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高效液相色谱 2010 8 21 一 高效液相色谱仪 Agilent1100 Waters2487 借助气相色谱的理论演变 二 高效液相色谱法的特点 经典的柱色谱 高效液相色谱的模块 20世纪70年代后发展迅速 它在技术上采用高压泵 高效固定相和高灵敏度的检测器 实现了分析速度快 分离效率高和操作自动化 特点 高压 高效 高速分离对象 适用高沸点 热不稳定有机及生化试样分离分析 与GC区分 三 流程及主要部件 流程 2 主要部件 1 高压输液泵 单元泵 双元泵 高压泵作用 输送流动相 也即是贮液瓶中的有机溶剂或缓冲溶液靠高压泵送入色谱柱 由于色谱柱的阻力很大 高压泵必须克服阻力以恒定流速输送流动相 这是保证色谱仪精确度的前提 常用的压力范围 150 350 105Pa欧美等国家习惯使用psi作单位PSI英文全称为Poundspersquareinch 定义为英镑 平方英寸 它们之间的换算关系为 1bar 14 5psi 105Pa 145psi 1Mpa1psi 6 895kPa 0 06895bar 高压泵应具有以下性能流量稳定 精度在1 左右输出压力高 通常20 30MPa 最高50MPa流量范围宽 一般在0 01 10mL min范围内能抗溶剂腐蚀压力波动小 更换溶剂方便 容易清洗 具梯度洗脱操作方便 容易维修 根据泵的操作原理不同 分为恒压泵和恒流泵气动放大泵 恒压泵 往复泵 恒流泵 是目前液相色谱使用最普遍的一种高压泵 其中又分单头往复泵和双头往复泵 往复泵的优点是泵头内腔体积小 容易洗净 故更换溶剂十分方便 尤其适合做色谱条件试验时使用 气动放大泵 往复柱塞泵 2 进样装置手动进样阀通常使用耐高压的六通阀 美国Rheodyne公司专利技术 其结构如图所示 进样装置 正面 进样装置 背面 图中a为进样阀处于 装样load 位置的情况 此时流动相直接进入色谱柱 样品注入口与样品环连接 用微量进样针将一定体积的样品溶液从样品注入口注入 装于样品管内 当将扳手扳至 进样inject 位时 进样阀的流路发生了改变 流动相通过样品管 将注入的样品带入色谱柱进行分析 六通进样阀具有使用方便 进样量准确等优点 样品环 Loop 规格 有10 L 20 L 50 L等不同容积 可以根据需要选配 作用 用来贮液 也用来测量样品溶液的体积 将样品环装满后进样 进样量即为样品环的容积 此种进样方式称为 满环进样 或 定量环进样 用定量环进样精密度好 在使用外标法时 应使用此种操作方式 自动进样器 色谱柱是高效液相色谱的心脏 在HPLC的使用中 保持色谱柱的柱效 延长柱子的使用寿命非常重要 3 色谱柱 色谱柱流速方向 色谱柱的参数 色谱柱 Column 结构 柱管多用不锈钢制成 色谱柱两端的柱接头内装有筛板 目的是防止填料漏出 填料 多以硅胶为基质 适用PH2 8粒度多为0 2 20 m 以5 10 m居多 发展趋势是减小填料粒度和柱径以提高柱效 规格 常规分析柱 常量柱 内径2 5mm 常用4 6mm 3 9mm 柱长10 30cm 15cm 25cm居多 制备柱 21 2mm 30mm 50mm 半制备柱 5mm 7 8mm 9 8mm 10mm C18柱 C8柱 主要是由于修饰到硅胶上的硅烷化试剂不同 C8是修饰的带8个碳原子的硅烷 C18是修饰的带18个碳原子的硅烷 C18较C8极性小 C18更适合分析中等到小极性的化合物 C8更适合中等偏大极性化合物 C18柱 C8柱 性能影响因素 正相柱 固定相通常为硅胶以及其他具有极性官能团 如胺基 NH2 和氰基 CN 的键合相填料 由于硅胶表面的硅羟基 SiOH 或其他极性基团极性较强 因此 分离的次序是依据样品中各组分的极性大小 即极性较弱的组份最先被冲洗出色谱柱 正相色谱使用的流动相极性相对比固定相低 如正已烷 氯仿 二氯甲烷等 反相柱 固定相通常是以硅胶为基质 表面键合有极性相对较弱官能团的键合相 反向色谱所使用的流动相极性较强 通常为水 缓冲液与甲醇 乙腈等的混合物 样品流出色谱柱的顺序是极性较强的组分最先被冲洗出 而极性弱的组分会在色谱柱上有更强的保留 常用的反向填料有 C18 ODS C8 MOS C4 Butyl C6H5 Phenyl 等 正相柱和反相柱 预柱和保护柱 从泵来的流动相 预柱 进样口 保护柱 分析柱 检测器 预柱是针对流动相来保护色谱柱保护柱是针对样品来保护色谱柱 precolumn 预柱 guardcolumn 保护柱安装位置不同 预柱是泵后进样口前 途经流动相 保护柱是进样口后分析柱前 途经样品和流动相 作用不同 预柱则只能起到过滤颗粒物作用 防止颗粒物堵塞色谱柱筛板引起柱压升高 保护柱除了可以过滤颗粒物外 因为带1厘米长的填料 强保留物质就先留在保护柱的柱芯填料里面 这样可以避免色谱柱被强保留物质污染 4 液相色谱检测器 分类按检测原理 光学检测器 如紫外 荧光 示差折光 蒸发光散射 热学检测器 如吸附热 电化学学检测器 如库伦 安培 电学检测器 电导 介电常数 按测量性质 通用型检测器 如示差折光 蒸发光散射检测器 专属型检测器 如紫外 荧光检测器 按检测方式 浓度型检测器质量型检测器 着重介绍四种检测器 紫外检测器 光电二极管阵列检测器 示差折光检测器 荧光检测器 蒸发光散射检测器 工作原理 基于朗伯 比尔定律 即用特定波长的紫外光照射样品池 通过检测透光率的变化来测定样品浓度的检测器 它具有波长固定 波长可变和光电二极管阵列三种类型 紫外检测器 UVD 应用最广泛的选择性检测器 双波长紫外检测器2487 特点 选择性检测器 灵敏度较高 10 9g 噪音低 线性范围宽 对流速和温度波动不灵敏 适用于梯度洗脱 光电二极管检测器 PDA 缺点 只能检测有紫外吸收的物质 而且对流动相也有一定的限制 即流动相的截止波长应小于检测波长 在使用紫外检测器时 检测波长与所用溶剂的截止波长接近 或低于截止波长 时 容易产生噪音干扰 从而影响检测结果 所以在使用紫外检测器时 检测波长应至少比所用溶剂的截止波长大20nm以上 截止波长 原理 监测参比池和测量池中溶液的折射率之差来测量试样浓度的检测器 特点 通用性检测器 对温度变化比较敏感 要保持在 0 001 需配柱温箱使用 灵敏度低 10 6g 不能用于梯度洗脱 b 示差折光检测器 RID 原理 利用某些溶质在紫外光激发后能发射可见光 荧光 的性质进行检测 许多药物和生命活性物质 多环芳烃 维生素B 黄曲霉素 卟啉类化合物 农药 药物 氨基酸 甾类化合物等 具有天然荧光 能直接检测 c 荧光检测器 FLD 特点 选择性检测器 灵敏度比紫外检测器高2 3个数量级 可达到10 12g 选择性好 对流量和温度敏感性低 缺点 只适合于能产生荧光的物质的检测 通过荧光衍生化可以使本来没有荧光的化合物转变成荧光衍生物 从而扩大了荧光检测器的应用范围 工作原理 通过检测光散射程度而测定溶质浓度的检测器 色谱柱后流出物在通向检测器途中 被高速载气 氮气 喷成雾状液滴 再进入蒸发漂移管中 流动相不断蒸发 含溶质的雾状液滴形成不挥发的微小颗粒 被载气载带通过检测器 在检测器中 光被散射的程度取决于溶质颗粒的大小与数量 d 蒸发光散射检测器 evaporativelight scattingdetector ELSD 适用范围 适用检测挥发性低于流动相的组分 主要用于检测糖类 高级脂肪酸 磷脂 维生素 氨基酸 甘油三酯及甾体等 特点 通用型检测器 对各物质有几乎相同的响应 消除溶剂的干扰 不受温度变化影响 灵敏度比较低 尤其对有紫外吸收的组分 流动相必须是挥发性的 不能含有缓冲盐等 四 液相色谱的流动相 流动相特性液相色谱的流动相又称为 淋洗液 洗脱剂 流动相组成改变 极性改变 可显著改变各组分分离状况 亲水性固定液常采用疏水性流动相 即流动相的极性小于固定相的极性 称为正相液液色谱法 极性柱也称正相柱 若流动相的极性大于固定液的极性 则称为反相液液色谱 非极性柱也称为反相柱 组分在两种类型分离柱上的出峰顺序相反 2 流动相类别按流动相组成成分 单组分和多组分 按极性分 极性 弱极性 非极性 按使用方式分 固定组成淋洗和梯度淋洗 常用溶剂 正己烷 四氢呋喃 乙酸乙酯 乙醇 甲醇 异丙醇 乙腈 水 采用二元或多元组合溶剂作为流动相可以灵活调节流动相的极性或增加选择性 以改进分离或调整出峰时间 在选择溶剂时 溶剂的极性是选择的重要依据 采用正相液 液分配分离时 首先选择中等极性溶剂 若组分的保留时间短 降低溶剂极性 反之增加 也可在低极性溶剂中 逐渐增加其中的极性溶剂 使保留时间缩短 常用溶剂的极性顺序 水 最大 甲酰胺 乙腈 甲醇 乙醇 丙醇 丙酮 二氧六环 四氢呋喃 甲乙酮 正丁醇 乙酸乙酯 乙醚 异丙醚 二氯甲烷 氯仿 溴乙烷 苯 四氯化碳 二硫化碳 环己烷 己烷 煤油 最小 3 流动相选择 4 选择流动相时应注意的几个问题液相色谱是样品组分在柱填料与流动相之间交换而达到分离的目的 因此要求流动相具备以下的特点 流动相对样品具有一定的溶解能力 保证样品组分不会沉淀在柱中 或长时间保留在柱中 流动相具有一定惰性 与样品不产生化学反应 特殊情况除外 如配位色谱等 流动相的黏度要尽量小 以便降低柱压 延长色谱柱使用的寿命避免流动相与固定相发生作用而使柱效下降或损坏柱子 如使固定液溶解流失 酸性溶剂破坏氧化铝固定相等 流动相的物化性质要与使用的检测器相适应 如使用UV检测器 最好使用对紫外吸收较低的溶剂配制 流动相沸点不要太低 否则容易产生气泡 导致实验无法正常进行 在流动相配制好后 一定要进行脱气 除去溶解在流动相中的微量气体既有利于检测 还可以防止流动相中的微量氧与样品发生作用 尽量使用高纯度试剂作流动相 防止微量杂质长期累积损坏色谱柱和使检测器噪声增加 溶剂和样品过滤非常重要 它会对色谱柱 仪器起到作用 消除由于污染对分析结果的影响 对色谱柱 由于填料颗粒很细 色谱柱内腔很小 溶剂和样品中的细小颗粒会使色谱柱和毛细管容易堵塞 对仪器 溶剂和样品中的细小颗粒会增加进样阀的堵塞和磨损 同时也会增加泵头内的蓝宝石活塞杆和活塞的磨损 5 流动相过滤 流动相在混合前分别滤过 特别要注意分清有机相滤膜和水相滤膜 有机相滤膜一般用于过滤有机溶剂 过滤水溶液时流速低或滤不动 水相滤膜只能用于过滤水溶液 严禁用于有机溶剂 否则滤膜会被溶解 溶有滤膜的溶剂不得用于HPLC 流动相脱气的目的使色谱泵的输液准确输液均匀准确 并且脉动减小保留时间及色谱峰面积的重现性提高提高检测的性能防止气泡引起的尖峰基线稳定 信噪比增加溶剂的紫外吸收本底降低保护色谱柱减少死体积防止填料的氧化 6 流动相的脱气 常用的脱气方法 氦气脱气法 利用液体中氦气的溶解度比空气低 连续吹氦脱气 效果较好 但成本高 加热回流法 效果较好 但操作复杂 且有毒性挥发污染 抽真空脱气法 易抽走有机相 超声脱气法 流动相放在超声波容器中 用超声波振荡10 15min 在线真空脱气法 实时在线脱气 效果好 五 HPLC应用 1 分析方法如何建立 色谱柱和检测器的选择根据被分离物质性质选择 参考文献类似物质疏水性的样品 反相键合色谱 亲水性的样品 正相键合色谱 流动相组成 配比 流量 梯度洗脱的选择根据分析样品的结构 性质 并查阅相关文献确定流动相组成 为达到较好的分离效果 确定流动相配比 当样品中溶质组分较多及不同溶质的性质差别较大时 考虑梯度洗脱 当分析弱酸 弱碱性化合物时 可通过采用缓冲溶液及加醋酸 三乙胺等调节流动相的pH值来改善峰型 样品组分保留值和容量因子的选择分析时间最好控制在10 30min容量因子控制在1 10 对于容量因子范围较宽的通常使用梯度洗脱技术 相邻组分分离度的要求 对于难分离的样品 要求分离度R 1 0样品分析方法流动相的准备过滤 用孔径为0 22 m 0 45 m 滤膜过滤除去固体颗粒杂质 脱气 超声脱气 吹氦脱气 抽真空脱气法 在线真空脱气法样品的准备称量 用流动相超声溶解 过滤或高速离心 2 应用领域目前 HPLC在有机化学 生化 医学 药物临床 化工 食品卫生 环保监测 商检和法检等方面都有广泛的用途 而在生物和高分子试样的分离和分析中更是有明显优势 在目前已知的有机化合物中 若事先不进行化学改性 只有20 的化合物用气相色谱法可以得到较好的分离 而80 的有机化合物需HPLC分析 因此 HPLC具有非常广阔的应用前景 作为人工合成药物的精制手段 用于除去少量杂质 手性色谱柱以及配位色谱法 从一些复杂的混合物中排除干扰物质 并分析其中微量成分中草药有效成分的制备和分析环境监测和污染物的分析食品中营养成分和物质的分析手性分离技术目前已成为高效液相色谱十分重要和热门的应用领域 例1 环境中有机氯农药残留量分析固定相 薄壳型硅胶 37 50 m 流动相 正己烷流速 1 5mL min色谱柱 50cm 2 5mm 内径 检测器 差示折光检测器可对水果 蔬菜中的农药残留量进行分析 例2 稠环芳烃的分析固定相 十八烷基硅烷化键合相流动相 20 甲醇 水 100 甲醇线性梯度淋洗 2 min流速 1mL min柱温 50 C柱压 7 105Pa检测器 紫外检测器稠环芳烃多为致癌物质 六 仪器保养 1 手柄处于Load和Inject之间时 由于暂时堵住了流路 流路中压力骤增 再转到进样位 过高的压力引起柱头损坏 所以应尽快转动阀 不能停留在中途 2 在HPLC系统中使用的注射器针头有别于气相色谱 是平头注射器 一方面 针头外侧紧贴进样器密封管内侧 密封性能好 不漏液 不引入空气 另一方面 也防止了针头刺坏密封组件及定子 1 六通阀进样器的保养 3 使用定量环的定量 六通阀进样器的进样方式有部分装液法和完全装液法两种 使用部分装液法进样时 进样量最多为定量环体积的75 如20 L的定量环最多进样15 L的样品 并且要求每次进样体积准确 相同 使用完全装液法进样时 进样量最少为定量环体积的3至5倍 即20 L的定量环最少进样60至100 L的样品 这样才能完全置换样品定量环内残留的溶液 达到所要求的精密度及重现性 4 进样样品要求无微粒和能阻死针头及进样阀的物质 样品溶液均要用0 45 m 0 22 m 的滤膜过滤 防止微粒阻塞进样阀和减少对进样阀的磨损 为防止缓冲盐和其它残留物质留在进样系统中 每次结束后应冲洗进样器 通常用不含盐的稀释剂 水或不含盐的流动相冲洗 在进样阀的Load和Inject位置反复冲洗 再用无纤维纸擦净注射器针头的外侧 1 色谱柱的平衡反相色谱柱在经过出厂测试后是保存在乙腈 水中的 一定确保所使用的流动相和乙腈 水互溶 由于色谱柱在储存或运输过程中可能会干掉 因此在用流动相分析样品之前 应使用10 20倍柱体积的甲醇或乙腈平衡色谱柱 如果您所使用的流动相中含有缓冲盐 应注意用纯水 过渡 切忌直接用甲醇置换缓冲液 2 色谱柱的维护与保养 硅胶柱或极性色谱柱在经过出厂测试后是保存在正庚烷中的 如果该色谱柱需要使用含水的流动相 请在使用流动相之前用乙醇或异丙醇平衡每天用足够的时间来平衡色谱柱 一定要做 如何平衡 平衡过程中 将流速缓慢地提高 用流动相平衡色谱柱直至获得稳定的基线 表1建议用来冲洗的溶剂体积色谱柱尺寸柱体积所用溶剂的体积 20倍 12