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检测器


抖化学 / 2022-10-15

    液相色谱仪上的另一重要装置是检测器。生产一个合用的联机检测器,对于LC的近期发展是很重要的。最初有两种类型填补了这一需要一早期用于凝胶渗透色谱(GPC)的折光指数(RI)检测器,及Kinklandr0)1969年描述过的紫外( UV )检测器。从那时以来,曾经描述了大量用于LC的检测器,其申很多只有极专一的用途。以下将先讨论与检测器性能有关的各种参数。

检测器参教
   任何检测系统的根本特性是在仪器噪声的背景上产生可辨认信号的溶质最低浓度。因此,一个好的检测器既具有高的响应值,同时又有低的噪声水平。就象在描述理想的LC时指出过的,理想是难于实现的,但使用UV和荧光检测器,共灵敏度可达到1/10*。也必须了解检测器的漂移特性,虽然漂 移经常是由于温魔或色谱条件变化引起的,很少是由于检测器的设计不良所引起。检测器的绝对灵敏度通常定义为产生两倍于噪声水平信号的溶质浓度。这与柱顶端样品浓度之间的关系因子约为0.1,因为当样品被冲洗通过柱子时至少稀释10倍。这一参数称为相对灵敏度(或检出限),取决于所用的柱子。值得注意的是当塔板高度从0.5毫米减少到0.05毫米时,导致灵敏度增大三倍。
   噪声可分为三种类型。高频噪声通常由流动池中的气泡或电子效应所引起,短周期噪声和漂移则经常是由于变化的色谱条件。
因此,由于梯度洗脱系统混合不完全所引起溶剂组成的短周期变化,可导致检测器输出信号中有正弦波型噪声。如果种溶剂在UV中有轻微的吸收,另- 种不吸收(例如乙酸乙酯和己规),这种现象就可能十分严重。漂移(或长周期噪声)常由温度成溶剂变化所引起,因此可用恒温及更好地控制溶剂的流动与组成而减轻。电子设备失灵也能引起漂移和短周期噪声,但正确的设计应能使这些减至最小值。
   检测器的线性很是重要,尤其在进行定量工作时更是如此。常见的线性动态范围为10'的数量级,这虽还不能和许多GC检测器比较,但通常已经够用。
   关于LC检测器的最后一点考虑,是它所引起的谱带扩展,这点与GC无关。这一扩展是检测器池及连统部分体积的函数,在后面一节中还要详细讨论。最后一点也许太明显了,但还应说的是检测器对于预期中工作的适用性。因此,买个UV检测器用于研究蔗糖或甘油酯是很不合适的,同样地,想把折光率检测器用于痕量分析也是无效的。所以在选择LC检测器时必须注意:适用性、灵敏度以及稳定性。
   检测器常被分为两种类型一整体性能检测器和溶质性能检测器。,整体性能检测器以折光事监控器为代表,是将流动相的一种性能与含有其它物质的流动相的同一性能进行比较。由于这一原因,整体性能检测器虽然是通用性的,但相对地不灵敏,并要求有好的温度控制。另一方面,溶质性能检测器只测量溶质的性能,例如UV检测,这种检测器的灵敏度一般较高,也不必有好的温度控制。但这类检测器不是通用的,↓而整体性能检测器则对所有的溶质都产生响应。一般说来,整体性能检测器的最大灵敏度约为1/10³,即几个微克,溶质性能检测器大致灵敏1000倍,对几纤克的样品产生可检出的信号。
紫外检测器
   紫外(UV)检测器是目前LC中使用最广泛的检测器。因为它们具有高灵敏度和低噪声的特性。但只限于吸收UV辐射的溶质。早期的检测器为单波长或双波长(254和(或)280纤米),但最近Du Pont 830型仪器已引用了多段波长光度计,各制造现在也提供可变波长检测器,量程包括210~800纤米范围( CecilInstruments, Varian, Siemens, Waters )。因为UV检测器是溶质性能检测器,对温度变化和流速相对地不敏感(详见下节),因而对梯度洗脱是理想的。UV检测器的另一适应性是在某些可变波长的仪器上,可于停流之后对一个峰进行扫描,从而
得到这个峰组分的UV光谱。
   由此可知,为什么UV检测器是目前LC中应用最广泛的检测器。液相色谱工作者感兴趣的许多化合物都有UV吸收,加上它的高灵敏度,使UV检测器适用范围很广。
折光率检测器
   这是最广泛使用的整体性能检测器。基于测量流出液相对于纯馆剂的折光指数变化,在第一个专门设计的紫外光度计产生之前,已经有了市售的商品折光率(RI)检测器。这是因为凝胶渗透色谱仪上广泛使用折光率(RI)监控器的缘故。凝胶渗透色情法的独特之处是洗脱液体积不会超过柱的总溶剂体积(除非存在有吸附效应)。这又意味着样品的稀释度最小,一般不要求高的检测灵敏度。
   因此市场上有折光率监控器出售,而且许多最初的仪器就装备了这种检测器。但作为一个普遍使用的LC检测器,它的局限性是:灵锨度低;对梯度洗脱缺乏适应能力;需要严格的温度控制:最好的RI监控器可分辨到10~-RI单位,但因溶质与溶剂平为只相差0.1RI单位,所以总的灵敏度约为1/10³。为了在此水平上保持稳定,温度控制必须优于士0.001C。 为实现这一温度控制,需使用高效率热交换系统,这又使检测器的总体积增大,从而更加使溶质的谱带增宽。尽管存在着这些限制,但RI监控器仍在例行工作中广泛使用,特别是在GPC中,这些工作既不要求高的灵敏度,也无须梯度洗脱。此外也广泛用于制备分离。
   实际上有两类RI监控器可供应用。一类是偏转型的(例如Waters Associates 的产品),它测量单色光光束在双棱镜上的偏转度,洗脱液通过棱镜的一半,另一半则充满了纯溶剂。这基较易使用的一种,但池体积较大。另一类型以Fresnel原理为基础,当液体RI改变时,测量玻璃-液体界面上反射光的百分变化申。这种监控器的流动池比偏转型要小(~3微升),更适用中高效柱:为了能灵敏地运转,池窗必须保持非常清洁,并需要用两个池以包括RI值的整个量程。此外也仍然存在RI监控器所固有的灵敏度不高的缺点(见附录I )。
移动丝检测器
   这种检测器是在1960年代后期设计的,首先是作为通用的柱监控器,与RI检测器相反、不受温度和梯度洗脱的影响而设计的。
   现在市售的仅有一种(Pye LCM2),主要因为灵敏度并不比RI检测器高,而且体积笨重,使用不便。许多评论者认为,虽然当前还不够灵敏,但这一系统对通用的灵敏检测器提供了最大的希望,但是迄今尚未发表过必要的改进意见。
   在这一体系中,当洗脱液流出柱子时,- .条钢丝(某些早期的型式中是链或带子)被牵引穿过流出液,在此过程中钢丝接收了流出液的样品,然后钢丝通过一个小烘箱, 流动相在此挥发掉,再经过较大的高温烘箱,留在钢丝上的全部溶质在此发生热解或氧化。Pye公司早期的仪器使用GC检测器(火焰离子化或氢离子化检测器)来检测热解产物。目前的型号[则将溶 质氧化并使CO2转化成CH,再用火焰离子化检测器进行测定。虽然最后一步使用了很灵敏的检测器,但由于钢丝的机械传输系统固有的噪声,也由于钢丝对流出液的百分接收率低下,所以总的灵敏度又降低到大约1/10³³。
   曾对本系统进行了改革,主要是用质谱计作为最后的检测器,但一般说来灵敏度并无明显提高。改进的主要方向可能是将全部流出液带到系统中,但溶剂蒸发产生的巨大体积很可能带来不利之处。厚的或多孔的移动丝增大流出液的百分接收率,但由于机械移动以及在高温炉中不完全或不稳定的氧化作用,可能引起更大的噪声。
其它溶质性能检测器
   现有多种基于溶质特殊性能的其它检测器,但当前仅有两种随商品液相色讲仪供应。这两种是荧光和电导事检测器。荧光光度计是由Du Pont 和LDC公司提供的,电导串检测器则由He-wlett-Packard和Spectra Physics ( Chromatronix )公司提供。荧光检测器「非常灵敏,但是专用性的,电导 检测器也是专用性的,灵敏度较低,而且限于水溶剂系统。其它检测器是以极谱法、放射性以及红外辐射吸收为基础的。各自有其缺点,但对于特殊的体系, Koen等[10]描述的极谱检测器是很 灵敏的,放射性检测器在改进之后也应很灵敏,虽然其用途极为专红外检测器可用于GPC,但也仅限于LC的这一方式,因为除了在非常有利的情况之外,它不及RI监控器灵敏。
其它整体性能检测器
   应该提到两种检测器。它们基于测量流出液的介电常数和密度。对大多数化合物灵敏度不高,用途不大。
其它检测器
   还有一、二种检测系统不属于上述两类范畴。第一种类型可能非常有用,即反应检测器。茚三酮体系对于氨基酸分析是众所周知的。在理论E可能设想许多类似的用于化合物的特异基团体系。近来对其中某些体系作了描述。它们包括由C. D. Scott及共同事们111所设计和制作的用于蔗糖检测的体系,以及Stahl第1121制作的使用指示剂的简单酸类体系。这些检测器的原理很简M。将适当的试剂与流出液混合,在组分流出时就发生快速反应,从而产生出易于检测的品种。使用光度计测定,如氨基酸分析仪及Stahl设计的装置,最为方便。这样做并不困难,但关键在于适当的快速反应试剂。虽然如此,其中仍有不少试剂是有很大潜力的。
   另一种检测器的某种型式实际可归入整体性能检测器,就是区应热检测器[13]。文献充分报导的唯一型式是吸附热检测器,早期由Varian公司出售,现在已停止了。其工作原理为当溶质通过吸附剂床时该装置测量其产生的吸附热。它需要良好的温度控制,并给出差示型的响应,因为此装置既测量吸附热,同时也测量解吸热。与前述的反应检测器非常类似,属于同一内容的另形式是应用种合适的试剂,当溶质流出时与之混合,测量其其应热。这种体系可以避免吸附热检测器的差示响应,但仍需细心地使用恒温反应器。它也需要。系列适当的试剂,以便与各种类型的化合物产生快速的放热反应。因此,它与反应热检测器有相同的缺点,需要严格地控制反应器的温度。
  至此,已讨论了大部分文献中叙述的和市售的检测器。共中许多仍属于实验性仪器,实际仅有不多几种已用作液相色谱仪的整机部件。通常各个仪器都采用的主要检测器是UV光度计,它们有单或双的固定波长,以及多段波长或可变波长。RI 监控器总是第二个提供选择的对象,然后根据各个制造厂厂商再供应荧光,移动丝或电导率检测器。其它类型的检测器往往由使用者按要求自己制做。极谱检测器是代表性的例子,因为采用Huber的设计可以用很少的钱制成一个测定池。反应检测器也是由各人独立地发展起来的,通常用于专门的分离,而总的说来是“自己制造”的。
  关于通用检测器的发展,即使只具有适当的灵敏度,迄今也还没有可能。有些体系似乎很有希望,尤共如移动丝和反应检测器,但仍须克服很多困难。无疑将会开辟出新的途径,以试制一种理想的通用检测器。采用改装的质谱仪作为通用液相色谱检测器的吸引力相当强
烈。不少研究组曾试图制作一个 能够工作的体系,当前有许多努力正是朝着这个方向的[14~17]。主要的问题是关于导入系统以及对大量流动相的处置,但根据Scott[15]和Horning等[16]最近的文章判断,工作已经获得进展。
   目前对检测器的选择甚为简单。大多数UV和RI检测器的规格很相似,选择时常常根据其可应用性、简单性及可靠性而定。各仪器的区别,在于流动池的设计不同。有关这点及 柱与检测器之间的连结问题,将在下节中详细讨论。

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