液相色谱仪性能指标解析
张红燕 朱志华 马明远
随着最近几年我国以及世界各国对食品安全等方面要求越来越严格，越来越多的用户选择液相色谱仪作为常规的检测仪器。但是，液相色谱仪属于技术含量比较高的产品，用户很难对目前市场上所有产品都有较为深入的了解。在选购仪器时，往往不能客观的判断这些产品到底孰优孰劣，大都凭着感觉，或是听信销售商的推荐。因此购买的仪器往往达不到用户的要求，在使用过程中还会出现各种各样的问题。
就上述情况，我们谈一谈选择一台品质优良的液相色谱系统应该注意哪些方面。
一、仪器各器件加工精度
液相色谱仪是精密的分析仪器，从外形到内部的各个细节，都应该做工精良，控制面板字符清晰;功能键动作正确;旋钮转动顺滑;管接头螺纹加工精良，稍加力拧紧就密封良好;不锈钢材料与高性能树脂材料一定要能经受液相色谱常用液体的腐蚀。
有些挑剔的用户会提出打开仪器的机箱盖来看看，这是一个很好的主意。好的仪器不仅外观好，更能做到里外如一，内部机械零件与线路板的加工也非常精良。打开机箱盖，可以看到仪器各部件安排合理、井井有条，调试与维修调换都非常方便。劣质的仪器各部件安排混乱，走线像乱头发一把。检查仪器内部质量很能看出仪器制造厂的水平。
二、仪器的性能指标
以常用的配备了紫外检测器的液相系统为例，哪些性能指标比较重要呢?国家质量监督检验检疫总局于2002年批准了编号为JJG 705-2002的液相色谱仪检定规程。对用户考核仪器来说，这是非常权威并且有效的考核标准。根据这个规程，需要考虑的基本技术指标有：噪音、漂移、最小检测限、定性定量重复性、波长示值精度和线性范围等。另外，稳定时间和仪器的动态响应特性也是衡量仪器优劣的重要指标之一。
1.基线噪声
液相色谱仪的系统噪声主要是由检测器电子部件与光学部件产生的电子噪音、高压恒流泵的脉动和流动相中的杂质引起的干扰综合。噪声的大小直接关系到仪器的检测灵敏度，噪音越大，检测的灵敏度就越低。噪音过大将导致基线不稳，进而影响分析结果。
就目前国内外仪器的普遍水平来说，噪声指标达到1~2×10-5AU已经是相当优秀了。注意这里说指的噪声指标是动态噪音，也就是整个流路单元及检测单元都在工作时的噪声，能够最直接的反映仪器系统的噪声大小。还有一种噪声我们称之为静态噪声，是指由仪器的光学部件与电子部件所产生的噪声，仅仅说明了检测单元的噪声大小，并没有涉及到流路单元，而流路单元却恰恰是系统噪声的主要来源，在仪器的使用过程中是不可避免的。有些公司，包括一些进口品牌生产商在对外宣传时片面地强调空池噪声，而闭口不谈动态噪声，我们认为这是一种不科学的说法，试问，哪个用户在检测样品的时候不需要输液单元呢?动态噪声才是仪器所必需注重的指标，也是影响用户分析的重要因素。
2.漂移
是指仪器稳定后一段时间内基线漂离原点的距离。基线漂移影响色谱峰积分处理。漂移在仪器充分预热与色谱柱平衡后可以达到1×10-4AU/h以内。
3.最小检测浓度(最小检测限)
这是反映仪器灵敏度的重要参数，计算公式为：
CL=2×Nd×C/H
CL ：最小检测浓度; Nd：噪音; C：样品浓度; H：样品峰高。
由上式可见，最小检测浓度是和噪音成正比的，噪音越大，最小检测浓度就越大，灵敏度就越低。某些厂家回避了这个指标，说明他们不愿在最小检测浓度的基础上去比较噪音。一台好的仪器，最小检测浓度可以优于2×10-9g/mL(萘/甲醇溶液)。
说到这里我觉得有必要向广大用户再提一下第一点中的噪声指标和最小检测浓度、光程(光在流通池中走过的距离，可以简单理解为流通池的厚度)三者之间的关系。紫外检测器遵循的基本定律为朗博比尔定律：
A=log(I0/I)=εCL
A：吸光率;I0：参照池的光强;I：样品池的光强;ε：摩尔吸光系数;C：样品浓度;L：流通池的光程。
可以看出在同样的“C”样品浓度情况下，“L”流通池的光程越大,仪器的“A”吸光率也就越大。这样可以检测到的样品浓度就越小。然而流通池光程越大仪器的噪声也会随之增大，两者是互相矛盾的，需要系统设计时具有良好的技术理念，才能找到最佳平衡点。有些厂家为了追求较低的系统噪声和漂移数值，只能牺牲流通池光程，也就是牺牲了仪器的检测灵敏度和最小检测浓度，来达到降低噪声和漂移的目的。
4、定性、定量重复性
在液相色谱系统中，考核定性、定量重复性指标，实际上考核了高压恒流泵的压力脉动和流速稳定性、紫外检测器的噪音漂移、色谱工作站的数据采样精度和色谱峰的积分、峰顶峰谷判断、色谱柱的分离稳定性、流动相与标准样品的纯度、进样阀的精密度等诸多因素，所以是非常重要的考核指标。JJG 705-2002规程规定，定性重复性RSD6(RT)为1.5%，定量重复性RSD6(A)为3.0%。一台好的仪器(配上性能稳定的色谱柱)定性重复性RSD6(RT)与定量重复性RSD6(A)均可达到0.1%以内。其整个系统的重复性精度已经达到了采用标准信号源的模拟接口色谱工作站(数据处理机)的考核指标。
下图为我们做的6次重复性实验数据。
仪器：紫外检测器加高压恒流泵
色谱柱： C18 150mm
流动相：甲醇
样品：1×10-4g/mL萘/甲醇溶液
波长：254nm
流速：1mL/min
柱温：25℃
图1液相色谱仪重复性测试
由上图可以看出，Rt=3.785处的主峰，其定性重复性RSD6(RT)<0.01%;定量重复性RSD6(A)=0.09%。
5、波长示值精度
用户可以对有光谱扫描功能的仪器反复几次执行光谱扫描程序，观察氘灯的特征峰：486nm峰和656nm峰，其显示值与标准值误差应在±1nm之内。
6、仪器的动态响应特性
同一色谱柱，放在不同的仪器上，峰宽、峰高、峰型都可能不一样。计算出来的理论塔板数可能相差很大。作为仪器研制工作者，此项指标可以理解为检测器的动态响应特性，体现为检测器输出信号(电压或电流值)能真实、快速、无畸变地反映出色谱柱流向检测器流通池的液流浓度(吸光率)的变化。此项参数与检测器管路的死体积、流通池的体积、检测器信号采样放大电路的动态响应速度、色谱工作站的采样速率、模拟滤波和数值滤波参数均有关。考核液相色谱仪的动态响应水平，可以用一支150mm性能比较好的色谱柱(理论塔板数越高越好)用甲醇做流动相，1×10-7g/mL萘/甲醇做标样，检查检测器半峰宽能否达到3秒以内，峰型是否对称。
7、稳定时间
仪器的稳定时间要短。在色谱柱充分平衡的情况下(可以先开高压恒流泵，使色谱系统充分平衡)再开紫外检测器与工作站，好的仪器在10分钟左右即能稳定，并可进行分析工作。这对于降低流动相的消耗，提高仪器的使用效率是非常有利的。
三、高压恒流泵的选型
高压恒流泵分并联泵与串联泵。并联泵以美国Waters公司为代表，串联泵有很多生产厂家。并联泵采用左右独立的两个往复泵，两泵头交替工作，各承担1/2的输液量，达到平稳的输液功能。串联泵只有一个主泵头输液，副泵头只起到蓄液维持均衡压力的作用。由于并联泵多了2个单向阀，结构较为复杂，因此制造成本较高。但是其优点是密封圈与机械传动部分使用寿命可以比串联泵提高一倍。因此在价格差不多的情况下，挑选并联泵更有利于用户降低消耗品的费用。
四、工作站的选择——模拟接口工作站与数字接口工作站
目前常用的色谱数据处理工作站使用模拟接口，信号通过模拟信号传输，在传输过程中，信号容易受到干扰。
而数字接口工作站是以计算机为中心，仪器诸单元为外部设备的数字化控制、数值处理系统。其工作原理是将检测到的电压或电流量通过检测器内部的一次放大电路后立即转换成数字信号。数字信号在传输与运算处理过程中可以保证无损耗、无畸变。一般来说，对于液相色谱仪，模拟信号接口的色谱工作站要比数字信号工作站的噪音大3倍左右。用户在挑选液相色谱仪时，必须要考虑这一点。
另外，使用数字接口工作站，还可以方便的通过数字传输接口对仪器进行全面监测与控制。数字接口工作站充分发挥了数字化系统精度高、软硬件资源丰富、智能化程度高、信息传输方便的特长，代表着未来的发展方向。
五、二元高压梯度系统与四元低压梯度系统
以往四元低压系统通常是进口仪器的专属产品，国内大多采取高压混合的方式，并没有涉及到低压系统的应用开发，在国内有些招标项目中也有明确提出选用四元低压的案例，广大客户可能会误以为四元低压是进口仪器的先进技术，实则不然，四元低压实际上是对二元高压的补充，也就是说当比例发生改变的流动相数量较多，二元高压不能满足分析的时候，四元高压弥补了这一不足，但如果比例发生改变的流动相数量在2个以内(包括2个)，应该来说二元高压梯度系统有着它的优势。
下面就二元高压与四元低压系统在应用和技术上的主要区别和大家做一个简单分析：
1. 实际分析需求。以中国药典高效液相色谱法为例，中药图谱311例，其中等度分析301例，二元梯度分析10例。西药图谱409例，其中等度分析386例，二元梯度分析23例。从以上数据可以看出，对于绝大多数日常样品的分析工作，二元梯度已足够解决问题。
2. 二元高压梯度系统流动相分配的比例变化是由控制两台泵的驱动步进电机转速的变化而实现的。这种变化可以控制得非常精确。而四元低压梯度系统各流动相的分配比例变化是通过在高压恒流泵活塞杆抽吸行程时，四个电磁阀打开的时间长短来控制的。由于活塞杆抽吸的行程很短，最多仅一两秒时间，而活塞杆的运动速度在此期间内又是非线性的，另外各电磁阀开关又有几十毫秒的延迟，因此流量比例不可能控制得像二元高压梯度系统那样精确，因此类似产品梯度精度总是二元高压系统要更高一些。
以前由于进口的二元高压的价格要远远高于四元低压梯度系统，进口产品厂家为了扩大销售而有目的的推广四元低压梯度。然而随着近年来，二元高压梯度系统的价格出现下调趋势，其性价比日益体现出来。
下面两图分别为两个公司生产的四元低压梯度系统所做的梯度准确度测试。
仪器：四元低压梯度系统(配紫外检测器)
流动相：A：0.1%丙酮水溶液，B：水 (每台阶A、B配比变化10%)
波长：254nm
流速：1mL/min
柱温：25℃
图2 四元低压梯度系统所做的梯度准确度测试(分析结束时间53min)
图3 日本某公司四元低压梯度系统的梯度准确度测试(分析结束时间73min)
六、系统性
系统性指的是仪器的整体开发，是一个完整的系统。整体开发的主要优点有：各项技术指标统一、仪器各单元的通信协调、能够建立一个整体的数字化评价系统、体现了企业的科技开发实力。世界知名的液相色谱生产厂家的产品都是整体开发的，所以能够保证仪器的整体水平。
目前市场上有这个现象，说我的泵是进口的，或者是检测器怎么好，用了什么很多的进口件组装等等。其实这是个误区。液相色谱是个复杂的系统，如果不是整体开发的，各项指标之间、软件和硬件、硬件和硬件等都不匹配，整体水平不会高到哪里去。而且在售后服务方面对用户也是不负责任的。
综上所述，选择一台品质优良的液相色谱仪不能片面的只考察某一个或者几个指标，而应该综合考虑各项重要性能指标，才能挑选到满意的仪器。
附：作者简介
张红燕 上海伍丰科学仪器有限公司 应用工程师 硕士 毕业于华东师范大学分析化学
朱志华 上海伍丰科学仪器有限公司 应用工程师 学士 毕业于济南大学分析化学
马明远 上海伍丰科学仪器有限公司 计算机专业高级工程师 毕业于上海交通大学流体力学专业
