第四章环境分析中的色谱法上

第四章环境分析中的色谱法上第一页，共五十八页，2022年，8月28日第四章环境分析中的色谱法

第二页，共五十八页，2022年，8月28日第一节色谱(chromatography)一、色谱法茨维特：俄国植物学家，主要从事植物色素的研究工作，在1906年发表的文章中，首次提出了色谱的概念。

第三页，共五十八页，2022年，8月28日茨维特的实验

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配过程。其中的一相固定不动，称为固定相；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），称为流动相。第四页，共五十八页，2022年，8月28日色谱法是一种分离方法。—它的特点是：有两相，一是固定相，一是流动相，两相作相对运动。将色谱法用于分析中，则称为色谱分析。—色谱分析是一种分离、分析法。第五页，共五十八页，2022年，8月28日二、色谱法的分离原理

当流动相中携带的混合物流过固定相时,就会与固定相发生作用（力的作用）。由于混合物种各组分在性质和结构上有差异，与固定相发生作用的大小也有差异。因此在同一推动力作用下,不同组分在固定相中滞留的时间有长有短,按先后不同次序从固定相中流出。与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。第六页，共五十八页，2022年，8月28日三、色谱法的发展1906年，俄国植物学家T.swett命名自己发明的分离植物色素的新方法为色谱法。1931年，德国的Kuhn和Lederer重复了T.swett的实验，得到很好的结果，色谱法因此得到很大的推广。1940年，Martin和Synge提出了液液分配色谱法，又把塔板的概念引入色谱法中，初步建立了塔板理论。1941年，他们提出了用气体代替流体做流动相的可能性，发展了完整的气液色谱法之后，得到了1952年的诺贝尔化学奖。第七页，共五十八页，2022年，8月28日1957年，Golay发展了开管柱气相色谱。上个世纪六十年代末，高压泵和键合相固定相结合，出现了高效液相色谱。接着，出现了色谱法和其他检测技术的联用，例如GC-MS、GC-IR等。上个世纪八十年代，毛细管电泳出现，此后得到长足的发展，并不断出现新的模式。第八页，共五十八页，2022年，8月28日四、色谱法的分类1、按流动相状态分类流动相为气体：

固定相为固体：Gas–solidChromatography

固定相为液体：Gas–liquidChromatography流动相为液体：固定相为固体：Liquid–solidChromatography

固定相为液体：Liquid–liquidChromatography流动相为超临界流体：SupercriticalFluidChromatography第九页，共五十八页，2022年，8月28日气固(液固)色谱的固定相: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。气液(液液)色谱的固定相:由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。气固(液固)色谱的分离机理:

吸附与脱附的不断重复过程；气液(液液)色谱的分离机理：两相间的反复多次分配过程。第十页，共五十八页，2022年，8月28日2、按固定相形式分类柱色谱（ColumnChromatography)

将固定相装在色谱柱内纸色谱（PaperChromatography)

用滤纸做固定相或固定相载体的色谱薄层色谱（ThinLayChromatography)

固定相均匀涂在玻璃板或塑料板上

第十一页，共五十八页，2022年，8月28日3、按分离原理分类吸附色谱（adsorptionchromatography)

吸附剂对被分离物质的吸附能力不同分配色谱(partitionchromatography)

被分离物质在两相中分配系数不同离子交换色谱(ion-exchangechromatography)

被分离物质在离子交换树脂上的离子交换势不同尺寸排阻色谱（sizeexclusionchromatography）被分离物质分子量大小的不同和在填料上渗透程度的不同亲和色谱(affinitychromatography)

生物大分子和固定相表面存在特异性亲和力不同第十二页，共五十八页，2022年，8月28日4、按色谱动力学过程分类淋洗法(elutionmethod)

流动相与固定相的结合比样品与固定相的结合弱，分为等度淋洗和梯度淋洗。是目前色谱中最普遍的方法。置换法(displacementmethod)

流动相与固定相的结合比样品与固定相的结合强。前沿法(frontalmethod）样品本身就是流动相，固定相上吸附或者溶解力最弱的最先流出，后面的就是混合物了。第十三页，共五十八页，2022年，8月28日五、色谱法的特点（1）分离效率高复杂混合物，有机同系物、异构体、手性异构体。（2）灵敏度高可以检测出μg.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量。（3）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）应用范围广气相色谱：沸点低于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：被分离组分的定性较为困难。第十四页，共五十八页，2022年，8月28日六、色谱相关术语1、关于色谱峰2、关于保留值3、关于分配平衡第十五页，共五十八页，2022年，8月28日1、关于色谱峰第十六页，共五十八页，2022年，8月28日色谱图和色谱峰：若干物质通过色谱柱的流出曲线，在不同时间上的浓度或响应的大小。基线：在色谱操作条件下，没有被测组分通过鉴定器时，记录器所记录的检测器噪声随时间变化图线称为基线。峰面积：流出曲线（色谱峰）与基线构成之面积称峰面积。峰高：由色谱峰的浓度极大点向时间座标引垂线与基线相交点间的高度称为峰高。色谱峰底宽W：由色谱峰的两边拐点做切线，与基线交点的距离半峰高宽度W½

：色谱峰高一半处的峰宽。也称为色谱峰半高宽度标准偏差：0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。峰底宽、半峰宽及标准偏差的关系：W=4σ，Wh/2=2.354σ第十七页，共五十八页，2022年，8月28日拖尾峰：前沿陡峭，后沿较平缓的不对称峰。伸舌峰：前沿平缓，后沿较陡峭的不对称峰。鬼峰、假峰：在谱图中出现的一种有规律的峰，规律性强，间隔均匀，不易消除，并非由试样所产生的峰。基线噪声：由于各种因素所引起的基线波动。基线漂移：单方向的，固定斜率的基线变化。正漂移、负漂移。

谱带扩张：指试样组分在色谱柱内移动过程中谱带宽度增加的现象。第十八页，共五十八页，2022年，8月28日2、关于保留值保留值：表示试样中各组分在色谱柱中的停留时间的数值，通常用时间或用将组分带出色谱柱所需流动相的体积来表示。死时间（tM）：不被保留的样品通过色谱柱的时间。保留时间（tR）：样品注入到色谱峰顶出现的时间。调整保留时间（t’R）：保留时间减去死时间等于调整保留时间死体积（VM）：不被保留的样品通过色谱柱所消耗的流动相的体积。死时间与流动相线速度的乘积。保留体积（VR）：从注射样品到色谱峰值出现时，通过色谱系统的流动相的体积。用保留时间乘流动相线速度得到。调整保留体积（V’R）：用调整保留时间乘流动相线速度得到。第十九页，共五十八页，2022年，8月28日相对保留值（ri,s）：以一种物质作为标准，而求出其他物质的保留值对此标准物的比值，称为相对保留值。该值只与柱温和固定相性质有关，与其他色谱操作条件无关，它表示了固定相对这两种组分的选择性。保留指数（I）：表示物质在固定相上的保留值行为。规定正构烷烃的保留指数是其碳数的100倍，其它物质的保留指数在实际色谱条件下测定。选取与被测物相邻的两种正构烷烃做参照系，其中一种碳数为Z，另一种为Z+1，被测物的保留指数由下式计算第二十页，共五十八页，2022年，8月28日3、关于分配平衡分配系数K：一定温度和压力下，在平衡状态下，组分在固定液与流动相中的浓度之比。

一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢；试样一定时，K主要取决于固定相性质；每个组份在各种固定相上的分配系数K不同；选择适宜的固定相可改善分离效果；某组分的K=0时，即不被固定相保留，最先流出。第二十一页，共五十八页，2022年，8月28日分配比k：又称为容量因子、容量比、分配容量，是指在一定温度和压力下，平衡状态时组分在固定相中的量与在流动相中的量之比值。相比β：色谱柱内流动相和固定相体积之比，是柱型及结构的重要特性。分配系数、分配比都与组分及固定相的热力学性质有关，随柱温及柱压的变化而变化。分配比还与相比有关。第二十二页，共五十八页，2022年，8月28日滞留因子：

Rs=us/uus:组分在柱内的线速度

u:流动相在柱内的线速度滞留因子也可以用质量分数表示第二十三页，共五十八页，2022年，8月28日假设色谱长度为L则组分和流动相通过色谱所需要的时间分别为：由上各式可知故k可有实验测得。第二十四页，共五十八页，2022年，8月28日七、色谱分析法基本理论研究理论的目的解决色谱峰的分离问题三个色谱基本理论问题色谱热力学问题——发展高选择性色谱色谱动力学问题——发展高效能色谱分离条件的最优化问题——分离条件优化第二十五页，共五十八页，2022年，8月28日色谱理论需要解决的问题：色谱分离过程的热力学和动力学问题。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。组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？组分保留时间：色谱过程的热力学因素控制；（组分和固定液的结构和性质）色谱峰变宽：色谱过程的动力学因素控制；（两相中的运动阻力，扩散）第二十六页，共五十八页，2022年，8月28日1、色谱动力学理论研究流出曲线展宽的本质及曲线形状变化的影响因素（1）塔板理论将色谱柱比作精馏塔，将连续的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复，通过概率理论的到流出曲线方程当t=tR，C=Cmax，峰高正比与进样C0，是峰高定量的理论基础n越大，σ越小，Cmax越大，即保留时间一定时，塔板数越多，峰越高。n一定，Cmax反比于tR，tR越小，Cmax越大，保留时间小的组分高且窄。tR越大，Cmax越小，保留时间大的组分峰低且宽。第二十七页，共五十八页，2022年，8月28日柱效参数：由流出曲线方程导出n是峰相对展宽的量度n是柱效的量度,单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。n是常数时，Y与tR成正比n越大，表明组分在柱中达到的分配平衡次数越多，对分离越有利，但还不能预言各组分有被分离的可能性。第二十八页，共五十八页，2022年，8月28日有效塔板数和有效塔板高度保留时间包含死时间，组分在死时间内不参与柱内分配需引入有效塔板数和有效塔板高度：用不同物质计算可得到不同的塔板数。第二十九页，共五十八页，2022年，8月28日塔板理论的贡献：有助于形象的理论色谱的分离过程。导出色谱流出曲线方程，符合高斯分布与实验现象相吻合导出理论塔板数的计算公式，作为柱效的评价指标。当色谱柱长度一定时，塔板数n越大(塔板高度H越小)，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。第三十页，共五十八页，2022年，8月28日塔板理论的局限：塔板高度H是一个抽象的物理量，对实验指导意义有限。有些假设不合理，没有考虑纵向扩散对色谱分离的影响。柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。第三十一页，共五十八页，2022年，8月28日（2）速率理论运用流体分子规律研究色谱过程中产生色谱峰展宽的因素，导出理论塔板高度与流动相线速度的关系，揭示了影响塔板高度的动力学因素。

H=A+B/u+CuH：理论塔板高度，

u：载气的线速度(cm/s)

减小A、B、C三项可提高柱效；存在着最佳流速；

A、B、C三项各与哪些因素有关？第三十二页，共五十八页，2022年，8月28日①A-涡流扩散项

A=2λdp

λ:固定相的填充不均匀因子；

dp:固定相的平均颗粒直径由不等路径造成的色谱峰展宽。由于柱填料粒径大小不同，粒径分布范围不一致及填充的不均匀，形成宽窄、长短不同的路径，因此流动相沿柱内各路径形成紊乱的涡流运动，有些溶质分子沿较窄且直的粒径运行，以较快的速度通过色谱柱，发生分子超前，反之，有些分子发生滞后，从而使色谱峰发生扩散。

固定相颗粒越小dp↓，填充的越均匀，A↓，H↓，柱效n↑。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄。第三十三页，共五十八页，2022年，8月28日②B/u—分子扩散项

B=2γdg

γ:弯曲因子，填充柱色谱,γ<1。；

dg:试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2·s-1）由于分子的纵向扩散造成的色谱峰展宽。由于试样组分被载气带入色谱柱后，是以塞子的形式存在于色谱柱的很小的一段空间中，由于在塞子前后存在浓度梯度，因此使运动着的分子产生纵向扩散，引起色谱峰扩展。

(1)存在着浓度差，产生纵向扩散;(2)扩散导致色谱峰变宽，H↑(n↓)，分离变差;(3)分子扩散项与流速有关，流速↓，滞留时间↑，扩散↑;(4)扩散系数：dg

∝(M载气)-1/2；M载气↑，B值↓。第三十四页，共五十八页，2022年，8月28日③C·u—传质阻力项气液色谱由气相传质阻力和液相传质阻力两相组成。

C=（Cg+CL）k:容量因子；Dg

、DL:扩散系数。第三十五页，共五十八页，2022年，8月28日气相传质阻力Cg

试样组分从气相移动到固定相表面的过程中，由于质量交换过程需要一定时间（即传质阻力）而使分子有滞留倾向。在此过程中，部分组分分子随流动相向前运动，发生分子超前，引起色谱峰扩展。液相传质阻力CL

试样组分从固定相表面移动到固定相内部的过程中，由于质量交换过程需要一定时间（即传质阻力）而使分子有滞留倾向。在此过程中，部分组分分子先离开固定相表面，发生分子超前，引起色谱峰扩展。

减小担体粒度，选择小分子量的气体作载气，可降低传质阻力。第三十六页，共五十八页，2022年，8月28日速率方程的作用为柱型的研究和发展提供理论依据为操作条件的选择提供理论指导为色谱柱的填充提供理论指导第三十七页，共五十八页，2022年，8月28日第三十八页，共五十八页，2022年，8月28日第三十九页，共五十八页，2022年，8月28日第四十页，共五十八页，2022年，8月28日第四十一页，共五十八页，2022年，8月28日第四十二页，共五十八页，2022年，8月28日第四十三页，共五十八页，2022年，8月28日第四十四页，共五十八页，2022年，8月28日速率理论的要点(1)组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散、浓度梯度所造成的分子扩散及传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到等因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因。(2)通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载气流速可提高柱效。(3)速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导。阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。(4)各种因素相互制约，如载气流速增大，分子扩散项的影响减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使柱效下降；柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的影响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。第四十五页，共五十八页，2022年，8月28日2、色谱分离基本方程对于常规分析工作，一般选用：选择性系数α与保留指数I来评价固定液。有效塔板数N有效来评价色谱柱与分离条件。分离度R作为柱的总分离效能指标。第四十六页，共五十八页，2022年，8月28日（1）几个概念

选择性系数α定义与相对保留值（ri,s)基本相同。不同之处在于选择性系数是两个相邻峰的调整保留值之比（后峰比前锋，α≥1），而不是被测物与标准物质的调整保留值之比（可小于1）。它是评价固定液选择性的指标。选择性系数越大，该柱对此相邻峰的分离越好。第四十七页，共五十八页，2022年，8月28日分离度R塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分离程