CN101131380A - 利用色谱仪检测微量物质的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用色谱仪检测微量物质的方法，包括：利用色谱仪对含有高浓度的待测物质的试样进行分析测量，得到待测物质的峰范围；在同样的色谱条件下，利用色谱仪对可能含有微量待测物质的待测样品进行分析测量，得到由一系列数据点组成的待测样品的原始色谱数据；利用数学函数模拟待测样品原始色谱图的基线，其中模拟过程中排除了位于待测物质峰范围内的数据点；将待测样品各个原始色谱数据点强度值减去该点的数学函数模拟值，从而得到校正后的色谱数据。本发明还提供了一种适于进行上述方法的装置。

Description

利用色谱仪检测微量物质的方法和装置

技术领域

本发明的技术领域一般地涉及色谱检测方法和色谱装置，更具体地，涉及利用色谱检测微量物质的方法和装置。

背景技术

色谱包括气相色谱、液相色谱、超临界流体色谱等，它们广泛地用于对化学和生物物质的定性和定量检测。色谱的基本原理是利用载气或载液夹带混合物流经色谱柱，实现对混合物各组分的分离，然后各组分依次流经检测器，产生可测量的电信号，经计算机处理后转变为人可识别的色谱图。色谱图由一系列的色谱峰构成，在分离良好的情况下，每一个色谱峰对应于一种单一组分，而峰面积则与组分的浓度或质量成比例。如果进行空白实验，即只有载气或载液流经色谱柱，理论上应该得到一条与横坐标轴平行的直线，即基线。但是由于周围环境条件的变化以及仪器自身各部件工作状态的不稳定，基线经常会表现出噪声和漂移。

噪声即基线不规则地上下波动。噪声是无法完全避免的，但可通过滤波器等本领域常用技术手段消除或减小噪声。漂移，即基线有规律地向某一个方向变化，例如随时间变化向上或向下发展，它可能表为一条斜线或折线，或者是曲线。对于如何在漂移的基线上识别较大的峰，技术人员已经开发出了成熟的方法(例如通过求导法)，其准确度和可靠性都令人满意。

但是，微量物质对应的峰，由于峰形小，会被基线的漂移或噪声掩盖。现有技术的方法无法有效识别在较大的基线漂移上叠加的小峰。从而，无法检测低浓度的微量物质。换句话说，基线的噪声和漂移会影响色谱仪的灵敏度，使最低检测限增大。例如，配备有热导检测器(TCD)的气相色谱几乎无法检测到浓度低于10ppm(百万分之一)的乙烯和乙烷，例如约为2ppm的乙烯和乙烷。这是因为，当它们的浓度低于10ppm时，其色谱峰会被基线的漂移掩盖，现在通用的色谱峰识别算法已经无法准确检测到它们对应的峰或者测量峰面积。

因此，非常需要一种能够利用色谱检测微量物质的方法和装置，而且不需要对现有的色谱装置进行大的改动；或者说，需要一种能够增加色谱仪灵敏度、减小最低检测限的方法和装置。

发明内容

根据本发明的一个实施方案，一种利用色谱仪检测微量物质的方法包括：利用色谱仪对含有高浓度的待测物质的配制试样进行分析测量，得到待测物质的峰范围；在同样的色谱条件下，利用色谱仪对可能含有微量待测物质的待测样品进行分析测量，得到由一系列数据点组成的待测样品的原始色谱数据；利用数学函数模拟待测样品原始色谱数据点，其中模拟过程中排除了落在待测物质峰范围内的数据点；将待测样品各个原始色谱数据点强度值减去该点的数学函数模拟值，从而得到校正后的色谱数据。其中的数据点至少包括每个点对应的色谱保留时间和峰强度值的信息。

根据本发明的另一个实施方案，用于提高色谱仪对微量待测物质检测灵敏度的装置包括：控制器和存储器，其中存储器用于存储色谱仪测量得到的原始色谱数据和微量待测物质的峰范围，其中控制器包括：用于根据色谱数据选择出合适的模拟函数来拟合基线的装置，用于读取存储器中存储的原始色谱数据和待测微量物质的峰范围的数据读取装置，用于比较数据点与待测微量物质的峰范围的比较装置，用于将各数据点的色谱峰峰强度值减去对应的模拟函数值的装置。

附图说明

附图构成了本说明书的一部分，并图示了根据本发明的各种实施方案。其中相似的标号表示相同的、类似的或对应的元件、结构和部分。其中：

图1是根据本发明一个实施方案的操作流程图；

图2是图1中一个步骤的具体操作示意图；

图3是根据本发明的一个实施方案的用于提高色谱仪对微量待测物质检测灵敏度的装置的组成示意图；

图4A、4B是根据本发明的方法对含微量待测物质的待测样品进行检测所得到的原始谱图(4A)与校正后的谱图(4B)对比。

具体实施方式

在一个实施方案中，根据本发明的方法包括如下几个步骤：利用色谱仪对含有高浓度的待测物质的配制试样进行分析测量，得到待测物质的峰范围；在同样的色谱条件下，利用色谱仪对可能含有微量待测物质的待测样品进行分析测量，得到由一系列数据点组成的原始色谱数据(至少包括每个点对应的色谱保留时间和峰强度值)；利用数学函数模拟待测样品的色谱数据点，其中模拟过程中排除了落在待测物质峰范围内的数据点(即拟合原始色谱图的基线)；将待测样品各个原始色谱数据点的强度值减去该点的数学函数模拟值，从而得到校正后的色谱数据。需要注意的是：在分别测量高浓度的配制试样和低浓度的待测样品时，保持尽可能同样的色谱条件，例如柱温、载气(或流动相)流度、检测器条件等并使用相同的色谱柱和检测器。

在将原始色谱数据的峰强度值减去模拟函数在该点的函数值后，就得到了校正后的色谱数据，可以利用这些校正后的数据生成色谱图，并进行定性或定量分析；或者也可以把校正后的数据提供给常用的色谱软件，供进一步处理。

本发明中的“色谱”或“色谱仪”包括气相色谱、液相色谱、超临界流体色谱、离子色谱、凝胶色谱等各种现有技术中已知的色谱，其可配备本领域技术人员已知的各种检测器，例如配备热倒检测器(TCD)或火焰电离检测器(FID)的气相色谱，或配备紫外检测器的液相色谱。在不偏离本发明的原则的范围内，根据本发明的方法和装置可以适用于各种已知类型的色谱。优选的是，根据本发明的方法和装置用于气相色谱或液相色谱。

本发明所提及的待测物质“峰范围”或“出峰范围”是指待测物质在色谱分析时所显示出来的峰所对应的停留时间区间，以峰的起始时间点和终止时间点来表示。对高浓度物质对应的峰的起始时间点和终止时间点的确定是本领域技术人员所知的，并且现有技术中的各种色谱仪均能自动标定和记录这两个时间点。

在一个实施方案中，根据本发明的方法需要对含有高浓度的待测物质的配制试样进行分析测量，得到待测物质的峰范围。其中“含有高浓度的待测物质的配制试样”是指含有高浓度的待测物质的溶液或混合气体，或者也可以是待测物质的纯物质；其可以通过待测物质的标准物或具有足够纯度的商购品进行配制。在待测物质有多种时，可以将多种物质配制成一种混合物，一次测量即标定出各个物质的峰范围；也可以分别配制单独的试样，通过多次测量来得到各个物质的峰范围。这里的“高浓度”是本领域技术人员通常理解的、可以在色谱图上表现出较大峰值的足够高的浓度，其具体数值取决于所用的色谱类型和检测器类型，并且本领域技术人员根据经验或查阅资料可以很容易地确定这样一个具体浓度值。例如，“高浓度”可以是最低检测限浓度的2倍，或5倍，或10倍，甚至是100倍，或更高。

在一个实施方案中，根据本发明的方法包括利用数学函数模拟待测样品的原始色谱图基线。即构造一个数学函数，使其在各个数据点的函数值都与对应点的基线的强度值相等或接近。合适数学函数的选择是本领域技术人员公知的，并取决于色谱类型和检测器类型。一般来说对于斜线形基线，可以使用线性函数模拟；对于折线形基线，可以采用分段函数或多项式函数模拟；对于曲线形基线，可以采用三角函数、指数函数、幂函数等或它们的组合来模拟。如何根据基线形状确定合适的模拟函数类型是本领域技术人员公知的。并可以通过查阅相应的技术手册或根据经验确定。确定了模拟函数类型后，就可以根据各数据点的值确定该函数中的待定参数，这是本领域公知的数学方程求解过程。

需注意的是：在确定模拟函数的过程中，需排除位于待测物质出峰范围内的数据点，即不考虑这些数据点，而仅根据位于出峰范围外的数据点(即基线)进行模拟。

应该理解，除了以上步骤，根据本发明的方法还可以包括其它步骤，例如为了确定色谱实验条件而首先进行的条件实验、必要的样品处理步骤、色谱仪的初始化等等。另外，为了提高测量的精度，根据本发明的方法中各步骤可以多次进行，例如对样品的分析可以采用多次测量取平均值的方法。另外，在具体测量条件下某个具体待测物质的峰位置已知的情况下(例如文献有记载)，可以不对含有高浓度的待测物质的试样进行实际的分析测量，而是直接采用文献上的已知数据，但是显然这种方法跟本发明的方法是等效的，因此也落入本发明所要求保护的范围之内。

根据本发明的方法可以由本领域技术人员以各种方式来具体实施，例如以硬件或软件的形式。在本发明公开的基础上，具有基本的计算机软、硬件知识的技术人员可以方便地实现本发明的方法。例如，可以通过专用集成电路或专用芯片来实现、或通过单片机编程来实现、或通过计算机程序设计全部由软件在通用计算机上实现、或者以插件或工具包的形式附加到公知的色谱软件程序包(例如，EZChrom、Chemstation、Cerity等)中。优选的是以插件或工具包的形式附加到公知的色谱软件程序包中，因为这样可以最大限度地减少工作量、且使对现有色谱仪的硬件装置的改动最小化。

图1、图2示出了本发明一个具体实施例的方法流程图。该方法涉及一个配备有热导检测器的气相色谱，例如安捷伦公司的Micro GC 3000。但本领域技术人员理解，该方法同样适用于其它类型的检测器和其它类型的色谱仪，例如可以适用于安捷伦公司的6890N气相色谱仪，1200系列液相色谱仪等。

该方法首先进行系统初始化步骤100，包括仪器初始化以及确定色谱条件(如柱温、载气流量、检测器的参数等)、准备样品、配制含高浓度待测物质的配制试样等准备工作。

然后在已经确定的色谱条件下，对含有所有高浓度待测物质的配制试样进行色谱分析，得到色谱数据，并由软件记录每个待测物质对应色谱峰的起始时间点t1和终止时间点t2(步骤110)。

随后，在相同的实验条件下，对可能含有微量待测物质的待测样品进行色谱分析，得到原始色谱峰数据并存储(步骤120)。原始色谱峰数据由一系列数据点组成，并至少包括每个点对应的色谱保留时间和峰强度值等信息。例如，原始色谱数据信息可以是一系列的点(t，s)，其中t表示停留时间点，s表示相应于停留时间点t的峰强度。

接着，使用特定的数学函数对可能含有微量待测物质的待测样品原始色谱数据进行拟和以确定特定数学函数模型的具体参数，在拟和过程中，位于t1和t2之间的数据点被排除(步骤130)。由于待测样品的原始色谱数据实际是基线与待测物质峰的叠加，该模拟过程实际上是对待测样品色谱图的基线的数学拟合。

图2是步骤130的一个具体执行过程的示例，当然还有其它等效的实现方法。该该过程首先进行数据处理的初始化(步骤131)，包括读取数据的准备工作等。然后从存储器中依次读取待测样品的原始色谱数据点，这其中要排除位于待测物质出峰范围内(t1，t2)的数据点(t，s)(步骤132)。例如，数据读取过程包括一个判断过程，通过依次将t值与每个待测物质的t1、t2进行比较来确定点(t，s)是否在某个待测物质的出峰范围内。这样只读取位于待测物质出峰范围外的数据点进行模拟。在读取了各个数据点后，即可以确定最佳的模拟函数f(t)(步骤133)。如何确定一个最佳数学函数来模拟大量数据点形成的曲线是属于计算机科学中一个专门的领域，有大量现成可用的算法供选择，例如可参考相关数值算法方面的教科书或技术手册，这里不再赘述。确定了函数f(t)后，就可以接着执行下面的步骤140了。

在步骤140，从存储器中依次读取原始色谱峰数据的数据点(t，s)，其中t表示停留时间点，s表示相应于停留时间点t的峰强度。进行基线校正，即将原始峰强度值s减去对应的模拟基线强度值(即模拟函数值)，即进行s＝s-f(t)的赋值操作。这样就得到了校正后的峰强度数据。在读取并处理了所有数据点后，则数据校正步骤结束，进入到后处理步骤150。注意：在步骤140中对所有数据点进行校正操作，即并不排除位于待测物质出峰范围内的数据点。

在步骤150，可以利用校正后的色谱数据生成待测样品的色谱图，进行定性或定量分析；或者，也可以将校正后的数据存储起来以备将来使用；或者，将校正后的数据输入到公知的色谱软件(如EZChrom)进行进一步的数据处理。这样就结束了一种待测样品的测试过程(步骤160)。

从上面详细描述的过程可知：根据本发明的方法，通过对待测组分色谱数据进行基线校正，既可以保证色谱图的清晰、稳定，又尽可能地保留了低浓度(微量)组分的色谱信息，这大大提高了色谱的灵敏度和对特定物质的最低检测限。

另一方面，本发明还提供了一种适于执行上述方法的装置，该装置可以提高色谱仪的检测灵敏度。例如，图3示出了一个示例性的装置300的系统组成示意图，它包括控制器310和存储器320。显然，装置300必须与现有的色谱系统390相连接(偶联)，以便传递数据信息和控制信号，这样装置300可以从色谱系统390获取原始数据，并对数据进行处理，如果需要，可以将处理后的数据再返回到色谱系统390中。其中存储器320可以存储色谱仪测量得到的色谱数据和待测微量物质的峰范围。色谱数据至少包括一系列的(t，s)数据点，其中t表示从试验开始经过的时间，即停留时间，s表示对应于该点的色谱峰强度值。待测微量物质的峰范围由一系列的(t1，t2)数据点组成，其中t1表示某物质开始出峰时对应的停留时间，t2表示该物质峰结束时对应的停留时间。为了执行本发明的方法，控制器310包括如下模块：用于根据色谱数据选择出合适的模拟函数来拟合基线的装置312，用于读取存储器中存储的原始色谱数据(t，s)和待测微量物质的峰范围(t1，t2)的数据读取装置314，用于比较数据点与待测微量物质的峰范围的比较装置316，用于将各数据点的色谱峰峰强度值减去对应的模拟函数值的装置(即s＝s-f(t)操作)318。

这些模块的实现方法可用本领域技术人员已知的任何方法。根据需要，控制器310可以有多种实现形式。例如，控制器310可以是一个独立的硬件电路或集成电路，或是其中存储有程序的固件，或者是电路板或处理器等。或者，控制器310也可以是与色谱仪工作站或通用计算机中已有的控制器或CPU加控制程序来实现。本领域技术人员明白，这些实现形式是可以相互替换的。优选是直接利用色谱仪中现有的控制器或CPU，通过编程来实现控制器310，因为这样不需要对现有的色谱仪部件进行较大的改动。

这里的“存储器”应该按照本领域技术人员所能理解的最大范围理解，意在包括各种形式的存储设备，例如它可以是RAM、ROM、固定存储设备(如硬盘)、可移动存储设备、闪存等等。该存储器可以独立于控制器310，或者也可以是控制器310的内置存储器。

图4A、图4B示出了本发明一个具体实施例的效果。图4A是利用待测样品原始色谱数据生成的色谱图，图4B是相应的用图1、图2所示方法校正之后的数据生成的色谱图。

上述谱图中，待测样品的组成为：2ppm CO₂+2ppm乙烯+2ppm乙烷。两个图的色谱仪操作条件是相同的，色谱仪为Agilent Micro GC3000，检测器为TCD型检测器(热导检测器)，载气为20psi的He气，色谱柱为Plot U型毛细色谱柱。

对比图4A、4B可知：图4A中有三个微弱可见的色谱峰，但是由于基线的漂移，这些峰备掩盖，难于判断它们是实际组分的色谱峰还是系统噪声；而应用本发明的方法处理后得到色谱图4B，其中基线漂移已被校正，得到水平的基线，而且明显地显示出三个组分峰：分别对应于二氧化碳、乙烯和乙烷。可见，尽管三种组分的浓度均很低(已低于通常意义下的最低检测限)，但是这三种组分的峰都很明显、清晰可见、易于辨认。图4A、4B的对比证明了：本发明实施方案中所采用的方法和装置可以允许色谱仪检测到通常意义的最低检测限浓度之下的组分；而仅需要对现有的色谱仪进行微小的改动即可以大幅度提高其灵敏度。

虽然这里已经说明并描述了本发明的具体实施方案，但这些具体实例并非意在限制本发明。在本发明的范围内可以进行许多修改、替换和变化。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种利用色谱仪检测微量物质的方法，包括如下步骤：

利用色谱仪对含有高浓度的待测物质的配制试样进行分析测量，得到待测物质的峰范围；

在同样的色谱条件下，利用色谱仪对可能含有微量待测物质的待测样品进行分析测量，得到由一系列数据点组成的待测样品的原始色谱数据，其中的数据点至少包括每个点对应的色谱保留时间和峰强度值；

利用数学函数模拟待测样品原始色谱数据点，其中模拟过程中排除了落在待测物质峰范围内的数据点；

将待测样品各个原始色谱数据点强度值减去该点的数学函数模拟值，从而得到校正后的色谱数据。

2.如权利要求1所述方法，还包括：首先进行条件实验，确定合适的色谱条件。

3.如权利要求2所述方法，还包括利用校正后的数据点生成色谱图。

4.如权利要求2或3所述方法，其特征在于所述色谱仪是气相色谱仪。

5.如权利要求2或3所述方法，其特征在于所述色谱仪是液相色谱仪。

6.如权利要求2或3所述方法，其特征在于所述配制试样中待测物质的浓度大于其最低检测限的2倍。

7.如权利要求7所述方法，其特征在于所述配制试样中待测物质的浓度大于其最低检测限的5倍。

8.用于提高色谱仪对微量待测物质检测灵敏度的装置，包括：

存储器，该存储器用于存储色谱仪测量得到的原始色谱数据和微量待测物质的峰范围；以及

控制器，该控制器包括：

用于根据色谱数据选择出合适的模拟函数来拟合基线的装置，

用于读取存储器中存储的原始色谱数据和待测微量物质的峰范围的数据读取装置，

用于比较数据点与待测微量物质的峰范围的比较装置，

用于将各数据点的色谱峰强度值减去对应的模拟函数值的装置。

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