液相色谱仪工作原理液相色谱概述Word文档下载推荐.docx
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泵体易于清洗和维修。
高压输液泵，按其性质可分为恒压泵和恒流泵两大类。
恒压泵是保持输出压力恒定，而流量随外界阻力变化而变化，如果系统阻力不发生变化，恒压泵就能提供恒定的流量。
2．泵的类型
高压输液泵主要有恒压泵和恒流泵两类，常使用恒流泵。
恒流泵又称机械泵，主要有机械注射泵与机械往复泵两类。
恒流泵特点是在一定操作条件下，输出流量保持恒定，其流量与流动相粘度和色谱柱引起阻力变化无关；
恒压泵是指输出压力恒定，但其流量随色谱系统阻力而变化，故保留时间的重现性差。
如果系统阻力不发生变化，恒压泵就能提供恒定的流量。
恒压泵和恒流泵各有优缺点。
（1）恒压泵
A：
气动泵
直接式，简单，但高压气体可溶解于溶剂中，当溶剂进入检测器时会放出气体影响检测。
图8-7气动泵
B：
气动放大泵
泵出口压力在系统中是恒定的，流速由柱的阻力决定。
压力由两活塞的面积比决定。
操作简便，流量范围大，但流速取决于溶剂粘度和柱渗透性。
液缸大不便清洗。
流量有波动。
图8-8气动放大泵
特点：
高压、无脉动、成本低，用空气压缩机或气体钢瓶低压驱动，操作成本低。
缺点是更换溶剂困难。
（2）恒流泵
恒流泵有往复泵和螺旋柱塞泵，这类泵输出流量恒定，柱压力由柱的阻力决定。
螺旋注射泵
步进马达控制活塞移动，同时控制流量。
至限位开关时停泵后退活塞、吸液，然后继续。
压力大（可达60MPa），无脉冲。
但清洗不便，精密而价高。
图8-9螺旋注射泵
往复柱塞泵
图8-10往复柱塞泵
往复柱塞泵由偏心轮带动活塞往复移动，恒流输出，并通过改变电机转速调节流量。
体积小清洗方便，特别适用于梯度淋洗。
往复柱塞泵有明显脉冲，需采取增加脉冲阻尼器、改变凸轮形状、加电子线路保护、用多头泵系统（并联串联）等措施。
往复柱塞泵目前应用较多。
往复柱塞泵特点是单位时间输出的液体流量由单位时间柱塞往复的次数决定，因此，流量恒定，与系统阻力无关，可以连续不断的输送液体，更换溶剂方便，可用于梯度洗脱，主要缺点是有脉动。
C：
多头柱塞泵
并联双柱泵少用一组单向阀。
用两相差180度的凸轮推动两交替工作的柱塞。
流量稳定。
图8-11多头柱塞泵
D：
往复隔膜泵
柱室间用不锈钢薄膜隔开而使活塞不与流动相接触，靠油压迫钢膜而输出。
流量稳定，单形成高压慢。
图8-12往复隔膜泵
（三）输液体统的辅助装置
1．过滤器：
除掉机械杂质及固体颗粒。
由于液相色谱柱、进样器等都很精密，微小的机械杂质将导致这些部件的损害，而不能正常工作，同时机械杂质在柱头的积累还影响柱子的使用，因此，溶剂需要过滤。
图8-13过滤器的结构
2．混合器：
体积不宜大。
3．脉动阻尼器：
种类多，都有一定容积和弹性。
4．压力测量装置：
电子压力控制器流量
5．流量测量装置：
电子流量计
6．脱气装置：
除掉溶于流动相中的各类气体，以保证柱效能。
可采用通氮脱气、超声波脱气、自动脱气机脱气等。
（四）梯度洗脱装置
在液相色谱中，当样品组成复杂时，有时会出现先出的峰分不开，后面的峰保留值又太大的现象，这时，可以采用梯度洗脱来调整混合溶剂的组成，改变溶剂强度或选择性。
梯度洗脱就是在分离过程中使两种或两种以上不同极性的溶剂按一定程序连续改变它们之间的比例，从而使流动相的强度、极性、pH值或离子强度相应地变化，达到提高分离效果，缩短分析时间的目的。
梯度洗脱装置分为两类：
1．外梯度装置（又称低压梯度），流动相在常温常压下混合，用高压泵压至柱系统，仅需一台泵即可。
2．内梯度装置（又称高压梯度），先将两种溶剂分别用泵增压后，再由泵按程序压入混合室，混合，再注入色谱柱。
图8-14梯度洗脱装置示意图
梯度洗脱的实质是通过不断地变化流动相的强度，来调整混合样品中各组分的k值，使所有谱带都以最佳平均k值通过色谱柱。
它在液相色谱中所起的作用相当于气相色谱中的程序升温，所不同的是，在梯度洗脱中溶质k值的变化是通过流动相的极性、pH值和离子强度来实现的，而不是借改变温度（温度程序）来达到。
流动相A、洗脱时，若样品中各成分容量因子k相差大，则大的峰宽而低且分析时间长。
流动相B、是溶解力强。
洗脱时，各成分很快出来，则k（1～2）小的峰达不到分离。
A→B若将A、B流动相的组成随时间改变，则即分离好，又缩短分析时间。
当我们需要混合三种流动相时，可利用电磁阀的功能将吸液分划成A∶B∶C三部分，划分比一定，组分送液时是一定时，相当于GC中恒温分析。
在梯度送液时，划分比则按所设定的程度时时刻刻都在变化，相当于GC中程序升温。
二、液相色谱仪－进样系统
进样系统包括进样口、注射器和进样阀等，它的作用是把分析试样有效地送入色谱柱上进行分离。
高效液相色谱柱比气相色谱柱短得多（约5～40cm），因此柱外效应较突出。
柱外效应是指色谱柱外因素引起的峰展宽，包括进样系统，连接管，检测器中存在的死体积。
柱外展宽可分为柱前和柱后展宽，进样系统是引起柱前展宽的主要因素，因此高效液相色谱法中对进样技术要求较严。
在液相色谱中，进样方式有隔膜式注射进样器进样，高压进样阀进样，自动进样装置等。
（一）隔膜式注射进样器
隔膜式注射进样器有硅橡胶隔膜，在原理上与气相色谱法完全一致。
用微量注射器进样的优点可柱头进样，减小死体积，充分发挥柱的效能，简单便宜。
缺点是高压进样时漏液．会产生误差，隔垫使用次数有限，进样量小，重复性差。
（二）进样阀方式—六通阀进样
目前，广泛采用多通路进样阀，它可以承受很高的压力，由于进样量是由进样定量管决定的，因此，可以获得好的重复性，更换不同体积的进样定量管，可调整进样量。
进样时，样品中不应混入机械杂质，溶解样品的溶剂最好与使用的流动相相同，以防止溶剂变化出现不溶物而堵塞柱子。
一般高效液相色谱流路中为高压力工作状态，通常使用耐高压的六通阀进样装置，六通阀结构如图所示，进样量由定量环确定。
操作时先将进样器手柄置于采样位置（LOAD），此时进样口只与定量环接通，处于常压状态，用微量注射器（体积应大于定量环体积）注入样品溶液，样品停留在定量环中。
然后转动手柄至进样位置（INJECT），使定量环接入输液管路，由高压泵输送的流动相将样品送人色谱柱中。
样品定量管的容积是固定的，因此进样重复性好。
缺点是不能注入小体积样品（≮1.2μL）,改变注入量时要更换定量管。
图8-15旋转式六通阀进样装置
三、液相色谱仪——分离系统
（一）色谱柱
分离系统包括色谱柱、恒温器和连接管等部件。
进行色谱分离的首要工作是选择性能良好的色谱柱，即选择在确定的分离条件下分离效率高和分析时间短的色谱柱。
色谱柱的选择应考虑：
固定相类型的选择,主要取决于样品分离模式；
柱填料的结构,主要指颗粒的形状大小、均匀性、比表面、平均孔径和孔容等；
柱规格指柱内径、柱长度和填料粒度；
色谱柱的牌号/厂商。
色谱柱
多为直形，内部充满微粒固定相。
发展趋势是减小填料粒度和柱径以提高柱效。
色谱柱可分为分析柱；
制备柱；
分析柱的保护柱。
1．柱材料及规格
色谱柱是液相色谱的心脏部件，它包括柱管与固定相两部分。
柱管材料有玻璃、不锈钢、铝、铜及内衬光滑的聚合材料的其他金属。
玻璃管耐压有限，故金属管用得较多,它是由内部抛光的不锈钢管制成。
一般色谱柱长5～40cm，内径为1～6mm，柱效达5000～10000块/m理论塔板数。
凝胶色谱柱内径3～12mm。
，制备往内径较大，可达25mm以上。
2．柱的填料
固定液涂在担体上而成。
担体有两类：
一类是表面多孔型担体；
另一类是全多孔型担体。
近年来又出现了全多孔型微粒担体,这种担体粒度为5～10μm，是由10nm级的硅胶微粒堆积而成，又叫堆积硅珠。
由于颗粒小，所以柱效高，是目前最广泛使用的一种担体。
3．保护柱
一般在分离柱前有一个前置柱，前置柱内填充物和分离柱一样，安装在分析柱前。
其作用是收集、阻断来自进样器的机械和化学杂质，以保护和延长分析柱的使用寿命。
一只1cm长的保护柱就能提供充分的保护作用。
若选用较长的保护柱，虽可降低污染物进入色谱柱，但会引起谱带扩张。
因此选择保护柱的原则是在满足分离要求的前提下，尽可能选择对分离样品保留低的短保护柱。
保护柱也可装填和分析柱不同的填料，如较粗颗粒的硅胶（10～15μm）。
保护柱装填的填料较少，价格较低，为消耗品，通常分析50～100次样品，柱压力呈增大趋向时就是需要更换保护柱的信号。
目前市场上供应的结构新颖的可更换芯式设计保护柱，是由保护套和可更换式保护芯，两部分组成。
（二）柱连接方式
柱出、入口的连接管的死体积越小越好,一般常用窄孔（内径0.13mm）的厚壁（1.5～2.0mm）不锈钢管,以减少柱外死体积.
（三）柱温控制
在高效液相色谱分析中，柱温一般为室温或接近室温。
适当提高柱温可改善传质，提高柱效，缩短分析时间。
因此，在分析时可以采用带有恒温加热系统的金属夹套来保持色谱柱的温度。
温度可以在室温到60℃之间调节。
对凝胶渗透色谱仪，其柱温可从室温至150℃实现精确控制。
四、液相色谱仪－检测系统
检测器实际上是一种换能装置，它将流动相中组分含量的变化，转变成可测量的电信号（通常是电压），然后输入记录器。
从原理分析，任何一种分析鉴定方法都可能用作色谱检测器。
理想的检测器应该是灵敏度高、线性范围大、对所有待测组分相同响应。
高效液相色谱的检测器很多，光学（紫外,荧光,折光检测器）；
电化学（极谱、电导、库仑、离子选择电极）等。
对检测器要求是高灵敏度；
低噪声；
大的线性范围；
对所有化合物都响应。
与GC一样。
用得最多的是UV检测器，常用于有双键的芳香族化合物检测，有UV吸收就可用UV检测器。
因为UV对甲醇，水无吸收，所以甲醇，水可用作流动相。
检测器噪声一般由于电引起。
（一）检测器分类
1．按性质或应用范围分类
有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（含样品与流动相）某些物理性质的总的变化的检测器。
属于这类检测器的有示差折光、电导等检测器,GC中的热导检测器也属于这类检测器。
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。
属于这类检测器较多，有紫外检测器、荧光检测器、化学发光检测器、安培检测器、手性检测器等。
因为溶质性能检测器仅对被测定物质有较大响应，而流动相没有响应或响应很小，所以检测灵敏度高，受操作条件变化和外界环境影响小，并且可用于梯度洗脱操作。
但与总体性能检测器相比，应用范围受到限制。
总体性能检测器和溶质性能检测器的划分也不是绝对的，例如紫外-可见检测器常用作溶质性能检测器，但在间接光度离子色谱法中则成为总体性能检测器。
2．按测量信号性质分类
有浓度型检测器和质量型检测器。
浓度型检测器的响应值正比于溶质在流动相中的浓度，测量的是流动相中溶质浓度的瞬间变化，大部分液相色谱检测器属这一类检测器。
当样品量一定时，检测器瞬间响应，峰高响应值与流动相流速无关；
峰面积响应值与流动相流速成反比，峰面积与流速乘积为常数。
质量型检测器的响应值正比于单位时间内通过检测器的物质的质量，峰面积与流动相流速无关，峰高响应值与流速成正比。
例如库仑检测器就是质量型检测器。
3．按测量原理分类
有热学性质检测器、光学性质检测器、电学及电化学性质检测器等。
光学性质检测器是根据被测物质对光的吸收、发射和散射等性质进行检测的。
有较多的液相色谱检测器属这一类检测器，例如紫外-可见检测器、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。
电学及电化学性质检测器是根据被测物质的电化学性质进行检测的，常用的有安培检测器、电导检测器、库仑检测器、介电常数检测器、极谱检测器等。
该类检测器通常驻将色谱流出液作为化学电池的一个组成部分，通过测量电池的某种参数（如电流、电阻、电量等）进行检出和测定。
性质进行检测的。
利用热学原理进行检测的热学性质检测器有光声、热透镜和光热偏转检测器等，分别利用了光声光谱和光热光谱等技术。
激光检测器的应用使灵敏度得到较大的提高，这类检测器的应用仍有待于发展。
4．其它分类
按信号记录方式不同可分为积分型和微分型检测器；
按样品是否变化可分为破坏性和非破坏性检测器。
以上各种检测器中最常用的液相色谱检测器依次是紫外检测器、示差折射检测器、荧光检测器和电化学检测器等。
近年来出现的光散射检测器是新兴的通用型检测器。
近年来发展迅速的光电二极管阵列检测器虽然价格较高，仍不失为一种较理想的检测器。
（二）常用检测器的主要性能
检测器是液相色谱仪的关键部件之一。
对检测器的要求是：
灵敏度高，重复性好、线性范围宽、死体积小以及对温度和流量的变化不敏感等。
评价检测器主要考虑以下几点:
噪声；
基线漂移；
灵敏度；
线性范围；
检测池的体积。
检测器的线性、灵敏度和柱外效应三个基本特性直接影响色谱定量分析的准确度、精密度和再现性。
检测器的线性范围：
大部分厂商都声称它们的检测器在一定的浓度范围内是线性响应。
灵敏度在色谱分析中有三种不同的表示法，有检测器本身的灵敏度、整个色谱体系的浓度灵敏度和质量灵敏度。
对于定量分析来说，最重要的是色谱体系的灵敏度，它还包括色谱柱以及仪器的其它部分的影响。
检测器的灵敏度（CD）,实际上指检测限，即通常指相当于两倍噪音信号的溶质浓度。
而色谱体系的最小检测限应是柱外效应>
10%的最大进样体积所对应的二倍于噪音峰高所对应的样品浓度。
对于毛细管气相色谱和高效液相色谱，检测器的色谱峰展宽是柱外效应的一个主要来源。
一般仪器厂商在设计时已把检测器的色谱峰展宽减少到最低程度。
八十年代初就有各种各样的液相色谱检测器问世，最流行的是可变波长检测器，固定波长检测器由于最适用于各种芳香化合物检测,也得到广泛应用。
折光指数检测器，主要是应用于空间排阻色谱在高分子工业以及食品和饮料工业中糖的检测。
发展最迅速的是可变波长光电检测器和电化学检测器。
激光检测器的使用，包括光扫描、荧光、光电离子化、热光离子化、折光率、光度和声光检测器。
在离子色谱（IC）中改进选择性和敏感度。
液相色谱新的检测技术不断发展，以适应毛细管和微球柱大小的需要，近几年正在迅速发展的液相色谱检测技术，有光谱和电化学检测器二大领域，也考虑到扩大柱后流动试剂检测领域。
在液相色谱中生物化学柱后反应检测技术，酶、蛋白质和抗体的使用，改进检测器选择性和敏感度。
当今面临控制环境污染分析和监测方面的挑战，提供分析金属离子的色谱技术，液相色谱技术同特殊元素检测相结合，可以分离金属络合物结构，对于大气、水、残渣和鱼类的金属离子分析具有重要意义。
在近年来兴起的DNA分析领域中，已有不少人报道评价聚合酶链反应产品的液相色谱分离和检测中定量分析准确度和精密度。
各种各样检测器的研究论文层出不穷，如紫外—可见光度检测器，拉曼光谱检测器，荧光检测器，化学荧光检测器，质谱检测器，电化学检测器，核磁共振检测器以及光电二极管阵列检测器等。
近几年出现的蒸发激光散射检测器（FLSD）有希望成为高效液相色谱全新的通用灵敏的质量型检测器。
总之，检测器研究的共同方向均朝着灵敏度高、重现性好、响应快、线性范围宽、适应范围广、对流动相流量和温度波动不敏感、死体积小等特性。
表8-3检测器的主要性能
性能/检测器
紫外
荧光
折光
安培
电导
测量参数
吸光度
荧光强度
折射率
电流
电导率
类型
选择性
通用
池体积
1～10
3～20
3～10
﹤1
1
噪声/测量参数单位
10-4
10-3
10-7
10-9
最小检测浓度/g/mL
10-10
10-11
10-12
103
线性范围
104
105
温度影响
小
大
流速影响
无
有
可否用于梯度洗脱
能
不能
对样品有无破性
（三）紫外检测器（UVD）
1.工作原理与结构
紫外-可见光检测器（UVD）又称紫外检测器。
约有80％的样品可以使用这种检测器，是HPLC中应用最广泛的检测器。
它可分为固定波长、可变波长和二极管阵列检测器三种类型。
固定波长紫外检测器常采用汞灯的254nm或280nm谱线，许多有机官能团可吸收这些波长。
可变波长紫外检测器实际上是紫外可见分光光度计作检测器。
它既可测紫外区（190～350nm）的光吸收变化，也可向可见光区（350～700nm）延伸。
紫外检测器由光源、流通池和记录器组成，其工作原理是进入检测器的组分对特定波长的紫外光能产生选择性吸收，其吸收度与浓度的关系符合光吸收定律。
光学系统如图8-16，由光源产生波长连续可调的紫外光或可见光，经过透镜和遮光板变成两束平行光，无样品通过时，参比池和样品池通过的光强度相等，光电管输出相同，无信号产生；
有样品通过时，由于样品对光的吸收，参比池和样品池通过的光强度不相等，有信号产生。
根据朗伯—比尔定律，样品浓度越大，产生的信号越大，紫外检测器灵敏度高，检测下限约为10-10g／mL；
而且线性范围广，对温度和流速不敏感，可用于梯度洗脱;
不破坏样品，可用于制备。
紫外检测器缺点是只对具有π--π或P---π共轭结构的化合物才能检测。
流动相的选择有一定限制。
图8-16紫外检测器的光学系统
2.特点
UVD广泛应用源于以下的特点:
（1）灵敏度高；
噪声低，可降至10-4。
最小检测浓度达10-10g/mL。
最小检测量达10-12g数量级。
线性范围宽，应用广泛。
（2）对流动相基本无响应，属溶质性能检测器。
受操作条件变化和外界影响很小，一般对流速和温度不太敏感，适用于梯度洗脱。
（3）属选择性检测器，对无紫外吸收的物质如饱和烃及有关衍生物无响应。
（4）需选用无紫外吸收持性的溶剂作流动相。
（5）属浓度敏感型检测器。
（6）属非破坏性检测器，可要用于制备色谱，也能与其它检测器串联使用。
（7）结构简单，维修方便。
3.光电二极管阵列吸光度检测器（photodiodearraydetector；
PDAD）
1982年惠普公司推出世界上首台光电二极管阵列检测器以来，HPLC获得许多重大发展，一次进样可得到更多信息，数据处理更快。
光电二极管阵列检测器有1024个二极管阵列，是同时可以得到吸光度、波长、时间——这样三维光谱-色谱图情报的检测器。
能以实际的时间瞬时测定在所有波长上的吸光度，可得到立体的光谱-色谱图（见图8-17）。
为分析工作者提供了十分丰富的定性定量信息。
二极管阵列检测器的特殊功能在许多领域中发挥了重要作用。
（1）在药物学和毒物学中的应用
生物体内的毒品药物代谢产物的研究鉴定是个难题，尤其是浓度低及复杂生物基体组成变化时，识别更困难。
药物代谢光谱往往与原药物相似。
用二极管阵列检测器，可以将每个色谱峰的光谱图与原药物光谱图进行比较来确认原药代谢物色谱峰。
（2）在生物科学中的应用
肽和蛋白质的制备过程中，必须控制最终产品的纯度。
高效液相色谱法可分离出肽和蛋白质中的杂质。
由于肽和蛋白质的光谱差异性很小，用普通紫外检测器不能检测出肽和蛋白质中的杂质，只有利用极管阵列检测器提供的高重现性光谱才能准确测定。
（3）在环境科学中的应用
饮用水中农药污物的标准分析方法是GC-MS联用法。
但对不稳定化合物，HPLC是一种理想方法。
利用二极管阵列检测器结合自动谱图检索，成功分析了饮用水中的苯脲类除草剂、三嗪类农药及甲氨酸脂。
有文献报导在河水检测中，利用固相萃取-液相色谱-二极管阵列检测器建立自动报警系统：
该系统利用聚合物固相萃取装置和二极管阵列检测器，在50～60min内可分析100mL河水中100～150种有机微量污物。
（文献：
WilsonI.D.andBrinkmanU.A.Th,J.Chrmatogr.A,203,1000:
325～356）
图8-17立体的光谱-色谱图
（四）示差折光检测器（differentialrefractiveindexdetector）
示差折光检测器是除紫外检测器之外应用最多的检测器。
1.工作原理
示差折光检测器是通过连续测定色谱柱流出液折光率的变化来检测样品浓度的。
就是检测参比池（流动相本身）和样品池中流动相之间的折光率差值。
差值与浓度呈正比。
见图8-15和图8-16，当参比池与测量池充满流动相时，它们的折光率相等，此时，光强相抵消，当测量池有组分时，因折光率与流动相不同，则折光发生一个距离的偏转，偏转程度与组分的性质、浓度有关。
图8-15示差折光检测器原理
图8-16示差折光检测器
图8-17偏转式差示折光检测器光路图
2．特点
示差折光检测器的优点是通用性强，操作简便；
缺点是灵敏度低，对温度变化敏感。
此外，由于洗脱液组成的变化会使折射率变化很大，因此，这种检测器也不适用于梯度洗脱。
（1）示差折光检测器属于总体性能检测器，是根据不同物质具有不同折射率来进行组分检测的。
凡是具有与流动相折射率不同的组分，均可以使用这种检测器。
如果流动相选择适当，可以检测所有的样品组分，因此是一种通用型检测器。
它对没有紫外吸收的物质，如高分子化合物、糖类、脂肪烷烃等都能检测。
示差折光检测器还适用于流动相紫外吸收本底大，不适合用紫外检测器的体系。
在凝胶色谱中示差折光检测器是
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