新型二極管陣列檢測器

1、高效液相色譜儀的研制與技術(shù)開發(fā)-新型二極管陣列檢測器洪群發(fā)張慶和李彤張維冰張玉奎（大連依利特分析儀器有限公司，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，大連，116011）摘要：介紹一種新型的高效液相色譜二極管陣列檢測器。 該儀器采用光纖傳導(dǎo)技術(shù)和全封閉光學(xué)系統(tǒng)， 具有較高的光譜分辨率和檢測靈敏度。 采用虛擬設(shè)備驅(qū)動技術(shù)配合功能強大的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可為用戶提供色譜、光譜，三維譜圖及色譜峰純度等大量的信息。關(guān)鍵詞： 高效液相色譜；二極管陣列檢測器；虛擬設(shè)備驅(qū)動Research and Developmemt on High Performance LiquidChromatographic Instrumen

2、ts-A Novel Diode Array DetectorHong Qunfa, Zhang Qinghe, Li Tong, Zhang Weibing, Zhang Yukui(Dalian Elite Analytical Instrument Ltd. Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academyof Science, Dalian, 116011)Abstract: A novel diode array detector (DAD) for high performance liquid chromatography

3、 (HPLC) was introduced. A full-closed optical system and quartz light fiber based transmission technique were used in the instrument, and high spectral resolution and detect sensitivity wereobtained. Virtual device driving technique was used, and combined with the powerful data system, the instrumen

4、t can provide a lot of information including chromatogram, spectra of components,three dimension information and peak purity results.Key words: Highperformance liquidchromatography;Diode array detector; Virtualdevicedriving1. 前言液相色譜分析中需根據(jù)被分析/ 分離的混合物組分分子結(jié)構(gòu)的不同，使用相應(yīng)的檢測系統(tǒng)1 。對于有光譜吸收的樣品，只有在其有最大吸收的波長進行檢測才可

5、能得到最大的檢測靈敏度。與傳統(tǒng)紫外檢測器相比，二極管陣列檢測器（Diode Array Detector, DAD）可以同時給出光譜和色譜譜圖，便于組分的定性和定量。八十年代初HP公司首次推出二極管陣列檢測器 2 ，此后，各液相色譜儀器生產(chǎn)廠家相繼推出多種同類產(chǎn)品，供與各種液相色譜儀配套選擇，并不斷向著提高靈敏度、改善檢測器自身的選擇性及減小譜帶擴展的方向發(fā)展。二極管陣列檢測器的光譜分辨率主要取決于其光路結(jié)構(gòu)和設(shè)計，如光柵參數(shù)、陣列分辨率、狹縫寬度等。 為了兼顧既具有較高的光譜分辨率，又有足夠高的檢測靈敏度，二極管陣列檢測器的研發(fā)均朝著采用雙燈高密度光源、二極管集攏技術(shù)等方向發(fā)展3 。此外，近

6、年來，還先后推出了多種對這類檢測器進行控制和數(shù)據(jù)處理的軟件，進一步擴大了其在峰識別和峰跟蹤定性發(fā)面的應(yīng)用4 。傳統(tǒng)的 DAD檢測器的的光學(xué)系統(tǒng)采用開放式光路結(jié)構(gòu)和多譜線分光器，設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光程較長， 需要有很高的設(shè)計和加工精度才能達到高的靈敏度和光譜分辨率。另一方面， 由于 DAD產(chǎn)生的信息量大，需要借助于高性能的 PC機來完成數(shù)據(jù)的采集和處理。這樣，就需要開發(fā)穩(wěn)定性好， 分辨率高， 數(shù)據(jù)傳輸速度快的數(shù)據(jù)采集接口， 以及相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動軟件和數(shù)據(jù)采集和處理軟件。從目前國際發(fā)展趨勢來看，DAD的硬件結(jié)構(gòu)并無重大進展，對控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的研究非常活躍。為填補國內(nèi)在這一儀器領(lǐng)域研制和開發(fā)的空白，中

7、國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所和大連依利特分析儀器有限公司在國家科技部“九五” 攻關(guān)項目的資助下，采用光纖傳導(dǎo)技術(shù)和全封閉光路結(jié)構(gòu)來替代傳統(tǒng)的DAD 光學(xué)系統(tǒng)，配合穩(wěn)定性好，分辨率高，數(shù)據(jù)傳輸速度快的數(shù)據(jù)采集接口，加上功能齊全的DAD 設(shè)備驅(qū)動程序及數(shù)據(jù)采集和處理軟件，成功地研制出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能DAD 檢測器系統(tǒng)。2. 二極管陣列檢測器系統(tǒng)組成DAD 檢測器系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集接口和DAD 數(shù)據(jù)處理軟件三部分組成。2.1 DAD 光學(xué)系統(tǒng)DAD 檢測器的光學(xué)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的紫外檢測其不同，它采用所謂的反轉(zhuǎn)或稱反相光路，即由光源發(fā)出的光聚焦后先通過樣品池，然后由分光光柵進行分光，最后由光

8、檢測元件進行檢測。我們研制的DAD 檢測器由光源、 聚光透鏡、流動池、凹面光柵、光電二極管陣列 （PDA ）和光導(dǎo)纖維組成。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示：圖 1： DAD 光學(xué)系統(tǒng)1：光源； 2：聚焦透鏡組；3：流動池； 4：光導(dǎo)纖維； 5：凹面全息光柵；6：PDA光源采用穿透型氘燈和特制鎢燈組成的高密度組合光源。整個光學(xué)系統(tǒng)采用光纖傳導(dǎo)技術(shù)和全封閉結(jié)構(gòu)，以盡量減少光能量損失。此外，這種全封閉的結(jié)構(gòu)可以排除各種外界干擾如空氣流動、光線變化以及其它干擾因素?zé)?，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.2 DAD 數(shù)據(jù)采集接口 5DAD 數(shù)據(jù)采集接口主要是接收PDA 所產(chǎn)生的微電流信號， 并對其進行電壓轉(zhuǎn)換、 放大、濾波、

9、A/D 轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生中斷觸發(fā)、進行數(shù)據(jù)采集，同時對PDA 進行反控。它包括時鐘電路、PDA 驅(qū)動電路、 I/V 變換器和 A/D 轉(zhuǎn)換器等。該接口采用中斷訪問方式進行數(shù)據(jù)采集和傳送。DAD 系統(tǒng)采用虛擬設(shè)備驅(qū)動（VxD ）來實現(xiàn) 32操作系統(tǒng)如 Windows 9x 下數(shù)據(jù)采集接口與上層應(yīng)用程序進行通訊。2.3 DAD 數(shù)據(jù)處理軟件（WorkDAD ）DAD 數(shù)據(jù)處理軟件是DAD 檢測器系統(tǒng)最重要的組成部分。由于 DAD 檢測器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大（約2k 字節(jié) /秒），信息豐富，需要借助于高性能的計算機和功能強大的數(shù)據(jù)處理軟件才能充分發(fā)揮其作用。DAD 數(shù)據(jù)處理軟件由方法設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、色譜數(shù)據(jù)處理

10、、光譜數(shù)據(jù)處理、三維譜圖顯示、色譜峰純度檢測、譜圖庫管理、 譜圖庫檢索、 報告輸出以及儀器診斷等功能模塊組成。其總體框架如圖2 所示。軟件采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)（O-O），以 Microsoft Visual C+ 6.0為開發(fā)平臺編寫。充分考慮了控制軟件的容錯和糾錯能力，以及系統(tǒng)的安全性。圖 2： DAD 軟件總體框架3. 二極管陣列檢測器的技術(shù)特點(1) 采用封閉式光學(xué)系統(tǒng)和光纖傳導(dǎo)技術(shù)， 不僅降低了傳統(tǒng) DAD光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性， 而且由于減少了光能量的損失， 提高了 DAD的檢測靈敏度， 另外還增強了光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用穿透型氘燈和特制鎢燈組成的高密度組合光源， 保證了在系統(tǒng)工作波長范圍

11、內(nèi)光能量分布均勻。圖 3 給出了 DAD 光學(xué)系統(tǒng)的光能量分布圖。圖 3： DAD 工作波長范圍內(nèi)光能量分布圖(2)分光系統(tǒng)采用進口全封閉分光系統(tǒng)，其所用的光柵為248 線 / 毫米的全息光柵； 512 通道的 PDA ；狹峰寬度為70um。保證了DAD系統(tǒng)具有較高的光譜分辨率和波長精度。圖4（ a）給出了DAD所采集的苯的光譜圖，并和Waters 996所采集的光譜圖（圖4（ b）進行了對比。圖 4：苯的光譜圖(a) 以及和 Waters 996的苯的光譜 (b) 對照(3)在設(shè)計出穩(wěn)定性好， 分辨率高， 數(shù)據(jù)傳輸速度快的數(shù)據(jù)采集接口的基礎(chǔ)上，采用虛擬設(shè)備驅(qū)動這一先進技術(shù)，設(shè)計基于虛擬設(shè)備驅(qū)

12、動的數(shù)據(jù)采集接口驅(qū)動程序，從而保證DAD系統(tǒng)可以在 Windows 9x 操作系統(tǒng)上穩(wěn)定運行。(4)界面友好、 功能強大的 DAD數(shù)據(jù)處理平臺可以讓用戶方便地進行等高線圖、光譜圖、 色譜圖以及光色譜三維圖的觀察和處理。其中色譜數(shù)據(jù)處理和定量計算包括了EChrom 98色譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（另文介紹） 的所有色譜數(shù)據(jù)處理功能。光、色譜三維圖的任意旋轉(zhuǎn)與局部放大功能可以使用戶得到更真切的視覺效果和結(jié)果分析。如圖5 所示。圖 5：三維光、色譜圖(5) DAD數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可為用戶提供各種類型的色譜圖，其中包括：單波長色譜圖、任意兩個波長的吸收比色譜圖、 波長時間程序色譜圖、 最大吸收波長色譜圖以及總體吸收

13、色譜圖。其中最大吸收波長色譜圖為靈敏度最高的檢測方式， 而總體吸收色譜圖為定量重復(fù)性最好的方法。(6) DAD數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供了多種色譜峰純度判斷方法，包括：等高線圖法、光譜色譜三維圖法、重疊光譜圖法、波長比圖法和色譜峰純度計算法等。(7) 功能齊全的譜圖庫管理與檢索程序可使用戶方便地建立自己特定的紫外光譜譜圖庫，程序可自動從光譜、色譜三維數(shù)據(jù)中對每一個色譜峰提取光譜圖，自動進行譜圖庫檢索，用戶也可將程序自動提取的光譜圖添加到指定的譜圖庫中。(8) 加入了 Internet 服務(wù)功能，可以更加方便的為用戶提供更多的服務(wù)。4. 二極管陣列檢測器的性能指標 光譜掃描范圍： 199-618nm; 光

14、譜分辨率： 2.4nm 波長準確度：± 0.5nm; 波長精確度： 0.2nm; PDA陣列數(shù)： 512； 全光譜掃描時間： 0.05sec. (199 618nm); 響應(yīng)時間： 0.1-9.9sec. (步長： 0.1sec.); 噪聲：± 2.5 × 10-5 AU (檢測池充滿干燥的氮氣 );-3檢測池充滿干燥的氮氣，儀器預(yù)熱60 分鐘 ); 漂移： 1.0 × 10 AU/hr. (最小檢出量： 1.0 × 10-7 g/mL (萘的甲醇溶液，254nm);線性范圍： 104 ( 萘的甲醇溶液，254nm);參考文獻1 張玉奎，張維冰

15、，鄒漢法，分析化學(xué)手冊-液相色譜分冊，化學(xué)化工出版社，北京，20002 M. V. Pichering, “Diode Array: New dimensions in detection for high performance liquid chromatography ”, LC-GC, V8(11), 846-8523 Phil Deland, “Raising the sensitivity benchmark in diode array detection with optical improvements ”, American Laboratory, 1997, 12, 19-244 Xueguang Shao, Wensheng Cai, “Wavelet analysis in analytical chemistry ”, Reviews in Anal. Chem. 1998, VXVII(4), 235-2855 范安定，林叢敬，李彤，張玉奎， “二極管陣列檢測器信號處理卡的研制及其虛擬設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)” ， 2000， 2，14-17541236圖 1：DAD 光學(xué)系統(tǒng)1：光源； 2：聚焦透鏡組；3：流動池； 4：光導(dǎo)纖維； 5：凹面全息光柵；6：PDA方法設(shè)置