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 stationaryphase 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 mobilephase 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 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400 1000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 11g 10 13g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 第一节色谱法概述 2 基线 baseline 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 chromatographicpeak 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 peakheight h 第一节色谱法概述 进样峰 injectionpeak 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 airpeak 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 tentiontime 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 deadtime 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 deadvolume 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 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10MPa 15MPa的高压降低到0 2MPa 0 4MPa的工作压强 第二节气相色谱仪 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 A B 第二节气相色谱仪 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1 l 10 l之间 常用5 l和10 l注射器 当是气态样品时 必须有一个理想规格 0 1ml 5ml 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 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 1 0 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 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 temperatureprogrammer 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 T0 rT 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 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 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3mm 6mm 长2m 3m的填充柱 升温速度r一般可取3 min 8 min 而对毛细管柱 一般选取0 5 min 2 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 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 thermalconductivitydetector 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 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 20V 50V 因而热导检测器的灵敏度 10000mV mL 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 flameioniza tiondetector 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 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 s 10 12g s 最小检测量可达10 11g s 10 13g s 线性范围广 5 106 5 107 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 electroncapturedetector 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 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 s 10 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1m 3m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15 30ml min的范围内选择 外径为6 35mm的柱子 可在40 100ml 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 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 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 isocraticelution 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 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 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 1 2 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 20 m的固定相颗粒的填充 颗粒 20 m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 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5 l 8 l 不致于影响峰形 并做成流动式 检测灵敏度达0 05 0 01O D 的满度值 光度计为1 0 0 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 2 偏转式示差折光检测器 根据折射定律 n1sin 1 n2sin 2 5 9 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 反射式液槽体积小 在3 5 l 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 但它检测的样品必须能够被激发出荧光 也是一种选择性检测器 第三节高相液相色谱仪 此外 二极管阵列检测器 氢火焰离子化检测器 微量吸附热检测器等检测器也是高效液相色谱仪常用的检测器 第三节高相液相色谱仪 图5 28二极管阵列检测器及其谱图 第三节高相液相色谱仪 五 操作条件的选择操作条件的选择除前面介绍的色谱柱参数 流动相及固定相的选择外 还包括以下几点 第三节高相液相色谱仪 1 流动相的流量提高流量可缩短分析时间 但会降低分离度 增加柱压 应根据样品的性质 样品量大小 分离目的 选择的固定相和流动相以及色谱柱的尺寸等因素综合考虑 分析时 一般选10ml min以下 制备时 流量可选大一些 第三节高相液相色谱仪 2 柱温一般在室温下进行 据统计 约有70 以上的分析是在室温下进行的 当然提高温度可提高分析速度 但也会降低分离度 因此在高效液相色谱仪中 一般均通过