第15章 色谱分析法导论

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1、第十五章 色谱分析法导论,15-1 概 述15-2 色谱分离原理15-3 色谱法基本理论15-4 分离度15-5 色谱定性分析15-6 色谱定量分析,15-1 概 述,一、 色谱法（chromatography)色谱法:是一种分离、分析多组分混合物的技术。 创始人： 俄国植物学家 茨维特（M.Tswett) 在1906年分离植物色素。使用的色谱装置如图15-1所示。,图15-1色谱原型,固定相(stationary phase)： 色谱柱中的一相固定不动，称为固定相；流动相(mobile phase)： 携带试样混合物流过固定相的流体(气体或液体)，称为流动相。分离原理： 混合物各组分在互不相

2、溶的两相间具有不同的分配系数。 试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在色谱分离柱中的两相间不断进行分配的过程。,图15-1色谱原型,1941年，英国生物学家马丁 将经典色谱与适当的柱后检测方法相结合，实现了混合物中无色组分的分离与检测。色谱分析已成为近代分析的重要手段之一,马丁(A.J.P.Martin，英国),辛格(R.L.M.Syngee，英国),1952年马丁(A.J.P.Martin)和辛格(R.L.M.Syngee)发明了液-液分配色谱法，并利用纸色谱法使氨基酸在一张滤纸上被成功分离分析，由此获得了1952年的诺贝尔化学奖。,图15-2 气相色谱仪,二、色谱法的分类 1.按两相所处

3、的状态分类 按流动相的状态分类：气相色谱法和液相色谱法。气相色谱法(gaschromatography , GC)： 流动相为气体（称为载气）。 适用于气体和低沸点有机化合物的分析，仪器简单，操作方便，应用广泛。可在不同操作温度条件下使用。气相色谱法按固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱。,液相色谱法(liquid chromatography , LC)： 流动相为液体（也称为淋洗液）。 适用于高沸点、不易气化的、热不稳定及生物活性物质的分析，通常在室温条件下工作。液相色谱法按固定相的不同又分为：液固色谱和液液色谱。2.按固定相所处的外形分类 按分离柱不同可分为：柱色谱和平板色谱。柱色谱又

4、分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱；平板色谱又分为：薄层色谱和纸色谱。,3.按组分在两相间的分离机理分类（1）吸附色谱法(adsorption chromatography)： 利用不同组分在吸附剂（固定相）上物理吸附性能不同而得以分离的方法。（2）分配色谱法(partition chromatography) 利用不同组分在两相中有不同的分配系数而达到分离的方法。（3）离子交换色谱（4）离子色谱法（5）空间排阻色谱,三、色谱法的特点1.分离效能高： 能在较短时间内对复杂混合物、性质相近的有机同系物及旋光异构体等同时进行分离和测定。2.灵敏度高： 可以检测出gg-1(10-6)级， 甚至ngg-1

5、(10-9)。3.分析速度快： 一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。4.应用范围广： 色谱法几乎能分析所有的化学物质。 （有机、无机、气态、液态、固态）不适于色谱分离或检测的物质，可通过化学衍生等方法转化为适于色谱分离和分析的物质。,缺点：对未知物的定性分析较为困难，需要标准品（纯品）。对于气相色谱分析来说，不适用于高沸点、难挥发、热不稳定物质的分析。发展方向：色谱-质谱，色谱-红外光谱等联用技术。,一、分离原理 气相色谱分离过程是在色谱柱内完成的，气固色谱和气液色谱，两者的分离机理不同。 气固色谱的固定相： 多孔性的固体吸附剂颗粒，其分离是基于固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的

6、不同。 气液色谱的固定相：由担体和固定液所组成，其分离是基于固定液对试样中各组分的溶解能力的不同。,15-2 色谱分离原理,1. 液液色谱（分配色谱柱） 色谱柱内填充着涂在固体担体上的液体固定相，流动相则连续不断地流经其间，两相充分接触，但互不相溶。2.分配： 组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、挥发的过程叫做分配过程。,图15-4 气相色谱分离过程,二、分配系数和分配比 1.分配系数K(distribution coefficient) 在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度比，称为分配系数，用K表示，即：,K值与温度、压力有关。 K值还与组分的性质、固定相和流动相的性质

7、有关。 试样一定时，K值主要取决于固定相性质，选择适宜的固定相可改善分离效果。 K值的大小表明了组分与固定相分子间作用力的大小。 一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢。 例：某组分K = 0时(即不被固定相保留)最先流出。 试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础，K值相差越大，越容易实现分离。,分配系数K,2.分配比k(容量因子capacity factor ） 在一定温度和压力下，组分在两相间分配达到平衡时，分配在固定相和流动相中的总量之比，用k 表示：,VM：为色谱柱中流动相体积，即柱内固定相颗 粒间的空隙体积；VS：为色谱柱中固定相体积，在不同类型的色谱法 中含义不同。例如： 在

8、吸附色谱中为吸附剂表面容量； 在分配色谱中为固定液体积。,分配比k与温度、压力有关。 分配比k还与组分的性质、固定相和流动相的性质有关。 分配比k是一个重要的色谱参数。 分配比k值可以方便地由色谱图直接求得。 分配比k的大小直接影响组分在柱内的传质阻力、柱效能及柱的物理性质。,分配比k,3. 相比： VM 与VS之比称为相比。 相比反映了各种色谱柱柱型及其结构的特点。4. 分配系数与分配比之间的关系,图15-5 气相色谱流出曲线,三、气相色谱流出曲线及有关术语色谱流出曲线： 电信号强度随时间变化的曲线称为色谱流出曲线，也叫色谱图。,1.基线色谱柱中仅有流动相通过检测器时，检测到的信号。2.峰高

9、 从色谱峰顶点到基线之间的垂直距离（h）。 峰越高，含量越高。,3.区域宽度 用来衡量色谱峰宽度的参数，有三种表示方法（1）标准偏差（）： 即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。,（2）半峰宽(Peak width at half height)（Y1/2）： 色谱峰高一半处的宽度 Y1/2 =2.354 （3）峰底宽（Wb）： Wb = 4,4.保留值 （retention value) （1）用时间表示的保留值 保留时间(tR)： 组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间。 死时间(tM)： 不与固定相作用的气体（如空气）的保留时间。 调整保留时间(tR )： tR = tRtM,（2）

10、用体积表示的保留值保留体积(VR)： 组分从进样到柱后出现浓度极大值时所通过的流动相体积 VR = tRF0（ F0为色谱柱出口处的流动相体积流速，单位：mL min-1） 死体积(VM)： 色谱柱内未被固定相占据的空隙体积 VM = tM F0调整保留体积(VR )： VR = VR VM,（3）相对保留值 r21(relative retention value) 组分2与组分1调整保留值之比：,a.相对保留值只与柱温和固定相性质有关，与其他色谱操作条件无关，b.它表示了固定相对这两种组分的选择性。c.由于相对保留值往往可作为衡量固定相选择性的指标，因而又称选择性因子。,气相色谱中，与含量

11、成正比的是 （1）保留体积； （2）保留时间；（3）相对保留值； （4）峰高；（5）峰面积。答案： （4） （5）,5.保留值与分配系数K的关系,VR VRVMKVSVR：调整保留体积VS：柱内固定相所占的体积。K：分配系数上式将反映色谱行为的保留值（ VR 、VM、 VR ）与反映物质性质的热力学常数K 联系起来了。,6.保留值与分配比k的关系,公式变换：VR = VM (1+k )tR = tM (1+k )分配比k是色谱柱对组分保留能力的参数， k值越大，保留时间越长。根据此式，可以从色谱图求得k值。,5.色谱流出曲线的应用：（1）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

12、）根据色谱峰的保留值（或位置）可以进行定性分析；（3）根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量分析；（4）利用色谱峰的保留值及其区域宽度，可以对色谱柱的分离效能进行评价；（5）根据色谱峰两峰间的距离，可以对固定相（和流动相）的选择是否合适进行评价。,例题1 组分从气液色谱流出需10.0min，组分需22.0min，而不被固定相保留的组分流出色谱柱需2.0min。计算：（）组分相对于组分的relative retention value ；（）组分相对于组分的relative retention value ；（） 组分在柱中的分配比。（4） 组分B在柱中的分配比。,解：,例题2某气液色谱分析中得到下

13、列数据：死时间tM=1.0min，保留时间tR=6.0min，固定液体积VS=2.0mL,载气体积流速F0=45mLmin-1。试计算：（）分配比k（）死体积VM（)distribution coefficient K（）保留体积VR,解：,15-3 色谱法基本理论,图15-2 两组分的分离情况,要使两组分能完全分离，必须满足以下两点：（1）两组分的保留值差异要足够大。两组分色谱峰间的距离受色谱体系的热力学过程所决定。色谱体系的热力学过程：指与该体系分配平衡直接有关的过程。（2）两组分的色谱峰要足够窄。色谱体系的动力学过程：是指组分在色谱柱内两相间所发生的扩散和传质过程。,一、塔板理论(pla

14、te theory)柱分离效能指标 最早于1941年由詹姆斯和马丁提出，并用数学模型描述了色谱分离过程,图15-4 气相色谱分离过程,设：色谱柱长L，虚拟的理论塔板高度H，则组分达成分配平衡的次数为n = L / Hn ：色谱柱的理论塔板数理论塔板数与色谱参数之间的关系为：,由于组分在tM 时间内不参与柱内分配，则引入有效塔板数和有效塔板高度，则计算式如下：,注意：同一色谱柱用不同物质计算可得到不同的塔板数。,塔板理论的特点:,1. L固定时，n值越大或H越小，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能越高，分离能力越强。2.当tR一定时，色谱峰越窄则n值越大，或H越小，柱效能越高。3. 不同物质

15、在同一色谱柱上的分配系数不同，柱效能是不一样的。用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。,4.柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数K 相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。 5.塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。,二、速率理论(rate theory)影响柱效的因素 1956年由荷兰范第姆特（Van Deemter）等人在研究气液色谱时提出的速率方程（也称范第姆特方程式）: H = A + B/u + Cu H：理论塔板高度，单位： cm u：流动相的平均线速度(cm s-1) A：涡流扩散项，单位： cm B：分子扩散项系数，单位： cm2 s-1 C：传质阻力项系数，单位：s,