高效液相色谱‑原子荧光联用分析系统数学模型及数据处理方法与流程

本发明涉及化学分析技术领域，具体涉及一种高效液相色谱-原子荧光联用分析系统数学模型及数据处理方法。

背景技术：

流动注射-氢化物发生-原子荧光光谱法由于具有灵敏度高、测量范围宽、分析速度快等很多优点，在卫生、环保、地质、冶金等行业得到了广泛应用。但是，影响氢化物发生-原子荧光光谱仪灵敏度和谱峰展宽的因素很多，一般都是通过多次实验寻找最佳实验条件，实验条件的优化比较困难。

流动注射-氢化物发生(FI-HG)方法是将样品通过流动注射方式引入之后，在酸性环境下与KBH4反应，样品中的被分析物生成挥发性的气态氢化物，经过气液分离器(GLS)，氢化物被分离，在载气的吹扫下送入元素检测器(如电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、电感耦合等离子光谱(ICP-AES)、石墨炉原子吸收光谱(QF-AAS)、原子荧光光谱(AFS))。

考虑氢化反应发生的机理、仪器原理等因素，影响FI-HG-AFS灵敏度和谱峰展宽的因素，主要有样品环体积(样品注入量)、载流流速、载气流速、GLS顶部空间(气态所占的空间)等，通过多次实验寻找最佳实验条件，但由于这些参数并不孤立，它们共同影响灵敏度和谱峰展宽，所以实验条件的优化比较困难。所以，将氢化物发生、传输和检测过程抽象出一个数学模型并进行模拟分析，将有助于理解各因素的作用。

目前，针对这方面的问题所采取的方法主要有：

(1)基于PH值对HG的影响和GLS对氢化物传输的影响建立了模型，预测PH值的最佳值和输出信号的谱图峰形；

(2)通过修正氢化物发生过程产生的误差来改善峰形；

(3)通过假设动力学因子，研究As(III)与KBH4反应生成AsH3和AAS谱图峰形的关系；

(4)利用均匀设计方法，通过多次实验寻找最佳实验条件。

上述四个方法给出了氢化物发生、传输和检测的数学模型，但都是基于单个变量对于结果的影响，对实验结果的修正效果有限。

目前对输出谱图大多采用简单的高斯拟合方法，但是HPLC-HG-AFS系统不是单独的HPLC系统，而是HPLC与HG-AFS系统联用的“组合系统”，所以，后部的HG-AFS系统必然会对HPLC输出的高斯特性浓度分布的信号产生影响，所以，单纯的用HPLC系统所普遍使用的高斯拟合，忽略后部HG-AFS系统的影响显然会存在很大的偏差。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种高效液相色谱-原子荧光联用分析系统数学模型及数据处理方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高效液相色谱-原子荧光联用分析系统，包括高效液相色谱机构、氢化物发生机构、气液分离器、原子荧光光谱仪和电脑，高效液相色谱机构包括高压泵、六通阀和样品环，氢化物发生机构由蠕动泵组、混合器和反应器组成，样品环的出口与预反应器相通，蠕动泵组分别与混合器和反应器相通，混合器的出口与反应器进口相连，反应器的出口与气液分离器的反应物进口管相连，反应物进口管倾斜连接在分离器本体上，分离器本体顶部的气体出口管与原子荧光光谱仪相连，分离器本体下部一侧设置废液出口管，原子荧光光谱仪与电脑相连。

本发明系统的工作原理是：样品通过六通阀注入，各蠕动泵的转速和载气流速均可调，从而可以测试不同参数对测试结果的影响，阿散酸标准溶液由高压泵注入六通阀样品环，与流动相混合进入色谱柱，色谱流出物在混合器中与蠕动泵送来的酸性的载流盐酸混合，在酸性环境下，在反应器中被分析物中砷元素与KBH4反应生成气态氢化物(AsH3)，在GLS中的气态物质(AsH3、H2、Ar)在气液分离器中分离并进入原子荧光光谱仪AFS中，AsH3被砷元素空芯阴极灯检测。

上述高效液相色谱-原子荧光联用分析系统的数据处理方法，基于高效液相色谱-原子荧光联用分析系统进入氢化物发生机构的浓度分布不再是脉冲分布，而是HPLC系统的高斯分布，所以氢化物发生机构样品中的砷元素转化为氢化物的效率受实验条件、样品基质等很多条件的影响，假设转化效率为R(取值在0到1之间，独立于各实验参数)。则，样品氢化物在进入GLS中的气体中的浓度(cAH)in(mol/L)可以表示为：

(c_AH)_in＝a×exp[-(t-b)²/c²] (1)

假设GLS内部气体是混合均匀的，输出GLS的气态氢化物的浓度与GLS内部的浓度是相同的，则质量守恒方程可以表示为：

$V_G\×\frac{d{\left(c_{AH}\right)}_{out}}{dt}=(F_H+F_A)\×a\×\exp \[-{(t-b)}^2/c^2\]-(F_H+F_A)\×{\left(c_{AH}\right)}_{out}---\left(2\right)$

即：

$\frac{d{\left(c_{AH}\right)}_{out}}{dt}=\frac{F_H+F_A}{V_G}\×a\×\exp \[-{(t-b)}^2/c^2\]-\frac{F_H+F_A}{V_G}\×{\left(c_{AH}\right)}_{out}$

令b₁＝b，c₁＝c，上式可化为：

$\frac{d{\left(c_{AH}\right)}_{out}}{dt}=a_1\×\exp \[-{(t-b_1)}^2/{c_1}^2\]-d_1\×{\left(c_{AH}\right)}_{out}---\left(3\right)$

上式的解为：

式中，C1与C2为常数，erf()为高斯误差函数；

令A₁＝C₁，A₅＝C₂，A₆＝d₁，则上式可化为：

(c_AH)_out＝A₁+{A₂×erf[A₃(t-A₄)]+A₅}×exp(-A₆t) (4)

上式(4)即为本发明高效液相色谱-原子荧光联用分析系统的输出信号模拟函数。

本发明分析了HPLC-HG-AFS联用系统理论并建立了数据处理方法，通过与实验数据拟合，证实了模型的正确性，有效减小了单纯采用HPLC系统所普遍采用的高斯拟合方法所产生的误差，这对于后期进行实验数据的处理，去除干扰，有效求取峰面积进行浓度反演，提高标准曲线的相关系数，提高检测准确性是很有利的；同时提出的HPLC-HG-AFS系统数学模型建立了系统各参数与峰形展宽和灵敏度之间的函数关系，根据此模型可以预测输出信号的峰高、峰宽等谱图参数，这对于仪器工作状态调整、帮助仪器生产厂家提高仪器参数指标有较高的指导意义和实用价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明分析系统的结构示意图；

图2是本发明气液分离器的结构示意图；

图3是本发明系统的模型函数图形；

图4是高效液相色谱的高斯函数图形；

图5是浓度1.0ppm阿散酸标准溶液的检测谱图(虚线)与拟合曲线函数图形高斯拟合结果图；

图6是本发明系统浓度1.0ppm阿散酸标准溶液的检测谱图(虚线)与拟合曲线函数图形拟合结果图；

图7是本发明系统模型对As(III)、As(V)、MMA、DMA混标进行检测的实验谱图进行多峰拟合的结果。

图中1高压泵、2六通阀、3样品环、4蠕动泵、5混合器、6反应器、7气液分离器、8原子荧光光谱仪、9电脑、71分离器本体、72反应物进口管、73气体出口管、74废液出口管。

具体实施方式

如图1和图2所示：一种高效液相色谱-原子荧光联用分析系统，包括高效液相色谱机构、氢化物发生机构、气液分离器、原子荧光光谱仪和电脑，高效液相色谱机构包括高压泵、六通阀和样品环，氢化物发生机构由蠕动泵组、混合器和反应器组成，样品环的出口与预反应器相通，蠕动泵组分别与混合器和反应器相通，混合器的出口与反应器进口相连，反应器的出口与气液分离器的反应物进口管相连，反应物进口管倾斜连接在分离器本体上，分离器本体顶部的气体出口管与原子荧光光谱仪相连，分离器本体下部一侧设置废液出口管，原子荧光光谱仪与电脑相连。

本发明系统的工作原理是：样品通过六通阀注入，各蠕动泵的转速和载气流速均可调，从而可以测试不同参数对测试结果的影响，阿散酸标准溶液由高压泵注入六通阀样品环，与流动相混合进入色谱柱，色谱流出物在混合器中与蠕动泵送来的酸性的载流盐酸混合，在酸性环境下，在反应器中被分析物中砷元素与KBH4反应生成气态氢化物(AsH3)，在GLS中的气态物质(AsH3、H2、Ar)在气液分离器中分离并进入原子荧光光谱仪AFS中，AsH3被砷元素空芯阴极灯检测。

上述高效液相色谱-原子荧光联用分析系统的数据处理方法，基于高效液相色谱-原子荧光联用分析系统进入氢化物发生机构的浓度分布不再是脉冲分布，而是HPLC系统的高斯分布，所以氢化物发生机构样品中的砷元素转化为氢化物的效率受实验条件、样品基质等很多条件的影响，假设转化效率为R(取值在0到1之间，独立于各实验参数)。则，样品氢化物在进入GLS中的气体中的浓度(cAH)in(mol/L)可以表示为：

(c_AH)_in＝a×exp[-(t-b)²/c²] (1)

假设GLS内部气体是混合均匀的，输出GLS的气态氢化物的浓度与GLS内部的浓度是相同的，则质量守恒方程可以表示为：

$V_G\×\frac{d{\left(c_{AH}\right)}_{out}}{dt}=(F_H+F_A)\×a\×\exp \[-{(t-b)}^2/c^2\]-(F_H+F_A)\×{\left(c_{AH}\right)}_{out}---\left(2\right)$

即：

$\frac{d{\left(c_{AH}\right)}_{out}}{dt}=\frac{F_H+F_A}{V_G}\×a\×\exp \[-{(t-b)}^2/c^2\]-\frac{F_H+F_A}{V_G}\×{\left(c_{AH}\right)}_{out}$

令b₁＝b，c₁＝c，上式可化为：

$\frac{d{\left(c_{AH}\right)}_{out}}{dt}=a_1\×\exp \[-{(t-b_1)}^2/{c_1}^2\]-d_1\×{\left(c_{AH}\right)}_{out}---\left(3\right)$

上式的解为：

式中，C1与C2为常数，erf()为高斯误差函数；

令A₁＝C₁，A₅＝C₂，A₆＝d₁，则上式可化为：

(c_AH)_out＝A₁+{A₂×erf[A₃(t-A₄)]+A₅}×exp(-A₆t) (4)

上式(4)即为本发明高效液相色谱-原子荧光联用分析系统的输出信号模拟函数，它的函数图形如图3所示，图4为高斯函数的函数图形，可以看出，得出的HPLC-HG-AFS系统仿真函数图形与传统的HPLC系统高斯函数仿真图形存在着差别，高斯函数为对称图形，而得到的HPLC-HG-AFS系统模型函数图形不是左右对称的，输出存在着比较大的拖尾现象。然而，观察图5所示的FI-HPLC-HG-AFS联用系统的原始输出信号，可以看到，真实信号也是存在较大拖尾的，而且，得到的系统模型函数图形与真实谱图非常相似。

图5和图6为浓度1.0ug mL-1阿散酸标准溶液的检测谱图(虚线)与拟合曲线函数图形(实线)，图5为高斯拟合结果，图6为本发明系统模型函数拟合结果，从图中可以看出，图5高斯曲线为对称曲线，而实验数据不是左右对称的，为得到使最多的数据点落到拟合曲线上的拟合效果，高斯拟合曲线与部分实验数据，特别是峰尾部分之间存在着较大的偏差。然而，从图6可以看出，相比来说，利用本发明系统模型拟合实验数据所得到的拟合函数图形与实验谱图之间相似度很高，特别是峰尾处特别明显。

图7为本发明系统模型对As(III)、As(V)、MMA、DMA混标进行检测的实验谱图进行多峰拟合的结果，可以看到，对于多峰拟合，所建立的模型也是可以胜任的，这对于后期进行实验数据的处理，去除干扰，有效求取峰面积进行浓度反演，提高标准曲线的相关系数，提高检测准确性是很有利的。