谱仪结构 f i g 1 - 1t h es t r u c t u r eo f h i g hp e r f o m m c eu q , i i dc h r o m a t o g r a p h y 高效液相色谱仪是实现高效液相色谱分析的仪器设备，其基本单元组成如图1 1 所 示。高效液相色谱系统包括输液系统、进样器、分离柱、检测器和数据处理系统等部分。 输液系统包括储液及脱气装置、高压输液泵和梯度洗脱装置。梯度洗脱是采用两种或多 种不同极性的溶剂，在分离过程中按一定程序连续改变流动相的浓度配比和极性的一种 洗脱模式。进样系统是将待分析样品引入色谱柱的装置。液相色谱进样器需要满足重复 性好、死体积小、保证柱中心进样，进样时对色谱柱系统流量波动要小，便于实现自动 化等要求。色谱柱是液相色谱仪的心脏，柱效高、选择性好、分析速度快是对色谱柱的 一般要求。首先高压输液泵将贮液器中的流动相溶剂经过进样器送入色谱柱，然后流出。 当将欲分离的样品注入进样器时，流经进样器的流动相将样品同时带入色谱柱。经色谱 柱分离后的样品组分与流动相一起进入检测器，检测器将样品的物理或化学特性通过信 基于固体成像器件的液相色谱检测器研究 息转换为易测量的电信号，并记录下来，得到样品组分分离的色谱图。由谱峰的位置、 形状和大小可以判断分离的优劣，并进行定性定量分析【3 1 。 液相色谱检测器是液相色谱仪的核心部件之一，在液相色谱中起着非常重要的作 用。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。液相色谱检测器的作用是将色谱柱流出物的样品组成和含量变化转化为可供检测 的信号，完成定性定量及判断分离情况的任务。在1 9 0 6 年m t s w e r 所做的人类首次色 谱分离实验中，人眼就是最初的色谱检测器。液相色谱检测器的最初发展是分别收集各 组分的柱后流出物，然后用光度计和滴定计测定。以后色谱柱直接和柱后检测器相连接， 使在线分析成为可能。系统输出的信号随时被记录下来，得到样品分离组分的色谱图。 根据色谱峰的位置、形状和大小进行定性、定量分析及判断分离情况的优劣。色谱柱和 检测器的连接，对于液相色谱的发展起了很大的促进作用。检测器的性能直接关系着定 量分析的可靠性和准确性p 】。 ( 1 ) 色谱检测器的分类 色谱检测器的分类可以按检测器性质或应用范围分类，也可以按测量信号性质分类 或者按测量原理分类。 按检测器性质或应用范围分类 液相色谱检测器按其性质或应用范围可分为总体性能检测器和溶质性能检测器。总 体性能检测器是响应值取决于流出物某些物理性质的总体变化的检测器。属于该类检测 器的有示差折光率检测器、介电常数检测器、电导检测器等。此类检测器将含有被测物 质的流动相与不含被测物质的流动相的同一物理性质进行比较测量。因为总体性能检测 器所测量的任何液体都存在的物理量，所以具有广泛的适用范围。但由于对流动相本身 有响应，易受温度变化、流量变化等因素的影响，引起较大的基线噪声和漂移，灵敏度 低，不适于痕量分析，并且不能用于梯度洗脱，使用范围受到限制。 溶质性能检测器，是响应值取决于流动相中溶质的物理或化学特性的检测器。属于 该类检测器的有紫外可见吸收检测器、荧光检测器、化学发光检测器、安培检测器和手 性检测器等。因为溶质性能检测器选择性的测量溶质而不是测量流动相的某一物理性 质，仅对被测物质有较大响应，所以检测器受操作条件变化和外界环境变化影响较小， 检测灵敏度较高。 测量信号性质分类 液相色谱检测器按照测量信号性质的不同可分为浓度敏感型检测器和质量敏感型 检测器。浓度敏感型检器的响应值正比于溶质在流动相中的浓度，测量流动相中溶质浓 度的变化。大部分的检测器都属于该类检测器。样品的峰高响应值与流动相流速无关， 一4 一 大连理工大学博士学位论文 峰面积与流速成反比。质量敏感型检测器的响应值正比于单位时间内通过检测器的物质 质量，也就是正比于质量流速。库仑检测器就是一种质量敏感型检测器。样品的峰面积 与流动相流速无关，峰高响应值与流速成正比。 按测量原理分类 液相色谱检测器按测量原理的不同可分为光学性质检测器、电学及电化学性质检测 器和热学性质检测器等。光学性质检测器是根据被测物质对光的吸收、发射和散射等性 质而进行检测的。该类检测器有紫外可见吸收检测器、示差折光检测器、荧光检测器、 蒸发光散射检测器、化学发光检测器、手性检测器等类型。电学及电化学性质检测器是 根据物质的电化学性质进行检测的。该类检测器有安培检测器、电导检测器、库仑检测 器、介电常数检测器和极谱检测器等。热学性质检测器是根据物质的热学性质检测的。 该类检测器有光声检测器，光热偏转检测器等【3 】 ( 2 ) 检测器的性能指标 理想的检测器要求对不同样品，在不同浓度和淋洗条件下，能准确、及时、连续的 反映出色谱峰浓度变化。一个理想的检测器应具备以下特点睁1 3 】。 灵敏度高； 对所有的样品都能响应； 不受流动相流速变化带来的影响； 线性范围宽： 噪声低，漂移小； 对样品无破坏性； 响应快； 受外界影响较小； 使用方便； 价格低廉。 为了评价按照不同原理设计制造的检测器，主要从以下几个性能指标来考虑。 噪声和漂移 噪声是指检测器输出跟被测样品无关的扰动信号。噪声分为短噪声和长噪声两种形 式。短噪声是比色谱峰有效值频率更高的基线扰动，使基线成为毛绒状。短噪声并不影 响色谱峰的分辨，但对检测限会有影响。短噪声来自于仪器的电子系统、泵的脉动和光 源光强的短期波动等，可以采用特定的滤波器来消除。长噪声是检测器输出跟被测样品 无关的低频扰动信号。由于长噪声的频率和色谱峰的频率相近，所以长噪声会引起色谱 峰的分辨困难。 基于固体成像器件的液相色谱检测器研究 漂移是指基线随时间的增加朝单一方向的偏离。因为漂移的频率比色谱峰频率更 低，所以不会使色谱峰模糊。但漂移太大，会影响信号的输出和采集。为了信号采集方 便，需要不断地进行归零处理。引起漂移的原因主要有检测器电源电压不稳、温度的缓 慢变化、流动相流速的缓慢变化和柱中固定相的冲刷等许多原因。 噪声和漂移直接影响分析工作的误差及检测能力，应根据不同情况采取相应措施加 以捎除。美国国家标准协会规定的a s l 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6 6 0 个变化周期的噪声，测定时间应至少为l h ；短期噪声是指每分钟内有l 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十 个以上的变化周期，测定时间应大于l m i n 。在一个周期内至少取7 个数据点进行计算。 灵敏度 一定量的物质通过检测器时所给出的信号大小叫做该检测器对该物质的灵敏度。灵 敏度用s 来表示： s = t u n z k r ( 1 1 ) 式中a m 为样品量增值，a r 为检测器输出信号的增值。灵敏度是输出信号对进样 量的变化率。 灵敏度除了用检测器对物质的响应值表示以外，还常采用对被测物体的物理参数变 化量来表示。通常的办法是采用将一种已知物理量的标准溶液直接注入到检测器中进行 测定。这种表示法的优点在于它与被测样品性质无关，便于比较同一类型的检测器的性 能优劣，但对分析工作者，却不够直观使用也不方便。 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，并可以和其他的 检测器作比较。灵敏度越高，对等量的同一样品检测器输出的响应信号就越大。但是检 测器的灵敏度的高低，并不能严格表示检测器对物质的检测能力。 检测限 检测器的灵敏度只考虑样品信号的大小，并没有考虑检测器的噪声。当检测器输出 信号和噪声大小相近时，就无法区分出信号的大小。为了更好的衡量检测器的检测性能， 提出了检测限的指标。检测限是指检测器的响应值为2 倍噪声时所需的样品量。此时响 应信号刚刚能被鉴别。 检测限用d 来表示： d = 2 n o s ( 1 2 ) 式中d 为噪声，s 为灵敏度。 大连理工大学博士学位论文 检测限因为考虑了噪声的影响，因而能更全面的反映检测器质量。检测限小，该检 测器的检测能力强，性能好，检测时所需的样品少。检测限可以采用直接测量法和间接 测量法两种方法来测定。直接测量法就是把一个已知量的标准溶液直接注入检测器中， 直接测定其大小。问接测量法先测灵敏度，然后测量噪声，然后计算得到检测限。 线性范围 理想的检测器应该是完全线性的，但是由于电子、光学和机械等原因，检测器不可能 做到绝对线性，所以检测器的线性是有一个范围的。检测器的线性范围定义为检测器输出 信号与被测物质量成线性关系的范围，用线性响应的样品量上限和下限之比值来表示。线 性范围的下限规定为噪声的两倍值。线性范围的上限为检测器输出信号不再随着样品量的 增加而线性增加的转折点。检测器的线性范围越大越好，可以同时测定大量和痕量的样品， 使用方便，测量准确。 1 2 国内外研究现状 现代科技和产业的发展，促进了以色谱仪器为代表的复杂样品的分离分析和分离纯 化仪器的迅猛发展和推广应用，各种更新、更适用的色谱技术和色谱仪器不断涌现。当 今发展最快的科技领域如生命科学、生物工程、环境科学、生态保护、现代医学、中医 药物、纳米科技等领域的基础研究和应用工作，都离不开各种类型的色谱仪器。据不完 全统计，液相色谱仪器的销售额占全世界分析仪器的销售额近2 0 ，每年的销售额有几 十亿美元。 今后全球分析仪器需求的发展趋势，其发展速度估计至少会按6 7 的速度增长， 将高于全球的经济增长的平均水平，科学技术对经济推动的巨大作用，作为科学技术的 前沿，高技术的分析仪器投入及新知识的运用将加速。全世界各种色谱仪器销售额连续 多年以1 0 左右的速度增长，而其中液相色谱则以2 0 以上的增长率稳步上升睁圩】。 液相色谱检测器是液相色谱仪的核心部件之一，检测器的性能直接关系着定量分析 的可靠性和准确性。其中紫外可见吸收检测器( 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 - s ) ， 是液相色谱仪中应用最广泛的检测器。色谱检测器中7 0 左右都是紫外可见吸收检测 器。紫外可见吸收检测器可以测量1 9 0 n m 1 0 0 0 n m 左右的光吸收变化。凡是对紫外和 可见光有吸收作用的物质均可以采用此类检测器，而这些物质约占物质总数8 0 左右。 几乎所有的液相色谱系统都配有紫外可见吸收检测器【1 5 】。紫外可见吸收检测器具有以 下优点： 灵敏度高 基于固体成像器件的液相色谱检测器研究 灵敏度高，噪声低，可降至1 0 。5 a u 。对于具有中等强度紫外吸收的溶质，最小检测 量可达1 0 。2 9 的数量级，最低检测浓度可达1 0 1 0 咖l 。 线性范围宽 线性范围在1 0 5 以上。 对流动相的流速和温度变化不敏感，适于梯度脱洗 基本不破坏样品，可以和其他检测器串联使用 结构简单，使用维修方便。 紫外可见吸收检测器是通过测定样品在检测池中吸收紫外可见吸收的大小来确定 样品含量的。它的工作原理是基于朗伯一比耳定律。朗伯一比尔定律是光的吸收定律。 该定律指出，当一束单色光辐射通过物质溶液时，如果溶剂不吸收光，则溶液的吸光度 与吸光物质的浓度和光经过溶液的距离成正比b 6 - i $ 。表达式如下； 彳= a b c = i g 等( 1 3 ) 式中4 为吸光度，a 为吸光系数，b 是光在溶液中经过的距离，一般为吸收池厚度， c 是吸光物质溶液的浓度，是透过光强度，n 是入射光强度。 紫外可见吸收检测器按照光学系统的不同，主要可分为采用单色器的色散型紫外可 见吸收检测器和采用多色仪的多通道紫外可见吸收检测器。色散型紫外可见吸收检测器 的光源发出的光先经过单色器分光，选择特定波长的单色光进入检测池，再由单通道光 电接收元件检测一个波长的光强度。而采用多色仪的多通道紫外可见吸收检测器则是令 光线全部通过检测池，然后通过分光成像在多通道光电检测器上，同时可以检测所有波 长的光吸收变化。 采用多色仪的多通道紫外可见吸收检测器主要采用自扫描光电二极管阵列( s s p d ) 和电荷耦合器件( c c d ) 来作为光电接收元件。由于s s p d 暗电流和后续处理电路噪声的 影响会在没有信号光或参考光射入的情况下也产生电流信号，所以需将暗电流和后续处 理电路噪声的影响考虑进去，由朗伯一比尔定律可以基于s s p d 的紫外可见吸收检测器 的吸光度公式： 小1 9 蚓 ( 1 4 ) 式中以为第珂个光电二极管的光谱范围内的吸光度，最为第”个光电二极管的接 收的信号光强度，k 为第栉个光电二极管的由暗电流和后续处理电路噪声形成的噪声强 度，焉为对应第一个光电二极管的入射光强度。 8 一 大连理工大学博士学位论文 同样c c d 由于暗电流和后续处理电路噪声的影响也会在没有信号光或参考光射入 的情况下也产生电流信号，所以需将暗电流、杂散光和后续处理电路噪声的影响考虑进 去，由朗伯一比尔定律可以导出基于c c d 的紫外可见吸收检测器的吸光度公式： a 。= - l g 矧 ( 1 5 ) 式中4 。为第h 列c c d 像素的光谱范围内的吸光度，s 。为第一列c c d 像素的接收的 信号光强度，见为第行列c c d 像素的由暗电流、杂散光和后续处理电路噪声形成的信 号强度，r 。为第推列c c d 像素接收的参考光强度。 紫外可见吸收检测器属于吸收光谱分析类型的仪器。它主要包括光源、分光系统、 流通池和检测器系统四大部分。紫外可见吸收检测器按波长可分为固定波长和可交波长 两类。固定波长检测器又分为单波长式和多波长式两种；可变波长检测器可以分为色散 型检测器和光学多道检测器 3 1 。下面简单介绍一下不同类型的检测器。 ( 1 ) 固定波长紫外可见吸收检测器 固定波长紫外可见吸收检测器选择固定的波长作为检测波长。这种检测器结构简 单，价格便宜，有相当的应用范围，其钡4 量范围再3 x 1 0 4 5 1 2 a u f s 。固定波长可分为 单波长式和多波长式两种。低压汞灯是最常用的单波长式光源，低压镉灯、低压锌灯和 镁灯等也是常用的光源。多波长式紫外吸收检测器多采用氘灯、氢灯或中压汞灯作为光 源，用滤光片取得所需的单波长，仪器工作更加灵活。氘灯和氢灯在2 0 0 4 0 伽| m 范围 内有较好的连续光谱，可以通过一组滤光片选择所需工作波长，提高检测器的线性和选 择性。中压汞灯可以选用的波长为2 5 4 r t m 、2 8 0 h m 、3 1 3 r i m 、3 3 4 n m 和3 6 5 n m 。下面是 各种结构的固定波长紫外可见吸收检测器的光路结构刚”。 图1 , 2 单光束单波长 f i g 1 2s i n g l e b e a m a n d d o u b l e w a v e l e n g t h 光源 图1 2 是一种单光束单波长的紫外可见吸收检测器。光源采用低压汞灯，只能测量 波长为2 5 3 7 r i m 的色谱信号。它直接测量流动相通过检测池( 流通池) 时，以其中所含 基于固体成像器件的液相色谱检测器研究 样品对紫外光的吸收引起接收元件输出信号的变化来获得样品浓度。由于是单光束，没 有补偿电路，对流动相性质、温度、流速等外界因素的变化很敏感，所以虽然结构简单， 但稳定性不佳。 探测器可采用光电池、光敏电阻、光电二极管和光电倍增管等。光电池结构简单、 使用方便，产生的光电流较大。使用光敏电阻通常采用惠斯通电桥。光电二极管输出电 流较小，需由微电流放大器放大。光电倍增管是将微弱光能量转换为电信号，利用二次 电子发射现象放大光电流，可以测量十分微弱的光强。检测池的设计非常重要，其体积 和构型直接影响柱效和检测器的灵敏度。检测池应尽量减少紊流、光散射、流量和温度 等因素对检测器稳定性的影响。为了提高灵敏度，减小池内色谱峰扩展，要求流通池长 而内径小，池体积越小越好。增加检测池的长度，可以增加吸收的光程从而提高检测的 灵敏度。但光程的提高有一定的限度，它受池体积和探测器性能的约束。一般标准池体 积为5 皿8 皿，光程为5 m m 1 0 r a m ，内径小于l m m 。但在快速发展的微量色谱中， 为了适应微径柱的要求，池体积已经缩小到0 5 此1 此。检测池材料选用惰性材料， 如不锈钢和聚四氟乙烯，透光材料为石英吼 图1 3 双光束单波长( 1 ) f i g 1 3d o u b l eb e a ma n ds i n g l ew a v e l e n g t h ( 1 ) 图1 3 是一种双光束单波长的紫外可见吸收检测器。它包括检测光路和参比光路两部 分。但它没有参比池，只以空气作为参比的非对称的双光束结构。双光束检测器系统的 特点就是利用两个接收元件分别接收来自样品和参比光路的光束，以两者光强的比值的 对数为输出信号反映被测样品的浓度。参比光路的主要部分按具体情况可以是充满流动 相的参比池，连续流过流动相的参比池，也可以不设参比池，只以空气为参比。双光束 检测系统的最大优点是补偿了由于电源电压变动引起的光源强度改变，因而提高了检测 器的稳定性，降低了系统的噪声和漂移【3 1 。 大连理工大学博士学位论文 图1 4 双光束单波长( 2 ) p i g 1 4 d o u b l e b e a m a n d s i n g l e w a v e l e n g t h ( 2 ) 图1 4 是采用半透半反镜生成双光束的检测器系统光路结构。光源发出的光经过透镜 聚焦后，经过半透半反镜生成信号光和参比光，信号光射入样品池，参比光射入参比池， 两束光出射后经过透镜聚焦后分别射入到信号光探测器和参比光探测器。采用参考光对 信号光进行实时补偿，可以显著提高仪器的稳定性 3 1 。 图1 5 双光束单波长( 3 ) f i g 1 5d o u b l eb e a ma n ds i n g l ew a v e l e n g t h ( 3 ) 图1 5 是采用遮光板生成双光束的检测器系统光路结构。光源发出的光经过透镜聚焦 后，通过遮光板生成信号光和参比光。信号光射入样品池，参比光射入参比池，两束光 出射后经过遮光板后入射到一个双元结构的探测器，分别探测参比光和信号光。滤光片 的作用是滤除不需要的其他波长的光，降低仪器的本底信号，提高仪器的线性范围。用 基于固体成像器件的液相