项目三子项目一色谱分析检测技术

1、 色谱分析检测技术色谱分析检测技术食品分院食品分院刘深勇刘深勇 1 概述概述一、一、 “色谱法色谱法” 名称的由来名称的由来石油醚石油醚(流动相流动相)碳酸钙碳酸钙( (固定相固定相) )色色谱谱带带 现在的色谱法早已不局限于色素的分离，其方法也早已得到了极大的发展，但其分离的原理仍然是一样的。我们仍然叫它色谱分析。 色谱法的分离原理就是利用待分离的各种物质在两相中的分配系数、吸附能力等亲和能力的不同来进行分离的。 使用外力使含有样品的流动相（气体、液体）通过一固定于柱中或平板上、与流动相互不相溶的固定相表面。当流动相中携带的混合物流经固定相时，混合物中的各组分与固定相发生相互作用。 是利用混

2、合物不同组分在是利用混合物不同组分在和和中分配系数中分配系数(或吸附系数、渗透或吸附系数、渗透性等性等)的差异，使不同组分在作相对的差异，使不同组分在作相对运动的两相中进行反复分配，实现分运动的两相中进行反复分配，实现分离的分析方法。离的分析方法。色谱法色谱法 2 色谱法的分类色谱法的分类根据流动相的根据流动相的物态可分为物态可分为气相色谱气相色谱(GC)液相色谱液相色谱(LC)气气-固色谱固色谱(GSC)气气-液色谱液色谱(GLC)液液-固色谱固色谱(LSC)液液-液色谱液色谱(LLC)3、气相色谱分离过程、气相色谱分离过程 分离过程（以分离分离过程（以分离A、B两组分为例）两组分为例）为：

3、为：混合组混合组分的分分的分离过程离过程及检测及检测器对各器对各组分在组分在不同阶不同阶段的响段的响应应0246810120246810024681012024681002468101202468101.1.分离效能高分离效能高2.2.灵敏度高灵敏度高 可检测可检测10-1110-13g, ,适于痕量分析适于痕量分析. .色谱分析需试样量极少色谱分析需试样量极少( ( g g或或ng)ng). .3.3.分析速度快分析速度快 4.4.应用范围广应用范围广缺点：对未知物的定性分析比较困难。缺点：对未知物的定性分析比较困难。 方向：高选择性检测器；联用技术方向：高选择性检测器；联用技术（ GC-M

4、S、GC-FTIR、LC-MS、LC-NMR等）。等）。 从载气带着组分进入色谱柱起就用检测器检测流出柱后的气体，并用记录器记录信号随时间变化的曲线，此曲线就叫色谱流出曲线，当待测组分流出色谱柱时，检测器就可检测到其组分的浓度，在流出曲线上表现为峰状，叫色谱峰。 如果进样量很小，浓度很低，在吸附等温线（气固吸附色谱）如果进样量很小，浓度很低，在吸附等温线（气固吸附色谱）或分配等温线（气液分配色谱）的线性范围内，则色谱峰是对称或分配等温线（气液分配色谱）的线性范围内，则色谱峰是对称的。的。5 5 色谱图及常用术语色谱图及常用术语一、一、 基线基线当没有待测组分进入检测器时当没有待测组分进入检测器

5、时, ,在实验操作条件下，在实验操作条件下，反映检测器噪声随时间变化的曲线称为基线，稳定的基反映检测器噪声随时间变化的曲线称为基线，稳定的基线应该是一条水平直线。线应该是一条水平直线。二、二、峰高（峰高（h h）和峰面积）和峰面积 色谱峰顶点与基线的距离叫峰高。色谱峰与峰底基线色谱峰顶点与基线的距离叫峰高。色谱峰与峰底基线所围成区域的面积叫峰面积。所围成区域的面积叫峰面积。三、保留值三、保留值 1.1.保留值的定义保留值的定义(1)(1)死时间死时间tM 不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时，从进样到出现不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时，从进样到出现峰极大值所需的时间称为死时间峰极大值

6、所需的时间称为死时间. .MLtuL为柱长为柱长(cm)为流动相平均线速度为流动相平均线速度(cm/s)(2) 保留时间保留时间tR 试样从进样到柱后出现峰极大点时所经过的时间，称为保留试样从进样到柱后出现峰极大点时所经过的时间，称为保留时间时间.(3)调整保留时间调整保留时间t tR R tR = tR tM 由于组分在色谱柱中的保留时间由于组分在色谱柱中的保留时间t tR R包含了组分随流动相通过包含了组分随流动相通过柱子所需的时间和组分在固定相中滞留所须的时间，柱子所需的时间和组分在固定相中滞留所须的时间，所以所以t tR R 实实际上是组分在固定相中保留的总时间。际上是组分在固定相中保

7、留的总时间。保留时间是色谱法定性的基本依据保留时间是色谱法定性的基本依据. 但同一组分的保留时间常受到流动相流速的影响，因此色谱但同一组分的保留时间常受到流动相流速的影响，因此色谱工作者有时用保留体积来表示保留值。工作者有时用保留体积来表示保留值。(4)(4)死体积死体积V VM不被保留的组分通过色谱柱所消耗的流动相的体积不被保留的组分通过色谱柱所消耗的流动相的体积. . VM = FctM(5) (5) 保留体积保留体积VR 指从进样开始到被测组分在柱后出现浓度极大点时所通过指从进样开始到被测组分在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积。保留时间与保留体积关系：的流动相的体积。保留时间与保

8、留体积关系： VR = FctR(6)(6)调整保留体积调整保留体积V VR R 某组分的保留体积扣除死体积后，称为该组分的调整保留体某组分的保留体积扣除死体积后，称为该组分的调整保留体积。积。 VR = VR VM = tR Fc (7) (7)相对保留值相对保留值 某组分某组分2 2的调整保留值与组分的调整保留值与组分1 1的调整保留值之比，称为相对的调整保留值之比，称为相对保留值。保留值。由于相对保留值只与柱温及固定相性质有关，而与柱径、柱由于相对保留值只与柱温及固定相性质有关，而与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关，因此，它在色谱法中，特别是长、填充情况及流动相流速无关，因此，它在色

9、谱法中，特别是在气相色谱法中，广泛在气相色谱法中，广泛用作定性的依据用作定性的依据。 在定性分析中，通常固定一个色谱峰作为标准（在定性分析中，通常固定一个色谱峰作为标准（s），然），然后再求其它峰（后再求其它峰（i）对这个峰的相对保留值）对这个峰的相对保留值 。1 ,21212RRRRVVtt2,1/ i s6 6、区域宽度、区域宽度 色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参数之一，可用于衡量色谱柱的柱效及反要参数之一，可用于衡量色谱柱的柱效及反映色谱操作条件下的动力学因素。宽度越窄，映色谱操作条件下的动力学因素。宽度越窄，其效率越高，分离的效果也越好。其效率越

10、高，分离的效果也越好。 1. 分配系数（平衡常数）分配系数（平衡常数）K指在一定和温度和压力下，组分在两相间达到指在一定和温度和压力下，组分在两相间达到分配平衡时，组分在固定相中的浓度分配平衡时，组分在固定相中的浓度cs与组分在流与组分在流动相中的浓度动相中的浓度cm之比。之比。smcKcK： 与温度、压力有关外，还与组分性质、固定相与温度、压力有关外，还与组分性质、固定相 和流动相性质有关。和流动相性质有关。 不同组分不同组分K值的差异，是实现色谱分离的先决条件。值的差异，是实现色谱分离的先决条件。7、分配系数和容量因子、分配系数和容量因子 在一定条件下，各种物质的在一定条件下，各种物质的K

11、是不是不同的。同的。K较小的组分在色谱分析中每次较小的组分在色谱分析中每次分配后在气相中的浓度较大，因此较分配后在气相中的浓度较大，因此较早流出色谱柱。早流出色谱柱。K较大的组分每次分配较大的组分每次分配后在气相中浓度较小，因此较晚流出后在气相中浓度较小，因此较晚流出色谱柱。某组分的色谱柱。某组分的K=0时，即不被固时，即不被固定相保留，最先流出。定相保留，最先流出。从色谱流出曲线中，可得许多重要信息：从色谱流出曲线中，可得许多重要信息： (1) (1) 根据色谱峰的个数根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组分的最少个数；，可以判断样品中所含组分的最少个数； (2) (2) 根据色谱峰的保留值

12、根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析；，可以进行定性分析； (3) (3) 根据色谱峰的面积或峰高根据色谱峰的面积或峰高，可以进行定量分析；，可以进行定量分析； (4) (4) 色谱峰的保留值及其区域宽度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，是评价色谱柱分离效能的依据；据； (5) (5) 色谱峰两峰间的距离色谱峰两峰间的距离，是评价固定相（或流动相）选择是否，是评价固定相（或流动相）选择是否合适的依据。合适的依据。 下图是下图是 A、B两组分沿色谱柱移动时，不同位置处两组分沿色谱柱移动时，不同位置处的浓度轮廓。的浓度轮廓。 浓度浓度沿柱移动距离沿柱移动距离 LABABKA K

13、B若要使若要使A A、B B组分完全分离，必须满足以下三点：组分完全分离，必须满足以下三点：第一第一，两组分的分配系数必须有差异；，两组分的分配系数必须有差异；第二第二，区域扩宽的速率应小于区域分离的速度；，区域扩宽的速率应小于区域分离的速度；第三第三，在保证快速分离的前提下，提供足够长的色谱柱。，在保证快速分离的前提下，提供足够长的色谱柱。8 色谱法基本理论色谱法基本理论 第一、二点是完全分离的必要条件第一、二点是完全分离的必要条件。作为一个色谱理论，它不仅应说明组分在作为一个色谱理论，它不仅应说明组分在色谱柱中移动的速率，而且应说明组分在色谱柱中移动的速率，而且应说明组分在移动过程中引起区

14、域扩宽的各种因素。移动过程中引起区域扩宽的各种因素。塔塔板理论和速率理论均以色谱过程中分配系板理论和速率理论均以色谱过程中分配系数恒定为前提数恒定为前提，故称为线性色谱理论。，故称为线性色谱理论。 1 1 塔板理论塔板理论 把色谱柱比作一个精馏塔，即色谱柱是由一系列连续把色谱柱比作一个精馏塔，即色谱柱是由一系列连续的、相等的水平塔板组成。每一块塔板的高度用的、相等的水平塔板组成。每一块塔板的高度用 H 表示，表示，称为塔板高度，简称板高。称为塔板高度，简称板高。塔板理论假设：在每一块塔板上，溶质在两相间很快塔板理论假设：在每一块塔板上，溶质在两相间很快达到分配平衡，然后随着流动相按一个一个塔板

15、的方式向达到分配平衡，然后随着流动相按一个一个塔板的方式向前转移。对一根长为前转移。对一根长为 L 的色谱柱，溶质平衡的次数应为：的色谱柱，溶质平衡的次数应为： n 称为理论塔板数称为理论塔板数n 越大或越大或 H 越小越小, ,柱效率越高柱效率越高, ,分离能力越强分离能力越强. .LnH 塔板理论指出塔板理论指出：第一第一，当溶质在柱中的平衡次数，即理论塔板数，当溶质在柱中的平衡次数，即理论塔板数 n 大于大于50时时，可得到基本对称的峰形曲线。在色谱柱中，可得到基本对称的峰形曲线。在色谱柱中，n 值一般很大，值一般很大，如气相色谱柱的如气相色谱柱的 n 约为约为103 -106 ，因而这

16、时的流出曲线可，因而这时的流出曲线可趋近于正态分布曲线。趋近于正态分布曲线。第二第二，当样品进入色谱柱后，只要各组分在两相间的分配系，当样品进入色谱柱后，只要各组分在两相间的分配系数有微小差异，经过反复多次的分配平衡后，仍可获得良数有微小差异，经过反复多次的分配平衡后，仍可获得良好的分离。好的分离。第三第三，n 与半峰宽及峰底宽的关系式为：与半峰宽及峰底宽的关系式为： 式中式中tR 与与W1/2 ( Wb )应采用同一单位（时间或距离）。应采用同一单位（时间或距离）。tR 一定时，色谱峰越窄，一定时，色谱峰越窄，n 越大，越大，H 越小，柱效能越高。越小，柱效能越高。222/11654. 5b

17、RRWtWtn在实际工作中，计算出来的在实际工作中，计算出来的 n 和和 H 值有时并不能值有时并不能充分地反映色谱柱的分离效能，因为采用充分地反映色谱柱的分离效能，因为采用tR计算时，没计算时，没有扣除死时间有扣除死时间tM， 所以常用有效塔板数所以常用有效塔板数 n有效有效 表示柱效：表示柱效：有效板高有效板高 ：222/11654. 5bRRWtWtn有效有效有效nLH1.用热力学的观点阐明了溶质在色谱柱中的分配平衡用热力学的观点阐明了溶质在色谱柱中的分配平衡和分离过程和分离过程2.解释了流出曲线的形状及浓度极大值的位置解释了流出曲线的形状及浓度极大值的位置3.提出了计算和评价柱效的参数

18、提出了计算和评价柱效的参数一种半经验性的平衡理论一种半经验性的平衡理论塔板理论塔板理论贡献贡献缺点缺点1. 不能解释造成谱带扩张的原因和影响板高的各种因素不能解释造成谱带扩张的原因和影响板高的各种因素2. 不能说明同一溶质为什么在不同的流速下，可以测得不不能说明同一溶质为什么在不同的流速下，可以测得不同的理论塔板数同的理论塔板数2 2 速率理论速率理论 19561956年荷兰学者年荷兰学者van Deemter（范第姆特）等在研究（范第姆特）等在研究气液色谱气液色谱时，提出了色谱过程动力学理论时，提出了色谱过程动力学理论速率理论速率理论。他们吸收了塔板理论中他们吸收了塔板理论中板高板高的概念，

19、并充分考虑了组分在的概念，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。都适用。 van Deemter方程方程的数学简化式为的数学简化式为 为流动相的平均线速度，单位：为流动相的平均线速度，单位：cm/s； A、B、C、为常数，分别代表涡流扩散系数、分子、为常数，分别代表涡流扩散系数、分子扩散项系数、传质阻力项系数。扩散项系数、传质阻力项系数。uCuBAH （1 1）涡流扩散项）涡流扩散项 A 在填充柱中，由于受到

20、固定相颗在填充柱中，由于受到固定相颗粒的阻碍，组份在迁移过程中随流动粒的阻碍，组份在迁移过程中随流动相不断改变方向，形成紊乱的相不断改变方向，形成紊乱的“涡涡流流”。从图中可见，因填充物颗粒大。从图中可见，因填充物颗粒大小及填充的不均匀性小及填充的不均匀性同一组分运同一组分运行路线长短不同行路线长短不同流出时间不同流出时间不同峰形展宽。展宽程度以峰形展宽。展宽程度以A表示：表示：A=2 dp其中其中dp填充物平均直径；填充物平均直径； 填填充不规则因子。充不规则因子。 可见，使用细粒的固定相并填充可见，使用细粒的固定相并填充均匀可减小均匀可减小A，提高柱效。对于空心，提高柱效。对于空心毛细管柱

21、，无涡流扩散，即毛细管柱，无涡流扩散，即A=0。 ：弯曲因子，填充柱色谱，弯曲因子，填充柱色谱， 1。Dg：试样组分分子在气相中的扩散系数：试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2s-1）。）。与组分性质、载气性质、与组分性质、载气性质、柱温、柱压等因素有关。柱温、柱压等因素有关。 宜采用宜采用相对分子质量较大的相对分子质量较大的载气（如载气（如N2），较高载气线速度，），较高载气线速度，较低柱温。较低柱温。2gBD(3) (3) 传质阻力项传质阻力项 C C 物质系统由于浓度不均匀而发生的物质迁移过程，称为物质系统由于浓度不均匀而发生的物质迁移过程，称为传质传质。影响该过程的阻力，称为。影响该

22、过程的阻力，称为传质阻力传质阻力。传质阻力系数传质阻力系数C C包括气相传质阻力系数包括气相传质阻力系数C Cg g和液相传质阻力和液相传质阻力系数系数C C1 1两项，即两项，即 C = Cg+ C1 气相传质过程是指试样组分从气相移动到固定相表面的过气相传质过程是指试样组分从气相移动到固定相表面的过程。程。采用粒度小的填充物和相对分子质量小的气体（如氢采用粒度小的填充物和相对分子质量小的气体（如氢气）做载气，可使气）做载气，可使Cg减小，提高柱效。减小，提高柱效。 液相传质过程是指试样组分从固定相的气液相传质过程是指试样组分从固定相的气/ /液界面液界面移动到液相内部，并发生质量交换，达到

23、分配平衡移动到液相内部，并发生质量交换，达到分配平衡，然，然后又返回气后又返回气/ /液界面的传质过程。液界面的传质过程。降低固定液的含量，可以降低液膜厚度，但降低固定液的含量，可以降低液膜厚度，但k值随之变值随之变小，又会使小，又会使C1增大。增大。当固定液含量一定时，液膜厚度随载体的比表面积增当固定液含量一定时，液膜厚度随载体的比表面积增加而降低，因此，一般采用比表面积较大的载体来降低液膜加而降低，因此，一般采用比表面积较大的载体来降低液膜厚度。虽然提高柱温可增大厚度。虽然提高柱温可增大D1，但会使，但会使 k 值减小，为了保持值减小，为了保持适当的适当的C1值，应控制适宜的柱温。值，应控

24、制适宜的柱温。 当固定液含量较高，液膜较厚，载气以在中当固定液含量较高，液膜较厚，载气以在中等的线速下时，板高主要受液相传质系数等的线速下时，板高主要受液相传质系数C Cl l的控的控制。此时，气相传质系数值很小，可以忽略。制。此时，气相传质系数值很小，可以忽略。 然而，随着快速色谱的发展，当采用低固定然而，随着快速色谱的发展，当采用低固定液含量柱和高载气线速进行分析时，气相传质阻液含量柱和高载气线速进行分析时，气相传质阻力就会成为影响塔板高度的重要因素。力就会成为影响塔板高度的重要因素。将上面式总结，即可得将上面式总结，即可得气液色谱板高方程气液色谱板高方程 这一方程对选择色谱分离条件具有实

25、际指导意义，它指这一方程对选择色谱分离条件具有实际指导意义，它指出了色谱柱填充的均匀程度，填料颗粒的大小，流动相的种出了色谱柱填充的均匀程度，填料颗粒的大小，流动相的种类及流速，固定相的液膜厚度等对柱效的影响。类及流速，固定相的液膜厚度等对柱效的影响。 由上式可知，在由上式可知，在液液色谱中提高柱效液液色谱中提高柱效可采用以下方法：可采用以下方法：1、减小填料颗粒粒度、减小填料颗粒粒度dp；2、用黏度较低的溶剂作流动相；、用黏度较低的溶剂作流动相；3、采用低流速流动相；、采用低流速流动相；4、减小填料空穴深度；、减小填料空穴深度；5、适当提高柱温。、适当提高柱温。13-51 1、柱效和选择性、

26、柱效和选择性理论塔板数理论塔板数 n 是衡量柱效的指标是衡量柱效的指标， 反映了色谱分离过程反映了色谱分离过程动力学性质动力学性质。选择性因子选择性因子 是衡量色谱柱选择性的指标，是衡量色谱柱选择性的指标， 取决于组分在固定相上的取决于组分在固定相上的热力学性质热力学性质。2 2、分离度的定义、分离度的定义分离度又叫分辨率或分辨度，既能反映分离度又叫分辨率或分辨度，既能反映柱效率柱效率又能反映又能反映选择选择性性的指标，是的指标，是衡量分离效能的总指标。衡量分离效能的总指标。 定义：定义：)()()()(21AbBbARBRsWWttR一般说，当一般说，当Rs1时，两峰有部分时，两峰有部分重叠

27、；当重叠；当Rs=1时，时，分离程度可达分离程度可达98%；当；当Rs=1.5时，时，分离程度可达分离程度可达99.7%。 通常用通常用Rs=1.5作为相邻两作为相邻两组分已完全分离组分已完全分离的标志。的标志。sRn增加柱长，可提高分离度，但延长了分析时增加柱长，可提高分离度，但延长了分析时间，因此降低板高，提高柱效，才是提高分离度间，因此降低板高，提高柱效，才是提高分离度的好方法。的好方法。LnH 9 色谱定性和定量分析色谱定性和定量分析一一 定性分析定性分析1 用已知纯物质用已知纯物质 对照定性对照定性单柱比较法单柱比较法双柱比较法双柱比较法峰高增加法定峰高增加法定性性 二二 定量分析定

28、量分析定量基础定量基础AiiimfAhiiimfh或或Ahiiff和是绝对校正因子。 1 1、响应信号的测量、响应信号的测量（1 1）对称形峰面积的测量）对称形峰面积的测量 峰高乘以半峰宽法峰高乘以半峰宽法 A = 1.065 h W1/2（2）不）不对称形峰面积的测量对称形峰面积的测量 峰高乘以平均峰宽法峰高乘以平均峰宽法 A = 1/2 h（W0.15 + W0.85）（3）自动电学积分仪）自动电学积分仪（4 4）用峰高表示峰面积）用峰高表示峰面积在痕量分析中，峰高法的准确度较高。峰面积法适用于各在痕量分析中，峰高法的准确度较高。峰面积法适用于各种形状的峰，精度较好。种形状的峰，精度较好。

29、峰面积的大小不易受操作条件如柱温、流动相的流速、进峰面积的大小不易受操作条件如柱温、流动相的流速、进样速度等的影响，故适于作定量分析的参数。样速度等的影响，故适于作定量分析的参数。 2 2、校正因子、校正因子 （1 1）绝对校正因子）绝对校正因子 受仪器及操作条件影响很大，使用受到限制。受仪器及操作条件影响很大，使用受到限制。（2 2）相对校正因子）相对校正因子定义：定义：AhiiiiiimmffAh和AAisissisAiisisfA mAmfAmfA mi：组分组分S：标准物质：标准物质 相对校正因子可以把各个组分的峰面积分别换算成与其质相对校正因子可以把各个组分的峰面积分别换算成与其质量相等的标准物的峰面积，则比较标准统一起来。量相等的标准物的峰面