分析方法开发—检测器选择

2024-07-01 12:32:02, 基泰生物上海基泰生物科技有限公司

简介

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以下文章内容来源于药事纵横：

一、UV-可见光检测器

1.1、检测原理

分子的紫外可见吸收光谱是由分子中的某些基团（价电子，共轭体系）吸收了紫外可见辐射光后，发生了电子能级跃迁而产生的吸收光谱，可反映分子中某些官能团的信息，基于朗伯比尔定律，可对溶液中溶质进行定量分析。

1.2、检测器分类及示意图1.2.1、固定波长检测器

主要优势为造价较低并且结构简单，在教育领域或预算有限环境应用比较广泛。

来源于低压汞灯的波长为254nm的紫外线经过一个带通滤光片和分光器，照射在流通池的入口。光穿过流通池，撞击在光检测器上（通常是一个光电池），随后转变成电子信号。

1.2.2、可变波长检测器

该类检测器应用最广泛，由光谱UV灯（通常为氘灯）发出的光束，定向通过狭缝，进入光栅。透过光经光栅表面色散并转换为单一波长的光，随后通过狭缝和检测器的流通池，最后到达检测器，光路图如下：

可变波长检测器，可满足不同检测波长的需求。

1.2.3、二极管阵列检测器

二极管阵列检测器示意图（DAD，也叫光电二极管阵列，PDA），其示意图如下：

二甲管阵列检测器的光学路径与可变波长检测器相似，唯一的不同是由光源灯发射的白炽光在撞击衍射光栅之前先通过流通池。这使得光栅可以将光谱发散到光电二极管阵列上。

1.3、适用范围

适用于具有共轭结构的化合物，定性方面不仅可以鉴别具有不同官能团和化学结构的不同化合物，而且可以鉴别结构相似的不同化合物；在定量方面，不仅可以进行单一组分的测定，而且可以对多种混合组分不经分离进行同时测定。通常我们采用DAD检测器进行峰光谱纯度的判定，就是基于其鉴别特性。

二、荧光检测器

2.1、检测原理

物质分子接受光子能量而被激发，然后从激发态的最低震动能级返回基态时发射出的光称为荧光，能够发射荧光的物质应同时具备两个条件1、物质分子必须有强的紫外-可见吸收。2、物质分子必须有一定的荧光效率。基于斯托克斯位移，荧光发射波长总是大于激发光波长。影响荧光强度的外界因素1、温度，随着温度的升高，溶液中荧光物质的荧光效率和荧光强度将降低，这主要是因为温度升高，分析运动速度加快，分子间碰撞几率增加，使无辐射的跃迁增加，从而降低了荧光效率。2、溶剂，同一物质在不同的溶剂中，其荧光光谱的性状和强度都有差别，一般情况下，荧光波长随着溶剂极性的增加而长移，荧光强度也增强。同紫外吸收，在极性溶液中，π-π*跃迁的能量差小，从而使紫外吸收波长和荧光波长均长移。此外跃迁几率也增加，故强度增加。3、酸度当荧光物质本身是弱酸或弱碱时，溶液的酸度对其荧光强度有较大影响，这主要是因为在不同酸度中分子和离子间的平衡改变，因此荧光强度也有差异。

2.2 检测器的示意图

荧光检测器的结构原理图如下，常用的光源为紫外灯，激发波长通过滤光片或单色器照射到样品，样品发射银荧光时，经由滤光片或单色器分光，然后进入光电池。

通常荧光检测器的灵敏度比紫外吸光度高100倍，对于某些具有基因毒警示结构杂质的检测，建议优先考虑荧光检测器。

2.3、适用范围

适用于具有荧光响应的痕量化合物的检测，如基因毒警示结构杂质等，使用过程中应关注检测的精密度及物质的残留情况。

三、示差折光检测器

3.1 检测原理

示差折光检测器属于通用型检测器，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。该类检测器在使用前通常需要较长的时间来平衡系统。

3.2 检测器示意图

来自灯源（钨灯）的光导入流通池，其中一个流通池用作参比池，一般含有静态的流动相。样品溶液通过样品池时，其溶液的折光率会发生变化，由一对光电二极管测定并转化成电信号输出。

该类检测器对色谱系统的稳定性要求较高，使用过程中应注意。

3.3 适用范围

该类检测器最常用的溶剂为水，适用于没有紫外吸收的物质，如高分子、糖类、脂肪烷烃等的检测。还适用于流动相紫外吸收本底大，不适用于紫外吸收检测的体系。使用时差折光检测器时，流动相组分应恒定，不适用于梯度洗脱。温度应恒定，关注周围环境温度对测定的影响。

四、蒸发光散射检测器（ELSD）

4.1、检测原理

其原理为首先将柱洗脱液雾化形成气溶胶，然后在加热的漂移管中将溶剂蒸发，最后余下的不挥发性溶质颗粒在光散射检测池中得到检测。

4.2、检测器示意图

ELSD工作原理为示意图，柱子洗脱液在氮气流或空气流中被雾化，然后在加热的通风管中蒸发，留下非挥发性的颗粒悬空在载气流中。颗粒造成的散射光被与入射光呈固定角度的光检测器检测。

ELSD对HPLC分析的大多数化合物都有响应，但是灵敏度会随着分析物的挥发性增加而减弱。检测器的响应与分析物的绝对质量有关，而与它的光学属性无关。

4.3、适用范围

蒸发光检测器属于通用型，主要是针对UV无吸收或吸收很小且与溶剂挥发性差异较大的样品的测试，主要用于检测糖类、高级脂肪酸等，散射光强度与组分的量有关，即信号相应值与物质质量的对数呈线性关系，常用外标两点法进行计算。

五、电晕放电检测器（CAD）

5.1 测定原理

基于雾化检测器的原理，洗脱液经雾化后形成颗粒，经过蒸发管干燥后与带电氮气碰撞，使得分析物颗粒表面带上正电荷，最后通过静电计测量分析物颗粒表面的电荷量。CAD的定量基础为峰面积与分析物颗粒表面所带电荷量相关，分析物颗粒表面电荷量与分析物质量相关。

5.2 检测器示意图

示意图如下，柱子的洗脱液被雾化，流动相也被蒸发，类似于ELSD或MS检测器，气化的分析物与氮气流混合（氮气流已被电晕针放电装置带上了正电荷），电荷随之转移到分析物颗粒上，为了提高信号的质量，流动相中较大的物质在离子阱中被除去。剩余的带电分析物离子被静电检测器检测到。

CAD对挥发性比流动相小的化合物都有足够的灵敏度，流动相中不能含有不挥发性的盐类。

5.3适用范围

适用于紫外吸收较弱或无紫外吸收杂质的检测，可作为RI或ELSD代替的检测器测定糖类或其它碳水化合物。

六、有机化合物质谱检测器（MS）

6.1、测定原理

首先将样品中的分析物电离，不同质量离子在电场或磁场中，将按其质量和所带的电荷比（质荷比，m/z）进行的分离和排序，根据质荷比的大小和相对强度形成规则的质谱，从而对物质进行结构鉴别和定量分析。

6.2、常见的电离方式

6.2.1、电子电离（EI）

电子电离（EI，前身为电子撞击）是一种离子化方法，其中，高能电子与气体相的原子或分子以产生相互作用的离子。这种技术被广泛用于质谱分析，特别是对于气体和挥发性有机分子。其示意图如下：

GC-MS联用仪中都有这种离子源.其优点是工作稳定可靠，结构信息丰富，有标准质谱数据库可以检索，缺点是只适用于易汽化的有机物样品分析并且对有些化合物得不到分子离子。

6.2.2、电喷雾电离（ESI）

样品溶液通过雾化器进入喷雾室，由于雾化气体强的剪切力及喷雾室上筛网电极与端板上的强电压( 2~6 kV) ，将样品溶液拉出，并将其碎裂成小液滴。随着小液滴的分散，由于静电引力的作用，一种极性的离子倾向于移到液滴表面，结果样品被载运并分散成带电荷的更微小液滴。

电喷雾离子源属于液相离子化，通常与HPLC联用，极性化合物和生物大分子的定性、定量研究。

6.2.2、大气压化学电离（APCI）

溶剂和样品流过进样器，在进样器内有一加热器使溶剂和样品加热汽化，从进样器出口喷出，在进样器出口处有一电针，通过电针电晕放电，使溶剂离子化，溶剂离子再与样品分子发生分子一离子反应，使样品离子化。

大气压化学电离属于气相离子化，常与HPLC联用，作为ESI的补充，用于非极性，小分子化合物且具有一定挥发性。

6.3、质量分析器

质量分析器将带电离子根据其质荷比加以分离，用于纪录各种离子的质量数和丰度。质量分析器的两个主要技术参数是所能测定的质荷比的范围（质量范围）和分辨率。

6.3.1、单四级杆

单四级杆小巧，日常使用首选，定性和定量俱佳，扫描范围虽然不能很宽，但是中小分子都没问题的，其示意图如下：

目前作为液相色谱的检测器使用，可用于基因毒警示结构等痕量杂质的检测。

6.3.2、三重四级杆

Q1可以筛选母离子，Q2通过碰撞碎裂打碎离子，形成碎片离子峰，Q3筛选子离子，定量子离子的碎片强度

该质量分析器既可用于定性研究又可用于定量研究，其中多反应检测（MRM）假阳性较少，定量准确，常用与血液样品的检测。

单四级杆与三重四级杆对比：

类别

单四级杆

三重四级杆

原因定性一般高

可以进行碎片二次裂解，辅助定性

定量一般高

可通过母离子扫描，降级基质效应

灵敏度

较低高

仅适用于SIM模式定量，存在假阳性风险

样品要求

基质干扰少，较纯样品

适用复杂样品

可通过MRM模式，降低基质干扰

使用操作

简单

较复杂

Waters公司的ACQUITY QDA属于单四级杆检测器，操作简单，与光学检测器差异不大。

价格较低高/

6.3.2、离子阱

离子阱由一对环形电极（ring electrod）和两个呈双曲面形的端盖电极（end cap electrode）组成。在环形电极上加射频电压或再加直流电压，上下两个端盖电极接地。逐渐增大射频电压的最高值，离子进入不稳定区，由端盖极上的小孔排出。

当射频电压的最高值逐渐增高时，质荷比从小到大的离子逐次排除并被记录而获得质谱图。离子阱质谱可以很方便地进行多级质谱分析，对于物质结构的鉴定非常有用。

6.3.3、飞行时间（TOF）

TOF的原理是离子在电场作用下加速飞过飞行管道，根据到达检测器的飞行时间不同而被检测即测定离子的质荷比（M/Z）与离子的飞行时间成正比，检测离子。

高分辨或近高分辨定性分析首选。

6.4、质谱检测器

质谱检测器有很多种，如微通道板检测器、电子倍增管、离子计数器、感应电荷检测器、法拉第收集器等，本节对微通道板检测器及电子倍增管检测器进行概述。

微通道板（Microchannel Plate，MCP）是一种大面阵的高空间分辨的电子倍增探测器，并具备非常高的时间分辨率，工作原理与光电倍增管相似。其原理为在微通道板的每个通道的内壁上都涂有一种能发射次级电子的半导体材料，当给微通道板加了一定电压后，就会在每个通道中产生一个均匀的电场。这个电场是轴向的。所以能使进入电场的低能电子（光子或电子）与壁碰撞的时候能产生次级电子，并且在轴向电场的作用下次级电子被加速，这样次级电子碰到壁上又会产生更多的新的次级电子。示意图如下：

电子倍增管检测器在质谱检测中最为常用。工作原理为高速的带电粒子，如电子和离子撞击侦测器表面时，可产生二次电子；再透过适当的形状与电场的安排，产生一连串的二次电子来倍增讯号，最后到达阳极。通常一个电子加速撞极侦测器表面可以产生一到三个二次电子，多次撞击使得电子数目倍增，其灵敏度相当高，可以用来侦测粒子的数目。示意图如下：

电子倍增管被广泛的运用在各种质谱仪里，以其高灵敏度广泛别应用。

6.5、质谱的应用范围

质谱分析具有灵敏度高，样品用量少，分析速度快，分离和鉴定同时进行等优点，广泛应用于医药、化工领域。随着药物杂质谱研究的深入，如基因毒警示结构杂质的检测等，使质谱在定量方面的应用更为广泛。

七、元素杂质检测器

7.1、原子吸收光谱（AAS）

原子吸收光谱仪又称原子吸收分光光度计，根据物质基态原子蒸汽对特征辐射吸收的作用来进行金属元素分析。它能够灵敏可靠地测定微量或痕量元素。

原子吸收分光光度计一般由四大部分组成，即光源(单色锐线辐射源)、试样原子化器、单色仪和数据处理系统(包括光电转换器及相应的检测装置)。

原子化器主要有两大类，即火焰原子化器(F)和电热原子化器（GF）。火焰有多种火焰，目前普遍应用的是空气-乙炔火焰。电热原子化器普遍应用的是石墨炉原子化器，因而原子吸收分光光度计，就有火焰原子吸收分光光度计和带石墨炉的原子吸收分光光度计。前者原子化的温度在2100℃-2400℃ 之间，后者在2900℃-3000℃ 之间。

比较

火焰原子化器（F）

电热原子化器（GF）

理由

原子化器

喷雾器、预混合室、燃烧器

石墨管壁、石墨平台、碳棒盛样小孔或石墨干锅

灵敏度

一般高

因气态分析物原子在石墨炉中平均停留时间比在火焰中约长100～1000倍，原子化的效率高

离子化效率

一般高

石墨管的体积小，可以保证有大量的游离原子处在光路上，因此，其原子化效率可以高达90%左右，但火焰只有10%-15%的原子化效率

温度

2100℃-2400℃

2900℃-3000℃

/样品

大部分元素

用量少，难溶性元素

分光光度计示意图如下：

7.2、电感耦和等离子体光学发射光谱(ICP-OES)

电感耦合等离子体焰矩温度可达6000~8000K，当将试样由进样器引入雾化器，并被氩载气带入焰矩时，则试样中组分被原子化、电离、激发，以光的形式发射出能量。不同元素的原子在激发或电离后回到基态时，发射不同波长的特征光谱，故根据特征光的波长可进行定性分析;元素的含量不同时，发射特征光的强弱也不同，据此可进行定量分析。

原子光谱属于价电子能级跃迁，范围主要覆盖真空紫外到亚近红外，这个范围内的光信号可以用光学部件，如透镜、反射镜处理，故称光学光谱。

7.3、电感耦和等离子体质谱(ICP-MS)

ICP-MS所用电离源是感应耦合等离子体(ICP)，它与原子发射光谱仪所用的ICP是一样的。ICP所产生的离子，进入质谱质量分析器及检测器进行定量测定。

ICP-MS主要用于液体试样（包括经化学或物理的方法处理能转变成溶液的固体试样）中金属元素和部分非金属元素的定量分析。

7.4、比较

AAS是原子吸收光谱，利用原子光谱中单色光照射，所以只能检测一种元素的含量，不过检测限比较低而且重现性比较好。ICP-AES是原子发射光谱，检测原子光谱中的多条谱线。检测限也比较低，而且多通道的可以同时检测多种原子和离子。ICP-MS是ICP质谱联用，利用质谱检测同位素含量来检测元素的含量。检测限最低，效果最理性。

方法类别

ICP-MS

ICP-AES

GF-AAS

F-AAS

适用范围

绝大部分元素，非常好

绝大部分元素，较好

部分元素，非常好

部分元素，较好

干扰情况

光谱干扰

少多少很少

化学基质

中等

几乎没有

多多

电离干扰

很少很少很少部分

质量效应

存在

不存在

同位素干扰

有无无无

样品用量

少较多很少多

同位素分析

能不能不能不能

运行费用

高中上中等低

八、气相检测器

ECD、NPD、FID为气相常用的检测器，属于有一定选择性的检测器，仅对某类特征化合物有响应，可以排除样品中其他组分干扰，从而可简化复杂样品的前处理，降低对色谱柱分离能力的要求。

8.1、电子捕获检测器（ECD）8.1.1、原理

工作原理是色谱柱流出载气及吹扫气进入ECD池，在放射源放出β-射线轰击下被电离，产生大量电子；在电源、阴极和阳极电场作用下，该电子流向阳极，得到10-9-10-8A的基流；当电负性组分从柱后进入检测器时，即俘获池内电子，使基流下降，产生一负峰；通过放大器放大，在记录器记录，即为响应信号。其大小与进入池中组分量成正比。负峰不便观察和处理，通过极性转换即为正峰。

8.1.2、检测器示意图

电子捕获检测器的结构应满足气密性好（防止β辐射线逸出）、绝缘性高（正、负电极间绝缘电阻要高）、死体积小（响应时间快）、便于拆卸（利于清洗放射源）的要求。常用的电极结构为平行板式（施加恒定直流电压）或圆筒状同轴电极式（施加脉冲直流电压），示意图如下：

电子捕获检测器是具有高灵敏度的选择性检测器，其对操作条件的要求也较苛刻。

载气纯度及流速：电子捕获检测器常用超纯氮气或氩气为载气，若载气纯度低，其含有的电负性物质（氧、水等），就会使基流大大降低，从而降低了测定的灵敏度。为保证高的基流，载气流速约为50～100毫升/分。而在气相色谱分析时为保证高柱效常在低流速（30～60毫升/分）下进行样品分析，因此，为保证高的基流，常需在色谱柱后通入“补加气”。

进样量：电子捕获检测器是依据基流减小获得检测信号。为获得高分离度，进样量必须选择适当，通常希望产生的峰高不超过基流的30%，当样品浓度大时，应适当稀释后再进样。

检测器的烘烤时间：基流是影响电子捕获检测器灵敏度的重要因素，当色谱柱未老化好而有低沸物流出或固定液流出时，都会使检测器被沾污而降低基流。为确保基流不变，在使用之前，应在一定柱温和检测器温度下，长时间（12～24小时）通入高纯氮气烘烤检测器，烘烤温度应比使用的柱温高30～50℃。此外为了防止检测器被固定液流失沾污，应当使用耐高温固定液。

检测器的使用温度：由所用放射源的最高使用温度所限制，对氚－钛源应低于150℃，对氚－钪源应低于325℃，对镍源应低于400℃。

极化电压及电极间距离：电子捕获检测器中正、负电极间距离以4～10毫米为宜。对于直流供电和脉冲直流供电，其极化电压为5～60伏。当脉冲供电时，脉冲周期对基流大小和峰高响应影响很大，当脉冲周期增大时，基流减小、峰高响应增大。当脉冲周期减小时，基流增大，峰高响应减小，此时会扩大测量的线性范围。因此在测定中脉冲周期应仔细选择。

8.1.3、适用范围

ECD仅对那些能俘获电子的化合物（含电负性元素）有响应，如卤代烃、含N、O和S等杂原子的化合物，但线性范围较窄。

8.2、氮磷检测器（NPD）8.2.1、测定原理

氮磷检测器（NPD）是一种质量型检测器。NPD工作原理是将一种涂有碱金属盐如Na2SiO3、Rb2SiO3类化合物的陶瓷珠，放置在燃烧的氢火焰和收集极之间，当试样蒸气和氢气流通过碱金属盐表面时，含氮、磷的化合物便会从被还原的碱金属蒸气上获得电子，失去电子的碱金属形成盐再沉积到陶瓷珠的表面上，从而获得信号响应。

8.2.2、检测器示意图

NPD检测器结构上与FID基本相同，差别在于将FID检测器的点火极改为铷珠。当样品进入离子室时，在极化电压作用下产生离子信号输出。

NPD检测器的使用过程也是铷珠不断损耗的过程，其电源控制器是一个独立于气相色谱仪的箱体。

8.2.3、适用范围

NPD对氮、磷化合物有较高的响应，灵敏度极高，可以检测到5×10-13g/s偶氮苯类含氮化合物，2.5×10-13g/s的含磷化合物，如有机磷及氨基甲酸酯类农药等。

8.3、火焰离子化检测器（FID）8.3.1测定原理

火焰离子化检测器（FID）由Harley和Pretorious发明，演化自Scott发明的燃烧热检测仪（Heat of Combustion Detector）。FID工作原理是以氢气作为燃烧气，和空气在一个圆筒状的电极里的喷嘴处燃烧，燃烧的火焰作为能源，其中氦气、氮气等载气作为洗脱剂，在极化极和收集极之间外加的高电压电场作用下，利用含碳有机物在火焰中燃烧产生离子，使离子形成离子流，收集起来产生电流，根据离子流产生的电信号强度，放大并传送到记录仪或电脑数据采集系统的A/D转换器处，从而检测被色谱柱分离出的组分。影响该类型检测器响应的化合物本身因素：

对烃类化合物而言，在火焰内燃烧的碳氮化合物中的每一个碳原子均定向转化成最基本的、共同的响应单位--甲烷，再经过下面的反应过程与空气中氧反应生成CHO+正离子和电子。＋O→CHO+＋e- ，同类化合物的响应值都很接近，一般不用校正因子就可以直接定量。

对非烃类化合物，其响应机理比较复杂，随所含官能团的不同而异，基本规律是不与杂原子相连的碳原子均转化成甲烷。杂原子及其相连的碳原子（C杂）的转化产物见下表

化合物

碳原子贡献单元

杂原子转化产物

醇、醛、酮、酯

CH4

CO胺

CH4

HCN

卤化物

CH4

由于杂原子可能进一步与C转生成氢火焰检测器不响应的CO、HCN、HX等，因此按相对质量响应值计，这些化合物的响应值值比较低，不符合等碳响应规律。

8.3.2检测器示意图

FID检测器拥有两个电极，一个极化极，用来喷射燃烧火焰，另一个为收集极，在一定极化电压下用来收集火焰中的离子，载气携带有机化合物和可燃气体，由喷嘴喷出并进入火焰，化学电离产生的正负离子在极化电压形成的微电场定向作用下分别向相反极性的电极运动，收集极对微电流进行收集、输出，然后经高电阻放大获得可测的电信号。