第9章 色谱分析

1、1 色谱法早在1903年由俄国植物学家茨维特分离植物色素时采用。 他在研究植物叶的色素成分时，将植物叶子的萃取物倒入填有碳酸钙的直立玻璃管内，然后加入石油醚使其自由流下，结果色素中各组分互相分离形成各种不同颜色的谱带。这种方法因此得名为色谱法。以后此法逐渐应用于无色物质的分离，“色谱”二字虽已失去原来的含义，但仍被人们沿用至今。2俄国植物学家Tsweet发明的方法后来被称为“经典液相色谱法”。 （1906年）所使用的玻璃管称为色谱柱。管内的碳酸钙填充物称为固定相。淋洗液称为流动相或淋洗剂。混合物中的各组分被称为溶质。3一、原理不同的物质在由两相固定相和流动相构成的体系中，具有不同的分配系数。当

2、两相做相对运动时，这些物质也随流动相一起运动，并在两相间进行反复多次的分配。分配系数上有微小差别的物质在移动速度上产生差别，从而使各组份达到分离。 4色谱法分类：1、按流动相的物态：气相色谱法，液相色谱法 按固定相的物态：气固色谱，气液色谱 液固色谱, 液液色谱2、按固定相使用的形式： 柱色谱，纸色谱，薄层色谱。 3、色谱分离过程的机制: 吸附色谱、 分配色谱、 离子交换色谱、 排阻色谱（凝胶色谱）5（1）按两相物理状态分类：液液色谱液固色谱液相色谱气液色谱气固色谱气相色谱流动相液体气体6（2）按分离过程物理化学原理分类v吸附色谱：利用固定相对不同组分的吸附性能差别分离；v分配色谱：利用不同组

3、分在两相中分配系数差别分离；v离子交换色谱 ：利用不同离子在离子交换固定相上的亲和力差别分离；v凝胶色谱：利用不同组分分子量差别而先后被过滤进行分离；7（3）按样品注入色谱柱的方式和流动相的用法不同分类v冲洗法 (elution method) 流动相连续流过，在某一瞬间从色谱柱入口加入一定量的样品，由流动相将样品带入固定相中。v顶替法（置换法） 先把样品从色谱柱入口加入，再把顶替剂通入柱中，依次把样品各组分顶替出色谱柱。v迎头法 把样品当作流动相连续通入色谱柱中。8优点：优点：1.高效能：可分析沸点十分接近、组分复杂的混合高效能：可分析沸点十分接近、组分复杂的混合物物2.高选择性：能分离性质

4、极为相似的组分，如同位高选择性：能分离性质极为相似的组分，如同位素、异构体；素、异构体；3.高灵敏度：高灵敏度：10-11g物质，可检出物质，可检出ppmppb含量的组含量的组分；分；4.快速：几分快速：几分几十分钟可完成分析；几十分钟可完成分析；5.应用范围广：气体、液体、固体；应用范围广：气体、液体、固体；-196oC450oC范范围内有围内有2.72 10-41.36 10-2kg/cm2蒸汽压，热稳定蒸汽压，热稳定性良好的物质；性良好的物质；6.样品用量小。样品用量小。9缺点：1.定性需要纯品。不如IR、NMR、MS等技术；2.不适用于分离沸点高、热稳定性差的化合物，应用范围受温度限制

5、；3.定量时需要被测物的标准样品作对照。4.一般不能分析无机物。10填充柱开管柱（毛细管柱）色谱柱类型色谱柱类型113.1气-固色谱分离原理 固定相：多孔性及较大表面积的吸附剂。 反复的物理吸附-脱附过程。 各组分性质不同，吸附能力有差异。3.2 气-液色谱分离原理 固定相：在化学惰性的固体微粒(用来支撑固定液的，称为担体)表面，涂上一层高沸点有机化合物的液膜。（固定液） 各组分的分离是基于各组分在固定液中溶解度的不同 。 反复的溶解、挥发过程。1213 两相分配固定液载气迁移平衡固定液载气各组分在固定液中溶解能力不同溶解度大难挥发柱中停留时间长向前移动慢固定液载气各成分在固定液中溶解挥发平衡

6、分离原理溶解度(2相分配)不同分配系数: 固、流两相浓度之比MSccK 14v物质在固定相和流动相之间发生的吸附、脱附和溶解、挥发的过程称为分配过程。分配系数K 在一定温度下组分在两相之间分配达到平衡时的浓度值比称为分配系数K。 分配系数K是溶质在两相中分布平衡性质的度量，反映了溶质与固定相、流动相作用力的差别。LGCKC组分在固定相中的浓度组分在流动相中的浓度15一定温度下，各物质在两相之间的分配系数是不同的。气相色谱的分离原理是基于不同物质在两相间具有不同的分配系数。16K越大，tR越大，越慢出峰LGKCC分离本质，K不同K=0, 不保留, 最先出峰, tR= tM (死时间)K影响因素:

7、 固定相，柱温同系物沸点低(分子量小),先出峰: 苯/甲苯/对二甲苯17（一）色谱流出曲线和色谱峰 由检测器输出的电信号强度对时间作图，所得曲线称为色谱流出曲线。曲线上突起部分就是色谱峰。 如果进样量很小，浓度很低，在吸附等温线（气固吸附色谱）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。18191. 样品是否是纯化合物；样品是否是纯化合物；2. 色谱柱效和分离情况；色谱柱效和分离情况；3. 提供色谱定性的资料和依据；提供色谱定性的资料和依据；4.色谱图给出的各组分的峰高和峰面色谱图给出的各组分的峰高和峰面积是定量测定的依据。积是定量测定的依据。20（二）基线 在实验操作条件下，

8、色谱柱后没有样品组分流出时的流出曲线称为基线，稳定的基线应该是一条水平直线。（三）峰高 色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以（h）表示。21 色谱流出曲线（二）基线 在实验操作条件下，色谱柱后没有样品组分流出时的流出曲线称为基线，稳定的基线应该是一条水平直线。（三）峰高 色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以（h）表示。信号进样空气峰色谱峰ha22（四）保留值 1. 死时间t0 溶剂或载气通过相颗粒间所剩留的空间、管路空间的总和的时间，它正比于色谱柱的空隙体积，如下图。信号进样t0232. 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，称为保留时间，如下图。信号进样tR243. 调整保留

9、时间tRl某组分的保留时间扣除死时间后，称为该组分的调整保留时间，即 tR= tR t0 l由于组分在色谱柱中的保留时间tR包含了组分随流动相通过柱子所须的时间和组分在固定相中滞留所须的时间，所以tR实际上是组分在固定相中保留的总时间。l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，因此色谱工作者有时用保留体积来表示保留值。254 保留值：以时间表示基本术语死时间tM t0=L/u空气、甲烷空气、甲烷等不被固定相吸附等不被固定相吸附或溶解的或溶解的惰性物质流经柱的时惰性物质流经柱的时间。间。保留时间tR 被测组分从进样开始到柱后出被测组分从进样开始到柱后出现浓度最

10、大值所需的时间。现浓度最大值所需的时间。从进样到检测到信号极大tR等与流速有关,载气流速越大, tR越小调整保留时间tR tR= tR-t0由于溶解或吸附于固定相，比由于溶解或吸附于固定相，比不溶解或不被吸附的组分在色不溶解或不被吸附的组分在色谱中多滞留的时间。谱中多滞留的时间。265 保留值：以体积表示基本术语调整保留体积 VR0R0RRRVt FVV保留体积 VR 0RRFtV死体积VM 00RcrVFtF0:载气的体积流速272、气相色谱流出曲线和有关术语：、气相色谱流出曲线和有关术语： 图图2.2 色谱流出曲线色谱流出曲线286、 相对保留值：r21基本术语r12 定性依据，仅与组分性

11、质有关R 1R 11,2R 2R 2tVrtV2种不同组分调整保留值之比优点：优点：柱温、固定相不变，柱长、柱径、柱温、固定相不变，柱长、柱径、填充情况、载气流速变化，不变。填充情况、载气流速变化，不变。297 区域宽度基本术语标准差(高斯分布) 0.607h处峰宽的一半半峰宽W1/2 峰高1/2处的峰宽峰底宽W自色谱峰两侧的转折点所作切线在基线上的截距 IJ1/222ln22.354W4W30选择性差，柱效高选择性好，柱效低选择性和柱效均好8. 8. 分离度分离度 (R)(R)： R 1.5基本分离 2121R ()/2bbRRttWW31v试样在色谱柱中的分离过程的基本理论包括试样在色谱柱

12、中的分离过程的基本理论包括两方面：两方面： 1.试样中各组分在两相间的分配情况（热力试样中各组分在两相间的分配情况（热力学因素）；学因素）；各组分在两相的分配系数各组分在两相的分配系数各物质的分子结构、性质（保留值）各物质的分子结构、性质（保留值） 2.各组分在色谱柱中的运动情况（动力学因各组分在色谱柱中的运动情况（动力学因素）素） 各组分在流动相和固定相两相之间的传质阻力。各组分在流动相和固定相两相之间的传质阻力。（半峰宽度）（半峰宽度）32塔板理论将色谱柱和蒸馏塔类比，塔板理论将色谱柱和蒸馏塔类比，基本假设：基本假设：色谱柱内径和柱内填料填充均匀，色谱柱由若色谱柱内径和柱内填料填充均匀，色

13、谱柱由若干小段组成，每一小段的高度为干小段组成，每一小段的高度为H，这样一小，这样一小段称为一个理论塔板。段称为一个理论塔板。每个塔板内的溶质分子在两相瞬间达到平衡，每个塔板内的溶质分子在两相瞬间达到平衡，且纵向分子扩散可以忽略。且纵向分子扩散可以忽略。溶质在各塔板上的分配系数是一个常数，与溶溶质在各塔板上的分配系数是一个常数，与溶质在每个塔板上的量无关。质在每个塔板上的量无关。流动相通过色谱柱不是连续的，而是脉冲式的流动相通过色谱柱不是连续的，而是脉冲式的间歇过程。间歇过程。1.溶质开始时加在色谱柱第溶质开始时加在色谱柱第0块塔板上。块塔板上。33由塔板理论可导出色谱柱塔板数由塔板理论可导出

14、色谱柱塔板数n与色谱与色谱峰峰底宽度峰峰底宽度W的关系的关系:2201 25.54()16()RRbtttnWW塔板高度塔板高度H： H有效有效=L/n有效有效 H有效有效称为称为“理论塔板高度理论塔板高度”，H越小，柱效越高。越小，柱效越高。34载气系统进样系统色谱柱检测器记录、数据处理系统3536FlowControllerRegulatorsAirHydrogenCarrier GasMol-SieveTrapsFixedInjectionPortDetectorRestrictorsColumnHRESETor37381、载气源：、载气源：N2、H2、He、Ar 2、减压阀、净化剂、减

15、压阀、净化剂 3、进样系统：六通阀、气化室、进样系统：六通阀、气化室 4、分离柱、分离柱A柱材料：金属或玻璃管，毛细管395、检测器热导检测器（TCD）：惠斯顿电桥测电导值的变化氢火焰检测器（FID）：色谱柱流出物在氢焰中燃烧形成离子，电场作用下离子流动，检测离子流。电子俘获检测器（ECD）：X、O、S、P等电负性的物质捕获载气被电离后形成的离子。a. 火焰光度（FPD）或称硫磷检测器：S、P的有机物燃烧发出特征光波 S：394nm，P：526nm 4041H2H2H2H2H2H2CH4CH4CH4CH4CH4CH4CHO+CHO+CHO+CHO+CHO+CO2CO2CO2H 02H 02H

16、02H 02H2H2H2H2H2H2columnjet 火焰离子化检测器示意图火焰离子化检测器示意图火焰离子化机理火焰离子化机理42火焰离子化检测器的特点 可用于检测绝大多数有机化合物，并可检测ng/mL级痕量物质，易于进行痕量有机物的分析。它具有结构简单、灵敏度高、响应快、线性范围宽、选择性好、低干扰性、坚固易于使用等优点。但检测时样品被破坏， 不能检测惰性气体、空气、水、CO、CO2、CS2、NO、SO2、H2S。43优点：是最灵敏的GC检测器之一，也是一种选择性很强的检测器，对于含卤素有机化合物、过氧化物、醌、邻苯二甲酸酯和硝基化合物的检测有很高灵敏度，特别适合于环境中微量有机氯农药的检

17、测 。ECD原理示意图 缺点：线性范围较窄，一般为103，且检测器的性能受操作条件的影响较大，载气中痕量的氧气会使背景噪声明显增大。 44 是一种对是一种对含磷、硫有机化合物含磷、硫有机化合物具有高选择性和高灵敏度的质量具有高选择性和高灵敏度的质量型检测器。型检测器。PFPD结构示意图结构示意图 45一 、色谱的定性分析 色谱定性分析就是要确定各色谱峰所代表的化合物。由于各种物质在一定的色谱条件下均有确定的保留值，因此保留值可作为一种定性指标。 但是不同物质在同一色谱条件下，可能具有相似或相同的保留值，即保留值并非专属的。因此仅根据保留值对一个完全未知的样品定性是困难的。如果在了解样品的来源、

18、性质、分析目的的基础上，对样品组成作初步的判断，再结合下列的方法则可确定色谱峰所代表的化合物。46（一）利用纯物质对照定性 在一定的色谱条件下，一个未知物只有一个确定的保留时间。因此将已知纯物质在相同的色谱条件下的保留时间与未知物的保留时间进行比较，就可以定性鉴定未知物。若二者相同，则未知物可能是已知的纯物质；不同，则未知物就不是该纯物质。 纯物质对照法定性只适用于组分性质已有所了解，组成比较简单，且有纯物质的未知物。47（二）相对保留值法 相对保留值is 是指组分i与基准物质s调整保留值的比值 is = tri / trS= Vri / Vrs 它仅随固定液及柱温变化而变化，与其它操作条件无

19、关。 相对保留值测定方法：在某一固定相及柱温下，分别测出组分i和基准物质s的调整保留值，再按上式计算即可。 用已求出的相对保留值与文献相应值比较即可定性。 通常选容易得到纯品的，而且与被分析组分相近的物质作基准物质，如正丁烷、环己烷、正戊烷、苯、对二甲苯、环己醇、环己酮等。48 （三）加入已知物增加峰高法 当未知样品中组分较多，所得色谱峰过密，用上述方法不易辨认时，或仅作未知样品指定项目分析时均可用此法。首先作出未知样品的色谱图，然后在未知样品加入某已知物，又得到一个色谱图。峰高增加的组分即可能为这种已知物。 49二、定量分析 定量分析的任务是求出混合样品中各组分的百分含量。色谱定量的依据是，

20、当操作条件一致时，被测组分的质量（或浓度）与检测器给出的响应信号成正比。即： i = fi Ai 式中i为被测组分i的质量； Ai为被测组分i的峰面积； fi为被测组分i的校正因子。 可见，进行色谱定量分析时需要：（1）准确测量检测器的响应信号 峰面积或峰高；（2）准确求得比例常数 校正因子；（3）正确选择合适的定量计算方法，将测得的峰面积或 峰高换算为组分的百分含量。50（一）峰面积测量方法 峰面积是色谱图提供的基本定量数据，峰面积测量的准确与否直接影响定量结果。对于不同峰形的色谱峰采用不同的测量方法。（1）对称形峰面积的测量 峰高乘以半峰宽法 对称峰的面积 A = 1.065 h W1/2

21、（2）不对称形峰面积的测量 峰高乘平均峰宽法 对于不对称峰的测量如仍用峰高乘以半峰宽，误差就较大，因此采用峰高乘平均峰宽法。A = 1/2 h（W0.15 + W0.85）式中W0.15 和 W0.85分别为峰高0.15倍和0.85倍处的峰宽。 51（二）定量校正因子 色谱定量分析的依据是被测组分的量与其峰面积成正比。但是峰面积的大小不仅取决于组分的质量，而且还与它的性质有关。即当两个质量相同的不同组分在相同条件下使用同一检测器进行测定时，所得的峰面积却不相同。因此，混合物中某一组分的百分含量并不等于该组分的峰面积在各组分峰面积总和中所占的百分率。这样，就不能直接利用峰面积计算物质的含量。为了

22、使峰面积能真实反映出物质的质量，就要对峰面积进行校正，即在定量计算是引入校正因子。 通过相对校正因子，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质的峰面积，于是比较标准就统一了。这就是归一法求算各组分百分含量的基础。 校正因子分为绝对校正因子和相对校正因子。52相对校正因子的测定方法 相对校正因子值只与被测物和标准物以及检测器的类型有关，而与操作条件无关。因此， fi 值可自文献中查出引用。若文献中查不到所需的fi 值，也可以自己测定。常用的标准物质，对热导检测器（TCD）是苯，对氢焰检测器（FID）是正庚烷。 测定相对校正因子最好是用色谱纯试剂。若无纯品，也要确知该物质的百分含量。

23、测定时首先准确称量标准物质和待测物，然后将它们混合均匀进样，分别测出其峰面积，再进行计算。53（三）定量计算方法1. 归一化法 把所有出峰组分的含量之和按100%计的定量方法称为归一化法。其计算公式如下： Pi % = (mi / m) 100% = Aifi / (A1f1 + A2f2 + +Anfn) 100% 式中Pi %为被测组分i的百分含量； A1、A2 An为组分1 n的峰面积；f1、f2 fn为组分1 n的相对校正因子。 当fi 为质量相对校正因子时，得到质量百分数；当fi 为摩尔相对校正因子时，得到摩尔百分数。54 归一化法的优点是简单、准确，操作条件变化时对定量结果影响不大。但此法在实际工作中仍有一些限制，比如，样品的所有组分必须全部流出，且出峰。某些不需要定量的组分也必须测出其峰面积及fi 值。此外，测量低含量尤其是微量杂质时，误差较大。552. 内标法 当样