色谱概述以及色谱理论基础

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1、色谱概述和色谱理论基础 石油化工科学研究院 色谱法历史 色谱法分类 色谱有关术语 色谱基本理论 气相色谱流程 色谱法的历史 色谱法的历史 1903年，Tswett 发表了吸附色谱分离植物 色素的论文，并于1906年正式提出色谱法 。 1931年，Ledeer的工作，色谱技术受到重 视。 1938年,Izomailov 和Shraiber 薄层色谱， 同年，Taylor和 Uray用离子交换色谱分离 了锂和钾同位素 1944年，美国橡树岭实验室和衣阿华州大 学分离和鉴定了稀土元素。 1941年，Martin和Synge发展了分配色谱。 色谱法的历史 1944年，Martin发展了纸色谱 1952

2、年，Martin和 James发展了气-液分配 色谱，气相色谱问世。 1956年，Van Deemter等发表了速率理论。 1957年，制作了离子色谱交换氨基酸分析仪 。 1959年，凝胶过滤色谱。 Giddings 于1963年奠定色谱理论。 1969年，现代液相色谱，1975年，离子色谱法 。 1981年，毛细管电泳。 色谱法分类 按两相状态分类 气体为流动相的色谱称为气相色谱（ GC），根据固定相是固体吸附剂还是固定 液（附着在惰性载体上的一薄层有机化合 物液体），又可分为气固色谱（GS C）和 气液色谱（GLC）液体为流动相的色谱 称液相色谱（LC）。同理，液相色谱亦可 分为液固色谱（

3、LSC）和液液色谱（LLC ）超临界流体为流动相的色谱称为超临 界流体色谱（SFC）。 色谱法分类 按分离机理分类 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（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，称为凝胶色谱法或尺寸排阻色谱法 。 色谱法分类 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 亲和力不同进行分离的技术称为亲和色 谱法，常用于蛋

4、白质的分离 按固定相的外形分类 固定相装于柱内的色谱法，称为柱 色谱。固定相呈平板状的色谱法，称为 平板色谱，它又可分为薄层色谱和纸色 谱。 色谱有关术语 色谱有关术语 基线 是柱中仅有流动相通过时，检测器 响应信号的记录值，稳定的基线应该是一 条水平直线。 保留值 1.保留时间tR 试样从进样开始到柱后出现 峰极大点时所经历的时间，称为保留时间 。 2.死时间tM 不被固定相吸附或溶解的物 质进入色谱柱时，从进样到出现峰极大值 所需的时间称为死时间。 色谱有关术语 3调整保留时间tR 某组份的保留时间扣除死时间后称为 该组份的调整保留时间，即 tR = tR-tM 组分在色谱柱中的保留时间t

5、R包含了组分随 流动相通过柱子所需的时间和组分在固定 相中滞留所需的时间。保留时间可用时间 单位（s）或距离单位（cm）表示。 色谱有关术语 注意：但同一组分的保留时间常受到流动 相流速的影响，因此有时用保留体积等 参数进行定性。 4保留体积 VR 指从进样开始到被测组份在柱后出 现浓度极大点时所通过的流动相体积。 保留体积与保留时间tR的关系如下： VR = tRF0 色谱有关术语 5死体积 VM 指色谱柱在填充后，柱管内固定相颗粒间所 剩留的空间、色谱仪中管路和连接头间的空间 以及检测器的空间的总和当后两项很小而可 忽略不计时，死体积可由死时间与流动相体积 流速F0（mLmin）计算： V

6、M = tMF0 6调整保留体积VR 某组份的保留体积扣除死体积后，称该组 份的调整保留体积，即 VR = VR- VM 色谱有关术语 7相对保留值2.1 某组份2的调整保留值与组份1的调 整保留值之比，称为相对保留值： 色谱有关术语 注意：由于相对保留值只与柱温及固定 相的性质有关，而与柱径、柱长、填充 情况及流动相流速无关，是气相色谱中 广泛使用的定性数据。 相对保留值绝对不是两个组份保留 时间或保留体积之比。 分离度、柱效、理论塔板数、有效 塔板数的概念在“色谱基本理论”介绍 。 色谱有关术语 选择因子 在定性中，通常固定一个色谱峰作为 标准（s），然后再求其它峰（i）对这 个峰的相对保

7、留值。将它们的相对保留 值作为重要参数，可用符号表示： tR2为后出峰的 调整保留时间， 所以这时总是 大于1的 色谱有关术语 峰高 色谱峰顶点与基线之间的垂直距 离，以h表示。 区域宽度（峰宽、半峰宽） 色谱峰的区域宽度是组份在色谱柱中 谱带扩张的函数，它反映了色谱操作条 件的动力学因素度量色谱峰区域宽度 通常有三种方法: 1. 标准偏差 即0.607倍峰高处色谱峰宽的一半 ，如上图中EF距离的一半。 色谱有关术语 2. 半峰宽W1/2 即峰高一半处对应的峰宽，如前图中 GH间的距离它与标准偏差的关系是 ： W1/2 = 2.354 3.基线宽度W 即色谱峰两侧拐点上的切线在基线 上的截距，

8、如前图中IJ的距离它与标准 偏差的关系是： W = 4 峰面积：A=1.065XW1/2bXh 色谱有关术语 从色谱流出曲线上，可以得到许多重要信息： (l）根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组 分的最少个数。 （2）根据色谱峰的保留值，进行定性分析。 (3) 根据色谱峰的峰面积或峰高，进行定量分 析。 （4）色谱峰的保留值及其区域宽度（峰高、峰 面积），是评价色谱柱分离效能的依据。 （5）色谱峰两峰间的距离，是评价固定相(和 流动相)选择是否合适的依据。 色谱基本理论 概述 分配系数K和分配比k 塔板理论 速率理论 分离度 基本色谱保留式 色谱基本理论 概述 色谱分析的目的是将样品中各组分

9、彼此 分离，组分要达到完全分离，两峰间的距离 必须足够远，两峰间的距离是由组分在两相 间的分配系数决定的，即与色谱过程的热力 学性质有关。但是两峰间虽有一定距离，如 果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能 分开。这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱中 传质和扩散行为决定的，即与色谱过程的动 力学性质有关。 色谱基本理论 分配系数K和分配比k 分配系数是指在一定温度和压力下，组分在固定相 和流动相之间分配达平衡时的浓度之比值，即 分配比又称容量因子，它是指在一定温度和压力 下，组分在两相间分配达平衡时，分配在固定相 和流动相中的质量比。即 色谱基本理论 它是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要 参数。

10、k值也决定于组分及固定相热力学性 质。它不仅随柱温、柱压变化而变化，而且 还与流动相及固定相的体积有关。 分配系数K与 分配比k的关系 称为相比率，它是 反映各种色谱柱型特 点的又一个参数。 色谱基本理论 分配系数K及分配比k与选择因子的关系 通过选择因子把实测值k与分配系数K直接联系 起来，对固定相的选择具有实际意义。如果 两组分的K或k值相等，则=1，两个组分的色 谱峰必将重合，说明分不开。两组分的K或k值 相差越大，则分离得越好。因此两组分具有不 同的分配系数是色谱分离的先决条件。 色谱基本理论 塔板理论 最早由Martin等人提出塔板 理论，在平衡色谱理论基础上发展起来, 把色谱柱比作

11、一个精馏塔，沿用精馏塔 中塔板的概念来描述组分在两相间的分 配行为，同时引入理论塔板数作为衡量 柱效率的指标。 四点假设: 1)、在柱内一小段长度H内，组 分可以在两相间迅速达到平衡。这一小 段柱长称为理论塔板高度H 色谱基本理论 2）载气进入色谱柱不是连续进行的，而是脉 动式，每次进气为一个塔板体积（Vm）。 3）所有组分开始时存在于第0号塔板上，而 且试样沿轴（纵）向扩散可忽略。 4）分配系数在所有塔板上是常数，与组分在 某一塔板上的量无关。 色谱基本理论 由于死时间tm包括在tr中,而实际的tm不参与柱 内分配,所计算的n值尽管很大,H很小,但与实 际柱效能相差甚远。采用有效理论塔板数n

12、eff 和有效塔板高Heff评价柱效能。 色谱基本理论 塔板理论形象地描述了溶质在色谱柱中的 分配平衡和分离过程，导出流出曲线的 数学模型，并成功地解释了流出曲线的 形状及浓度极大值的位置，还提出了计 算和评价柱效的参数。 存在问题： 1 不能解释造成谱带扩张的原因和影 响板高的各种因素； 2 不能说明为什么在不同流速下可以测 得不同的理论塔板数。 色谱基本理论 速率理论 吸收了塔板理论中板高的概 念，并充分考虑了组分在两相间的扩散和 传质过程，从而在动力学基础上较好地解 释了影响板高的各种因素 色谱基本理论 分子涡流项：在填充色谱柱中，当组分随流动 相向柱出口迁移时，流动相由于受到固定相 颗

13、粒障碍，不断改变流动方向，使组分分子 在前进中形成紊乱的类似“涡流”的流动，故 称涡流扩散。 A2dp A与填充物的平均直径dp的大小和填充不规 则因子有关，与流动相的性质、线速度和组 分性质无关。为了减少涡流扩散，提高柱效 ，使用细而均匀的颗粒，并且填充均匀是十 分必要的。对于空心毛细管，不存在涡流扩 散，因此A0。 色谱基本理论 分子扩散项B/u（纵向扩散项） 纵向分子扩散是由浓度梯度造成的。组 分从柱入口加入，其浓度分布的构型呈“塞 子”状。由于存在浓度梯度，“塞子”必然自 发地向前和向后扩散，造成谱带展宽。分 子扩散项系数为 B2Dg 式中是填充柱内流动相扩散路径弯曲的 因素，也称弯曲

14、因子，它反映了固定相颗 粒的几何形状对自由分子扩散的阻碍情况 。Dg为组分在流动相中扩散系数（cm2s-1 ）。 色谱基本理论 传质阻力项Cu 对于气液色谱，传质阻力系数C包括气相传质阻 力系数Cg和液相传质阻力系数Cl两项， 即 CCgCl 气相传质过程是指试样组分从气相移动到固定相表 面的过程。这一过程中试样组分将在两相间进行 质量交换，即进行浓度分配。有的分子还来不及 进入两相界面，就被气相带走；有的则进入两相 界面又来不及返回气相。这样，使得试样在两相 界面上不能瞬间达到分配平衡，引起滞后现象， 从而使色谱峰变宽。对于填充柱，气相传质阻力 系数Cg为 色谱基本理论 由上式看出，气相传质

15、阻力与填充物粒度 的平方成正比、与组分在载气流中的扩散 系数成反比。因此，采用粒度小的填充物 和相对分子质量小的气体（如氢气）做载 气，可使Cg减小，提高柱效。 色谱基本理论 固定相的液膜厚度df薄，组分在液相的扩散系数 Dl大，则液相传质阻力就小。降低固定液的含 量，可以降低液膜厚度，但k值随之变小，又 会使C1增大。当固定液含量一定时，液膜厚度 随载体的比表面积增加而降低，因此，一般采 用比表面积较大的载体来降低液膜厚度，但比 表面太大，由于吸附造成拖尾峰，也不利分离 。虽然提高柱温可增大Dl，但会使k值减小，为 了保持适当的Cl值，应控制适宜的柱温。 色谱基本理论 将上面式总结，即可得气

16、液色谱速率板高方程: 这一方程对选择色谱分离条件具有实际指导 意义，它指出了色谱柱填充的均匀程度，填料 颗粒的大小，流动相的种类及流速，固定相的 液膜厚度等对柱效的影响。 色谱基本理论 色谱基本理论 分离度(柱效和选择性对分离的影响) 看下图 色谱基本理论 上图说明了柱效和选择性对分离的影响。图 中（a）两色谱峰距离近并且峰形宽。两峰严 重相叠，这表示选择性和柱效都很差。图中 （b）虽然两峰距离拉开了，但峰形仍很宽， 说明选择性好，但柱效低。图中（c）分离最 理想，说明选择性好，柱效也高。 单独用柱效或选择性不能真实反映组分 在色谱柱中分离情况，故需引入一个综合性 指标分离度R。 色谱基本理论 分离度又叫分辨率，它定义为相邻两组分色 谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽总和之 半的比值，即 气相色谱色谱流程 气相色谱色谱流程 一、概述 GC是Martin 等人在研究液液分配色谱 的基础上，于1952 年