北京化工大学仪器分析第三章色谱概论.ppt

1 色谱分析法 概述色谱有关术语色谱法基本原理基本色谱分离方程式 2 历史 色谱法起源 3 1931年胡萝卜素植物色素分离1936年离子交换色谱建立1940年吸附色谱与电泳相结合1941年分配色谱创立1952年气相色谱法建立1967年高效液相色谱法建立80年代后离子色谱 超临界流色谱 高效毛细管电泳 色谱法发展历史 4 Tiselius A W K Martin A J P Synge R L M 1948年Nobel化学奖1952年Nobel化学奖吸附色谱与电泳分配色谱 色谱法发展历史 5 色谱法概述 色谱法是一种物理化学分离方法 利用不同物质在两相 固定相和流动相 中具有不同的分配系数 或吸收系数 渗透性等 当两相做相对运动时 这种物质在两相中反复多次分配 从而使各物质得到完全的分离 色谱法的分类 按流动相与固定相的分子聚集状态分类 气相色谱法 液相色谱法 超临界流体色谱法 气固色谱法 气液色谱法 液固色谱法 液液色谱法 按操作形式分类 柱色谱法 平面色谱法 纸色谱法 薄层色谱法 按分离机制分类 吸附色谱法分配色谱法离子交换色谱法空间排阻色谱法 色谱法简单分类 9 分类 色谱法分类 10 气相色谱 Gaschromatography 填充柱气相色谱 Packedcolumngaschromatography 毛细管气相色谱 Capillarycolumngaschromatography 裂解气相色谱 Pyrolysisgaschromatography 顶空气相色谱 Headspacegaschromatography 气相质谱联用技术 Gaschromatography Massspectrometry 液相色谱 Liquidchromatography 高效液相色谱 Highperformanceliquidchromatography 超临界流体色谱 Supercriticalfluidchromatography 高效毛细管电泳 Highperformancecapillaryelectrophoresis 毛细管电色谱 Capillaryelectrochromatography 液相质谱联用技术 Liquidchromatography Massspectrometry 色谱法分类 11 平面色谱法 Planarchromatography 薄层色谱 Thinlayerchromatography 薄层电泳色谱 Thinlayerelectrophoresis 纸色谱 Paperchromatography 色谱法分类 12 色谱法的特点 与其它分析方法相比 具有的优点 分离效能高灵敏度高 分析速度快应用范围广缺点 对未知物的定性比较困难解决方法 与其它分析方法联用 质谱 红外和电化学等 高分离效能 高灵敏度 在较短的时间内能同时分离和测定极为复杂的混合物 如采用毛细管气相色谱柱分析40 150 汽油 168种组分可以在110min内一次进行分离测定 可以分析微量或痕量组分 如在大气污染物分析中 甚至可测出ppt级的微量毒物 分析速度快 一般分析一次样品的时间为几分至几十分钟 某些快速分析 1秒可以分析7个组分 应用对象 气体和液体 有机物和无机物 小分子和大分子等应用领域 医药 化工 环保 食品 农药 体育等 应用范围广 色谱流出曲线 根据色谱峰的个数 可以判断样品中所含组分的最少个数 根据色谱峰的保留值 可以进行定性分析 根据色谱峰的面积或峰高 可以进行定量分析 根据色谱峰的保留值及其区域宽度 可以评价色谱柱分离效能 根据色谱峰两峰间的距离 可以评价固定相 或流动相 选择是否合适 保留时间tR 进样到出现色谱峰顶点的时间保留体积VR 进样到出现色谱峰最大时消耗的流动相体积死时间t0 流动相流过色谱柱的时间死体积V0 色谱柱的空隙体积 校正保留时间 校正保留体积 保留值 基线 无组分通过色谱柱时 检测器的噪音随时间变化的曲线 峰宽Wb 色谱峰两侧拐点上的切线在基线上的截距半峰宽W1 2 峰高一半处对应的峰宽标准偏差 正常色谱峰的两个拐点间距离的一半 18 相对保留值 选择性因子 色谱法基本概念 固定相对两种组分的选择性 19 色谱法基本理论 不能分离 不能完全分离 能完全分离 峰之间的距离 分配系数 热力学 峰的宽窄 柱效率 动力学 20 分配系数K 热力学性质 一定温度下 组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度比 K只与固定相和被分离物质的性质有关 K值的差别是分离的先决条件 差别越大 分离的可能性越大 K值大的组分后出峰 分配比 容量因子 一定温度与压力下两相达平衡后 组分在固定相和流动相量的比值 K与k的关系 容量因子k与保留值的关系 22 塔板理论 柱效能指标 塔板理论是色谱学中的热力学平衡理论 它是把样品组分在色谱柱中的分离过程 视为组分在分馏塔里的分馏过程 把色谱柱看成一个分馏塔 分馏塔利用各组分的沸点不同 在塔板上经过多次气 液平衡后 最终低沸点组分在塔顶流液的含量高 高沸点组分在塔低层含量高 而达到分离目的 石油裂解产物 23 塔板理论的基本假设 1 色谱中也存在类似分馏装置的塔板 样品中的某组分在色谱柱 H 的高度区间内可以很快达到分配平衡 H称为理论塔板高度 且组分在H高度内服从分配定律 2 样品各组分开始时存在于第0号塔板上 且试样沿色谱柱轴 纵 向的扩散可以忽略不计 3 流动相进入色谱柱 洗脱过程 不是连续的 而是间歇进入 每次进入为一个塔板体积 4 分配系数在所有塔板上都相同 与组分在塔板上的量无关 24 塔板理论 柱效能指标 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 25 塔板理论 柱效能指标 理论塔板数与色谱参数之间的关系 重点 tR 保留时间 W1 2 半峰宽 Wb 峰底宽 H 理论塔板高度 L 色谱柱长度 n 理论塔板数 n有效 有效理论塔板数 H有效 有效塔板高度 26 塔板数n是色谱柱的特征参数 当色谱柱长度一定时 塔板数n越大 塔板高度H越小 柱效能则越高 所得色谱峰越窄 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 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 塔板理论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 也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径 实际用用受到限制 塔板理论 几点说明 塔板理论的不足 塔板理论虽然指出了理论板数n或理论板高度H对色谱柱效率的影响 但是没有指出影响塔板高度的因素 因此无法在理论指导下从实验上提高色谱柱的效率 28 速率理论 影响柱效能的因素 速率方程 也称范 弟姆特方程式 H A B u C uH 理论塔板高度 u 载气的线速度 cm s A 涡流扩散系数 B 分子扩散系数 C 传质阻力系数 29 A 2 dp指dp 固定相的平均颗粒直径 固定相的填充不均匀因子 细而均匀的颗粒 填充的越均匀 A H 柱效n A 涡流扩散项 由于组分分子在色谱柱填充不均匀的固定相中移动途径不同所造成的色谱峰展宽 30 B 2 Dg 弯曲因子 指填充柱内流动相扩散路径弯曲的因素 Dg 试样组分分子在流动相的扩散系数 cm2 s 1 流速 滞留时间 扩散 B u 分子扩散项 纵向扩散项 由于组分在液相中的扩散系数只有气体中的1 105 因此在液相色谱中B可以忽略 由于组分在色谱柱中沿着柱长方向的扩散所致的浓度差而引起的色谱峰展宽 31 传质阻力包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力CLC Cg CL 扩散系数D C 分配平衡时间长 峰变宽 C u 传质阻力项 指组分在色谱柱流动相和固定相之间的传递过程 溶解或吸附等 存在不同的阻力而形成的色谱峰展宽 固定相传质阻力流动相传质阻力 q和 为与两相的构型和性质有关的常数dp和df为固定相颗粒直径和固定液膜的厚度Ds为试样分子在固定液的扩散系数Dm为试样分子在流动相中的扩散系数 影响谱带展宽柱外效应 进样器死体积大 进样量大 进样速度慢 柱前后连接管道死体积大 检测器死体积大 34 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 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 分离效果更差 35 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 定义 相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽总和之半的比值 36 分离度与基本色谱分离方程式 分离度R的定义并没有反映影响分离度的各种因素 实际上 分离度是受柱效 n 选择因子 和容量因子 k 三个参数的控制 上式即为基本色谱分离方程式 也可表示为 37 同理 可得 也可表示为 分离度与基本色谱分离方程式 38 提高分离度的途径 1 1 提高柱效 1 增加柱长 n增加2倍时R只增大1 4倍 2 降低塔板高度H 是提高分离度的最好方法 39 分离度与柱效的关系 当固定相确定 被分离物质对的 确定后 分离度将取决于n 这时 对于一定理论板高的柱子 分离度的平方与柱长成正比 即为了提高柱效 可采用的途径 1 采用直径较小 粒度均匀的固定相 2 控制较薄的液膜厚度 3 选择适宜的流动相 流速和温度等 40 提高分离度的途径 2 增大容量因子kR随k增大而增大 但是分析时间也随之延长 为了增大k值 可采用的方法 1 GC 增加固定液的用量 适当降低柱温 2 LC 适当采用极性较小一些的流动相 41 提高分离度的途径 3 增大选择性因子 值由于 的微小变化 都对R有很大的影响 增大 值是改善分离度的最有力的手段 为了增大 值 可采用的方法 1 GC 适当降低柱温 2 LC 通过控制固定相和流动相的性质来调整 存在的问题 的变化不像n和k有规律可循