高效液相色譜的發(fā)展及其在煉油工業(yè)中的應(yīng)用

張丹(海南漢地流體材料有限公司，海南 儋州 578101)

0 引言

高效液相色譜是在原有液相色譜技術(shù)原理基礎(chǔ)上優(yōu)化改造而來的新型液相色譜技術(shù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)技術(shù)的問題，可以有效地提高檢測結(jié)果，具有快速、高靈敏、樣品通量等優(yōu)勢。高效液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的出現(xiàn)，在石化、生物醫(yī)藥、食品分析、環(huán)境分析等領(lǐng)域發(fā)揮出重大實(shí)用價值，成為石化科研和質(zhì)量檢驗的得力工具，用途日益擴(kuò)展，對石油化工技術(shù)進(jìn)步的促進(jìn)作用也更加顯著。

1 高效液相色譜的產(chǎn)生及發(fā)展

高效液相色譜(HPLC)的主體是液體，在高壓輸液泵壓力作用下制造液體流動相的過程，在這一過程中，需要設(shè)置裝好填充劑的色譜柱，通過高壓泵將樣品泵入色譜柱中，對混合物或單一溶劑進(jìn)行有效分離和檢測，最終通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到最終分析結(jié)果。1903年，俄國植物學(xué)家Tswett首次提出色譜法概念[1-2]。1958年Stein和Moore發(fā)展起來的氨基酸分析儀能夠?qū)崿F(xiàn)自動分離和分析蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物，吸引諸多學(xué)者進(jìn)行研究，繼而促成HPLC方法的建立。1968至1971年間，華特斯公司制造和推出了商用GPC儀及HPLC系統(tǒng)，到20世紀(jì)80年代中期，HPLC逐漸發(fā)展為一種較為成熟的技術(shù)。直至今日，高效液相色譜原理仍然不斷完善和優(yōu)化，相應(yīng)色譜柱填料技術(shù)也不斷突破，如2004年，沃特世公司研發(fā)推出第一臺超高效液相色譜儀，受到眾多研究者的關(guān)注。

色譜技術(shù)屬于分析科學(xué)，在石油化工領(lǐng)域發(fā)揮著不容置疑的關(guān)鍵作用，回望我國石化領(lǐng)域色譜技術(shù)發(fā)展，可劃分為氣相色譜和液相色譜兩種。氣相色譜和液相色譜儀在石油化工檢測分析領(lǐng)域的用途廣泛，但二者適宜的對象和使用的場合有所不同。

一是在20世紀(jì)80年代，我國煉油工藝及加工工藝不斷提高，所產(chǎn)生的煉廠氣產(chǎn)量也隨之增加，傳統(tǒng)氣相色譜分離分析技術(shù)難以有效分析煉廠氣復(fù)雜氣體，相關(guān)研究人員開始對其進(jìn)行研究和改進(jìn)，到20世紀(jì)80年代中期，可以進(jìn)行多閥多柱切換的多維色譜分析技術(shù)出現(xiàn)，直到目前氣相色譜分離分析仍是石化行業(yè)煉廠氣主要分析技術(shù)。

二是液相色譜主要應(yīng)用于分離低揮發(fā)物質(zhì)，按照固定相可分為液-液色譜法、液-固色譜法，按照原理可分為分配色譜法和吸附色譜法，具體內(nèi)容如下：(1)液-液色譜法(LLC)可分為正向和反向兩種，當(dāng)固定相極性＞流動相極性，屬于正向LLC，反之則為反向LLC[3]；同時，還有一種化學(xué)鍵合相色譜，在LLC基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，具有分配和吸附兩種功能，且不易流失，C18是其最常應(yīng)用的化學(xué)鍵合相；(2)液-固色譜法，液體代表流動相，固定相則為固體吸附劑，這兩者會產(chǎn)生不同吸附作用，從而實(shí)現(xiàn)樣品分離。此外，還存在離子交換色譜、離子對色譜法、分子排阻色譜法，其中，離子交換色譜通過離子交換劑實(shí)現(xiàn)樣品分離[4]；分子排阻色譜法，通過不同分子大小以及其在微孔中的滲入程度實(shí)現(xiàn)分離，主要用于分離多糖、蛋白質(zhì)等高分子化合物，適合在煉油產(chǎn)業(yè)中普及和推廣。

2 高效液相色譜結(jié)構(gòu)分析

高效液相色譜儀器的結(jié)構(gòu)組成主要有溶劑傳輸系統(tǒng)(高壓泵)，樣品引入系統(tǒng)(進(jìn)樣器)，樣品分離系統(tǒng)(色譜柱)，信號檢測系統(tǒng)(檢測器)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(軟件)(結(jié)構(gòu)圖如圖1所示)。

圖1 高效液相色譜儀器結(jié)構(gòu)圖

(1)溶劑傳輸系統(tǒng)(高壓泵)，屬于核心部件，包含往復(fù)活塞泵、彈簧隔板、串聯(lián)柱塞泵及并聯(lián)柱塞泵等構(gòu)件，是整個系統(tǒng)的心臟，其性能質(zhì)量直接關(guān)系整體HPLC質(zhì)量。目前市場上較為常用的為恒流泵，輸出的流動相流速不受外界及色譜柱阻力變化影響，上海儀電公司的LC210、北京瑞利公司SY-8100、普析公司的L600系列等均屬于恒流泵[5]。同時，還有一種恒壓泵，其輸出的壓力基本保持恒定不變，在市場上種類較少，應(yīng)用范圍也有限。據(jù)了解，一個性能較優(yōu)越的高壓泵需要具備以下要求，耐高壓、較高穩(wěn)定性、較小脈動；流量連續(xù)可調(diào)、范圍寬、重復(fù)性好；死體積小；流量準(zhǔn)確度高；具備梯度洗脫功能等，其中，耐高壓是HPLC系統(tǒng)最為基本的一個要求，主要是因為色譜柱的平均粒徑和內(nèi)徑通常為4 μm、5 mm左右的色譜柱，當(dāng)流動相流速到達(dá)1～3 mL/min時，其最高工作壓力可達(dá)34.47～41.36 MPa，且隨著粒徑不斷減小，工作壓力也隨之增加，必須具備更高的耐壓能力，以滿足基本工作要求。目前，上海伍豐公司的LC-100系列、北京普析通用公司的L600系列等均能滿足以上要求。

(2)樣品分離系統(tǒng)(色譜柱)，分離系統(tǒng)主要指色譜柱，是整體色譜儀的核心部分，其構(gòu)成主要包含柱管、填料、接頭、卡套、壓帽、密封環(huán)、連接管道等，可劃分為制備型和分析型兩種，目前分析型應(yīng)用范圍較廣。柱效是色譜柱十分關(guān)鍵的指標(biāo)，往往取決于固定相性能和裝柱技術(shù)，也可通過減少柱徑和顆粒度以提升柱效。固定相性能有填料決定，以硅膠為基質(zhì)組成的官能團(tuán)類填料為反向色譜柱，是應(yīng)用最多的一種色譜柱；正向色譜柱一般采用硅膠類填料，使用頻率略低于反向色譜柱；此外還有離子交換柱、特殊色譜柱等，使用較少。

(3)樣品引入系統(tǒng)(進(jìn)樣器)，較常使用的進(jìn)樣器為六通閥進(jìn)樣器，進(jìn)樣量由定量環(huán)決定，主要功能是將分析樣品引入色譜系統(tǒng)，閥進(jìn)樣、注射器、自動進(jìn)樣、停留進(jìn)樣等也較為普及。

(4)信號檢測系統(tǒng)(檢測器)，主要檢測色譜柱分離后的組分濃度，并通過記錄儀繪制其變化譜圖，進(jìn)行定性和定量分析，一般有電導(dǎo)檢測器、熒光檢測器、紫外光度檢測器，其中光學(xué)類檢測器應(yīng)用最多，約占比75%[6]。其技術(shù)指標(biāo)主要有波長范圍、波長確定度、波長重復(fù)性、光譜寬帶、噪聲、穩(wěn)定性、光度范圍等。

3 高效液相色譜在煉油產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

高效液相色譜具有高分辨率、高精度、快速分離、應(yīng)用范圍廣、可重復(fù)使用等優(yōu)勢，與傳統(tǒng)液相色譜相比，能有效降低投入成本，提高分離和分析效率，而且可以裝在小口徑、短不銹鋼柱內(nèi)，基本80%的有機(jī)物質(zhì)都可以通過高效液相色譜進(jìn)行分析，符合新時期石油化工行業(yè)降本提質(zhì)、節(jié)能減排的發(fā)展目標(biāo)，這也是目前煉油廠化驗室引進(jìn)高效液相色譜儀的重要原因[7,8]。

在煉油產(chǎn)業(yè)中，高效液色譜有著無可比擬的重要優(yōu)勢和特點(diǎn)。第一，顯著降低生產(chǎn)成本，如進(jìn)樣過程由人工作業(yè)改為全自動進(jìn)樣，減少人力投入，還能降低人工失誤造成的損失，值得注意的是，在樣品進(jìn)樣之前對其進(jìn)行預(yù)處理，如使用流動相作為溶劑配置樣品，能夠有效提高樣品溶解性，提高處理效率；第二，應(yīng)用范圍廣，能夠檢測易揮發(fā)和分解、分子量大且不穩(wěn)定的有機(jī)化合物，為微生物研究開發(fā)提供檢測需求；能夠?qū)崿F(xiàn)煉油廠中加氫航煤T501含量的有效分析和管控；能夠分析和檢測微生物中發(fā)酵液的有機(jī)酸種類，并給出相應(yīng)數(shù)據(jù)支撐；還可以測定廢水中苯酚，煉油加工過程中會產(chǎn)生含有苯酚及其他物質(zhì)的工業(yè)廢水，具有較高污染和危害，通過高效液相色譜分析法可以分析和測定間苯二酚、鄰苯二酚和苯醌等成分，對煉油產(chǎn)業(yè)發(fā)展有十分重要的意義。此外，隨著高效液色譜技術(shù)的快速發(fā)展，其在復(fù)雜混合物的分離和分析方面逐漸取得突破性進(jìn)展，如以二氯甲烷、正己烷為流動相，采用多維高效液相色譜技術(shù)對渣油中各類烴族進(jìn)行有效分離和檢測。

4 結(jié)語

綜上所述，高效液相色譜作為色譜法的一種，在煉油產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用。當(dāng)下，高效液相色譜原理、相關(guān)技術(shù)、儀器及關(guān)聯(lián)技術(shù)快速發(fā)展，其分離速度、反應(yīng)靈敏及選擇度等優(yōu)勢也將進(jìn)一步突破，但其中的缺陷和不足還仍需完善。希望通過本文對高效液相色譜的講解能得到更多關(guān)注和研究，以便獲得更加精準(zhǔn)的分離和測定結(jié)果，為煉油產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供更加堅實(shí)的保障。