《色谱法导论》ppt课件

1、第第18章章 色谱法导论色谱法导论18.1. 概论概论18.1.1. 分别科学的构成分别科学的构成1.蒸馏器与蒸馏设备蒸馏器与蒸馏设备2.沉淀、结晶、电解、萃取等分别技术沉淀、结晶、电解、萃取等分别技术 3.精馏、区域熔炼等精馏、区域熔炼等 4.色谱与电泳色谱与电泳18.1.2. 分别与色谱法分别与色谱法 分别分别separation是一种假定的是一种假定的hypothetical形状，在这种形状下，物质完全被分开形状，在这种形状下，物质完全被分开isolation，就是说，含有就是说，含有n种化学组分的混合物被分成种化学组分的混合物被分成n种纯的方种纯的方式，并把它们置于式，并把它们置于n个

2、独立容器中。个独立容器中。 困难：一是被分别组分在分别过程中再混合；二困难：一是被分别组分在分别过程中再混合；二是被分别组分的浓度稀释或分子离散。是被分别组分的浓度稀释或分子离散。 色谱分别是基于混合物各组分在两相中分布系数色谱分别是基于混合物各组分在两相中分布系数的差别，当两相作相对挪动时，被分别物质在两相间的差别，当两相作相对挪动时，被分别物质在两相间进展延续、多次分配，组分分配系数微小差别导致迁进展延续、多次分配，组分分配系数微小差别导致迁移速率差别，实现组分分别。移速率差别，实现组分分别。 dcbadcba18.1.2. 分别与色谱法分别与色谱法 分析分别常在极微小体系内完成，如毛细管

3、、芯片式的微通道。 分别分析的微型化，即微分别microseparation技术是当前的开展趋势之一。 色谱亦是高效制备分别方法。与分析分别相比，制备分别处置的样品或物料量要大得多，其目的也不尽一样。按分别目的和处置物料量可分为小规模实验室制备分别和大规模工业制备分别。 经典柱色谱、制备色谱、萃取、精馏、结晶 精馏、萃取、吸附、吸收、膜分别18.1.3. 分别方法分类分别方法分类. 按相的类型分类18.1.3. 分别方法分类分别方法分类. 按分别机理分类18.1.3. 分别方法分类分别方法分类.按分别过程推进力分类18.1.4.色谱法分类色谱法分

4、类. 按固定相的形状分类柱色谱：填充柱、整体柱、毛细管或开管柱平面色谱：薄层色谱和纸色谱. 按色谱动力学过程分类淋洗色谱法置换色谱法迎头色谱法18.1.4.色谱法分类色谱法分类.按两相的物理形状、分别机理等分类18.1.5.色谱法与其他分别、分析方法比较色谱法与其他分别、分析方法比较.与精馏、萃取分别比较1. 色谱、精馏与萃取同属平衡分别方法。2. 色谱法与精馏、萃取分别比较具有速度快、效率和选择性高的特点。3. 精馏不能分别沸点一样的组分，萃取不能分别在溶剂中溶解度一样的组分；色谱法可分别沸点、溶解度一样的组分，可分别物理、化学

5、性质相近，其他分别方法不能或难以分别的组分。 4. 精馏、萃取可分别物理化学性质差别较大的组分，仪器分析色谱法每次处置样品量少。 5. 多级萃取和色谱法分别过程中分别组分被稀释。18.1.5.色谱法与其他分别、分析方法比较色谱法与其他分别、分析方法比较.与化学分析方法比较1. 不受化学性质限制，是一种分别分析方法。2. 化学分析本身不具备分别功能，简单、快速。3. 化学分析普通不适用于分析多组分的混合物。 4. 化学分析定量方法简易；色谱法定量测定较复杂。 18.1.5.色谱法与其他分别、分析方法比较色谱法与其他分别、分析方法比较.与光谱、质谱分析方法比较1.

6、光谱、质谱主要是物质定性鉴定分析方法，色谱法本质上不具备定性分析功能。2. 色谱法最主要的特点是适用于多组分复杂混合物分别分析。 3. 色谱仪器的价钱相对比分子光谱、质谱仪器低得多，适用范围和领域更广。 4. 普通来说色谱检测器比分子光谱法灵敏度更高，比质谱灵敏度低。 18.2色谱法根底知识、根本概念和术语色谱法根底知识、根本概念和术语18.2.1 色谱分别和相应根底实际范畴 色谱根底实际是从微观分子运动和宏观分布平衡讨论最大限制提高分别迁移和降低离散迁移的科学原理，包括色谱热力学、色谱动力学和色谱分别实际。 各种色谱方法具有根本一样的动力学实际，也有类似的分别实际规律。 18.2.2 分布平

7、衡分布平衡色谱过程涉及溶质在两相中的分布平衡(distribution equilibrium)，平衡常数K称为分布系数或分配系数：0)(.PTGsssaRT lnmmmaRT lnmmssaRTaRTlnln)exp(RTCCKms18.2.3分布等温线分布等温线分布系数与溶质浓度无关或随溶质浓度变化而改动。在恒定温度下，将CS 对Cm作图所得组分或溶质在两相中的浓度关系曲线，称为分布等温线。 18.2.4 分布等温线方程分布等温线方程 描画吸附等温线的数学方程称为等温线方程。由于固体对气体或溶液的吸附景象非常复杂，等温线外形多种多样，有些还无适宜方程来描画，在色谱领域常用的等温线方程主要有

8、三种。 Freundlich方程nKPmX1nKCmCs1CmnKCslg1lglg18.2.4 分布等温线方程分布等温线方程.Langmuir方程 . BET(Bnunaure-Emmett-Teller)方程PKPKKCsmX.1.121) 1(1)(.002PPCPPCPKCsmX0220) 1(1)(CPKPCCKPPCsP18.2.5色谱流动相流速色谱流动相流速流动相的流速通常有两种度量方式：1. 体积流速：以Fc表示，为单位时间流过色谱柱的平均体积表示，单位普通为mLmin-1。 2. 线速度：以u表示，定义为单位时间内流动相流经色谱

9、柱的长度，也可称为速率，单位是cmmin-1、mmmin-1或mms-1。 MtLu 18.2.6. 色谱图色谱图 色谱柱内分别的样品各组分依次进入柱后检测器产生检测信号，其呼应信号大小对时间或流动相流出体积的关系曲线称为色谱图。 18.2.6. 色谱图色谱图色谱图上的信息：1. 阐明样品能否是单一纯化合物。 2. 阐明色谱柱效和分别情况。3. 提供各组分保管时间等色谱定性资料和数据。4. 给出各组分色谱峰高、峰面积等定量根据或按不同定量方法计算出的定量数据。 术语：基线、色谱峰高、色谱峰区域宽度、规范差 、半峰高宽度、色谱峰底宽、色谱峰面积。18.2.7. 保管值保管值 保管值(retent

10、ion)是样品各组分，即溶质在色谱柱或色谱体系中保管行为的度量，反映溶质与色谱固定相作用力类型和大小，与两者分子构造有关。.比移值 溶质经过色谱柱的平均线速度u与流动相平均线速度ux之比，以Rf 表示。 smmxfnnnuuR18.2.7. 保管值保管值.保管体积 死时间内流经色谱柱的流动相的体积称为死体积VM，即等于色谱柱内流动相体积。 保管时间内流经色谱柱的流动相体积，称为保管体积，以VR表示。调整保管时间内流经色谱柱的流动相体积，称为调整保管体积VR。VR = tR FCVR =tRFC =( tR - tM) FC = VR - VM CMMFtV18.

11、2.7. 保管值保管值.保管因子(retention factor) 溶质分布在固定相和流动相的分子数或物质的量之比，以k(或k)表示(无因次) 。 MSMMSSmsVVKVCVCnnkMRMMRMRtttttttk,1kRf11)1 ()1 (MSMMXMRVVKtktuutt)1 (RMSMMRVVKVVkVV18.2.7. 保管值保管值.相对保管值 相对保管值用以表述两组分或组分间保管差别，亦称为选择性因子(selectivity factor)，它反映不同溶质与固定相作用力的差别。 ,1,21212ttkkKK18.2.7. 保管值保管值

12、.保管指数 基于色谱保管值与分子构造关系，Kovats E提出以正构烷烃系列H(CH2)nH作为测定相对保管值的一致规范，并定义正构烷烃的保管指数为100n，如正辛烷保管指数为800，那么欲测定某化合物(x)的保管指数以适当碳数正构烷烃的保管值表示。 )()1()()(lglglglgnRnRnRXRttttnXlglg100lglglglg100100), 1(),()()1()()(nnnXnRnRnRXRRntttnXI)lglg(100)lglglglg(100),(),()()()()(NnNnXNnNNXRnNRRRRnNI18.2.8.色谱柱构造特性参数色谱柱构造特性参数评价色谱

13、柱的优、劣普通根据两类目的：一是色谱柱性能目的：单位柱长的实际塔板数、特定两组分或物质对的选择性因子等二是色谱柱构造特性参数：色谱柱的总孔隙度、浸透性等，这直接关系到色谱仪器操作的流动相柱前压、分析速度等。 18.2.8.色谱柱构造特性参数色谱柱构造特性参数.色谱柱总孔隙度 柱横截面上流动相所占的分数，即色谱柱内流动相体积与柱总体积之比： .浸透率与阻抗因子 udFLdtFVVVVVCCCMCCMCPiT2244PdLFVtFPLuKKCCCMCTTf20420PdPLuK22202LtPdLuPdKdMPPP18.3. 溶质分布谱带展宽溶质分布谱带展宽-色谱动

14、力学根底实际色谱动力学根底实际18.3.1. 色谱过程的实际处置类型 色谱过程的实际处置方法可根据分布等温线呈线性或非线性；色谱过程是理想或非理想形状分为不同类型。 所谓理想色谱过程指溶质在两相间物质交换在热力学上可逆，传质速率很高，平衡瞬间实现，分子分散可以忽略;非理想色谱这些假设都不成立。 线性理想色谱；线性非理想色谱；非线性理想色谱；非线性非理想色谱.溶质在色谱柱内分布平衡和迁移过程溶质在色谱柱内分布平衡和迁移过程 .色谱流出曲线方程色谱流出曲线方程 实践色谱柱N值很大，为103106，因此洗出曲线普通趋近正态分市，可近似地用正态分布函数描画溶质分布，除以

15、流动相体积，即可导出浓度变化方程: 当V = VR = nmaxVm，洗出色谱峰，此时溶质最大浓度Cmax,其流动相体积为VR，即为溶质保管体积： RVVVNVMeNCRR/22221RVMNC/221max22maxRVVRVNeCC22maxRttRtNeCC.实际塔板的计算公式实际塔板的计算公式 令VR V= V，当洗出溶质浓度C为最大浓度Cmax一半，即Cmax / C= 2时，V用V1/2表示： 2)2/1(2max2/RVVNeCC22/122/122/1254. 5254. 522ln8ttVVVVNRRR216WtNRNLH .实际塔板的计算公式

16、实际塔板的计算公式 为了扣除死时间的影响=，引入以调整保管时间tR计算的有效实际塔板数Neff和有效实际塔板高Heff的作为柱效目的。 22/122/122/1216254. 5254. 5tttttttNRRMReffeffeffNLHeffNkkN21 effHkkH2. 塔板实际的成就和局限塔板实际的成就和局限 塔板实际中的实际塔板数和板高按在色谱柱效评价中具有重要适用价值。 然而，色谱是一个动态过程，区别于萃取、精馏等分级过程，不能够实现溶质在两相间真正分布平衡；忽略分散、传质、瞬间实现平衡的假设也不符合色谱过程分子运动规律。 塔板实际不能阐明为何实际塔板数随流动相流

17、速变化；色谱过程中溶质分子分布离散的缘由；也未能深化讨论色谱柱构造、操作条件等对实际塔板数或塔板高度的影响，因此对色谱柱制备、操作条件优化等色谱实际的指点作用有限，而这正是色谱实际进一步开展的内在推进力。 18.3.3. 速率实际速率实际.塔板高度的统计意义以规范差2 作为分子在色谱柱内离散的度量，总的分子离散度应为单位柱长离散度之和，且与柱长呈正比，即2 = HL。比例因子H=2/L，等于各独立分子离散要素之和：niiiiHHHHHLLLL. 速率实际方程速率实际方程 uCmCsuBACuuBAH)(/)11(/uCAuCuBHms/

18、AuCuBHsuCAAm11.气相色谱速率实际方程气相色谱速率实际方程1.涡流分散项(A) 流动相携带溶质分子沿柱内各途径构成紊乱的涡流运动，有些分子沿较窄而直的途径以较快的速度经过色谱柱，发生分子运动超前; 而另一些分子沿较宽或弯曲的途径以较慢的速度经过色谱柱，发生分子运动滞后，导致色谱区带展宽，可以下式表示：pdA.气相色谱速率实际方程气相色谱速率实际方程2. 纵向分散项(B/u) 亦称为分子分散。浓差分散是分子自发运动过程。3.传质项(Cu) 色谱分别过程溶质在流动相和固定相之间进展质量传送。uDuBm/2/sfSfSSDdkkqDdkfC222.)1

19、 () (uDdkkuDdkkuDdHsfmPmP.)1 (.8.)1 (01. 02222222. 液相色谱速率实际方程液相色谱速率实际方程 高效液相色谱与气相色谱速率实际方程的主要区别要归因于液体与气体性质差别。 uDdkkuDdkkquDduDduCuCuCuBAHHHHHHmPiisfmPmPsmsmsmsmde.)1)(1 (30)1 (.)1 (.2222222. 影响柱效的变量影响柱效的变量1.流动相流速(u) )/(smoptCCBu)(2minsmCCBAH. 影响柱效的变量影响柱效的变量2.填料粒径(dP) 涡流分散A随d

20、P线性下降。 3. 色谱柱温 温度影响分散系数Ds和Dm，从而影响分子分散和传质速率。 . 折合参数板高方程折合参数板高方程 为了在同一根底上比较不同填料粒径、不同色谱方法柱性能和解释分别条件对柱效影响，Giddings首先提出用填料粒径(dp)为单位，作为归一化度量板高(H)、流动相线速(u)、柱长(L)等无量纲折合色谱参数。 定义折合板高h=H/dp，折合流速=u dp/Dm，折合柱长l=L/dp。其中折合流速是流动相流经一颗填料的线速度与分散速率之比。 . 折合参数板高方程折合参数板高方程 利用巳建立的h -关系，可指点最正确色谱参数选择。如=3能获得最小

21、h值。由3=udp/Dm=ldp2/Dm.tM，可导出最正确填料粒径关系式:ltDdMmp/318.4. 组分分别组分分别-根本分别方程根本分别方程18.4.1. 分别度 分别度(Resolution)定义为相邻两组分色谱峰保管值tR2，tR1之差与两峰底W2，W1平均宽度之比，以R表示。 )()(2)(2/112121212WWttWWttRRRRR当R = 1，两色谱峰交叠约4%，可称为根本分别。当R = 1.5，两色谱峰交叠约0.3%，可视为完全分别。 18.4.2. 分别方程分别方程当相邻峰保管值相近时，近似地W1 = W2 = W，并按分别度与实际塔板数N的平方根呈正比。分别某物质对

22、到达一定分别度需求的实际塔板数和柱长为：RtNW421214421212kkkNtttNWttRRRRRR22114kkNR222221116kkRN18.4.3分别速度及影响要素分别速度及影响要素 在思索组分分别时，另一个亲密相关的要素是实现分别所需时间，既分别速度。完成分别所需时间决议于迁移速率较慢的组分，既组分2的迁移线速度u2。18.4.4. 色谱柱峰容量 一定色谱操作条件下，色谱柱在一定时间能包容到达一定分别度(R1)色谱峰的数量。 峰容量与样品容量有一定差别，后者指正常色谱条件下溶质在两相间有效分配洗出对称色谱峰允许的最大样品量。 uHkkRtR2232222) 1(11618.5

23、 色谱方法选择和分别操作条件优化色谱方法选择和分别操作条件优化 经过色谱分别方程分析、初步实验数据估算，从易至难，采取各种技术手段，实现色谱分别操作条件优化。 18.5.1 色谱方法选择 根据样品物理、化学性质和分析要求选择色谱方法。 既可用气相色谱，亦可采用高效液相色谱分析的样品，通常首选气相色谱法，由于前者分析本钱相对低些。 总体来看，高效液相色谱比气相色谱适用的样品类型、范围或运用领域要广得多。 18.5.2 分别操作条件优化分别操作条件优化.提高实际塔板数1. 适当添加柱长2.提高柱效 柱效通常指单位柱长的实际塔板数N。据根板高方程，H随流动相流速u变化。 此外，降低固

24、定相填料粒径dP、固定相液膜或键合层厚度df ;采用低相对分子质量、低粘度流动相及适当提高柱温以改善传质等均有利于提高柱效。12122)/(NRRN12122)/(LRRL . 调理、控制保管因子调理、控制保管因子221kQkR22322)1 ( kkQtR.提高选择性因子提高选择性因子 R正比于(-1)/。 =1，R=0，两组分不能够分别; 略大于1，两组分才能够分别; 25，分别比较容易实现。从1.01增大到5，(-1)/添加近100倍。 相比之下，k从1增大到50，k/(1+k)从0.5变化至接近于1，只增大一倍。 显然，是影响R最敏感的要素。 坚持k 在

25、110的范围内，提高值可采取下述措施： 1. 改动流动相组成 2. 改动柱温 3. 改动固定相 18.6. 色谱定性分析色谱定性分析 18.6.1保管值定性 .与知物对照定性 色谱保管值与分子构造有关，但缺乏典型的分子构造特征，因此只能鉴定知物。 在同样色谱条件下，用知化合物与样品中色谱峰对照定性；或将知化合物参与样品中导致某色谱峰增高定性，这是色谱根本定性方法。.其他定性方法 按保管值阅历规律定性。参考文献保管数据定性。 18.6. 色谱定性分析色谱定性分析 18.6.2选择性检测呼应定性 色谱仪器普通配置通用型和选择性检测器，前者对一切化合物均有呼应，后者只

26、对某些类型化合物有呼应。18.6.3 色谱-构造分析仪器联用 构造分析仪器提供分子构造信息，可对化合物直接定性。色谱-构造分析仪器联用，将构造分析仪器作为色谱检测器，色谱的高分别才干与构造分析仪器的成分鉴定才干相结合，使各种色谱联用技术成为当今最有效的复杂混合物成分分别、鉴定技术。 18.7 色谱定量分析色谱定量分析18.7.1 定量根据 根据检测呼应信号大小，测定样品中各组分的相对含量。 每个组分的量(质量或体积)与色谱检测器的呼应值呈正比，普通与峰高或峰面积呼应呈正比。 色谱峰面积(A)以峰高与半峰高宽(2X1/2)相乘求出。 普通保管值小、峰宽窄且难以准确丈量的组分，可按峰高定量。多数情

27、况下按峰面积定量为宜。 18.7.2 定量方法定量方法.规范校正法或外标法 最直接的定量方法是配制一系列组成与样品相近的规范溶液。按规范溶液色谱图，可求出每个组分浓度或量与相应峰面积或峰高校准曲线。 在实践分析中，可采用单点校正： iiissiAfAAWW18.7.2 定量方法定量方法.内标法 选择一个普通不存在于样品中的适宜内标化合物。 要求内标物是高纯化合物；与样品中各组分很好分别，且不与组分发生化学反响；分子构造、保管值与检测呼应最好与待测组分相近。 首先需测定待测组分、内标物对某一规范物的相对定量校正因子。组分i的相对定量校正因子fi定义为组分定量校正因

28、子与规范物定量校正因子之比。 ssiiiAWAWf/ssisisisAWAWf/isisisiiiWfAfAW%100%100%WWfAfAWWPisisisiiii%100%100%WWAfAWWPisisiiii18.7.2 定量方法定量方法.峰面积归一化法 样品中一切组分全部冼出，在检测器上产生相应的色谱峰呼应，同时知其相对定量校正因子，可用归一化法测定各组分含量。 %100.%21iiiiniiifAfAWWWWWP5. 容量因子和相对保管值*容量因子k容量因子也叫质量分配比和容量比，是在一定温度和压力下，到达分配平衡时，组分在固定相和流动相中的质量m之比流动相流速用平

29、均线速度ucm/min替代体积流速Fml/min，组分流速为v，两者之比为保管比R R=v/u，假设在长为L的色谱柱中， v=L/tR，u=L/to R = to/tR 保管比与溶质分子在流动相中的分数有关： 所以由上式和 R = to/tR， 得： tRto(1+k)或 该式叫色谱方程，表示保管时间与分配系数得关系，在色谱柱一定时，Vs和Vm一定。假设流速、温度一定，那么to一定，tR取决于分配系数K，K大得组分保管时间长由tRto(1+k)式得： 分别因子即相对保管值a 为两组分的静保管值之比 a= k2/k1=tR2/tR1 代表了两个物质在一样色谱条件下的分别选择性，物质的化学性质和构

30、造上的差别，在其与固定相和流动相之间的作用力差别也有表达6.分辨率R分别度 两组分色谱峰的最高点之间的间隔表示为两个保管时间之差和两个谱带宽度W的算术平均值之比 由于a=tR2/tR1 那么有， N-实际塔板数，H-塔板高，Neff-有效塔板数色谱中的名词 固定相，载体，分别介质，流动相，色谱图，色谱峰，基线，峰宽，峰面积，峰高，保管时间，保管体积，流动相流速，信号呼应，拖尾，对称峰，肩峰，重叠，柱长，塔板高度，实际塔板数，有效塔板书数，容量因子，分辨率，分别度，内标法。外标法 ，六.几种色谱法的分别机理 分配色谱 吸附色谱 离子交换色谱 空间排阻色谱 对离子色谱 毛细管电色谱1.分配色谱 基于样品组分在固定液涂在载体上的液相和流动相之间的分配进展分别。类似液-萃取分别液 气-液分配色谱 ，GC 液-液分配色谱，硅胶S1100+3，3-二羟基丙晴，流动相正己烷 正相分配色谱和反相分配色谱2.吸附色谱 利用被分别组分对固定相外表吸附中心吸附才干的差别实现分别 固定相为吸附剂，多孔型微粒状物质，具有较大比外表积，外表有许多吸附中心，硅胶外表的吸附中心为硅羟基 流动相的洗脱才干主要由其极性决议，强极性流动相占据吸附中心的才干强，洗脱才干也强，使组分的保管值小， 流动相的洗脱才干用Snyder提出的溶剂强度定量表示正戊烷0.0