第2章色谱分析导论.

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1、第二章 色谱分析方法导论 一、 概述 历史、色谱分离过程、分类 二、色谱流出曲线 色谱图及相关术语 三、色谱法基本原理 描述分配过程参数、峰间距、峰形状和峰宽的理论描述(塔板理论及速率理论) 四、分离度及色谱分离方程 分离度及色谱分离方程、影响分离的因素 五、色谱常用的定性定量方法 色谱分析中常采用的定性与定量分析方法,一、 概述 化学分析方法的基本要求是其选择性要高。即，在分析过程中，待测物与潜在的干扰物的分离是最为重要的步骤！ 20 世纪中期，大量采用一些经典的分离方法：沉淀、蒸馏和萃取 现代分析中，大量采用色谱和电泳分离方法。迄今为止，色谱方法是最为有效的分离手段，其应用涉及每个科学领域

2、。 历史：1903年，俄国植物学家Mikhail Tswett 最先发明。他采用填充有固体CaCO3细粒子的玻璃柱，将植物色素的混合物（叶绿素和叶黄素 chlorophylls “graphein”=write) 。 50年代，色谱发展最快（一些新型色谱技术的发展；复杂组分分析发展的要求。 1937-1972年，15年中有12个Nobel奖是有关色谱研究的。,A.J.P. Martin R.L.M. Synge 1952年化学Nobel奖 开创了气相色谱法。,(一) 色谱分离基本原理： 使用外力使含有样品的流动相（气体、液体或超临界流体）通过一固定于柱或平板上、与流动相互不相溶的固定相表面。样

3、品中各组份在两相中进行不同程度的作用。与固定相作用强的组份随流动相流出的速度慢，反之，与固定相作用弱的组份随流动相流出的速度快。由于流出的速度的差异，使得混合组份最终形成各个单组份的“带(band)”或“区(zone)”，对依次流出的各个单组份物质可分别进行定性、定量分析。 (二）色谱分类方法： 1. 按固定相外形分： 柱色谱（填充柱、空心柱）、平板色谱（薄层色谱和纸色谱。,2. 按两相状态分,3. 按色谱分离的机理分 利用组分在吸附剂（固定相）上的吸附能力强弱不同而得以分离的方法，称为吸附色谱法。 利用组分在固定液（固定相）中溶解度不同而达到分离的方法称为分配色谱法。 利用组分在离子交换剂（

4、固定相）上的亲和力大小不同而达到分离的方法，称为离子交换色谱法。 利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透而达到分离的方法，称为凝胶色谱法或空间排阻色谱法。 最近，又有一种新分离技术，利用不同组分与固定相（固定化分子）的高专属性亲和力进行分离的技术称为亲和色谱法，常用于蛋白质的分离。,4. 按照展开程序分类 按照展开程序的不同，可将色谱法分为洗脱法、顶替法、和迎头法。 （1）洗脱法也称冲洗法。工作时，首先将样品加到色谱柱头上，然后用吸附或溶解能力比试样组分弱得多的气体或液体作冲洗剂。由于各组分在固定相上的吸附或溶解能力不同，被冲洗剂带出的先后次序也不同，从而使组分彼此分离。流出曲线下图。,这

5、种方法能使样品的各组分获得良好的分离，色谱峰清晰。此外，除去冲洗剂后，可获得纯度较高的物质。目前，这种方法是色谱法中最常用的一种方法。,（2）顶替法是将样品加到色谱柱头后，在惰性流动相中加入对固定相的吸附或溶解能力比所有试样组分强的物质为顶替剂（或直接用顶替剂作流动相），通过色谱柱，将各组分按吸附或溶解能力的强弱顺序，依次顶替出固定相。很明显，吸附或溶解能力最弱的组分最先流出，最强的最后流出。顶替法的流出曲线如下图。,此法适于制备纯物质或浓缩分离某一组分；其缺点是经一次使用后，柱子就被样品或顶替剂饱和，必须更换柱子或除去被柱子吸附的物质后，才能再使用。,（3）迎头法是将试样混合物连续通过色谱柱

6、，吸附或溶解能力最弱的组分首先一纯物质的状态流出，其次则以第一组分和吸附或溶解能力较弱的第二组分混合物，以此类推。流出曲线如下图。,该法在分离多组分混合物时，除第一组分外，其余均非纯态，因此仅适用于从含有微量杂质的混合物中切割出一个高纯组分（组分A），而不适用于对混合物进行分离。,A,A+ B,二、 色谱流出曲线（色谱图） 色谱流出曲线 由检测器输出的电信号强度对时间作图，所得曲线称为色谱流出曲线。曲线上突起部分就是色谱峰。 如果进样量很小，浓度很低，在吸附等温线（气固吸附色谱）或分配等温线（气液分配色谱）的线性范围内，则色谱峰是对称的。,色谱流出曲线（色谱图） 混合组分的分离过程及检测器对各

7、组份在不同阶段的响应,色谱术语： 1）基线：在实验条件下，色谱柱后仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线称为基线，S/N大的、稳定的基线为水平直线。 2）峰高：色谱峰顶点与基线的距离。,3）保留值(Retention value, R) a. 死时间(Dead time, t0) ：不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大值时的时间，它与色谱柱的空隙体积成正比。由于该物质不与固定相作用，因此，其流速与流动相的流速相近。据 t0 可求出流动相平均流速,b. 保留时间tr：试样从进样到出现峰极大值时的时间。它包括组份随流动相通过柱子的时间t0和组份在固定相中滞留的时间。 c. 调整保留时间 ：某组份的保

8、留时间扣除死时间后的保留时间，它是组份在固定相中的滞留时间。即 由于时间为色谱定性依据。但同一组份的保留时间与流速有关，因此有时需用保留体积来表示保留值。 d. 死体积V0：色谱柱管内固定相颗粒间空隙、色谱仪管路和连接头间空隙和检测器间隙的总和。勿略后两项可得到： 其中，Fco为柱出口的载气流速（mL/min)，其值为： F0-检测器出口流速；Tr-室温；Tc-柱温；p0-大气压；pw-室温时水蒸汽压。,e. 保留体积Vr：指从进样到待测物在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积。 f. 调整保留体积 ：某组份的保留体积扣除死体积后的体积。 g. 相对保留值r2,1：组份2的调整保留值与组份

9、1的调整保留值之比。 注意： r2,1只与柱温和固定相性质有关，而与柱内径、柱长L、填充情况及流动相流速无关，因此，在色谱分析中，尤其是GC中广泛用于定性的依据！ 具体做法：固定一个色谱峰为标准s，然后再求其它峰 i 对标准峰的相对保留值，此时以 表示： 1, 又称选择因子(Selectivity factor)。,h. 区域宽度：用于衡量柱效及反映色谱操作条件下的动力学因素。通常有三种表示方法： 标准偏差：0.607倍峰宽处的一半。 半峰宽W1/2：峰高一半处的峰宽。W1/2=2.354 峰底宽W：色谱峰两侧拐点上切线与基线的交点间的距离。W= 4 色谱流出曲线的意义： 色谱峰数=样品中单组

10、份的最少个数； 色谱保留值定性依据； 色谱峰高或面积定量依据； 色谱保留值或区域宽度色谱柱分离效能评价指标； 色谱峰间距固定相或流动相选择是否合适的依据。,三、 色谱法基本原理 两组份峰间距足够远：由各组份在两相间的分配系数决定，即由色谱过程的 热力学性质决定。 每个组份峰宽足够小：由组份在色谱柱中的传质和扩散决定，即由色谱过程 动力学性质决定。 因此，研究、解释色谱分离行为应从热力学和动力学两方面进行。 （一）描述分配过程的参数 分配系数(Distribution constant, K)： 描述组份在固定相和流动相间的分配过程或吸附-脱附过程的参数，称为分配系数。 K 只与固定相和温度有关

11、，与两相体积、柱管特性和所用仪器无关。,2. 分配比(Retention factor or capacity factor, k)： 在一定温度和压力下，组份在两相间的分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比，称为分配比它反映了组分在柱中的迁移速率。又称保留因子。 其中VmV0，Vs为固定相体积。 分配比 k 的求算： 1）组分滞留因子： 2）又， 3）因此，,3. K 与 k 的关系： 称为相比率，它也是反映色谱柱柱型特点的参数。对填充柱，=635；对毛细管柱， =60600。 4. 选择因子 ：色谱柱对A、B两组分的选择因子 定义如下： A为先流出的组分，B为后流出的组分。,4. 分

12、配系数 K 及分配比 k 与选择因子的关系 对A、B两组分的选择因子，用下式表示： = tr (B) / tr (A) = k（A） / k（B） =K（A） / K（B） 注意：K 或 k 反映的是某一组分在两相间的分配；而 是反映两组分间的分离情况！当两组分 K 或 k 相同时， =1 时，两组分不能分开；当两组分 K 或 k 相差越大时， 越大，分离得越好。也就是说，两组分在两相间的分配系数不同，是色谱分离的先决条件。 和 k 是计算色谱柱分离效能的重要参数！(热力学和动力学的结合) 下图是 A、B两组分沿色谱柱移动时，不同位置处的浓度轮廓。,KA KB,A,B,A,B,浓度,沿柱移动距

13、离 L,溶质A和B在沿柱移动时不同位置处的浓度轮廓,图中KAKB ，因此，A组分在移动过程中滞后。随着两组分在色谱柱中移动距离的增加，两峰间的距离逐渐变大，同时，每一组分的浓度轮廓（即区域宽度）也慢慢变宽。显然，区域扩宽对分离是不利的，但又是不可避免的。若要使A、B组分完全分离，必须满足以下三点： 第一，两组分的分配系数必须有差异；(热力学特性) 第二，区域扩宽的速率应小于区域分离的速度；(动力学特性) 第三，在保证快速分离的前提下，提供足够长的色谱柱。 第一、二点是完全分离的必要条件。作为一个色谱理论，它不仅应说明组分在色谱柱中移动的速率，而且应说明组分在移动过程中引起区域扩宽的各种因素。塔

14、板理论和速率理论均以色谱过程中分配系数恒定为前提，故称为线性色谱理论。,（二）峰间距、峰形状和峰宽的理论描述 1. 塔板理论（Plate theory) 1952年，Martin等人提出的塔板理论将一根色谱柱当作一个由许多塔板组成的精馏塔，用塔板概念来描述组分在柱中的分配行为。塔板是从精馏中借用的，是一种半经验理论，但它成功地解释了色谱流出曲线呈正态分布。 塔板理论假定： 1）塔板之间不连续； 2）塔板之间无分子扩散； 3）组分在各塔板内两相间的分配瞬间达至平衡，达一次平衡所需柱长为理论塔板高度H； 4）某组分在所有塔板上的分配系数相同； 5）流动相以不连续方式加入，即以一个一个的塔板体积加入

15、。 当塔板数n较少时，组分在柱内达分配平衡的次数较少，流出曲线呈峰形，但不对称；当塔板数n50 时，峰形接近正态分布。,根据呈正态分布的色谱流出曲线可以导出计算塔板数n的公式，用以评价一根柱子的柱效。由于色谱柱并无真正的塔板，故塔板数又称理论塔板数： 可见理论塔板数由组分保留值和峰宽决定。 若柱长为L，则每块理论塔板高度H为 由上述两式知道，理论塔板数n越多、理论塔板高度H越小、色谱峰越窄，则柱效越高。 但上述两式包含死时间t0，它与组分在柱内的分配无关，因此不能真正反映色谱柱的柱效。通常以有效塔板数neff 和有效塔板高度Heff 表示：,有关塔板理论的说明： 1）说明柱效时，必须注明该柱效

16、是针对何种物质、固定液种类及其含量、流动相种类及流速、操作条件等； 2）应定期对柱效进行评价，以防柱效下降、延长柱寿命。 3）塔板理论描述了组分在柱内的分配平衡和分离过程、导出流出曲线的数学模型、解释了流出曲线形状和位置、提出了计算和评价柱效的参数。 但该理论是在理想情况下导出的，未考虑分子扩散因素、其它动力学因素对柱内传质的影响。因此它不能解释： 峰形为什么会扩张？ 影响柱效（板高）的动力学因素是什么？ 不同的流动相流速下为什么具有不同的柱效？,2. 速率理论（Rate theory） 1956年，荷兰化学工程师van Deemter提出了色谱过程动力学速率理论：吸收了塔板理论中的板高H概念，考虑了组分在两相间的扩散和传质过程，从而给出了van Deemter方程： u 为流动相线速度； A，B，C为常数，其中 A分别表示涡流扩散系数； B分子扩散系数； C传质阻力系数（包括液相和固相传质阻力系数）。 该式从动力