第五章 色谱分析概论

玻璃柱：色谱柱碳酸钙颗粒：固定相石油醚：流动相

5.1色谱分析概论

GENERALINTRODUCTIONTOCHROMATOGRAPHY

1903年由俄国植物学家茨维特M.S.Tswett分离植物色素时采用。第一页，共五十二页，编辑于2023年，星期五第二页，共五十二页，编辑于2023年，星期五第三页，共五十二页，编辑于2023年，星期五对色谱方法两相更进一步的认识：流动相：色谱工作时，流过色谱柱的物质。它既可以是气体，也可以是液体，还可以是超临界体。既可以是单质或单一化合物，也可以是一定比例的混合物。固定相：色谱工作时，固定相在色谱柱中固定不动。通常其核心是一类惰性物质，如硅胶、硅藻土等。对于气固、液固色谱法来说，固定相既是惰性物质；对于气液、液液色谱法固定相=惰性物质（载体）+固定液（粘稠的液体或固体有机物）。在载体和固定液之间有物理的涂裹，现多为化学键合。固定液是固定相的一部分，在毛细管色谱柱中只有固定液而没有载体。第四页，共五十二页，编辑于2023年，星期五5.2色谱法在国民经济和科学研究中的作用色谱法在经济建设中的作用上世纪30~40年代为揭开生物世界的奥秘，分离复杂的生物组成发挥了独特的作用。上世纪50年代为石油工业的研究和发展做出了重大贡献。第五页，共五十二页，编辑于2023年，星期五上世纪60~年70代为石油化工、化学工业等部门的分析检测工具。目前在生命科学、医药科学、食品科学、环境科学等众多研究领域的重要手段和方法。色谱法在分析化学中的地位和作用：高超的分离能力，无可替代，无法比拟。第六页，共五十二页，编辑于2023年，星期五5.3色谱法分类

气体为流动相的色谱称为气相色谱（GC）

根据固定相是固体吸附剂还是固定液（附着在惰性载体上的一薄层有机化合物液体），又可分为气固色谱（GSC）和气液色谱（GLC）。

液体为流动相的色谱称液相色谱（LC）液相色谱亦可分为液固色谱（LSC）和液液色谱（LLC）．超临界流体为流动相的色谱称为超临界流体色谱（SFC）。随着色谱工作的发展，通过化学反应将固定液键合到载体表面，这种化学键合固定相的色谱又称化学键合相色谱（CBPC）。第七页，共五十二页，编辑于2023年，星期五按分离机理分类

利用组分在吸附剂（固定相）上的吸附能力强弱不同而得以分离的方法，称为吸附色谱法。利用组分在固定液（固定相）中溶解度不同而达到分离的方法称为分配色谱法。利用组分在离子交换剂（固定相）上的亲和力大小不同而达到分离的方法，称为离子交换色谱法。利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透而达到分离的方法，称为凝胶色谱法或空间排阻色谱法。最近，又有一种新分离技术，利用不同组分与固定相（固定化分子）的高专属性亲和力进行分离的技术称为亲和色谱法，常用于蛋白质的分离第八页，共五十二页，编辑于2023年，星期五5.4著名品牌的现代分析仪器设备生产公司第九页，共五十二页，编辑于2023年，星期五第十页，共五十二页，编辑于2023年，星期五第十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期五第十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期五第十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期五第十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期五第十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期五5.5与现代仪器分析相关的谱库资源网站/chemistry/cas-ser.html检索方式第十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期五提供信息类型第十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期五第十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期五第十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期五质量表(m/z，%)-EI399.6594917.212215.217332.4404.86289235.6123417484125.26749423.21306.81758.842286846.89613.213217.620091.24377.2693010061344.8201104439.6704.410412.813817.220231.6534.47130.410512.41459.22144.85511.6794.41064.815812.821552575.2834.4107416042167.658100875.21105.217217.621716.4m/zRI/%数据库编码：CCJ-2008-0568中国通用名称：莠去津国际通用名称：atrazineCAS登记号：1912-24-9分子式：C8H14ClN5精确相对分子质量：215.09377用途：除草剂基本信息表第二十页，共五十二页，编辑于2023年，星期五/第二十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期五http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi第二十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期五第二十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期五34/scdb/第二十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期五第二十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期五5.6色谱流出曲线及主要术语

流出曲线和色谱峰

填充柱色谱分离示意图第二十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期五

如果进样量很小，浓度很低，色谱峰如果对称，可用Gauss正态分布函数表示：

式中：C—不同时间t时某物质的浓度，C0—进样浓度，tr—保留时间，σ—标准偏差。第二十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期五第二十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期五从色谱流出曲线上，可以得到的重要信息：

◎根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组份的最少个数。

◎根据色谱峰的保留值(或位置），可以进行定性分析。

◎根据色谱峰下的面积或峰高，可以进行定量分析。

◎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据。

◎色谱峰两峰间的距离，是评价固定相(和流动相)选择是否合适的依据。第二十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期五5.7色谱分析的基本原理色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组分要达到完全分离，两峰间的距离必须足够远，两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱过程的热力学性质有关。但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能分开。这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即与色谱过程的动力学性质有关。因此，要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。

第三十页，共五十二页，编辑于2023年，星期五两个组分完全分离的条件两组分的分配系数必须有差异区域扩宽的速率应小于区域分离的速度在保证快速分离的前提下，提供足够长的色谱柱。第三十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期五分配系数K和分配比k分配系数K

如前所述，分配色谱的分离是基于样品组分在固定相和流动相之间反复多次地分配过程，而吸附色谱的分离是基于反复多次地吸附-脱附过程。这种分离过程经常用样品分子在两相间的分配来描述，而描述这种分配的参数称为分配系数。它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，即第三十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期五分配比k

分配比又称容量因子，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质量比。即第三十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期五分离度相邻两组色谱峰保留值之差与两个色谱峰峰底宽度总和之半的比值。

第三十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期五（1）高柱效，高分离度（2）高柱效，低分离度（3）低柱效，低分离度（4）低柱效，高分离度第三十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期五

塔板理论

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。塔板理论为半经验理论。式中：n–理论塔板数L–色谱柱长H–每块塔板的高度第三十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期五

塔板理论用热力学观点形象地描述了溶质在色谱柱中的分配平衡和分离过程，导出流出曲线的数学模型，并成功地解释了流出曲线的形状及浓度极大值的位置，还提出了计算和评价柱效的参数。但由于它的某些基本假设并不完全符合柱内实际发生的分离过程，例如，纵向扩散不能解释造成谱带扩张的原因和影响板高的各种因素，也不能说明为什么在不同流速下可以测得不同的理论塔板数，这就限制了它的应用。

第三十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期五速率理论

1956年荷兰学者vanDeemter等在研究气液色谱时，提出了色谱过程动力学理论——速率理论。他们吸收了塔板理论中板高的概念，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。VanDeemter方程的数学简化式为式中：u为流动相的线速度；A，B，C为常数，分别代表涡流扩散项系数、分子扩散项系数、传质阻力项系数。现分别叙述各项系数的物理意义。第三十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期五涡流扩散项A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，形象地如图所示。第三十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期五A＝2λdp上式表明，A与填充物的平均直径dp的大小和填充不规则因子λ有关，与流动相的性质、线速变和组分性质无关。为了减少涡流扩散，提高柱效，使用细而均匀的颗粒，并且填充均匀是十分必要的。对于中空的石英毛细管色谱柱，不存在涡流扩散。因此A≈0。第四十页，共五十二页，编辑于2023年，星期五第四十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期五分子扩散项B/u（纵向扩散项）

纵向分子扩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。如图18S2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。分子扩散项系数为第四十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期五B＝2γDg式中γ是填充柱内流动相扩散路径弯曲的因素，也称弯曲因子，它反映了固定相颗粒的几何形状对自由分子扩散的阻碍情况。Dg为组分在流动相中扩散系数（cm2·s-1）。第四十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期五第四十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期五传质阻力项Cu由于气相色谱以气体为流动相，液相色谱以液体为流动相，它们的传质过程不完全相同，现分别讨论。（l）对于气液色谱，传质阻力系数C包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数Cl两项，即

C＝Cg＋Cl

第四十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期五

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。这一过程中试样组分将在两相间进行质量交换，即进行浓度分配。有的分子还来不及进入两相界面，就被气相带走；有的则进入两相界面又来不及返回气相。这样，使得试样在两相界面上不能瞬间达到分配平衡，引起滞后现象，从而使色谱峰变宽。对于填充柱，气相传质阻力系数Cg为式中k为容量因子。由上式看出，气相传质阻力与填充物粒度规则的平方成正比、与组分在载气流中的扩散系数见成反比。因此，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Cg减小，提高柱效。第四十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期五液相传质阻力系数C1为由上式看出，固定相的液膜厚度df薄，组分在液相的扩散系数Dl大，则液相传质阻力就小。降低固定液的含量，可以降低液膜厚度，但k值随之变小，又会使Cl增大。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厚度，但比表面太大，由于吸附造成拖尾峰，也不利分离。虽然提高柱温可增大Dl，但会使k值减小，为了保持适当的Cl值，应控制适宜的柱温。第四十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期五第四十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期五将上式总结，即可得气液色谱速率板高方程