色谱法基本原理

1、关于色谱法的基本原理第一张，PPT共九十页，创作于2022年6月2.1 色谱法概述 2.1.1 色谱法的起源和发展 胡萝卜素(黄色)石油醚+植物色素石油醚CaCO3固定相叶绿素(绿色)叶黄素(黄色)第二张，PPT共九十页，创作于2022年6月液液分配色谱硅胶水乙醇氯仿(流动相) 各种氨基酸硅胶为载体水为固定相第三张，PPT共九十页，创作于2022年6月年代发明者发明的色谱方法或重要应用1906Tswett用碳酸钙作吸附剂分离植物色素。最先提出色谱概念。1931Kuhn, Lederer用氧化铝和碳酸钙分离a-、b-和g-胡萝卜素。使色谱法开始为人们所重视。1938Izmailov, Shrai

2、ber最先使用薄层色谱法。1938Taylor, Uray用离子交换色谱法分离了锂和钾的同位素。1941Martin, Synge提出色谱塔板理论；发明液-液分配色谱；预言了气体可作为流动相（即气相色谱）。1944Consden等发明了纸色谱。1949Macllean在氧化铝中加入淀粉黏合剂制作薄层板使薄层色谱进入实用阶段。1952Martin, James从理论和实践方面完善了气-液分配色谱法。1956Van Deemter等提出色谱速率理论，并应用于气相色谱。1957基于离子交换色谱的氨基酸分析专用仪器问世。1958Golay发明毛细管柱气相色谱。1959Porath, Flodin发表凝

3、胶过滤色谱的报告。1964Moore发明凝胶渗透色谱。1965Giddings发展了色谱理论，为色谱学的发展奠定了理论基础。1975Small发明了以离子交换剂为固定相、强电解质为流动相，采用抑制型电导检测的新型离子色谱法。1981Jorgenson等创立了毛细管电泳法。第四张，PPT共九十页，创作于2022年6月一、色谱法的定义2.1.2 色谱法定义和分类定义：利用不同溶质（样品）与固定相和流动相之间的作用力（分配、吸附、离子交换等）的差别，当两相做相对移动时，各溶质在两相间进行多次平衡，使各溶质达到相互分离。特点： 高超的分离能力，是一种物理化学分析方法第五张，PPT共九十页，创作于202

4、2年6月具体优点：（1）分离效率高。（2）应用范围广。（3）分析速度快。（4）样品用量少。（5）灵敏度高。（6）分离和测定一次完成。（7）易于自动化，可在工业流程中使用。 定性能力较差。 色谱法的缺点第六张，PPT共九十页，创作于2022年6月二、色谱法的重要概念固定相流动相色谱柱 第七张，PPT共九十页，创作于2022年6月1、按流动相所处的状态分类 气相色谱 - 用气体作流动相 液相色谱 - 用液体作流动相气固色谱气液色谱液固色谱液液色谱三、色谱法的分类超临界流体色谱第八张，PPT共九十页，创作于2022年6月2、按固定相使用的形状分类柱色谱：固定相装在柱管内。纸色谱薄层色谱(纸色谱和薄层

5、色谱又统称作平板色谱)第九张，PPT共九十页，创作于2022年6月第十张，PPT共九十页，创作于2022年6月第十一张，PPT共九十页，创作于2022年6月3、按分离过程的物理化学原理分类 吸附色谱 (LS，GS) 分配色谱 (LL，GL) 离子交换色谱 (LS) 空间排阻色谱 (LS)第十二张，PPT共九十页，创作于2022年6月吸附色谱 (LS，GS)第十三张，PPT共九十页，创作于2022年6月分配色谱 (LL，GL)Conditioned sorbentGood transport between sampleand sorbent硅胶水第十四张，PPT共九十页，创作于2022年6月离

6、子交换色谱 (LS)OHElectrostatic attractionSilica baseCO2HCO2-OCON(CH3)2+NNH3+SO3- 第十五张，PPT共九十页，创作于2022年6月空间排阻色谱 (LS)第十六张，PPT共九十页，创作于2022年6月2.2 色谱分离原理1. 分配系数（K）Cs： 被测组分在固定相中的浓度Cm： 被测组分在流动相中的浓度2.2.1 分配系数和分配比 第十七张，PPT共九十页，创作于2022年6月分配系数意义：K是热力学常数，K值除了与温度、压力有关外，还与被测物、固定相和流动相的性质有关。K值大Cs大tR长移动速度慢。若两组分的K值相等两个组分分

7、离开。 第十八张，PPT共九十页，创作于2022年6月2. 分配比（k）：相比 第十九张，PPT共九十页，创作于2022年6月分配比的意义：k随K和的变化而变化；k值越大ms越多柱的容量大 k又称作容量因子。 k是表征色谱柱对被测组分保留能力的主要参数。 第二十张，PPT共九十页，创作于2022年6月2.2.2 色谱法分离原理第二十一张，PPT共九十页，创作于2022年6月色谱分离过程的特点：不同组分在通过色谱柱时移动速度不等。流动相 BBA空气B A+B A检测和记录A+B+空气进样固定相流动相第二十二张，PPT共九十页，创作于2022年6月10020030040050.0310.00160

8、.0780.00470.1180.00880.1380.01490.1380.021100.1250.03110.1050.04120.0830.045130.0630.05第二十三张，PPT共九十页，创作于2022年6月2.3 色谱流出曲线 五种磺胺的色谱图第二十四张，PPT共九十页，创作于2022年6月气相色谱分离多环芳烃色谱图第二十五张，PPT共九十页，创作于2022年6月一、色谱流出曲线或色谱图 以检测器对组分的响应信号为纵坐标，流出时间(或流出体积)为横坐标作图所得的曲线。 Rf (t, V)二、色谱流出曲线构成： 由基线和色谱峰组成。基线：指仅有流动相通过而没有待测物，检测器响应信

9、号随流出时间的变化。色谱峰：在基线上突起的部分，它是由引入流动相中被测物引起的。第二十六张，PPT共九十页，创作于2022年6月色谱图或色谱流出曲线第二十七张，PPT共九十页，创作于2022年6月描述色谱峰三种参数峰高(或峰面积) 峰的大小区域宽度 峰的形状保留值(时间t、体积v) 峰的位置2.3.1 色谱峰高斯分布曲线第二十八张，PPT共九十页，创作于2022年6月1峰高h2标准偏差，0.607h处，拐点处，峰宽正好为23峰面积A A1.065hY1/24半峰宽Y1/2 Y1/2=2.3545峰底宽Y=4，拐点作切线与基线相交，相交两点间距离为峰底宽Y。Y1/2、Y统称为区域宽度第二十九张，

10、PPT共九十页，创作于2022年6月 通常用将各组分带出色谱柱所需的载气体积或时间表示。2.3.2 保留值定义： 在一定的固定相和操作条件下，任何一种物质都有一个固定的保留值，故组分的保留值可用于该组分的定性鉴定。 特点：第三十张，PPT共九十页，创作于2022年6月1死时间tM说明：实际上就是流动相通过色谱柱所需要的时间。或是组分在流动相中所消耗的时间。 tM由色谱柱中流动相体积Vm与流动相流速决定，与被测组分和固定相无关。 第三十一张，PPT共九十页，创作于2022年6月2. 保留时间tR 定义：从进样开始到柱后, 组分出现响应信号极大值 时所需时间。说明：组分的保留时间就是组分通过色谱柱

11、所需的时间。即组分在色谱柱内运行的时间。影响因素：流 动 相性质、在色谱柱中的体积Vm和流速固 定 相性质、在色谱柱中的体积Vs；被测组分性质 第三十二张，PPT共九十页，创作于2022年6月3. 调整保留时间（ ）定义：扣除死时间后的保留时间。说明：组分在固定相中停留的时间。= 注意：第三十三张，PPT共九十页，创作于2022年6月4. 流动相的流速 定义：单位时间流动相所通过的距离-线流速，u单位时间通过流动相的体积-体积流速，F单位时间通过流动相的量-质量流速，Fm和摩尔流速，Fn)F、Fm和Fn常称作流量。第三十四张，PPT共九十页，创作于2022年6月线流速 l/t (m/min)体

12、积流速v/t (ml/min)质量流速m/t (g/min)F说明： 在流路的任何一点， 质量流速或摩尔流速相等。 Fm=Fn 对于气相色谱，线流速和体积流速可能各处不同； 对于液相色谱，线流速可能不一样，但体积流速可视为各处相同。 气体状态方程不同位置处，线流速不同第三十五张，PPT共九十页，创作于2022年6月气相色谱中柱内平均体积流速的确定c点处的平均体积流速 为柱内气体的平均摩尔流速 为流量计内r处气体的摩尔流速 Fc很难测，且为柱内平均值，Fr易测，求Fr与Fc的关系即可。第三十六张，PPT共九十页，创作于2022年6月第三十七张，PPT共九十页，创作于2022年6月第三十八张，PP

13、T共九十页，创作于2022年6月柱内平均压力 Pcr点处载气的压力Pr Pr = PoPw 第三十九张，PPT共九十页，创作于2022年6月压力校正项湿度校正项温度校正项第四十张，PPT共九十页，创作于2022年6月5. 死体积VM定义：不被固定相保留的组分，通过色谱柱时所需流动相的体积。 计算：VM = tM 第四十一张，PPT共九十页，创作于2022年6月6. 保留体积VR 定义：从进样开始到柱后出现待测组分响应信号极大值时所通过的载气体积。计算： VR = tR 注意：各种保留时间受流动相流速的影响，各种保留体积与流动相流速无关。第四十二张，PPT共九十页，创作于2022年6月7. 调整

14、保留体积定义： 保留体积扣除死体积后的体积计算公式： = = VR VM 计算公式：第四十三张，PPT共九十页，创作于2022年6月8. 相对保留值 r2,1 （选择性因子 ）定义：相对保留值 r2,1是指组分2的调整保留值与组分1的调整保留值之比公式：越大两组分容易分离； = 1时两组分不能分开。 说明： 只与柱温和固定相性质有关 第四十四张，PPT共九十页，创作于2022年6月9. 保留值与分配比的关系被测物在色谱柱内的平均线流速x为 流动相在色谱柱内的平均线流速为 L为色谱柱长被测物出现在流动相中的几率为 x 与 的关系为 第四十五张，PPT共九十页，创作于2022年6月色谱柱长是一定的

15、，所以 第四十六张，PPT共九十页，创作于2022年6月色谱过程方程：表达了保留时间与分配系数或容量因子两个重要参数的关系。 容量因子越大，溶质的保留时间也越长。 对于混合物，分配系数不等是分离的前提。第四十七张，PPT共九十页，创作于2022年6月例2.1 已知Vs = 2.0 mL，Fc = 50 mLmin-1，tR = 5 min，tM = 1 min。求VM，VR， ，k，K。 第四十八张，PPT共九十页，创作于2022年6月第四十九张，PPT共九十页，创作于2022年6月 色谱流出曲线可以解决的问题1样品所含最少组分个数 2可以进行定性分析3可以进行定量分析4可对色谱柱效能进行评价

16、5. 色谱过程的热力学问题6. 色谱过程的动力学问题总结第五十张，PPT共九十页，创作于2022年6月色谱理论 色谱理论需要解决的问题： 影响分离及柱效的因素与提高柱效的途径，柱效与分离度的评价指标及其关系 色谱分离过程的热力学和动力学问题。第五十一张，PPT共九十页，创作于2022年6月2.4 塔板理论 第五十二张，PPT共九十页，创作于2022年6月2.4.1 塔板理论的假设1. 柱分成n段，n为理论塔板数，每段高为H，H为塔板高度，柱长为L，则n=L/H2. 所有组分开始都加在第零号塔板上。3. 在每块塔板上被测物在两相间平衡是瞬间建立的。4. 流动相是以脉冲式(塞子式)进入色谱柱进行冲

17、洗的，每次恰好为一个塔板体积V。5. 在所有塔板上，同一组分的分配系数为常数，即和组分的量无关。6. 沿色谱柱方向不存在塔板与塔板间被测物的纵向扩散。第五十三张，PPT共九十页，创作于2022年6月第五十四张，PPT共九十页，创作于2022年6月假定：K=1 Vs/Vm=1 k=1 n=5 进样量 m=1mg 板体积数（V）0123400.50.51V0.250.250.250.252V0.1250.250.1250.1250.250.1253V0.06250.1880.1880.06250.06250.1880.1880.06254V0.03120.1250.1880.1250.03120.

18、03120.1250.1880.1250.0312检测器第五十五张，PPT共九十页，创作于2022年6月这一理论得到结果1分布有一最大，两边逐渐减小2色谱流出曲线的形状类似于数学上的正态分布曲线正态分布方程为：第五十六张，PPT共九十页，创作于2022年6月C：不同流出体积时的组分浓度m：进样量 VR：保留体积n：塔板数 V ：流出体积将正态分布方程用于色谱流出曲线方程的数学表达式，也称塔板理论方程 ： 第五十七张，PPT共九十页，创作于2022年6月令：为标准偏差 令：m = 1 当VVR时， 当则则：第五十八张，PPT共九十页，创作于2022年6月将代入第五十九张，PPT共九十页，创作于2

19、022年6月由Y1/2 = 2.354 和 Y = 4 可证明Y1/2=0.5885Y第六十张，PPT共九十页，创作于2022年6月为了准确评价色谱柱效能，宜采用有效塔板数neff和有效塔板高度Heff第六十一张，PPT共九十页，创作于2022年6月理论塔板数和有效塔板数关系说明：对于n和neff以及H和Heff，用同一色谱柱时对不同物质是不一样的；同一物质，对不同柱子也不一样。第六十二张，PPT共九十页，创作于2022年6月塔板理论的成功与不足成功：1、导出了色谱流出曲线的数学表达式；2、说明了色谱峰的形状呈正态分布；3、解释了浓度极大点；4、提出了评价柱效的参数(n)及其计算式 不足：1、

20、仅考虑了热力学因素，没有考虑动力学因素；2、不能说明影响柱效的因素及谱带扩张的原因；3、不能说明流动相流速对柱效的影响，而实验事实是流速不同时测得的n (或H)不同 第六十三张，PPT共九十页，创作于2022年6月2.5 速率理论2.5.1 气相色谱法色谱过程的动力学理论塔板高度H 与载气线速度的关系第六十四张，PPT共九十页，创作于2022年6月A 为涡流扩散项，B 为分子扩散项系数，C 为传质阻力项系数， 为载气的平均线流速范弟姆特方程第六十五张，PPT共九十页，创作于2022年6月1涡流扩散项AA = 2dP：填充不规则因子dP：填充物颗粒的平均直径第六十六张，PPT共九十页，创作于20

21、22年6月第六十七张，PPT共九十页，创作于2022年6月影响： 填充物颗粒的大小、分布以及填充均匀的程度；不受影响：载气性质、线速度和组分无关。减小涡流扩散提高柱效的有效途径： 使用适当小的颗粒，且颗粒均匀的填充物，并尽量填充均匀。对于空心毛细管柱，A = 0。 A = 2dP第六十八张，PPT共九十页，创作于2022年6月12与颗粒的均匀程度有关及填充的均匀程度有关第六十九张，PPT共九十页，创作于2022年6月2分子扩散项分子扩散项的系数B ： B = 2Dg ： 弯曲因子Dg：组分在气相中的扩散系数(cm2s-1)第七十张，PPT共九十页，创作于2022年6月第七十一张，PPT共九十页

22、，创作于2022年6月与填充物有关： 对于填充柱， = 0.50.7； 对于毛细管柱， = 1.0。 Dg与组分的性质、载气的性质、柱温和柱压等因素有关： 分子量大的组分Dg小； Dg反比于载气分子量的平方根, 故采用分子量较大的载气可使B项降低； Dg随柱温升高而增大，而随柱压增大而减小。B = 2Dg第七十二张，PPT共九十页，创作于2022年6月3传质阻力项 C传质：物质因浓度不均匀而发生的迁移过程称为传质 传质阻力：影响此迁移过程速度的阻力称为传质阻力 传质阻力种类：包括气相和液相传质阻力，而传质阻力系数也包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数ClC = Cg + Cl 第七十三张

23、，PPT共九十页，创作于2022年6月气相传质过程气相传质过程是待测组分从气液界面移动到气相内部而后又移动到液相表面的过程。第七十四张，PPT共九十页，创作于2022年6月影 响：Cg与填充物粒度dp的平方成正比，与组分在载气流中的扩散系数Dg成反比。解决方法：因此采用粒度小的填充物和分子量小的气体作载气可使Cg减小,从而提高柱效。对于填充柱：气相传质阻力系数第七十五张，PPT共九十页，创作于2022年6月液相传质过程液相传质过程是指待测组分从气液界面移动到液相内部，发生质量交换以达到分配平衡，然后又返回气液界面的传质过程。第七十六张，PPT共九十页，创作于2022年6月影 响：固定相液膜厚度

24、（df） 和组分在液相中的扩散系数（Dl ）。解决方法：减小液膜厚度df，增大组分在液相中的扩散系数Dl，均可提高柱效。 液相传质阻力系数第七十七张，PPT共九十页，创作于2022年6月速率理论方程填料性质：填料颗粒均匀程度、填料颗粒大小填充情况：填料在色谱柱中填充均匀程度流动相：流动相种类和流速固定相：固定液厚度公式说明影响n或H的因素结论：范弟姆特方程对色谱分离条件的选择具有指导意义第七十八张，PPT共九十页，创作于2022年6月2.6 分离度(Rs)2.6.1 定义Rs是相邻两组分色谱峰保留值 和 之差与两个组分色谱峰峰底宽Y1和Y2总和的一半的比值 衡量色谱图中相邻两峰分离程度意义第七十九张，PPT共九十页，创作于2022年6月热力学因素（两峰离开距离）动力学因素（两峰宽