第2章色谱分析法基础1

第二章 色谱法引论Generalization of chromatograph analysis2.1 概述概述2.2 色谱流出曲线及有关术语色谱流出曲线及有关术语2.3 色谱基本理论色谱基本理论2.4 分离度分离度2.1 概述概述o一一 色谱法简介色谱法简介o二二 色谱发展历史色谱发展历史o三三 色谱的分类色谱的分类o四四 色谱法的特点色谱法的特点 经典的分离方法经典的分离方法：沉淀、蒸馏和萃取；沉淀、蒸馏和萃取；现代分析中，大量采用现代分析中，大量采用色谱和电泳分离色谱和电泳分离方法。迄方法。迄今为止，今为止，色谱方法是最为有效的现代分离分析手段色谱方法是最为有效的现代分离分析手段！2.1 概概 述述 色谱法是一种色谱法是一种物理化学物理化学分离方法。将这种分离方分离方法。将这种分离方法与适当的法与适当的检测手段检测手段相结合，应用于分析化学领域，相结合，应用于分析化学领域，就是色谱分析法。就是色谱分析法。一、色谱法简介一、色谱法简介 色谱法早在色谱法早在1906年由俄年由俄国植物学家国植物学家MRswett(茨茨维特维特)使用使用CaCO3粉末作粉末作为为 ，石油醚作，石油醚作为为 ,玻璃管作玻璃管作为为 ，分离植物中，分离植物中色素时发现并命名的色素时发现并命名的“色谱色谱法法”(chromatography)色谱法是一种分离技术，其研究对象是复杂的混合物质。色谱法是一种分离技术，其研究对象是复杂的混合物质。固定相固定相流动相流动相色谱柱色谱柱二、色谱法的历史二、色谱法的历史 俄国植物学家茨维特俄国植物学家茨维特Tsweet 首先将这种层析现象用于分离首先将这种层析现象用于分离植物色素红萝卜素、叶黄素和叶绿素植物色素红萝卜素、叶黄素和叶绿素A、B，并将这种方法，并将这种方法命名为色谱法命名为色谱法 液液-固色谱（是最先创立的色谱方法）固色谱（是最先创立的色谱方法）20年后（年后（1931）Kuhn（库恩库恩）为了证实蛋黄中的叶黄素）为了证实蛋黄中的叶黄素是植物叶黄素与玉米黄质的混合物，参考了是植物叶黄素与玉米黄质的混合物，参考了Tsweet 的论文的论文并采用的色谱法进行其研究工作（并采用的色谱法进行其研究工作（吸附色谱）吸附色谱）1938年，年，Martin（马丁马丁）和）和Synge（辛格辛格）采用水分饱和）采用水分饱和的硅胶为固定相，以含有乙醇的氯仿为流动相分离乙酰基的硅胶为固定相，以含有乙醇的氯仿为流动相分离乙酰基氨基酸并且提出了色谱塔板理论氨基酸并且提出了色谱塔板理论 分配色谱分配色谱 1951年，年，Martin 和和James采用气体作为流动相，以自动滴采用气体作为流动相，以自动滴定仪作为检测器分析脂肪酸定仪作为检测器分析脂肪酸 气相色谱法气相色谱法。建立。建立形成色形成色谱学理论中有着重要地位的塔板理论和谱学理论中有着重要地位的塔板理论和Van Deemter方程，方程，以及保留时间、保留指数、峰宽等概念。以及保留时间、保留指数、峰宽等概念。1952年，年，A.J.P.Martin和和 R.L.M.Synge获得了诺贝尔化学奖。获得了诺贝尔化学奖。在他们获得诺贝尔奖的论文中还指出在他们获得诺贝尔奖的论文中还指出“采用气体代替液体采用气体代替液体作为流动相分离各类化合物的可能性是存在的。作为流动相分离各类化合物的可能性是存在的。”“如果如果流动相用气体来代替，对分离更有好处流动相用气体来代替，对分离更有好处”，“使用非常细使用非常细的颗粒填料和柱的两端施加较大的压差，应能得到较小的的颗粒填料和柱的两端施加较大的压差，应能得到较小的理论塔板商理论塔板商”1957年，年，Golay又提出了使用毛细管柱代替填充柱可获得又提出了使用毛细管柱代替填充柱可获得极高的分离效率极高的分离效率毛细管气相色谱法毛细管气相色谱法 从此，气相色谱法得以蓬勃发展。气相色谱学的诞生从此，气相色谱法得以蓬勃发展。气相色谱学的诞生及其获得广泛的应用使色谱学逐渐成为分析化学的一个重及其获得广泛的应用使色谱学逐渐成为分析化学的一个重要分支学科要分支学科1960年代，为了分离蛋白质、核酸等不易汽化的大分子物质，年代，为了分离蛋白质、核酸等不易汽化的大分子物质，气相色谱的理论和方法被重新引入经典液相色谱。气相色谱的理论和方法被重新引入经典液相色谱。1960年代年代末末科克兰科克兰等人开发了世界上第一台高效液相色谱仪，开启了等人开发了世界上第一台高效液相色谱仪，开启了高效液相色谱高效液相色谱的时代。的时代。1971年科克兰等人出版了年科克兰等人出版了液相色谱的现代实践液相色谱的现代实践一书，一书，标志着高效液相色谱法标志着高效液相色谱法(HPLC)正式建立。正式建立。1937-1972年，年，15年中有年中有12个个Nobel奖是有关色谱研究的！奖是有关色谱研究的！三、色谱的分类三、色谱的分类1.1.色谱过程中两相的物理状态分类色谱过程中两相的物理状态分类 2.2.色谱分离过程的作用原理分类色谱分离过程的作用原理分类 3.3.固定相的使用分类固定相的使用分类1.1.色谱过程中两相的物理状态分类色谱过程中两相的物理状态分类3）超临界流体色谱超临界流体色谱(SFC)1）气相色谱气相色谱(GC)：气气固色谱固色谱（GSC）、气、气液色谱液色谱（GLC）2）液相色谱液相色谱(LC)：液液固色谱固色谱（LSC）、液、液液色谱液色谱（LLC）2.2.色谱分离过程的作用原理分类色谱分离过程的作用原理分类吸附色谱法吸附色谱法 adsorption chromatography分配色谱法分配色谱法 partition chromatography离子交换色谱法离子交换色谱法 ion exchange chromatography空间排阻色谱法空间排阻色谱法 steric exclusion chromatography不同组份在固定相的吸附作用不同不同组份在固定相的吸附作用不同不同组份在固定相上的溶解能力不同不同组份在固定相上的溶解能力不同不同组份在固定相（离子交换剂）上的亲和力不同不同组份在固定相（离子交换剂）上的亲和力不同不同尺寸分子在固定相上的渗透作用不同尺寸分子在固定相上的渗透作用3.3.固定相的使用的形式分类固定相的使用的形式分类柱色谱柱色谱 column chromatography平面色谱平面色谱 plane chromatography纸色谱法纸色谱法 paper chromatography薄层色谱法薄层色谱法 thin layer chromatography四、色谱法的特点四、色谱法的特点（1）分离效率高）分离效率高 复杂混合物，有机同系物、异构体，手性异构体。复杂混合物，有机同系物、异构体，手性异构体。（2）灵敏度高灵敏度高 可以检测出可以检测出g/g(10-6)级甚至级甚至ng/g(10-9)级的物质量。级的物质量。（3）分析速度快分析速度快 一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。（4）应用范围广应用范围广 气相色谱：沸点低于气相色谱：沸点低于350的各种有机或无机试样的分析。的各种有机或无机试样的分析。液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析和制备。液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析和制备。2.2 色谱流出曲线及有关术语色谱流出曲线及有关术语o一、色谱分离过程及流出曲线一、色谱分离过程及流出曲线o二、色谱相关术语二、色谱相关术语o三、色谱流出曲线的意义三、色谱流出曲线的意义一、色谱分离过程及流出曲线一、色谱分离过程及流出曲线1 1、色谱分离过程、色谱分离过程混合组分的分离过程及检混合组分的分离过程及检测器对各组份在不同阶段测器对各组份在不同阶段的响应的响应色谱分离基本原理：色谱分离基本原理：使用外力使含有样品的使用外力使含有样品的流动相流动相（气体、液体或超临（气体、液体或超临界流体）通过一固定于柱或平板上、与流动相互不相界流体）通过一固定于柱或平板上、与流动相互不相溶的溶的固定相固定相表面。样品中各组份在两相中进行不同程表面。样品中各组份在两相中进行不同程度的度的作用作用。与固定相作用强的组份随流动相流出的速。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形成各个单组份的“带带(band)”或或“区区(zone)”，对依次，对依次流出的各个单组份物质可分别进行定性、定量分析。流出的各个单组份物质可分别进行定性、定量分析。由检测器输出的由检测器输出的信号强度信号强度对对时间时间作图，所得曲线即色谱作图，所得曲线即色谱流出曲线，也称色谱图流出曲线，也称色谱图。2 2、色谱流出曲线、色谱流出曲线1、色谱峰（、色谱峰（peak）：当某组分从色谱柱中流出时，检测器：当某组分从色谱柱中流出时，检测器对该组分的响应信号随时间变化所形成的峰形曲线。对该组分的响应信号随时间变化所形成的峰形曲线。2、基线（、基线（baseline）：在正常操作条件下（操作条件稳定后：在正常操作条件下（操作条件稳定后），仅有流动相通过检测器时，仪器记录到的一条平行于横），仅有流动相通过检测器时，仪器记录到的一条平行于横轴的直线。图中轴的直线。图中CD所示。所示。2)基线漂移基线漂移（baseline drift）：）：基线随时间定向的缓慢变化。基线随时间定向的缓慢变化。1)基线噪声基线噪声（baseline noise）：）：由各种因素引起的基线起伏。由各种因素引起的基线起伏。3、峰高（、峰高（peak height）：）：色谱峰顶点与基色谱峰顶点与基线的距离。以线的距离。以h表示，图中表示，图中AB。二、色谱相关术语二、色谱相关术语1)标准偏差（标准偏差（standard deviation）：0.607倍峰高倍峰高处色谱峰宽度的一半处色谱峰宽度的一半，图中，图中EF的一半的一半。2)半峰宽（半峰宽（peak width at half-height）Y1/2：峰高一峰高一半处的峰宽，图中半处的峰宽，图中GH。Y1/2=2.35 3)峰底宽峰底宽(peak width at peak base)Y：色谱峰两侧：色谱峰两侧拐点上切线在基线上的截距，图中拐点上切线在基线上的截距，图中IJ。Y=4 4、区域宽度、区域宽度（peak width）：）：用于衡量柱效及反映色谱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：操作条件下的动力学因素。通常有三种表示方法：通常表示区域通常表示区域宽度宽度MtLu死时间柱长1）死时间死时间(dead time)tM：不被固定相吸附或溶解的组分（如空：不被固定相吸附或溶解的组分（如空气、甲烷）从进样到出现其色谱蜂最大值所需的时间，图中气、甲烷）从进样到出现其色谱蜂最大值所需的时间，图中OA所示。所示。tM也是也是流动相流经色谱柱所需的时间流动相流经色谱柱所需的时间。据。据 tM 可求出可求出流动相平均流速流动相平均流速5、保留值、保留值R（retention value）：是试样各组分在色谱柱中是试样各组分在色谱柱中滞留时间的数值，它滞留时间的数值，它反映组分与固定相间作用力大小反映组分与固定相间作用力大小，通，通常用常用保留时间保留时间和和保留体积保留体积表示。表示。它是色谱定性分析和色谱它是色谱定性分析和色谱过程热力学特性的重要参数。过程热力学特性的重要参数。3）调整保留时间调整保留时间(adjusted retention time)t R：扣除死时间：扣除死时间后的保留时间，它是组分在固定相中的滞留时间。图后的保留时间，它是组分在固定相中的滞留时间。图中中AB所示，即所示，即t R=tR tM t R 反映了组分在色谱过程中，与固定相相互作用所消耗的反映了组分在色谱过程中，与固定相相互作用所消耗的时间，是各组分产生时间，是各组分产生差速迁移差速迁移的物理化学基础。的物理化学基础。2)保留时间保留时间(retention time)tR：指某组分通过色谱柱所需：指某组分通过色谱柱所需时间，即试样从进样到出现峰极大值时的时间，图中时间，即试样从进样到出现峰极大值时的时间，图中所示。所示。在一定色谱体系和操作条件下，任何一种化合物都有一个在一定色谱体系和操作条件下，任何一种化合物都有一个确定的保留时间，这是色谱确定的保留时间，这是色谱定性定性的依据。的依据。4）死体积死体积(dead volume)VM：色谱柱内载气所占的体积。色谱柱内载气所占的体积。ovRRqtV,ovRMRRqtVVV,ovMMqtV,6）调整保留体积调整保留体积（adjusted retention volume)V R：扣除：扣除死体积后的保留体积。死体积后的保留体积。5）保留体积保留体积(retention volume)VR：指从进样到待测物在：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。柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积。其中，其中，qv,o为柱出口的载气流速为柱出口的载气流速（mLmin-1)7）相对保留值相对保留值（relative retention time）r21：组份：组份2的的调整保留值与组份调整保留值与组份1的调整保留值之比。的调整保留值之比。)1()2()1()2()1()2()1()2(21RRRRRRRRVVttVVttr注意：注意：1、r21只与只与柱温柱温和和固定相固定相性质有关，而与柱内径、柱性质有关，而与柱内径、柱长长L、填充情况及流动相流速无关，因此，在色谱分析中，、填充情况及流动相流速无关，因此，在色谱分析中，尤其尤其是是GC中广泛用于定性的依据中广泛用于定性的依据！2、r21亦可用来表示固定相（色谱柱）的选择性亦可用来表示固定相（色谱柱）的选择性。r21值值越大，相邻两组分的越大，相邻两组分的tR相差越大，分离得越好。相差越大，分离得越好。r211，两组分不能被分离。两组分不能被分离。选择性因选择性因子子三、色谱流出曲线的意义（三、色谱流出曲线的意义（重要信息重要信息）：）：色谱峰数样品中单组份的最少个数；色谱峰数样品中单组份的最少个数；色谱保留值色谱保留值定性依据；定性依据；色谱峰高或面积色谱峰高或面积定量依据；定量依据；色谱保留值或区域宽度色谱保留值或区域宽度色谱柱分离效能评价色谱柱分离效能评价指标；指标；色谱峰间距色谱峰间距固定相或流动相选择是否合适的固定相或流动相选择是否合适的依据。依据。2.3 色谱基本理论色谱基本理论一、二、色谱分离的基本理论二、色谱分离的基本理论 塔板理论塔板理论 速率理论速率理论一一 描述分配过程的参数描述分配过程的参数1.分配系数分配系数(Distribution constant,K)mscc组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度K分配系数是由分配系数是由组分组分和和固定相的热力学性质固定相的热力学性质决定的，决定的，它是每一个溶质的特征值，它是每一个溶质的特征值，与两相体积、柱管特性和与两相体积、柱管特性和所用仪器无关。所用仪器无关。在气相色谱中与两个变量有关：固定相和温度在气相色谱中与两个变量有关：固定相和温度在液相色谱中与三个变量有关：固定相、流动相和温度在液相色谱中与三个变量有关：固定相、流动相和温度。描述组分在固定相和流动相间的吸附描述组分在固定相和流动相间的吸附-脱附过程或脱附过程或溶解溶解-挥发过程挥发过程（分配）（分配）的参数，称为分配系数。的参数，称为分配系数。2.分配比分配比(Retention factor or capacity factor,容量因子，容容量因子，容量比，量比，k)在一定温度和压力下，组分在两相间的分配达在一定温度和压力下，组分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。平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比。MMssVcVckMsmm组分在流动相中的质量组分在固定相中的质量它不仅随柱温、柱压变化而变化，而且还与流动相及它不仅随柱温、柱压变化而变化，而且还与流动相及固定相的体积有关。固定相的体积有关。某组分的某组分的k值可由实验测得值可由实验测得，它等于该组分的调整保留时，它等于该组分的调整保留时间与死时间的比值间与死时间的比值，即，即)1(kttVVtttttkMRMRMRMMR或3.K、k与选择因子与选择因子的关系：的关系：u两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先决条件。两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先决条件。)()()()()()(AKBKAkBkAtBtRRu 称为相比称为相比，它也是，它也是反映色谱柱柱型及其结构的重要特性反映色谱柱柱型及其结构的重要特性。对填充柱，对填充柱，=635；对毛细管柱，；对毛细管柱，=501500。kVVkVmVmccKsMMMssMs/结论：结论：K 或或 k 反映的是某一组分在两相间的分配，它们都与反映的是某一组分在两相间的分配，它们都与组分组分及及两相的性质两相的性质有关，并随柱温、柱压的变化而变化。有关，并随柱温、柱压的变化而变化。K与两相体积无关与两相体积无关，而，而k则随固定相的量而改变则随固定相的量而改变。如果两组分的如果两组分的K或或k值相等，则值相等，则=1，两个组分的色谱峰必将，两个组分的色谱峰必将重合，说明无法实现分离。重合，说明无法实现分离。两组分的两组分的K或或k值相差越大，则分值相差越大，则分离得越好离得越好。因此两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先。因此两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先决条件。决条件。塔板理论塔板理论（Plate theory)1.塔板理论的假设塔板理论的假设2.理论塔板高度和理论塔板数理论塔板高度和理论塔板数3.有效塔板高度和有效塔板数有效塔板高度和有效塔板数4.塔板理论的不足塔板理论的不足1952年，年，Martin 和和Synge提出。提出。用塔板概念来描述组分在柱中的用塔板概念来描述组分在柱中的分配行为。分配行为。l 分馏塔：在塔板上多次气液平衡，按沸点不分馏塔：在塔板上多次气液平衡，按沸点不同而分离。同而分离。塔板是从精馏塔中借用的，是一种半经验塔板是从精馏塔中借用的，是一种半经验理论，但它成功地解释了色谱流出曲线呈理论，但它成功地解释了色谱流出曲线呈正态分布。正态分布。l 色谱柱：组分在两相间的多次分配平衡，按色谱柱：组分在两相间的多次分配平衡，按分配系数不同而分离。分配系数不同而分离。1.塔板理论的假设（3）试样开始时都在第）试样开始时都在第0号塔板上，且试样沿色谱柱号塔板上，且试样沿色谱柱方向的纵向扩散可略而不计。方向的纵向扩散可略而不计。（4）分配系数在各塔板上是常数。）分配系数在各塔板上是常数。（1）在柱内一小段）在柱内一小段 长度长度H内，组分可以在两相间迅内，组分可以在两相间迅速达到平衡。这一小段长称为理论塔板高度速达到平衡。这一小段长称为理论塔板高度H。（2）载气进入色谱柱，不是连续的而是脉动式的，）载气进入色谱柱，不是连续的而是脉动式的，每次进气为一个板体积。每次进气为一个板体积。塔板号塔板号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 91mg进样(平衡前)0.5mg(平衡后)0.5mg(平衡前)1V0.5mg0.5mg0.25mg(平衡后)1V0.25mg 0.25mg0.25mg(平衡前)2V0.25mg0.25mg0.25mg0.25mg0.125mg(平衡后)2V0.25mg0.25mg0.125mg0.125mg0.125mg0.125 0.25 0.125 (平衡前)3V0.125 0.25 0.125 (平衡后)3V 0.063 0.187 0.187 0.063 0.063 0.187 0.187 0.063(平衡前)4V 0.063 0.187 0.187 0.063 0.063 0.187 0.187 0.063(平衡后)4V 0.032 0.120 0.187 0.12 0.032 0.032 0.120 0.187 0.12 0.032(平衡前)5V 0.032 0.120 0.187 0.12 0.032 0.032 0.120 0.187 0.12 0.032(平衡后)5V 0.016 0.076 0.143 0.143 0.076 0.016 0.016 0.076 0.143 0.143 0.076 0.016(平衡前)6V 0.016 0.076 0.143 0.143 0.076 0.016 0.016 0.076 0.143 0.143 0.076 0.016(平衡后)6V 0.008 0.046 0.110 0.143 0.110 0.046 0.008 0.008 0.046 0.110 0.143 0.110 0.046 0.008(平衡前)7V 0.008 0.046 0.110 0.143 0.110 0.046 0.008 0.008 0.046 0.110 0.143 0.110 0.046 0.008(平衡后)7V0.004 0.027 0.0.078 0.126 0.126 0.078 0.027 0.0040.004 0.027 0.0.078 0.126 0.126 0.078 0.027 0.00422R2)-(0e2=ttCC色谱流出曲线方程式：色谱流出曲线方程式：为讨论方便，假设：为讨论方便，假设：塔板数为塔板数为5,进样量：进样量：1mg,k=1.由上述两式知道，理论塔板数由上述两式知道，理论塔板数n 越多越多、理论塔板、理论塔板高度高度H 越小越小、色谱峰越窄色谱峰越窄，则，则柱效越高柱效越高。222/1)(16)(54.5YtYtnRRnLH 2.理论塔板高度和理论塔板数理论塔板高度和理论塔板数理论塔板数理论塔板数：可见理论塔板数由组分可见理论塔板数由组分保留值保留值和和峰宽峰宽决定。决定。若柱长为若柱长为L，则每块理论塔板高度，则每块理论塔板高度H为为柱效方程柱效方程通常以通常以有效塔板数有效塔板数neff 和有效塔板高度和有效塔板高度Heff 表示表示：effeffRReffnLHYtYtn222/1)(16)(54.53.有效塔板高度和有效塔板数有效塔板高度和有效塔板数塔板高度塔板高度H与塔片数与塔片数n在实际工作中的意义在实际工作中的意义 H表示在色谱柱中溶质在流动相和固定相之间达到一次平衡表示在色谱柱中溶质在流动相和固定相之间达到一次平衡时所对应的柱长时所对应的柱长，H越小，色谱柱的柱效越高越小，色谱柱的柱效越高 H表示柱效的优点是可以表示柱效的优点是可以直接比较不同柱长的柱效直接比较不同柱长的柱效，因为它，因为它是表示在色谱柱中溶质在流动相和固定相之间达到一次平衡是表示在色谱柱中溶质在流动相和固定相之间达到一次平衡时所对应的柱长时所对应的柱长 n则表示在一定长度的色谱柱上，溶质流过时在两相进行平则表示在一定长度的色谱柱上，溶质流过时在两相进行平衡分配的总次数。衡分配的总次数。n越大，色谱柱的柱效越高越大，色谱柱的柱效越高 n大或大或H小，只表示固定相的分离潜力大，要把这种潜力变小，只表示固定相的分离潜力大，要把这种潜力变为现实还取决于其它的分离条件，在一定的操作条件下，混为现实还取决于其它的分离条件，在一定的操作条件下，混合物中合物中各个组分的分配系数有差异，分离才能实现，此时，各个组分的分配系数有差异，分离才能实现，此时，n越大或越大或H越小，分离越好。越小，分离越好。4.塔板理论的不足塔板理论的不足 色谱过程也不是分馏过程，所以塔片理论只是一色谱过程也不是分馏过程，所以塔片理论只是一个半经验的理论，其并没有阐述色谱过程中个半经验的理论，其并没有阐述色谱过程中谱带谱带扩展扩展的实质。的实质。塔片理论塔片理论没有考虑各种动力学因素对色谱柱内传没有考虑各种动力学因素对色谱柱内传质过程的影响质过程的影响，因此不能解释造成谱带扩张的原，因此不能解释造成谱带扩张的原因和影响板高的各种因素。因和影响板高的各种因素。塔板理论塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速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下柱效不同的实验结果。