色谱1-简介和基本理论.

1、烯烃部培训 2008/12课程内容课程内容色谱简介和基础理论压力和温度控制系统进样系统色谱柱系统气相色谱检测器数据处理系统日常操作与故障处理色谱方法的确立样品采集和色谱实验室应用烯烃部培训 2008/12色谱简介色谱简介烯烃部培训 2008/12为什么要叫色谱？为什么要叫色谱？l第一个色谱：俄国植物学家Tswett用碳酸钙柱分离叶绿素、叶黄素、胡萝卜素。他在论文将这种分离方法称为Chromatographie （发表在1906年德文杂志上），译成英文后被称为Chromatography，即中文的色谱法。l现代色谱虽然沿用了这个名词，但已经很难直接看到被分离物质的颜色了。烯烃部培训 2008/1

2、2茨维特（茨维特（Tswett）的色谱）的色谱 俄国植物学家茨维特在俄国植物学家茨维特在1906年使用的年使用的色谱原型装置，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是试样中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各组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。断进行着的分配过程。 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），称为相的流体（气体或液体），称为流动相流动相。烯烃部培训 2008/12

3、色谱发展史色谱发展史-方法和理论方法和理论l1903年，俄罗斯植物学家Tswett 发表了吸附色谱分离植物色素的论文，并于1906年正式提出色谱法。l1931年，德国Kuhn和Lederer重复了Tswett的实验并分离了3种胡萝卜素，并因此获得1938年诺贝尔化学奖。l1940（1941）年，英国生物化学家Martin和Synge提出液液分配色谱法（塔板理论，并因此获得1952年诺贝尔化学奖），并预言可采用气体作为流动相。l1952年，Martin和 James合作用气体做流动相，建立了气-液分配色谱，也就是今天的气相色谱。l1956年，荷兰Van Deemter建立了速率理论。l1958年

4、，Golay提出了毛细管柱色谱法。l1972年，Stein Moore因用高效液相色谱法分析氨基酸并成功制造出氨基酸分析仪而获得诺贝尔化学奖。烯烃部培训 2008/12色谱发展史色谱发展史-仪器仪器l1955年春天，Burrell公司和Perkin-Elmer公司推出了最早的商业用色谱仪。配备主要有U型色谱柱和热导池检测器，PE公司还设置了柱箱。l1959年，F&M科学公司（65年被HP收购）的新仪器出现程序升温功能，1962年普及。l50年代末，Hamilton公司解决了液体小体积精确进样量问题。l80年代以来，色谱仪的多样化、高精化、自动化和联用技术日新月异，新型色谱层出不穷。烯烃

5、部培训 2008/12色谱发展史色谱发展史-我国的情况我国的情况l1954年，大连化物所开始我国的色谱研究工作。兰州、太原、北京、上海等地也相继开始色谱理论和技术的研究工作。l60年代初期，生产出国产第一台填充柱色谱仪。l1980年，北京分析仪器厂引进Varian技术，生产SP3400和SP3700色谱仪。l目前，我国可以生产多种通用色谱仪和多种专用色谱类分析仪。与国外仪器相比，自动化程度和可靠性仍有待于加强。烯烃部培训 2008/12色谱法的分类色谱法的分类l液相色谱气相色谱l柱色谱纸色谱薄层板色谱l吸附色谱分配色谱离子交换色谱凝胶色谱l气相色谱是色谱中结构比较简单的应用。主要用于低分子量、

6、易挥发组分的分析，如低碳有机物等。烯烃部培训 2008/12烯烃部培训 2008/12气相色谱的特点气相色谱的特点l选择性高烃类异构体、同位素、旋光异构体均有很好的分离效果。l分离效率高2m填充柱有几千块塔板；毛细管有几十万到几百万塔板。l灵敏度高高灵敏度检测器可以检测 10-11-10-13g级别的痕量物质。l分析速度快一般几到几十分钟。烯烃部培训 2008/12气相色谱的缺陷气相色谱的缺陷l不能用来定性不具备分析未知组分的分析能力。l无机物和高沸点有机物难以分析。烯烃部培训 2008/12高斯分布高斯分布 这里，为高斯分布的平均值，为均方差。曲线的拐点在x 2 处。 特别的，当|x - |

7、3 时，Y0.9974。这表明落在此区间外的面积不足0.3，可以认为X几乎不在该区间外面取值。通常称为3 规则。 当|x - |6 时，Y0.9999966。这表明落在此区间外的面积不足3.4ppm，可以认为X完全不在该区间外面取值。通常称为6 规则。 烯烃部培训 2008/12色谱有关术语色谱有关术语烯烃部培训 2008/12色谱有关术语色谱有关术语l基线l峰高、峰宽、半峰宽、峰底l死时间tM、保留时间tR 、调整保留时间tR、体积l相对保留值i,s l峰面积l分离度R烯烃部培训 2008/12分离分离度度Rl对于两个大小相近的峰：R1.0，两个峰重叠度为2，R=1.5，重叠度为0.3，认为

8、完全分离，由于w=4 ，此时（t2-t1）23 。l一些资料认为R=2完全分离。2121)(2)(211212wwttwwttRrrrr烯烃部培训 2008/12分离分离度度R烯烃部培训 2008/12分离分离度度R烯烃部培训 2008/12色谱基础理论色谱基础理论烯烃部培训 2008/12分离原理分离原理l先决条件：具备固定相和流动相。l分离内因：固定相对被分离组分的吸附或分配作用存在差异。组分间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的l分离外因：流动相携带被分离组分流动，造成多次吸附解吸或溶解挥发过程，放大了所存在的差异。l色谱的特点：物理分离，不改变样品组分。烯烃部培训 2008/12塔板

9、理论的理论假设：塔板理论的理论假设：l（i）在柱内一小段长度H内，组分可以在两相间迅速达到平衡。这一小段柱长称为理论塔板高度H。l（ii）流动相（如载气）进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔板体积（Vm）。l（iii）所有组分开始时存在于第0号塔板上，而且试样沿轴（纵）向扩散可忽略。l（iv）分配系数在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关。烯烃部培训 2008/12分配系数和吸附系数分配系数和吸附系数l一定条件下，对样品中的某一组分来说：l分配系数是针对气液色谱而言的。KPCsCm。 式中：Cs为该组分在固定液中的浓度， Cm为该组分在流动相中的浓度。l吸附系数是针对

10、气固色谱而言的。KA=m/VM 式中：m为1ml吸附剂中该组分的克数； VM为1ml流动相该组分的克数。烯烃部培训 2008/12分配系数和分配比分配系数和分配比l分配系数K是指在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度之比值，即：烯烃部培训 2008/12分配系数和分配比分配系数和分配比l分配比k，它是指在一定温度和压力下，组分在两相间分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的物质的量比。即：msnnk量组分在流动相中物质的量组分在固定相中物质的烯烃部培训 2008/12分配系数和分配比分配系数和分配比msmmssmsVVKVcVcnnk，即：体积比为相比定义流动相与固定液的

11、 ，则：msVVKk烯烃部培训 2008/12分配系数和分配比分配系数和分配比l分配比k值越大，说明组分在固定相中的量越多，相当于柱的容量大，因此又称分配容量或容量因子。它是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要参数。k值也决定于组分及固定相热力学性质。l分配系数K是一个物理化学常数，是由温度、压力、固定相和组分本身性质决定的。l分配比k又称分配容量或容量因子，其值越大，说明组分在固定相中的量越多。lK K和k k相差越大，则分离得越好。l相比是由色谱柱本身决定的。烯烃部培训 2008/12平均速度？平均速度？l10个人跑步，其中4个人跑步速度为2000，另外6个人的速度为1000，则它们的平均

12、速度是多少？lN个分子跑步，其中nm个分子跑步速度为u0，ns个分子跑步速度为0，则它们的平均速度是多少？nmu0ns烯烃部培训 2008/12回顾塔板理论的理论假设！回顾塔板理论的理论假设！l（i）在柱内一小段长度H内，组分可以在两相间迅速达到平衡。这一小段柱长称为理论塔板高度H。l（ii）流动相（如载气）进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔板体积（Vm）。l（iii）所有组分开始时存在于第0号塔板上，而且试样沿轴（纵）向扩散可忽略。l（iv）分配系数在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关。烯烃部培训 2008/12速度方程！速度方程！l设色谱柱中载气流动速度为u0

13、，组分在流动相中的分数为R，则组分X在色谱柱中的运动速度ux为：l即：kuux10smmxnnnuRuu00烯烃部培训 2008/12速度方程的应用：速度方程的应用：l死时间t0： L：柱子长度l保留时间t：l调整保留时间t：ttt0kt0l相对保留时间：l出峰时间差：t2t1（K2K1）t0/00uLt 000)1 (kttkuLuLtx21212121KKKKkktt烯烃部培训 2008/12塔板理论塔板理论l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，同时引入理论塔板数作为衡量柱效率的指标。l研究塔板理论的目的：从理论上

14、得到描述色谱流出曲线的方程，并通过这一方程各参数来研究影响分离的因素。烯烃部培训 2008/12塔板理论塔板理论l理论假设： （i）在柱内一小段长度H内，组分可以在两相间迅速达到平衡。这一小段柱长称为理论塔板高度H。 （ii）流动相（如载气）进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔板体积（Vm）。 （iii）所有组分开始时存在于第0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，与组分在某一塔板上的量无关。烯烃部培训 2008/12塔板的概念塔板的概念l塔板是精馏塔的一个部件，在一个完美的精馏塔塔板上，流经塔板的气相和液相达到一次平衡。lMarti

15、n等人提出塔板理论，是用精馏塔的塔板概念来描述色谱柱的分离过程，认为在每块色谱塔板上，样品气体与固定相达到一次气液平衡。而塔板数n的多少，就作为衡量色谱柱分离效能高低的一种量度。烯烃部培训 2008/12塔板数和塔板高度塔板数和塔板高度l在其他因素相同情况下，塔板数n与色谱柱长度L成正比。增加色谱柱长度，塔板数增加，柱效率也就增大。l理论塔板高度H Ln。l用相同的固定相填充的色谱柱，在相同的色谱条件下，为恒定值。烯烃部培训 2008/12塔板理论下的峰流出塔板理论下的峰流出128 6464646432323232 32323232163216163216 163216163216824248

16、824248 8242488242484162416441624164 41624164416241642102020102210202010221020201021020201021615201561615201562 26 16152015161520156 4101818100410181810 41018180410181810261027141814027141814271418027141814261014261014162610141616最终，流出检测器曲线符合二项式分布，在塔板数大于100时，可以简化为泊松分布，当塔板数更大超过200时，可以简化为高斯分布。 即： 正态分布曲

17、线。色谱柱检测器烯烃部培训 2008/12塔板理论的结论塔板理论的结论l流出曲线方程。l这里，C表示某一时刻柱子流出口组分的浓度；n为柱子的塔板数；Vr为组分的保留体积；V是此时刻的流动相流出体积。M为组分的进样质量。l在固定载气流速下，保留体积与保留时间是相似的。烯烃部培训 2008/12高斯分布高斯分布烯烃部培训 2008/12塔板理论的结论塔板理论的结论l峰高与各参数之间的关系。l本式说明，峰高与进样量m成正比；与柱子长度L的平方根成反比。l注意：峰高并不与理论塔板数n的平方根成正比！事实上，它们是成反比的。LmAVmnCr2max烯烃部培训 2008/12塔板理论的结论塔板理论的结论l

18、理论塔板数和峰宽的关系。l本式说明，理论塔板数n与峰宽W的平方成反比；与保留时间tr的平方成正比。l推导此式可以得出结论，峰宽W与柱子长度L的平方根成正比。烯烃部培训 2008/12塔板理论的结论塔板理论的结论l分离度R和柱子长度L的关系？烯烃部培训 2008/12速率理论速率理论l在塔板理论的基础上，从动力学出发，根据基本的实验事实研究各种操作条件（如载气的性质和流速、载体颗粒的直径、色谱柱填充的均匀程度等。）对理论塔板高度的影响，从而解释在色谱柱中色谱峰形扩张的原因。烯烃部培训 2008/12塔板高度塔板高度H的计算的计算l根据塔板理论，推导出塔板高度与相应因素的计算关系为：式中： A涡流

19、扩散系数：指固定相填充不均匀引起的扩散 ；B纵向分子扩散系数，指分子沿色谱柱轴向扩散引起的色谱谱带展宽 ；C传质阻力系数：指组分在流动相和固定相之间传质的阻力；u 载气流速。烯烃部培训 2008/12塔板高度与载气流速的关系曲线塔板高度与载气流速的关系曲线烯烃部培训 2008/12涡流扩散项涡流扩散项Al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，形象地如右图所示。l对于空心毛细管柱，A=0。烯烃部培训 2008/12分子扩散项分子扩散项B/u（纵向扩散项）（纵向扩散项）l纵向分子扩

20、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。l停留时间越长，纵向扩散就越厉害。烯烃部培训 2008/12传质阻力项传质阻力项Cul对于气液色谱，传质阻力系数C包括气相传质阻力系数和液相传质阻力系数两部分。l对于气固色谱，只有气相传质阻力系数。l主要作用因素的形成。烯烃部培训 2008/12载气流速的选择载气流速的选择l对同一根色谱柱而言，涡流扩散项对H的影响是相同的，不受流速变化的影响。l在低流速下，分子扩散项起主导作用，虽流速的增加，H减小。l当流速增加到一定值时，传

21、质阻力相起主导作用，因此随流速增加，H值增大。l因此，调节流速到最佳流速Uopt ，可使理论塔板高度最小H，从而得到最大的理论塔板数n，改善峰的分离状况。l实际选择流速会稍高于Uopt，为的是加速分离。烯烃部培训 2008/12导致色谱峰变宽的因素导致色谱峰变宽的因素柱内因素l单体颗粒越大，填充越不均匀，峰宽越大。l组分停留时间越长，载气流速越慢，峰宽越大。l载气的分子量越小，峰宽越大。l固定液液膜厚度越大，峰宽越大。l柱温越低，峰宽越大。柱外因素l进样宽度l检测器响应时间l死体积烯烃部培训 2008/12小知识小知识-茨维特生平茨维特生平lM.（M ）（18721919）俄国植物生理学家和化

22、学家。1872年 5月14日生于意大利阿斯蒂,1919年6月26日卒于苏联沃罗涅日。1896年获日内瓦大学哲学博士学位后，全家移居俄国。1901年获喀山大学植物学学士学位。1902年任华沙大学讲师，1907年任兽医学院教授，1908年任华沙理工大学教授。 茨维特应用化学方法研究细胞生理学。1900年他在树叶中发现了两种类型的叶绿素：叶绿素a和叶绿素b，后来又发现了叶绿素c,并分离出纯的叶绿素。他最重大的贡献是发明分析化学和有机化学中极重要的实验方法色谱法。他的第一篇关于色谱法的论文发表在1903年华沙的生物学杂志上。19061910年的论文都发表在德国的植物学杂志上。在这几篇论文中，他详细地叙述了利用自己设计的色谱分析仪器，分离出胡萝卜素、叶绿素和叶黄素。由于他的论文发表在不大知名的期刊上，所以当时没有引起化学界的注意。直到1931年，R.库恩才发现茨维特所发明色谱法的重要性，此法才得到普遍的推广和应用 返回烯烃部培训 2008/12小知识小知识-库恩生平库恩生平l库恩(RichardKuhn)，德国生物化学家，1900年12月3日生于德国(奥匈帝国)。库恩曾在慕尼黑大学R威尔施泰特的指