《色谱分析法概论》PPT课件

1 2 17.1.1.色 谱 法 的 起 源 和 发 展混 合 物 最 有 效 的 分 离 、 分 析 方 法 。俄 国 植 物 学 家 茨 维 特 在 1906年 使 用 的 装 置 ： 色 谱原 型 装 置 ， 如 图 。 色 谱 法 是 一 种 分 离 技 术 色 谱 法 （ 层 析 法 ） 不 仅 用 于 有 色 物 质 分 离 ，且 大 量 用 于 无 色 物 质 分 离 。 管 内 填 充 物 ， 称 为 固 定 相 。 另 一 相 是 携 带 试 样 混 合 物 流 过 此 固 定 相 的 流体 （ 气 体 或 液 体 ） ， 称 为 流 动 相 。17.1 概 述 3 30年 代 出 现 薄 层 色 谱 法40年 代 纸 色 谱 法 (塔 板 理 论 )50年 代 气 相 色 谱 法 兴 起 ， 奠 定 了 现 代 色 谱 法 的 基础 ， 可 “ 在 线 ” 分 析 。 （ 速 率 理 论 ）60年 代 气 相 色 谱 -质 谱 联 用 技 术70年 代 高 效 液 相 色 谱 法 (HPLC)的 崛 起 ,把 色 谱 法 又推 进 到 一 个 新 里 程 碑 。80年 代 液 相 色 谱 联 用 技 术 、 超 临 界 流 体 色 谱90年 代 毛 细 管 电 泳 法发 展 历 程 4 (1) 按 两 相 分 子 的 聚 集 状 态 分 ：17.1.2.色 谱 法 的 分 类 5 (2) 按 操 作 形 式 分 类 ：3 按 分 离 机 制 分 ： 6 色谱法 气 相 色 谱 法 (GC)Gas Chromatography液 相 色 谱 法 (LC)Liquid Chromatography超 临 界 流 体 色 谱 法（ SFC） 柱 色 谱 法 气 固 色 谱气 液 色 谱平 板 色 谱 法柱 色 谱 法毛 细 管 电 泳 法 纸 色 谱 法薄 层 色 谱离 子 交 换液 固液 液空 间 排 阻 7 17.2 色 谱 过 程 与 术 语 当 流 动 相 中 携 带 的 混 合 物 流 经 固 定 相 时 ， 其 与 固 定 相 发生 相 互 作 用 。 随 着 流 动 相 的 移 动 ， 混 合 物 在 两 相 间 经 过 反 复多 次 的 分 配 平 衡 ， 使 得 各 组 分 被 固 定 相 保 留 的 时 间 不 同 ， 从而 按 一 定 次 序 由 固 定 相 中 流 出 。 （ 动 画 ）两 相 及 两 相 的 相 对 运 动构 成 了 色 谱 法 的 基 础17.2.1 色 谱 过 程 8 经 色 谱 柱 分 离 后 的 样 品 组 份 通 过 检 测 器 时 ， 所 产 生 的 电 信号 强 度 对 时 间 作 图 ， 所 绘 得 曲 线 称 为 色 谱 图 或 流 出 曲 线17.2.2 基 本 术 语 (P436)1. 色 谱 9 (1) 基 线基 线 是 在 操 作 条 件 下 ， 没 有 组 份 流 出 时 的 流 出 曲 线基 线 反 映 仪 器 的 噪 音 随 时 间 的 变 化稳 定 的 理 想 基 线 应 该 是 一 条 水 平 直 线 基 线 漂 移 :基 线 在 一 段 时 间 内 朝 某 一 个 方 向 变 化 . 10 (2) 峰 高 或 峰 面 积 色 谱 峰 顶 点 与 基 线 之 间 的 垂 直 距 离 ， 以 h表 示 ， 11 用 来 衡 量 色 谱 峰 宽 度 的 重 要参 数 ， 有 三 种 表 示 方 法 ：（ 1） 标 准 差 ()： 正 态 分 布 曲 线上 两 拐 点 间 距 离 的 一 半 。 反 映 组分 分 散 程 度 。（ 2） 峰 底 宽 (W)： W=4 （ 3） 半 峰 宽 (W1/2)： 色 谱 峰 高一 半 处 的 宽 度 W 1/2 =2.355 或 W=1.699 W1/2 (3) 峰 宽 12v保 留 时 间 和 调 整 保 留 时 间 是 色 谱 法 的 基 本 定 性 参 数 (1) 保 留 时 间 （ tR） ： 试样 从 进 样 开 始 到 某 个 组 份色 谱 峰 顶 点 的 时 间 间 隔 ，称 为 保 留 时 间 ；(3)调 整 保 留 时 间 （ t R ） ： tR = tR t0 (2)死 时 间 （ t0） ： 不 与固 定 相 作 用 的 物 质 （ 如 空气 ） 的 保 留 时 间 ； 2. 保 留 值 13 (4) 保 留 体 积 （ VR） ： VR = tR FcFc为 流 动 相 流 速 ，单 位 ： m L / min。 (5) 死 体 积 （ V0） ： V0 = t0 Fc (6) 调 整 保 留 体 积 (V R )： V R = VR V0 VR 也 是 常 用 的 色 谱 定 性 参数 之 一 14 又 称 Kovats指 数 ， 是 一 种 重 现 性 较 好 的 定 性 参 数 。测 定 方 法 ： 将 正 构 烷 烃 作 为 标 准 ， 规 定 其 保 留 指 数 为 分 子 中 碳 原 子个 数 乘 以 100（ 如 正 己 烷 的 保 留 指 数 为 600） 。 其 它 物 质 的 保 留 指 数 （ IX） 是 通 过 选 定 两 个 相 邻 的 正 构烷 烃 ， 其 分 别 具 有 Z和 Z 1个 碳 原 子 。 被 测 物 质 X的 调 整 保 留时 间 应 在 相 邻 两 个 正 构 烷 烃 的 调 整 保 留 值 之 间 如 图 所 示 ：(7)保 留 指 数 (I) 15 保 留 指 数 计 算 方 法 lglg lglg100 )( )( )( )( )( )( )1( zRnzR zRxRX ZRXRzR tt ttnzI ttt 16 例 在 Apiezol L柱 上 ， 柱 温 100 ， 用 正庚 烷 及 正 辛 烷 为 参 考 物 质 对 ， 测 得t0=30.0s， 正 庚 烷 的 tR=204.0s， 乙 酸 正 丁酯 的 tR=340.0s及 正 辛 烷 的 tR=403.4s。说 明 乙 酸 正 丁 酯 在 Apiezol L柱 上 的 保 留 行 为 相当 于 7.756个 碳 原 子 的 正 构 烷 烃 的 保 留 行 为 。0.174lg4.373lg 0.174lg0.310lg17 Ix=100（ ） =775.6 17 3.分 配 系 数 与 容 量 因 子 (P439)(1)分 配 系 数 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 和 压 力 下 ， 组 分 在两 相 间 分 配 达 到 平 衡 时 的 浓 度 （ 单 位 ： g / mL） 比 ， 称 为 分配 系 数 ， 用 K 表 示 ， 即 ： Ms ccK 组 分 在 流 动 相 中 的 浓 度组 分 在 固 定 相 中 的 浓 度分 配 系 数 是 色 谱 分 离 的 依 据 。 18 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 ；某 组 分 的 K = 0时 ， 即 不 被 固 定 相 保 留 ， 最 先 流 出 。 组 分 在 流 动 相 中 的 浓 度组 分 在 固 定 相 中 的 浓 度KK有 不 同 的 概 念 ： 吸 附 色 谱 法 为 吸 附 系 数 ， 离 子 交 换色 谱 法 为 选 择 性 系 数 （ 或 称 交 换 系 数 ） ， 凝 胶 色 谱法 为 滲 透 参 数 19 容 量 因 子 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 ： ms mmk 组 分 在 流 动 相 中 的 质 量组 分 在 固 定 相 中 的 质 量I. 分 配 系 数 与 容 量 因 子 都 是 与 组 分 及 固 定 相 的 热 力 学 性质 有 关 的 常 数 ， 随 分 离 柱 温 度 、 柱 压 的 改 变 而 变 化 。II. 分 配 系 数 与 容 量 因 子 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 。III. 容 量 因 子 可 以 由 实 验 测 得 。容 量 因 子 也 称 ： 分 配 比 ； 质 量 分 配 系 数 ；(2)容 量 因 子 20m Smm SsmS VVKVc Vcmmk (3)分 配 系 数 和 容 量 因 子 的 关 系 21 (4)分 配 系 数 和 容 量 因 子 与 保 留 时 间 关 系k值 相 当 于 组 分 被 固 定 相 滞 留 的 时 间 和 流 动 相 通 过系 统 所 需 时 间 的 比 值 ms mmk 组 分 在 流 动 相 中 的 质 量组 分 在 固 定 相 中 的 质 量 00 0 ttt ttk RR )1(0 kttR Rtk 22)1(0 msR VVKtt RtK 00 0 ttt ttk RR mSmm SsmS VVKVc Vcmmk 23 注 ： 应 选 择 合 适 分 离 条 件 使 得 难 分 离 的 组 分 K不 等 )1(0 msBBR VVKtt )1(0 msAAR VVKtt )()( 00 BABAmsBRARR kktKKVVtttt 0 RBA tKK 24 4.分 离 参 数(1) 分 离 因 子 ()两 种 物 质 调 整 保 留 值 之 比 ， 又 称 为 分 配 系 数 比或 选 择 性 系 数 25 色 谱 分 离 中 的 几 种 情 况 如 图 所 示 ：分 离 度 （ Rs ） ， 又 称 分 辨 率 ： 反 映 组 分 在 色 谱柱 分 离 情 况 。(2) 分 离 度 (Rs) 26 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 95.4%； （ 4）R=1.5： 达 99.7%（ 相 邻 两 峰 完 全 分 离 的 标 准 ） 。 21 12 21 12 )(2 2/)( WW tt WW ttR RR RRs 27 1) 根 据 色 谱 峰 的 个 数 ， 可 以 判 断 样 品 中 所 含 组 份的 最 少 个 数 2) 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 下 的 面 积 或 峰 高 ， 可 以 进 行 定 量 分析 4) 色 谱 峰 的 保 留 值 及 其 区 域 宽 度 ， 是 评 价 色 谱 柱分 离 效 能 的 依 据 5) 色 谱 峰 两 峰 间 的 距 离 ， 是 评 价 固 定 相 (和 流 动 相 )选 择 是 否 合 适 的 依 据 小 结 ： 色 谱 流 出 曲 线 的 物 理 意 义 28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 ） 17.3 色 谱 分 离 的 基 本 理 论 塔 板 理 论速 率 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 。 29 1. 塔 板 理 论 最 早 由 Martin等 人 提 出 塔 板 理 论 ， 把 色 谱 柱 比作 一 个 精 馏 塔 ， 沿 用 精 馏 塔 中 塔 板 的 概 念 来 描述 组 分 在 两 相 间 的 分 配 行 为 ， 同 时 引 人 理 论 塔板 数 作 为 衡 量 柱 效 率 的 指 标 30 塔 板 理 论 的 四 个 基 本 假 设（ i） 色 谱 柱 是 由 一 系 列 连 续 、 等 距 的 水 平 塔 板 组 成 。在 柱 内 每 层 塔 板 内 部 ， 组 分 可 以 在 两 相 间 迅 速 达到 平 衡 。（ ii） 流 动 相 进 入 色 谱 柱 不 是 连 续 进 行 的 ， 而 是 间 歇式 前 进 ， 每 次 前 进 为 一 个 塔 板 体 积 。（ iii） 所 有 组 分 开 始 时 存 在 于 第 1号 塔 板 上 ， 而 且 试样 沿 轴 （ 纵 ） 向 扩 散 可 忽 略 。（ iv） 分 配 系 数 在 所 有 塔 板 上 是 常 数 。 31 理 论 塔 板 高 度 和 理 论 塔 板 数H= 2/L n=L/Hn=16(tR/W)2 n=(tR/ )2 n=5.54(tR/W1/2)2理 论 塔 板 高 度 (H)和 理 论 塔 板 数 (n)都 是 柱 效 指 标 。u 或 W1/2 ， H ， 柱 效 u 用 t R代 替 tR计 算 塔 板 数 ， 称 为 有 效 理 论 塔 板 数 (nef)；求 得 的 塔 板 高 度 为 有 效 理 论 塔 板 高 度 （ Hef） 32 从 上 两 式 可 以 看 出 ：1： 色 谱 峰 W越 小 ， n就 越 大 ， 而 H就 越 小 ， 柱 效 能 越高 。 因 此 ， n和 H是 描 述 柱 效 能 的 指 标 。2： 在 同 一 色 谱 柱 上 ， 不 同 组 分 得 到 不 同 的 理 论 塔板 数 ， 同 一 组 分 在 不 同 色 谱 条 件 下 理 论 塔 板 数 也不 相 等 。n=16(tR/w)2 n=L/H 33 2. 速 率 理 论 1956年 荷 兰 学 者 范 第 姆 特 （ Van Deemter） 等 在 研 究 气液 色 谱 时 ， 提 出 了 色 谱 过 程 动 力 学 理 论 速 率 理 论 。他 们 吸 收 了 塔 板 理 论 中 板 高 的 概 念 ， 并 充 分 考 虑 了 组分 在 两 相 间 的 扩 散 和 传 质 过 程 ， 从 而 在 动 力 学 基 础 上较 好 地 解 释 了 影 响 板 高 的 各 种 因 素 。 该 理 论 模 型 对 气相 、 液 相 色 谱 都 适 用 。 范 第 姆 特 （ Van Deemter） 方 程的 数 学 简 化 式 为式 中 u为 流 动 相 的 线 速 度 ； A， B， C为 常 数 ， 分 别 代 表涡 流 扩 散 项 系 数 、 纵 向 扩 散 项 系 数 、 传 质 阻 抗 项 系 数 。 现 分 别 叙 述 各 项 系 数 的 物 理 意 义 。 34 （ 1） 涡 流 扩 散 项 的 概 念 在 填 充 色 谱 柱 中 ， 当 组 分 随 流 动 相 向 柱 出 口 迁 移 时 ，流 动 相 由 于 受 到 固 定 相 颗 粒 障 碍 ， 不 断 改 变 流 动 方 向 ，使 组 分 分 子 在 前 进 中 形 成 紊 乱 的 类 似 “ 涡 流 ” 的 流 动 ，故 称 涡 流 扩 散 。 （ 动 画 ） 35 涡 流 扩 散 项 的 影 响 因 素1:涡 流 扩 散 项 与 填 充 物 的 平 均 直 径 的 大 小 和 填 充不 规 则 因 子 有 关 ， 与 流 动 相 的 性 质 、 线 速 度 和组 分 性 质 无 关 。2:为 了 减 少 涡 流 扩 散 ， 提 高 柱 效 ， 使 用 细 而 均 匀的 颗 粒 ， 并 且 填 充 均 匀 是 十 分 必 要 的 。 对 于 空心 毛 细 管 ， 不 存 在 涡 流 扩 散 。 因 此 A 0。 A = 2dp dp： 固 定 相 的 平 均 颗 粒 直 径： 固 定 相 的 填 充 不 均 匀 因 子 36 （ 2） 纵 向 扩 散 项 的 概 念 纵 向 扩 散 是 由 浓 度 梯 度 造 成 的 。 组分 从 柱 入 口 加 入 ， 其 浓 度 分 布 的构 型 呈 “ 塞 子 ” 状 。 如 右 图 所 示 。 它 随 着 流 动 相 向 前 推进 ， 由 于 存 在 浓 度 梯 度 ， “ 塞 子 ”必 然 自 发 地 向 前 和 向 后 扩 散 ， 造成 谱 带 展 宽 。 （ 动 画 ） 37 B = 2 Dg ： 扩 散 阻 碍 因 子 。 填 充 柱 色 谱 ， 1.5 siis AAmmm 和测混 匀 进 样）（ 含过 程 ： isis iiisi fA fAww %100% WwfA fAC isisis iii 64 内 标 法 优 点 ： 进 样 量 不 超 量 时 ， 重 复 性 及 操 作 条 件 对 结 果 无 影 响 只 需 待 测 组 分 和 内 标 物 出 峰 ， 与 其 他 组 分 是 否 出 峰 无 关 适 合 测 定 微 量 组 分 内 标 法 缺 点 ： 制 样 要 求 高 ； 找 合 适 内 标 物 困 难 ； 已 知 校 正 因 子 65 66 内 标 对 比 法 特 点 ： 不 需 要 校 正 因 子 进 样 量 对 结 果 影 响 不 大 0 的 截 距 为前 提 ： sisi AAmm 标样标样 ）（）（ si siii AA AACC )(%)( 标标样样 ）（）（ ）（）（ % isi sii CAA AAC si si mm mm ） 纯（ ） 样过 程 ： （ sisi ffAA 和的 比 值 消 除利 用 67 比 较 682 非 正 常 峰 （ 不 对 称 峰 ） 1 对 于 正 常 峰 21065.1 WhA )(21065.1 85.015.0 WWhA 试 样 中 各 组 分 质 量 与 其 色 谱 峰 面 积 成 正 比 ， 即 ：W i = fi Ai 返 回