仪器分析张寒琦 第十四章 色谱法原理

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1、第二章第二章 色谱法的基本原理色谱法的基本原理 一教学内容一教学内容 1.1.色谱分离的基本概念和基本原理色谱分离的基本概念和基本原理 2.2.色谱分离的理论基础色谱分离的理论基础 3.3.简单的色谱定性和定量分析的方法简单的色谱定性和定量分析的方法 2.1 色谱法概述 2.1.1 2.1.1 色谱法的起源和发展色谱法的起源和发展 胡萝卜素(黄色) 石油醚+植物色素 石油醚 CaCO3固定相 叶绿素(绿色) 叶黄素(黄色) 液液分配色谱液液分配色谱 硅胶硅胶 水水 乙醇氯仿乙醇氯仿( (流动流动 相相) ) 各种氨基酸各种氨基酸 硅胶为载体硅胶为载体 水为固定相水为固定相 年代年代 发明者发明

2、者 发明的色谱方法或重要应用发明的色谱方法或重要应用 1906 Tswett 用碳酸钙作吸附剂分离植物色素。最先提出色谱概念。用碳酸钙作吸附剂分离植物色素。最先提出色谱概念。 1931 Kuhn, Lederer 用氧化铝和碳酸钙分离a-、b-和g-胡萝卜素。使色谱法开 始为人们所重视。 1938 Izmailov, Shraiber 最先使用薄层色谱法。 1938 Taylor, Uray 用离子交换色谱法分离了锂和钾的同位素。 1941 Martin, Synge 提出色谱塔板理论；发明液提出色谱塔板理论；发明液-液分配色谱；预言了气体可液分配色谱；预言了气体可 作为流动相（即气相色谱）。

3、作为流动相（即气相色谱）。 1944 Consden等 发明了纸色谱。 1949 Macllean 在氧化铝中加入淀粉黏合剂制作薄层板使薄层色谱进入 实用阶段。 1952 Martin, James 从理论和实践方面完善了气从理论和实践方面完善了气-液分配色谱法。液分配色谱法。 1956 Van Deemter等 提出色谱速率理论，并应用于气相色谱。 1957 基于离子交换色谱的氨基酸分析专用仪器问世。 1958 Golay 发明毛细管柱气相色谱。 1959 Porath, Flodin 发表凝胶过滤色谱的报告。 1964 Moore 发明凝胶渗透色谱。 1965 Giddings 发展了色谱

4、理论，为色谱学的发展奠定了理论基础。 1975 Small 发明了以离子交换剂为固定相、强电解质为流动相，采 用抑制型电导检测的新型离子色谱法。 1981 Jorgenson等 创立了毛细管电泳法。 一、色谱法的定义一、色谱法的定义 2.1.2 2.1.2 色谱法定义和分类色谱法定义和分类 定义：定义：利用不同溶质（样品）与固定相和流动相之利用不同溶质（样品）与固定相和流动相之 间的作用力（分配、吸附、离子交换等）的差别，间的作用力（分配、吸附、离子交换等）的差别， 当两相做相对移动时，各溶质在两相间进行多次当两相做相对移动时，各溶质在两相间进行多次 平衡，使各溶质达到相互分离。平衡，使各溶质

5、达到相互分离。 特点：特点： 高超的分离能力，高超的分离能力，是一种物理化学分析方法是一种物理化学分析方法 具体优点：具体优点： （1 1）分离效率高。）分离效率高。 （2 2）应用范围广。）应用范围广。 （3 3）分析速度快。）分析速度快。 （4 4）样品用量少。）样品用量少。 （5 5）灵敏度高。）灵敏度高。 （6 6）分离和测定一次完成分离和测定一次完成。 （7 7）易于自动化，可在工业流程中使用。）易于自动化，可在工业流程中使用。 定性能力较差。定性能力较差。 色谱法的缺点色谱法的缺点 二、色谱法的重要概念二、色谱法的重要概念 固定相 流动相 色谱柱 1 1、按流动相所处的状态分类、按

6、流动相所处的状态分类 气相色谱气相色谱 - 用气体作流动相用气体作流动相 液相色谱液相色谱 - 用液体作流动相用液体作流动相 气气固色谱固色谱 气气液色谱液色谱 液液固色谱固色谱 液液液色谱液色谱 三、色谱法的分类三、色谱法的分类 超临界流体色谱超临界流体色谱 2 2、按固定相使用的形状分类、按固定相使用的形状分类 柱色谱：固定相装在柱管内。柱色谱：固定相装在柱管内。 纸色谱纸色谱 薄层色谱薄层色谱 ( (纸色谱和薄层色谱又统称作平板色谱纸色谱和薄层色谱又统称作平板色谱) ) 3 3、按分离过程的物理化学原理分类、按分离过程的物理化学原理分类 吸附色谱吸附色谱 (L(LS S，G GS)S)

7、分配色谱分配色谱 (L(LL L，G GL)L) 离子交换色谱离子交换色谱 (L(LS)S) 空间排阻色谱空间排阻色谱 (L(LS)S) 吸附色谱吸附色谱 (L(LS S，G GS)S) 分配色谱分配色谱 (L(LL L，G GL)L) Conditioned sorbent Good transport between sample and sorbent 硅胶硅胶 水水 离子交换色谱离子交换色谱 (L(LS)S) OH Electrostatic attraction Silica base CO2H CO2- OCON(CH3)2 +N NH3+ SO3- 空间排阻色谱 (LS) 2.2

8、 2.2 色谱分离原理色谱分离原理 1. 分配系数（分配系数（K） m s C C K Cs： 被测组分在固定相中的浓度被测组分在固定相中的浓度 Cm： 被测组分在被测组分在流动相中的浓度流动相中的浓度 2.2.1 2.2.1 分配系数和分配比分配系数和分配比 分配系数意义：分配系数意义： K是热力学常数，是热力学常数，K值除了与温度、压力有关值除了与温度、压力有关 外，还与被测物、固定相和流动相的性质有关。外，还与被测物、固定相和流动相的性质有关。 K值大值大Cs大大tR长长移动速度慢。移动速度慢。 若两组分的若两组分的K值相等值相等两个组分分离开。两个组分分离开。 m s C C K 2.

9、 分配比（分配比（k） VV VV mmmmm sssss mncK kK mnc V V m s ：相比相比 VV VV mmmmm sssss mncK kK mnc 分配比的意义：分配比的意义： k随随K和和的变化而变化；的变化而变化； k值越大值越大ms越多越多柱的容量大柱的容量大 k又称作又称作容量因子容量因子。 k是表征色谱柱对被测组分保留能力的主要参是表征色谱柱对被测组分保留能力的主要参 数。数。 2.2.2 2.2.2 色谱法分离原理色谱法分离原理 色谱分离过程的特点：不同组分在通过色谱柱时移动速度不等。色谱分离过程的特点：不同组分在通过色谱柱时移动速度不等。 流动相 B B

10、A 空气 B A+B A 检测和记录 A+B+空气 进样 固定相 流动相 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 12345678910111213 流动相体积 检测量 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0.031 0.001 6 0.078 0.004 7 0.118 0.008 8 0.138 0.014 9 0.138 0.021 10 0.125 0.03 11 0.105 0.04 12 0.083 0.045 13 0.063 0.05 2.3 色谱流出曲线 五种磺胺的色谱图 气相色谱分离多环芳烃色谱图 一、色谱流出曲线或

11、色谱图一、色谱流出曲线或色谱图 以检测器对组分的响应信号为纵坐标，流出时间以检测器对组分的响应信号为纵坐标，流出时间(或流出体或流出体 积积)为横坐标作图所得的曲线。为横坐标作图所得的曲线。 Rf (t, V) 二、色谱流出曲线构成：二、色谱流出曲线构成： 由基线和色谱峰组成。由基线和色谱峰组成。 基线：基线：指仅有流动相通过而没有待测物，检测器响应信号指仅有流动相通过而没有待测物，检测器响应信号随随 流出时间流出时间的变化。的变化。 色谱峰：色谱峰：在基线上突起的部分，它是由引入流动相中被测物在基线上突起的部分，它是由引入流动相中被测物 引起的。引起的。 色谱图或色谱流出曲线色谱图或色谱流出

12、曲线 描述色谱峰三种参数描述色谱峰三种参数 峰高峰高( (或峰面积或峰面积) ) 峰的大小峰的大小 区域宽度区域宽度 峰的形状峰的形状 保留值保留值( (时间时间t t、体积、体积v)v) 峰的位置峰的位置 2.3.1 2.3.1 色谱峰色谱峰 高斯分布曲线高斯分布曲线 1峰高峰高h 2标准偏差标准偏差，0.607h处，拐点处，峰宽正好为处，拐点处，峰宽正好为2 3峰面积峰面积A A1.065hY1/2 4半峰宽半峰宽Y1/2 Y1/2=2.354 5峰底宽峰底宽Y=4，拐点作切线与基线相交，相交两点间，拐点作切线与基线相交，相交两点间 距离为峰底宽距离为峰底宽Y。Y1/2、Y统称为区域宽度统

13、称为区域宽度 通常用将各组分带出色谱柱所需的载气体积通常用将各组分带出色谱柱所需的载气体积 或时间表示。或时间表示。 2.3.2 2.3.2 保留值保留值 定义：定义： 在一定的在一定的固定相固定相和和操作条件操作条件下，任何一种物质都下，任何一种物质都 有一个固定的保留值，故组分的保留值可用于该有一个固定的保留值，故组分的保留值可用于该 组分的定性鉴定组分的定性鉴定。 特点：特点： 1 1死时间死时间t tM M 说明：说明：实际上就是流动相通过色谱柱所需要的实际上就是流动相通过色谱柱所需要的 时间。或是组分在流动相中所消耗的时间。时间。或是组分在流动相中所消耗的时间。 t tM M由色谱柱

14、中流动相体积由色谱柱中流动相体积V Vm m与流动相流速与流动相流速 决定，与被测组分和固定相无关。决定，与被测组分和固定相无关。 2. 2. 保留时间保留时间t tR R 定义：定义：从进样开始到柱后从进样开始到柱后, 组分出现响应信号极大值组分出现响应信号极大值 时所需时间。时所需时间。 说明：说明：组分的保留时间就是组分通过色谱柱所需的时组分的保留时间就是组分通过色谱柱所需的时 间。即组分在色谱柱内运行的时间。间。即组分在色谱柱内运行的时间。 影响因素：影响因素： 流流 动动 相相性质、在色谱柱中的体积性质、在色谱柱中的体积Vm和流速和流速 固固 定定 相相性质、在色谱柱中的体积性质、在

15、色谱柱中的体积Vs； 被测组分被测组分性质性质 3. 3. 调整保留时间调整保留时间（ ） 定义：定义：扣除死时间后的保留时间。扣除死时间后的保留时间。 说明：说明：组分在固定相中停留的时间组分在固定相中停留的时间。 R t R t= RM tt 注意： M ttt RR 4. 4. 流动相的流速流动相的流速 定义：定义： 单位时间流动相所通过的距离单位时间流动相所通过的距离-线流速，线流速，u 单位时间通过流动相的体积单位时间通过流动相的体积-体积流速，体积流速，F 单位时间通过流动相的量单位时间通过流动相的量-质量流速，质量流速，Fm和摩尔和摩尔 流速，流速，Fn) F、Fm和和Fn常称作流量。常称作流量。 线流速线流速 l/t (m/min) 体积流速体积流速v/t (ml/min) 质量流速质量流速m/t (g/min) F 说明：说明： 在流路的任何一点，在流路的任何一点， 质量流速或摩尔流速相等。质量流速或摩尔流速相等。 Fm=Fn 对于气相色谱，线流速和体积流速可能各处不同；对于气相色谱，线流速和体积流速可能各处不同； 对于液相色谱，线流速可能不一样，但体积流速可视为对于液相色谱，线流速可能不一样，