第15章色谱导论

第 15 章 色谱分析法导论15.1 内容提要15.1.1 基本概念分离分析法 利用样品中共存组分间的各种性能上的差异，先将 它们分离然后进行分析测定的分析方法。色谱分析法 利用样品中各待测组分间的吸附、分配、交换等性 能上的差异，在两相(流动相和固定相)中先将它们分离，然后按一定 顺序检测各组分及其含量的方法。气相色谱 流 动相 是气体的色谱法称为气相色谱 (GC) 。其固定相 是固体吸附剂的，称为气固色谱 (GSC) ；若固定相是涂在惰性载体 (担体) 上的液体，则称为气 液色谱 (GLC) 。液相色谱流动相是液体的色谱法称为 液相色谱 (LC) 。其固定相 是固体吸附剂的，称为液固色谱 (LSC) ；若固定相为液体，则称为液液色 谱 (LLC) 。柱色谱(CC)固定相装在柱管内的色谱法称为柱色谱。它可分为 两类：一类是固定相填充于玻璃或金属管内叫填充柱色谱； 另一类是固定 相附着或键合在管的内壁上，中心是空的，叫空心毛细管柱色谱或毛细 管柱色谱。纸色谱 (PC) 固定相为滤纸的色谱法称为纸色谱。薄层色谱 (TLC) 固定相压成或涂成薄层的色谱法， 叫薄层色谱。吸附色谱它是利用固体吸附剂(固定相)表面对各组分吸附能力 强弱的 不同进行 分离 的色谱法。分配色谱它是利用固定液对各组分的溶解能力(分配系数)不同 进行分 离分析的色谱法。离子交换色谱法利用离子交换剂(固定相)对各组分的亲和力不 同进行分离 分析的色谱法。凝胶色谱也叫空间排阻色谱，它是利用某些凝胶(固定相)对分 子大小、 形状 不同的组分所产生的阻滞作用不同而进行分离分析的色谱 法。色谱图一一组分在检测器上产生的信号强度对时间 （t）所作的图，由 于它记录了各组分流出色谱柱的情况，所以又叫色谱流出曲线。 流出曲 线的突起部分称为色谱峰。基线 一一在 正常实验操作条件下，没有组分流出，仅有流动相通过检测器时，检测器 所产生的响应值 。稳定的基线是一条直线 ，若基线下 斜或上斜，称为漂移，基线的上下波动，称为噪音 。峰高h从峰的最高点至峰底（峰的起点与终点之间的连接线）的 距离。可以用纸的高度（mm）、电信号的大小（mV或mA）表示。标准偏差CT峰高0.607辈出的色谱峰宽度的一半。峰底宽Y色谱峰两个拐点处所作切线与基线相交点之间的距 离。与o的关系是：Y = 4 o半峰宽Y12峰高1/2处色谱峰宽度。与标准偏差 o的关系为Y = 2 .2ln 2 = 2.355c .1 2峰面积A 色谱峰与峰底之间的面积。它是色谱定量的依据。色谱峰的面积可由色谱仪中的微机处理器或积分仪求得，也可以采用以下 方法计算求得。对于对称色谱峰：A二1.065 hY12Y + Y对于非对称色谱峰：A = 1.065h -2死时间tM不能被固定相 滞留的惰性组分从进样到出现 峰最大值 时所需的时间。若组分为空气，则用 10表示：若是甲烷，则用 tM表示， 单位为 min.保留时间tR组分从进样到出现峰 最大值时所需的时间。调整保留时间tR扣除死时间后的保留时间，体现了待测组分真 实地用于固定相溶解或吸附所需的时间。t = t -1 或t =t -1R R M R R 0死体积VM 不能被固定相滞留的（惰性）组分从进样到出现峰最 大值时所消耗的流动相的体积。（F0为柱后出口处流动相的体积流速）。VM = t M x F 0 或 V =t - FM M 0 0 0 0保留体积VR组分从进样到出现峰最大值所需的流动相的体积。VR = t rX F 0调整保留体积VR扣除死体积后的保留体积，是真实地将待测 组分从固定相中携带出柱所需的流动相的体积 。V二 t - ForV二 V - VR R 0 R R 0相对保留值丫。或Y 在相同操作条件下，组分2（或i）与参比组分2.1 i .1（或S）的调整保留值之比。彳.1分配系数 K 组分在两相之间达到分配平衡时，该组分在两相中的浓度之比是一个常数，这一常数称为分配系数，用K表示。组分在固定相中的浓度 6分配 比 k 溶质在两相中物质的量之比。又称容量因子、容量比、分配容量。组分在固定相中物质的量组分在流动相中物质的量n _ cVVn cVVm m m mm或 k 旷mms-K=分离度R 为相邻两色谱峰保留值之差与两峰宽度平均值之比。2（t - t ）R R2R41UY + Y12校正因子和相对校正因子 相同色谱条件下，某一组分 i 产生的 色谱响应值 峰面 积 Ai 或峰高 hi 与这一组分的质量 mi 成正比，即iiim fA或m f h ,式中，f （或f”）为组分i在该检测器上的响应斜率，i i ii i iii也称为 定量校正因子。它的物理含义是单位峰面积或峰高所代表的组分量。实际工作中是采用相对校正因子f，即用标准物质的校正因子f来is校正其他物质的校正因子 f，于是f f/f。ii i s15.1.2 基本内容1. 色谱分析法的分离原理当混合物随流动相流经色谱柱时， 就会与柱中固定相发生作用（溶 解、吸附等 ），由于混合物中各组分物理化 学性质和结构上的差异，与固 定相发生作用的大小、强弱不同，在同一推动力作用下，各组分在固定相中的滞留时间不同，从而使混合物中各组分按一定顺序从柱中流出。2. 色谱分析的基本理论(1) 塔板理论 把色谱的分离过程比拟为分馏过程，直接引用分馏过 程的概念、理论和方法来处理色谱分离过程的理论。如果色谱柱的总长度为 L,每一块塔板高度为 H，则色谱柱中的塔板数 n 为n = 5.54r tR-Yf1 2=16r t -RIY丿n和H可以作为描述柱效能的指标n有效= 5.54tI Y12 丿=16t YRH有效n有效(2)速率理论(rate theory) 范第姆特方程 在塔板理论的基础上，结合了影响塔板高度的动力学因素，即综合考虑了组分分子的纵向 分子扩散和组分分子在两相间的传质过程等因素，提出了速率理论。速 率理论把塔板高度与流动相流速以及影响H的涡流扩散项A、分子扩散项 B/u 和传质阻力项 C u 的关系，用速率方程式表示： H = A + B/u + C u3. 分配比与保留值的关系t t _t V V Vk = -r = -ro 或 k = r = 0 t tV V0 0 0 0分配比反映了组分在某一柱子上的t(或V)是r (或V )的多少倍。kRR 00越大，说明组分在色谱柱中停留时间越长。4. 气相色谱分离条件的选择(1)固定液的选择 (包括液载比 )；(2)检测器的选择； (3)柱长的选择； (4)柱温的选择； (5)载气种类及流速的选择。5. 分离分析法的应用(1) 定性分析 与标样对照的方法定性、利用保留指数法定性、于其 他方法结合定性等。(2) 定量分析 归一化法、内标法、外标法等。a.归一化法 将样品中所有出峰组分的含量之和按100%计算的定 量方法。设样品中含有 n 个组分，每个组分的含量分别为m1, m2 mn,1 2n ,各组分含量的总和 为m，则组分i的质量分数wi为：w =100% =ix100%山1/1 +貝並+貝i/i +貝机xlOO% =-7T1式中，f，f2，fn为各组分相应的相对质量校正因子。对于同系物中， 沸点接近的组分， 由于 f 值相近或相同。 故可简化为叫=100%对于狭窄的色谱峰，易可用峰高代替峰面积来计算（但必须操作条 件一致且仪器稳定） 。w=ix100%b.内标法将准确称量的内标物（ms）加入到准确称 量的试样（m）中,根据它 们的质量 和色谱峰面积求出某 一组分的含量W = x100% 00%1如果内标物 就是相对校正因子的标准物质，则f = 1， f /f f，si s iWl = fl x100%A 2，A （h ，2n 1A （或峰高h ）X.Xc.外标法（标准曲线法）将待测组分的纯物质配制成系列 标准溶液, 在相 同操作条件下测定系列标样的峰高或锋面积，将系列标准溶液的浓 度c， c2，cn作为横坐标，相应的峰面积 （或峰高）A, h2，hn）作为纵坐标，作标准曲线。由测得的组分峰面积c。x在标准曲线上即可查得15.2 习题解答1. 简要叙述 GLC 和 GSC 的分离原理。答： GLC 的分离原理利用 固定液对各组分的溶解能力 （分配系数 ）不 同进行分离；而 GSC 的分离原理是 利用 固体吸附剂 （固定相 ）表面对各组 分吸附能力强弱 的不同进行 分离 的。2. 塔板理论 的主要内容是什么？ 它对色谱 理论有什 么贡献？ 它的 不足之处在哪里？答： 塔板理论的主要内容是 ：(1) 对于长度L 一定的色谱柱，塔板数 n越大(即塔板高度H越小)则 待测组分在柱内被分配的次数越多，柱效越高，色谱峰越窄 。(2) 用 n 和 H 来衡量柱效能时 ，应指明测定物质，因为不同物质有效 有效在同一色谱柱上的分配系数 K 不同。当两组分在同一色谱柱上的分配系 数相同时，无论该色谱柱的柱效能多高，两组分都无法分离。(3) 用来计算 n 和 H 的基本关系式为n = 5.54I Y12 丿=16(t )-RIY丿n有效= 5.54tRY1 2丿=16t-RY丿H有效n有效塔板理论对色谱理论的贡献是：在解释流出曲线的形状(呈正态分 布)、浓度极大点的位置以及计算评价柱效能等方面取得了成功。塔板理论的不足：无法解释为什么同一色谱柱在不同的载气流速下 的柱效不同；同时未能指出影响柱效的因素及提高柱效的途径和方法。3. 速率理论的主要内容是什么？它对色谱理论有什么贡献？与塔 板理论相比，有何进展？答：(1)造成色谱峰扩展及柱效降低的主要因素是涡流扩散、分子扩 散及传质阻力，使得待测组分在气液两相间不能在瞬间达到分配平衡所 造成的。(2) 选择最佳的色谱条件 (适当的固定相粒度、 液膜厚度、 载气种类及 载气流速等 )可提高柱效。(3) 阐明了载气流速和柱温等因素对柱效及分离的影响，以及各种影 响因素间的相互制约。如载气流速增大，分子扩散项影响降低，柱效提 高，但此时传质阻力项影响增大，使柱效降低；又如升高柱温，有利于 传质，但却加剧了分子扩散，因此选择最佳色谱条件才能使柱效达到最速率理论 吸收了塔板理论的概念，并把影响塔板高度的动力学因素结合进来，导出了塔板高度与载气流速的关系，即Van Deemter 方程式。4. 何谓分离度，它的表达式是什么 ？应从哪些方面着手来提高分离 度？答： 为相邻两色谱峰保留值之差与两峰宽度平均值之比。2(tt )R 二 R2)_R(D-Y + Y12两峰间的距离是由热力学性质决定的，反映二物质流出峰之间的距 离的大小是与它们在固定相和流动相中的分配系数有关，因此应该选择 合适的固定相和流动相才能提高分离度。5. 色谱定性的主要方法有哪些？多机 联用有什么优越性？答：(1) 保留值定性 (已知物对照定性 、相对保留值定性、保留指数定 性)；(2) 经验规律定性 (碳数规律、沸点规律 )；(3) 选择性检测器定性； (4) 化学反应 (官能团分类试剂 )定性； (5) 多机联用定性。多机联用的 优越性在 于发挥各个仪器的特点和优势， 提高 定性能力、 定量分析精度、提高仪器功能实现分析自动化。6. 色谱定量 常用哪几种方法？它 们的计算 公式如何 表达？简 述它 们的主要优缺点。答：色谱分析常用的有归一化法、内标法、外标法等三种定量方法。归一化法的公式为：w =100% =100%i 漑朋1 +聊2 +.刑i+叫砒1 + A6 +也+也汎100% =x100%归一化法的特点是： 简便，准确，操作条件对结果影响较小。但某 些不需要定量的组分也要测出 其校正因子和峰面积，另外所有组分不能 全部出峰时，不能用此法，因此归一化法在使用上受到一定的限制。m 冥 100%内标法的公式为：W. =100% =i内标法和归一化法一样，不要求准确的进样量，只要求待测组分与 内标物产生信号即可。外标法(工作曲线法)，要有与被测组分一致的纯物质作标样，要求 进样量准确，实验条件恒定一致，适合批量样品的测定和工业常规分析。7. 下列的数据是由气液色谱在一根 40cm 长的填充柱上得到的化合物tR/minY/min空气2.5甲基环己烷，A10.71.3甲基环己烯，B11.61.4甲苯，C14.01.8求：(1)平均的理论塔板数；(2)平均塔板高度；(3) 甲基环己烯与甲 基环己烷的分离度 ；(4) 甲苯与甲基环己 烯的分、_. , _.离度。解：(1) n 二 16(t /Y)2 二 16(10.7/1.3)2 二 1083.9ARn 二 16(t /Y)2 二 16(11.6/1.4)2 二 1098.4ARn 二 16(t /Y)2 二 16(14.0/1.8)2 二 967.9ARn 二(n + n + n )/3 二(1083.9 +1098.4 + 967.9)/3 二 1050平均AB C(2) H= L/ n= 40cm /1050 = 0.0381cm平均平均(3) B 与 A 的分离度厂2(t t)2(11.6 -10.7)二 0.667=1.5R 二R(B)R(A)=1 Y + Y1.4 +1.3AB(4)C 与 B 的分离度2(tt )2(14.011.6)R 二&(C)二1 Y + Y1.8 +1.4BC8. 有甲、乙两根长度相同的色谱柱，测得它们在范第姆特方程式中 的各项常数如下：甲柱：A =0.07cm , B=0.12cm 2s-1, C=0.02s ；乙柱:A =0.11cm , B=0.10cm 2s-1, C=0.05s。求(1)甲柱和乙柱的最佳流速和最小塔板高度； (2)哪一根柱子的柱效能高？解：(1)甲柱：A =0.07cm , B=0.12cm 2s-1, C=0.02suopt0.120.02=2.45cm.s 1H = A + 2BC 二0.07 + 2.0.12 x 0.02 二 0.168cm min或 H 二 A + B / C + Cu 二 0.07 + 0.12 /2.45 + 0.02 x 2.45 二 0.168cm 甲(2)乙柱：A =0.11cm , B=0.10cm 2s-1, C=0.05suopt、空二 1.414cm.s 1 0.05H 二 A + 2、；BC = 0.11 + 2 J0.10 x 0.05 二 0.251cmmin或 H = A + B / C + Cu = 0.11 + 0.10/1.414 + 0.05 x 1.414 = 0.251cm乙答：因柱长相同，H VH ，而n=L/H,所以n n ，即甲柱甲乙甲乙的柱效能更高。9. 有一 A， B， C 三组分的混合物，经色谱分离后，其保留时间分 别为： t R(A) =4.5min ， tR(B) =7.5min ， tR(C) =10.4min ，死时间 t0=1.4min ，求：R(A) R(B) R(C) 0(1)B 对 A 的相对保留值； (2) C 对 B 的相对保留值； (3)B 组分在此柱中 的容量因子是多少？解：(1) 丫= t /1= (7.5 - 1.4)min/(4.5 -1.4) min = 1.97B,A R(B) R(A)(2) Y= t /1 = (10.41.4) min/(7.5 -1.4) min = 1.48C,B R(C) R(B)(3) k =t /t = (7.5 -1.4) min/1.4min = 4.36B R(B) 010. 已知在混合酚试样中仅含有苯酚、。-甲酚、m -甲酚、p -甲酚四 种组分，经乙酰化处理后 测得色谱图，从图上测得各组分的峰高、半峰 宽以及测得相对校正因子分别如下：化合物苯酚o -苯酚m -苯酚p -苯酚峰 高 /mm64.0104.189.270.0半峰宽/ mm1.942.402.853.22相对校正因子(f)0.850.951.031.00求各组分的质量分数。解：A = 1.065 x h x Y12化合物苯酚o -苯酚m -苯酚p -苯酚h/mm64.0104.189.270.0Y /mm1.942.402.853.22f0.850.951.031.00fA /mm2112.4252.8278.9240.1884.2w0.12710.28590.31540.271511. 有一试样含甲酸、 乙酸、 丙酸及少量水、 苯等物质， 称取试样1.055g ，以环己酮作内标，称取进样，得如下数据：0.1907g环己酮加到试样中，混合均匀后化合物甲酸乙酸环己酮丙酸峰 面 积 /cm 214.872.613342.4相对校正因子(f)3.831.781.001.07求甲酸、乙酸和丙酸的质量分数。m f A0.1907x3.83x14.8解： w =环己酮 甲酸 甲酸 =x 100%=7.7%甲酸 m f A1.055 x 1.00 x 133样品环己酮环己酮w乙酸m f A0.1907 x1.78 x 72.6= 环己酮_乙酸_乙酸 =x 100%=17.56%m f A1.055 x1.00 x133样品 环己酮环己酮w丙酸m f A0.1907 x 1.07 x 42.4二 环己酮丙酸丙酸二x 100%=6.17%m f A1.055x1.00x133样品环己酮环己酮