第10章色谱分离

1、第八章第八章 色谱分离色谱分离第一节第一节第一节第一节第一节第一节 色谱法概述色谱法概述色谱法概述色谱法概述色谱法概述色谱法概述chromatographic separationgeneralization of chromatograph separation一、一、 色谱法的概述、分类和作用色谱法的概述、分类和作用 1.1.概述概述 混合物最有效的分离、分析方法。混合物最有效的分离、分析方法。 俄国植物学家茨维特在俄国植物学家茨维特在19061906年使用的装置：年使用的装置：色谱原型装置，如图。色谱原型装置，如图。 色谱法是一种分离技术，色谱法是一种分离技术， 试样混合物的分离过程也就

2、是试样中各组试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在称之为色谱分离柱中的两相间不断进行着的分在称之为色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程。分配过程。 其中的一相固定不动，称为其中的一相固定不动，称为固定相固定相； 另一相是携带试样混合物流过此固定相的流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），称为体（气体或液体），称为流动相流动相。色谱法色谱法 当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发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。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，生相互作用。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强

3、弱不同，随着流动相与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，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。流出。 与适当的柱后检测方与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。组分的分离与检测。 两相及两相的相对运两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础动构成了色谱法的基础2.2.色谱法分类色谱法分类 (1)(1)气相色谱气相色谱：流动相为气体（称为载气）。流动相为气体（称为载气）。

4、按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱；按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱； 按固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱按固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱(2)(2)液相色谱液相色谱：流动相为液体（也称为淋洗液）。流动相为液体（也称为淋洗液）。 按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱。按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱。 离子色谱离子色谱：液相色谱的一种，以特制的离子交换树脂液相色谱的一种，以特制的离子交换树脂为固定相，不同为固定相，不同pHpH值的水溶液为流动相。值的水溶液为流动相。(3)(3)其他色谱方法其他色谱方法薄层色谱和纸色谱：薄层色谱和纸色谱： 比较简单的色

5、谱方法比较简单的色谱方法凝胶色谱法凝胶色谱法：测聚合物分子量分布。超临界色谱超临界色谱: : CO2流动相。流动相。高效毛细管电泳高效毛细管电泳: : 九十年代快速发展、特九十年代快速发展、特别适合生物试样分析分离的别适合生物试样分析分离的高效分析仪器。高效分析仪器。3.3.色谱法的特点色谱法的特点（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。（2 2） 灵敏度高灵敏度高 可以检测出g.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)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。（4 4） 应用范围广应用范围广 气相色谱：沸

6、点低于400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。 不足之处不足之处： 被分离组分的定性较为困难。二、色谱分离过程二、色谱分离过程 色谱分离过程是在色谱柱内完成的。色谱分离过程是在色谱柱内完成的。 填充柱色谱填充柱色谱: 气固气固(液固液固)色谱和气液色谱和气液(液液液液)色谱，两者的色谱，两者的 分离机理不同。分离机理不同。 气固气固(液固液固)色谱的固定相色谱的固定相: 多孔性的固体吸附剂颗粒。多孔性的固体吸附剂颗粒。 固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的不同。固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的不同。 气液气液(液液液液)色谱的固定相色谱的固定相:

7、 由由 担体和固定液所组成。担体和固定液所组成。 固定液对试样中各组分的溶解能力的不同。固定液对试样中各组分的溶解能力的不同。 气固色谱的分离机理气固色谱的分离机理: 吸附与脱附的不断重复过程；吸附与脱附的不断重复过程； 气液色谱的分离机理：气液色谱的分离机理： 气液气液(液液液液)两相间的反复多次分配过程。两相间的反复多次分配过程。从色谱流出曲线上，可以得到许多重要信息：从色谱流出曲线上，可以得到许多重要信息： （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（l）根据色谱峰的个数，可以判断样品中所合组 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

8、) 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8.2 色谱分析法理论基础色谱分析法理论基础 8.2.1 流出曲线及有关术语流出曲线及有关术语 在气相色谱分析法中，将以组分浓 度为纵坐标， 流出时间为横坐标，绘得的组分及其浓度随时间变 化的曲线称为色谱图，也称色谱流出曲线。下面是单个组分的色谱图，用以说明 色 谱分析法的相关术语。 基线和保留值基线和保留值 1. 基线：图中的O t 表示只有载气通过检测器时响应信号的记录。在条件稳定时为一直线。2. 保留值：表示试样中各组分在色谱柱内停留的时间数值。通常用时间或相应的载气体积来表示。（1

9、）用时间时间表示的保留值 保留时间保留时间 tR：指待测组分从进样到柱后出现浓度最大值时所需的时间, 如如图中的图中的O B。 死时间死时间tM：指不与固定相作用的气体（如空气、甲烷等）的保留时间，如图中OA所示。（1）用时间时间表示的保留值（二）_ 调整保留时间调整保留时间 t R：指：指扣除了死时间扣除了死时间的保留时间的保留时间，如图中，如图中的的AB。 即：即：tR = tR tM 注意：当固定相一注意：当固定相一定，在确定的实验条定，在确定的实验条件下，任何物质都有件下，任何物质都有一定的保留时间，它一定的保留时间，它是色谱分析法的基本是色谱分析法的基本参数。参数。 保留体积VR：指

10、从进样到柱后出现待测组分浓度极大值时所通过的载气体积。 VRtR F0 F0 色谱柱出口处载气流速 （mL/min） 死体积VM：指色谱柱内除了填充物固定相以外的空隙体积、色谱仪中管路和连接头间的空间及检测器的空间的总和。 VMtMF0 调整保留体积VR：指扣除了死体积后的保留体积。（2）用体积表示的保留值用体积表示的保留值3. 相对保留值相对保留值相对保留值 r21： 指组分2和组分1调整保留值之比，是一个无 因次量。 r21 = tR2 /tR1 = VR2 /VR1 注意：注意：相对保留值只与柱温及固定相相对保留值只与柱温及固定相性质有关，与其他色谱操作条件无关，性质有关，与其他色谱操作

11、条件无关，它表示了色谱柱对这两种组分的选择性。4. 区域宽度区域宽度（一）（一）（1）标准偏差标准偏差： 1/2EF1/4IJ（1/4Wb） 即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。 峰高 h 是色谱峰顶到基线的距离。h、是描述色谱流出曲线形态的两个重要参数 。 h 、与的关系如何？ 即色谱峰宽度。习惯上常用以下三个量三个量来表示。区域宽度（二）区域宽度（二） （2）半峰宽半峰宽Y1/2: 峰高一半处峰高一半处色谱峰的宽度色谱峰的宽度。如图中的GH。 半峰宽与标准偏差的关系为：注意注意：由于半峰宽容易测量，由于半峰宽容易测量，使用方便，所以一般用它来表使用方便，所以一般用它来表示区域宽度。示区域

12、宽度。354. 22ln22Y2/1区域宽度（三）区域宽度（三）（3）峰基宽度Wb：即通过流出曲线的拐点所作的切线在基线的截距，如图I J所示。Wb与的关系： Wb 48.2.2 色谱法中的主要参数和关系式色谱法中的主要参数和关系式分配系数分配系数Kp和容量因子和容量因子K （1）分配系数分配系数Kp：定温定压下物质在固定相和流动相中的浓度比浓度比。 KPAs / Am （s固定相； m流动相） （2）容量因子容量因子K：分配系数与两相体积有关的参数，表示溶质A在两相中的质量之比质量之比。 K=mAs / mAm =KPVS/Vm分配系数分配系数Kp和体积保留值和体积保留值VR的关系的关系VR

13、 = VM + KpVs 即：VR = VM（1+ K） 或：K（VRVM）/ VM当流动相流速一定时有： K（tRtM）/tM tR/tM 从上两式可以看到，色谱分析法中各组分保留值随K 而变化，而tM 、tR都可以从色谱图上测得，从而可以求出K。容量因子K是描述溶质保留行为的一个重要参数。（3）分离比分离比a 色谱分析法中A、B两种物质的分离效率可用分离比表示。当两相体积一定时，分离比与保留值的关系为： aKp(B)/Kp(A)K(B)/K(A)tR(B)/ tR(A)B，A 在色谱法中，分离比等于被分离两种物质分离比等于被分离两种物质的调整保留值之比。的调整保留值之比。 tR(B)/ t

14、R(A)B，A也称相对保留值。也称相对保留值。8.2.3 色谱柱的效能塔板理论色谱柱的效能塔板理论 在50年代，色谱技术发展的初期，Martin等人把色谱分离过程比作分馏过程，并把分馏中的半经验理论塔板理论用于色谱分析法。 8.2.3 色谱柱的效能塔板理论（色谱柱的效能塔板理论（二）二） 这理论把色谱柱比作一个分馏塔，假设柱内有n个塔板，在每个塔板高度间隔内，试样各组分在两相中分配并达到平衡，最后,挥发度大的组分和挥发度小的组分彼此分离，挥发度大的最先从塔顶（即柱后）逸出。尽管这个理论（概念）并不完全符合色谱柱的分离过程，色谱分离和一般的分馏塔分离有着重大的差别，但是因为这个比喻形象简明，因此

15、几十年来一直沿用。8.2.3 色谱柱的效能塔板理论（三色谱柱的效能塔板理论（三） 按照塔板理论，色谱柱的分离效能可以用塔板数来表示，由塔板理论导出的理论塔板数 n 的计算公式是： n=5.54(tR/y1/2)216(tR/Wb)2 注：使用该公式，分子分母应取相同单位。8.2.3 色谱柱的效能塔板理论（四色谱柱的效能塔板理论（四） 由于死体积VM (或死时间tM)内并没有发生分配作用，在考虑柱的实际分离效能时应予扣除，扣除死时间后色谱柱效用有效塔板数n有效 和有效塔板高度H有效。2)(16)Yt(54. 5n221RbR/Wt有效H有效L / n有效 由于同一色谱柱对不同物质的柱效能不同，故

16、用H、n、H有效、n有效等指标表示柱效能时应注明被测物质和色谱条件。8.2.3 色谱柱的效能塔板理论（五）色谱柱的效能塔板理论（五）22)1(16n2121rrR有效n有效有效也可以用下式表达：也可以用下式表达：)1(162121rrnR有效n有效有效与与R的关系式为的关系式为：有效HrrRL22)1(162121柱长柱长符号与上面讨论的相同。符号与上面讨论的相同。8.2.3 色谱柱的效能塔板理论（六色谱柱的效能塔板理论（六） 理论塔板高度（H）：H L / n L 色谱柱长度 n 大或 H 小，表示柱的分离效能愈高。 有效塔板数（高度）：扣除了死体积或死时间后的塔板数（高度）。色谱柱内的死体

17、积或相应的死时间实际上并没有参与分配作用。 8.2.4 影响色谱柱效能的因素影响色谱柱效能的因素速率理论（一）速率理论（一） 前面已知，用塔板理论来说明色谱柱内各组分的分离过程并不合理，因为色谱柱内并没有塔板。当同一试样进入同一色谱柱，当流动相速度变化时，得到不同的色谱图。测得的 n 和 H 也不同，充分说明塔板理论不足以说明色谱柱的分离过程。 8.2.4 影响色谱柱效能的因素影响色谱柱效能的因素速率理论（二速率理论（二） 1956年，荷兰学者范德姆特（VanDeomter）等提出一个描述色谱柱分离过程中复杂因素使色谱峰扩宽而致柱效降低（即：使 H 增大）影响的方程。此方程经简化后写为:UDU

18、CUB/ AH该式称为速率方程（范氏方程范氏方程）。 下面我们将对公式中的各项进行讨论下面我们将对公式中的各项进行讨论 8.2.4 影响色谱柱效能的因素影响色谱柱效能的因素速率理论（三速率理论（三） A 涡流扩散项涡流扩散项, 反映溶质分子受固定相颗粒障碍改变移动方向，形成涡流引起扩散。与填充颗粒的大小及填充的均匀性有关，而与流动相的流速无关。A越大，色谱峰变宽更严重。 式中 ； 流动相的平均线速度 UDUCUB/ AH（范氏方程）。8.2.4 影响色谱柱效能的因素影响色谱柱效能的因素速率理论（四）速率理论（四）v由于溶质区带前后存在着浓度差，因而产生纵向扩散使区带（色谱峰）扩宽。由于分子在液

19、体中的扩散速率大约是在气体中的 1/105，所以该项对液相色谱来说很小，而对气相色谱则很重要。v扩散的严重与否，关键是取决于流动相的线速度。速率方程（范氏方程）UDUCUB/ AH：分子扩散项UB/ 8.2.4 影响色谱柱效能的因素影响色谱柱效能的因素速率理论（五速率理论（五） 此两项对色谱峰的影响均与流速成正比。在流速很高的情况下，由于没有足够的时间建立平衡，偏离更为严重。C 固定相传质阻力项 D 流动相传质阻力项 (非平衡状态作用) 对于一定的色谱体系，速率方程中A、B、C、D其值为一定。速率方程描述了流动相的平均线速度对柱效能的影响。8.2.4 影响色谱柱效能的因素影响色谱柱效能的因素速

20、率理论速率理论(六六) 固定填充柱，对某一物质在不同的载气流速下,测定塔板高度，即可作右图。从图中可以看出，曲线最低点处 H 最小，即柱效能最高，该点对应的载气流速为最佳流速。 上述做法可用来求某条件下对某种物质的最佳载气流速。 H 的关系如下图所示气相色谱分析法中，气相色谱分析法中，8.2.5 分离效率的表示方法分离度分离效率的表示方法分离度 分离效率的表示方法分离效率的表示方法 分离度（分辨率）分离度（分辨率） 一个混合物（设只有A、B两种组分）经色谱分离后，得到的谱图可能为：试评价（1）（2）（3）的分离效果。（考虑两方面因素：溶质的保留值和溶质区带的区域宽度）色谱分离效率用参数分离度（分辨率）R来表示。8.2.5 分离效率的表示方法分离度（一）分离效率的表示方法分离度（一）色谱分离效率用分离度（分辨率）色谱分离效率用分离度（分辨率）R来表示：来表示：v式中：分子反映了溶质在两相中分配行为对分离的影响， 是色谱分离的热力学因素。v分母反映了动态过程溶质区带的扩宽对分离的影响，是 色谱分离的动力学因素。v从中得到：两溶质保留时间相差越大，色谱峰越窄，分两溶质保留时间相差越大，色谱峰越窄，分 离越好。离越好。)(699. 1)( 2)( 2/ 1)(2/1)(2/1)()()()()()(BAARBRBbAbARBRYYtt