色谱分析法导论

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1、色谱分析法导论仪器分析电化学分析法光分析法色谱分析法热分析法分析仪器联用技术质谱分析法光分析方法的分类光分析法原子吸收法红外法原子发射法核磁法荧光法紫外可见法分子光谱原子光谱色谱分析方法的分类色谱分析法气相色谱法薄层色谱法液相色谱法激光色谱法电色谱法超临界色谱法分离分析方法的发展l1. 分析对象的复杂性l 天然产物提取具有生理活性的组分；紫杉醇l 中草药有效组分的测定、分离l2. 药物、高纯试剂的制备 l 青霉素过敏的原因：含微量其他组分；l 提纯后可口服3. 分析过程中的干扰l 仪器分析的选择性和灵敏度不断提高，l 但在很多情况下有干扰存在。干扰组分分离常用的分离分析方法l蒸馏、重结晶、萃取

2、l性质特别接近物质如何分离?l1.沉淀分离法l 传统分离方法，采用沉淀剂；液-固分离。l2.溶剂萃取分离法l 被分离物质由一液相转入互不相溶的另一液相的过 程；l 液-液两相；互不相溶。l 超临界萃取。常用的分离分析方法l3.离子交换分离法l 通过带电荷溶质与固体（或液体）离子交换剂中 可交换的离子进行反复多次交换而达到分离。l4.膜分离技术l 发展较快的一种分离方法；l 模拟生物过程；l 利用半透膜（高选择性）淡化海水。l5.色谱分离方法l 柱层析；制备型气相色谱；制备型液相色谱；色谱分析法简介l教学要求：l了解色谱流出曲线和术语l理解柱效率的物理意义和计算方法l理解速率理论方程对实际分离的

3、指导意义l掌握分离度的计算方法，影响分离度的重要色 谱参数一、色谱法的发展历程l最早创立色谱法的是俄国植物学家Tswett 。l20年后，德国的Kuhn和Lederer才重复了Tswett的某 些实验，用氧化铝和碳酸钙分离了-，-，和-胡萝 卜素，此后用这种方法分离了60多种这类色素。 l在色谱发展史上占有重要地位的英国人A.J. P. Martin(马丁)和R.L.M. Synge(辛格)，他们提出色谱 塔板理论；发明液-液分配色谱；预言了气体可作为 流动相（即气相色谱）。 1952年，因为他们对分配 色谱理论的贡献获诺贝尔化学奖。其中的一相固定不动，称为固 定相；另一相是携带试样混合物流过

4、 此固定相的流体（气体或液体 ），称为流动相。二、色谱法的分类1、按两相状态分类l气相色谱:以气体为流动相l(GC)l液相色谱:以液体为流动相l(LC)l超临界流体色谱(SFC)l以超临界流体为流动相气固色谱(GSC)气液色谱(LSC)液固色谱(LSC)液液色谱(LLC)2、按操作形式分类l柱色谱 纸色谱与薄层色谱3、按分离原理分类l吸附色谱l分配色谱l离子交换色谱l凝胶色谱p色谱图是色谱输出数据。 设 疑p 如何“看”懂色谱图？p 从色谱图中如何获取相应检测结果的信息？三、色谱图及色谱常用术语基本术语l（1）基线l（2）色谱峰的高度、宽 度及面积l峰高 h 峰的最大值 到峰底的距离 l峰宽l

5、有多种表达方法无试样通过检测器时， 检测到的信号即为基线。l 用来衡量色谱峰宽度的 参数，有三种表示方法 ：l（1）标准偏差()：即 0.607倍峰高处色谱峰宽 度的一半。l（2）半峰宽(Y1/2)：色 谱峰高一半处的宽度 Y1/2 =2.354 l（3）峰底宽(Y)：Y=4 l峰面积 A ：色谱峰与峰 底之间的面积，l可由积分仪求得。l(对称的色谱峰)lA=1.065hY1/2l（不对称的色谱峰）（3）色谱保留值l是色谱分析中定性分析 的依据l 死时间（t0）：不与固 定相作用的流动相（如 空气）的保留时间；l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； 调整保留时间（

6、tR ）： tR= tRt0 保留体积（VR）：VR = tRF0F0为柱出口处的流动相的流动速度，单位：m L / min 。 死体积（V0）： V0 = t0 F0调整保留体积(VR)： V R = VR V0 相对保留值r2,1分离过程中组分2与组分1调整保留值之比：r2,1 = tR2 / tR1= VR2 / VR1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，它表示了固定相对这两种组分的选择性。3、分配平衡 （1）分配系数（ partion factor） K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。在一定温度下，组分在两相间 分配达到平

7、衡时的浓度（单位：g / mL）比，称为分配系数 ，用K 表示，即：分配系数是色谱分离的依据。分配系数 K 的讨论 一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢；试样一定时，K主要取决于固定相性质；每个组份在各种固定相上的分配系数K不同；选择适宜的固定相可改善分离效果；试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础；某组分的K = 0时，即不被固定相保留，最先流出。K与出峰顺序的 关系？(2).分配比 （partion radio）k在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配 平衡过程。分配比是指，在一定温度下，组分在两 相间分配达到平衡时的质量比：. 分配系数与分配比都是与组分及固定相的热力学性质有关

8、的常数，随分离柱温度、柱压的改变而变化。 .分配系数与分配比都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值越大，该组分的保留时间越长。 . 分配比可以由实验测得。分配比也称：容量因子(capacity factor)；容量比(capacity factor)；分配比与保留值的关系第二节 色谱分析的基本理论色谱理论需要解决的问题：色谱分离过程的热力学和动力学问题。影响分离及柱效的因素与提高柱效的途径，柱效与分离度的评价指标及其关系。组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？组分保留时间：色谱过程的热力学因素控制；（组分和固定液的结构和性质）色谱峰变宽：色谱过程的动力学因素控制；（两相中的运动阻力，扩散）两

9、种色谱理论：塔板理论和速率理论；塔板理论的假设：(1) 在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅 速达到；(2) 将流动相看作成间歇过程；(3) 试样沿色谱柱方向的扩散可忽略；(4) 每次分配的分配系数相同。一、塔板理论-柱分离效能指标1.塔板理论（plate theory）半经验理论；将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复 （类似于蒸馏塔塔板上的平衡过程）；色谱柱长：L，虚拟的塔板间距离：H，色谱柱的理论塔板数：n，则三者的关系为：n = L / H理论塔板数与色谱参数之间的关系为：保留时间包含死时间，在死时间内不参与分配!2.有效塔板数和有效塔板高度 单位柱

10、长的塔板数越多，表明柱效越高。 用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。 组分在tM时间内不参与柱内分配。需引入有效塔板数和有效塔板高度：3.塔板理论的特点和不足(1)当色谱柱长度一定时，塔板数 n 越大(塔板高度 H 越 小)，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所 得色谱峰越窄。(2)不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，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。(3)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。(4)塔板理论无法解释同一色谱柱在流动相不同的流速下 柱效不同的实验结果，也无法

11、指出影响柱效的因素及提高柱 效的途径。二、 速率理论-影响柱效的因素1. 速率方程（也称范弟姆特方程式）H = A + B/u + Cu H：理论塔板高度，u：流动相的线速度(cm/s)减小A、B、C三项可提高柱效；存在着最佳流速；A、B、C三项各与哪些因素有关？A涡流扩散项A = 2dp dp：固定相的平均颗粒直径 ：固定相的填充不均匀因子固定相颗粒越小dp，填充的越均匀，A，H，柱效 n。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄。（动画）B/u 分子扩散项(主要影 响气相色谱)B = 2 Dg ：弯曲因子，填充柱色谱， 1。Dg：试样组分分子在流动相中的扩散系数（cm2s-1）

12、(1) 存在着浓度差，产生纵向扩散;(2) 扩散导致色谱峰变宽，H(n)，分离变差;(3) 分子扩散项与流速有关，流速，滞留时间，扩散;(4) 在气相色谱中扩散系数：Dg (M载气)-1/2 ；M载气，B值。（动画）k为容量因子； Dg 、Ds为扩散系数。柱效与柱的种类,填充均匀性,载体的粒度,载气的种类和相对分子 质量,固定液,液膜的厚度和柱温等因素有关c u 传质阻力项传质阻力包括流动相传质阻力Cm和固定相传质阻力Cs即：C =（Cm+ Cs）2.载气流速与柱效最佳流速载气流速高时：传质阻力项是影响柱效的 主要因素，流速，柱效。 载气流速低时：分子扩散项成为影响柱效 的主要因素，流速,柱效

13、 。H - u曲线与最佳流速：由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影 响使得存在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对 流速的一阶导数有一极小值。以塔板高度H对应载气流速u作图，曲线最低点的流速即 为最佳流速。3. 速率理论的要点(1)组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散、浓度梯度所 造成的分子扩散及传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬 间达到等因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因。(2)通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载气流速可提高柱效。(3)速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导。 阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。(4) 各种因素相互制约，如载气流

14、速增大，分子扩散项的影响减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使 柱效下降；柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的 影响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。三、 分离度塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分离程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响：保留值之差色谱过程的热力学因素；区域宽度色谱过程的动力学因素。色谱分离中的四种情况如图所示：讨论：色谱分离中的四种情况的讨论： 柱效较高，K(分配系数)较大,完全分离； K不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；柱效较低，K较大,但分离的不好； K小，柱效低，

15、分离效果更差。分离度的表达式：R=0.8：两峰的分离程度可达89%；R=1：分离程度98%；R=1.5：达99.7%（相邻两峰完全分离的标准）。引入相对保留值和塔板数，可导出下式：讨论： （1）分离度与柱效分离度与柱效的平方根成正比， r2,1一定时，增加柱效，可提高分离度，但组分保留时间增加且峰扩展，分析时间长。（2）分离度与r2,1增大r2,1是提高分离度的最有效方法，计算可知，在相同分离度下，当r2,1增加一倍，需要的n有效 减小10000倍。增大r2,1的最有效方法是选择合适的固定相。从色谱的流出曲线上可得到的信息l根据色谱峰的个数，可判断试样 中所含组分的最少个数。l根据保留值可做定性分析。l根据峰面积或峰高可做定量分析 。l保留值及峰宽是评价色谱柱分离 效能的依据。l两峰间距离，是评价固定相和流 动相的选择是否合适的依据。例题1：在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为85秒和 100秒，要达到完全分离，即R=1.5。计算需要多少块有效塔 板。若填充柱的塔板高度为0.1 cm，柱长是多少？解： r2,1= 100 / 85 = 1.18n有效 = 16R2 r2,1 / (r2,1 1) 2 = 161.52 (1.18 / 0.18 ) 2= 1547（块）L有效 = n有效H有效 = 15470.1 = 155 cm即柱长为1.55米时，