色谱分析导论

色谱分析导论第1页，课件共63页，创作于2023年2月§11—1色谱法及其分类★色谱法是一种分离技术，

是混合物最有效的分离、

分析方法。俄国植物学家茨维特在1906年使用的装置——色谱原型装置，如右图所示。第2页，课件共63页，创作于2023年2月茨维特实验第3页，课件共63页，创作于2023年2月一、色谱：色谱法又叫色层法、层析法，以试样组分在固定相和流动相间的溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲和作用的差异为依据而建立起来的各种分离分析方法。色谱柱：进行色谱分离用的细长管。固定相：管内保持固定、起分离作用的填充物。流动相：流经固定相的空隙或表面的冲洗剂。第4页，课件共63页，创作于2023年2月色谱法分离实质：当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发生相互作用。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中流出。第5页，课件共63页，创作于2023年2月两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础第6页，课件共63页，创作于2023年2月二、色谱的分类：1.按流动相和固定相的物理状态分类：色谱气相色谱（流→气）液相色谱（流→液）气－固色谱气－液色谱液－固色谱液－液色谱第7页，课件共63页，创作于2023年2月2.按产生分离过程的相系统的形式分类：柱色谱法毛细管色谱法平板色谱法用玻璃柱子做色谱柱，固定相填装在柱子中用毛细管做色谱柱，固定相填装在管壁用平整的板子作固定相支持的载体，固定相平铺在板上第8页，课件共63页，创作于2023年2月3.按分离过程原理分类：吸附萃取静电作用和扩散扩散生物特性吸附色谱分配色谱离子交换色谱凝胶色谱生物亲和色谱第9页，课件共63页，创作于2023年2月4.按展开程序分类：洗脱法顶替法迎头法组分与固定相作用力＞流动相与固定相作用力组分与固定相作用力＜流动相或其他物质与固定相作用力第10页，课件共63页，创作于2023年2月三、色谱分离过程：色谱分离过程是在色谱柱内完成的第11页，课件共63页，创作于2023年2月§11—2色谱流出曲线和术语一、线性洗脱色谱：1.分配等温线与分配系数K：●分配等温线：在一定温度下，溶质在固定相与流动相之间的分配曲线，此曲线称为分配等温线。●分配系数K：分配等温线的斜率。第12页，课件共63页，创作于2023年2月①若K与浓度无关，则分配等温线为直线；②在色谱过程中，图中的C、D型很少出现；

A、B型常见，但不能用于测定；③在溶质浓度低时，Cs

基本上正比于Cm，曲线近似直线。第13页，课件共63页，创作于2023年2月2.线性洗脱色谱：●在色谱中，分配系数K为常数时所进行的色谱过程，即称为线性洗脱色谱。结论：CS值大，则K值大，溶质进入固定相的量就多。推论：溶质流过色谱柱时，分配系数K值大的组分通过色谱柱所需时间长，而K值小的组分通过色谱柱所需时间短。当样品中各组分在两相的分配系数K不同时，就能实现差速迁移，达到分离的目的。第14页，课件共63页，创作于2023年2月二、相关术语：第15页，课件共63页，创作于2023年2月色谱图：色谱柱流出物通过检测器时所产生的响应信号对时间的曲线图。纵坐标为信号强度，横坐标为保留值。第16页，课件共63页，创作于2023年2月只有流动相通过检测器时，在实验操作条件下，反映检测器噪声随时间变化的曲线。色谱峰（样品峰）顶点到基线之间的垂直距离，以h表示。第17页，课件共63页，创作于2023年2月保留值：（热力学因素）——即组分在色谱柱中固定相上停留的时间。不被固定相吸附或溶解的组分进入色谱柱时，从进样开始到柱后出现该物质的峰极大点时所需的时间，用tM表示。被分析组分从进样开始到柱后出现被分析组分的峰极大点时所需要的时间（它包括组分通过色谱柱所需时间和组分与固定相作用所需的时间。）

，用tR表示。某组分的保留时间扣除死时间后所剩的时间，用表示。

=tR-tM

第18页，课件共63页，创作于2023年2月①式中各项单位可用min、s、cm等表示；③保留时间是色谱定性的基本依据，但同一组分的保留时间受流动相流速的影响，因此，色谱定性分析常采用保留体积等定性。=tR-tM

②实际上是组分在固定相中停留的总时间；第19页，课件共63页，创作于2023年2月死体积VM：指色谱柱在填充后，柱管内固定相颗粒之间的空间、色谱仪器管路的空间及检测器的空间的总和。或者说，在死时间内通过色谱柱的流动相体积。

VM=tM×F0（流动相流速，L/min）保留体积VR：在保留时间内通过色谱柱的流动相体积。即将组分从柱中带出所需的流动相体积。

VR=tR×F0第20页，课件共63页，创作于2023年2月相对保留值r21：某组分2与组分1的调整保留值之比。某组分的保留体积扣除死体积后的剩余体积，称为该组分的调整保留体积。

=VR-VM

调整保留体积：第21页，课件共63页，创作于2023年2月①r21只与色谱柱温度和固定相的性质有关，与色谱柱的柱长、柱径、填充情况以及流动相流速无关，因此，它是一个广泛使用的定性数据；②r21绝对不是两组分的VR或tR之比；③在多元混合物分析时，通常选择一对最难分离的物质对，将它们的相对保留值作为重要参数。在这种情况下，r21可用α表示：

为后出峰的组分的调整保留时间，故α总是大于1的。第22页，课件共63页，创作于2023年2月分配比k：也称容量因子。它是指组分在固定相和流动相中的分配量之比。第23页，课件共63页，创作于2023年2月区域宽度：（动力学因素）标准偏差σ：0.607倍峰高处色谱峰宽的一半。峰高一半处对应的峰宽，用Y1/2表示。色谱峰两侧拐点上的切线在基线上的截距，用Y表示。

Y＝4σ第24页，课件共63页，创作于2023年2月§11—3色谱分析基本原理一、色谱法中组分分离条件A、B两组分沿色谱柱移动时，不同位置处的浓度轮廓第25页，课件共63页，创作于2023年2月第26页，课件共63页，创作于2023年2月①两组分的分配系数必须有差异；②区域扩宽的速率应该小于区域分离的速率；必要条件③在保证快速分离的前提下，提供足够长的色谱柱。第27页，课件共63页，创作于2023年2月二、色谱法基本理论<一>塔板理论1.理论假设

将色谱柱视为精馏塔，即色谱柱是一系列连续的、相等的水平塔板组成，每一块塔板的高度用H表示，称为塔板高度，简称板高。第28页，课件共63页，创作于2023年2月②流动相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(ΔVm)；③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；④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。塔板理论假设：①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；第29页，课件共63页，创作于2023年2月第30页，课件共63页，创作于2023年2月2.理论塔板数（溶质平衡次数）根据塔板理论假设，在每一块塔板上，溶质在两相间很快达到分配平衡，然后随着流动相按一个一个塔板的方式向前移动。对于一根长为L的色谱柱，溶质平衡的次数应为：理论塔板数色谱柱的柱效随理论塔板数n的增加而增加，随板高H的增大而减小。色谱柱分离混合组分的能力第31页，课件共63页，创作于2023年2月3．塔板理论对色谱的解释：第一，当溶质在柱中的平衡次数，即理论塔板数n

大于50时，可得到基本对称的峰形曲线；第二，当样品进入色谱柱后，只要各组分在两相间的分配系数有微小差异，经过反复多次的分配平衡后，仍可获得良好的分离；第三，n与半峰宽及峰底宽的关系式为：即在tR一定时，若色谱峰越窄，则n值越大，H越小，柱效能越高。第32页，课件共63页，创作于2023年2月4.有效塔板数注意：同一色谱柱对不同物质的柱效能是不同的。当选用这些指标表示柱效时，应指明对何种物质而言。第33页，课件共63页，创作于2023年2月5.塔板理论的特点①定量说明了溶质在色谱柱中移动的速率；●成功点：②解释了流出曲线的形状；③提出了计算和评价柱效能高低的参数。●不足点：①定性地给出板高的概念，却不能找出影响板高的因素；②不能说明为什么在不同的流速下，可以测得不同的理论塔板数。第34页，课件共63页，创作于2023年2月<二>速率理论：速率理论指出：在色谱分离过程中，谱峰的扩宽受涡流扩散、分子扩散和传质阻力三个动力学因素的控制。板高方程为：A、B、C——

常数。A为涡流扩散项系数

B为分子扩散项系数

C为传质阻力项系数——

流动相的平均线速度；第35页，课件共63页，创作于2023年2月

一定时，只有当A、B、C较小时，板高H才能小，柱效才会高；反之，则柱效低，色谱峰扩张。第36页，课件共63页，创作于2023年2月1.涡流扩散项（A）变宽的程度由下式决定：A=2λdp①A与填充物的平均直径dp和填充不规则因子λ有关，与流动相的性质、线速度和组分性质无关；②使用颗粒细和均匀的填料，采用均匀填充，是减小涡流扩散和提高柱效的有效途径。第37页，课件共63页，创作于2023年2月第38页，课件共63页，创作于2023年2月气体分子的分子扩散项系数B为：B=2γDgγ——

弯曲因子。它表示柱填充物对分子扩散的阻碍程度。Dg——

组分在气相中的扩散系数（cm2.s-1）。Dg除与组分性质有关外，还与组分在气相中的保留时间、柱温、柱压和载气的性质等因素有关。2.分子扩散项（）第39页，课件共63页，创作于2023年2月第40页，课件共63页，创作于2023年2月为减小分子扩散引起的色谱峰变宽，可采用：①用较高的载气流速；②使用相对分子量较大的载气；③控制较低的柱温。第41页，课件共63页，创作于2023年2月3.传质阻力项（Cǔ）物质系统由于浓度不均匀而发生的物质迁移（从一相转入另一相）过程。影响传质过程进行速度的阻力。传质：传质阻力：①气相传质阻力系数Cg

Cg——描述影响组分从气相转移到固定相表面这一过程的传质速度的因素。造成谱峰扩宽第42页，课件共63页，创作于2023年2月第43页，课件共63页，创作于2023年2月对于填充柱：采用粒度小的填充物和相对分子量小的载气，可减小Cg值，提高柱效。②液相传质阻力系数ClCl——描述影响组分在液相中传质速度的因素。第44页，课件共63页，创作于2023年2月a.降低固定液含量，df减小，但容量因子k也随之变小，对分离不利；b.固定液含量一定时，df值随载体的比表面积增加而降低。因此，一般用比表面积较大的载体来降低df值；c.提高柱温，Dl增大，但k值减小，故应控制适当的柱温。减小固定液的液膜厚度df，增大组分在液相中的扩散系数Dl，可以减小Cl值。第45页，课件共63页，创作于2023年2月4.范氏方程式（速率理论方程式：）选择色谱分离条件具有重要的指导意义。它可以说明固定相的填充均匀程度、粒度、液膜厚度、载气种类和流速等因素的变化对柱效和色谱峰展宽的影响。第46页，课件共63页，创作于2023年2月§11—4分离度一、分离度Rs：定义：相邻两组分色谱峰保留值之差与该两组分色谱峰基线宽度平均值之比。定义式：第47页，课件共63页，创作于2023年2月①当Rs＜1时，两色谱峰总是有部分重叠；②当Rs=1.0时，两色谱峰的分离程度可达

98%；③当Rs=1.5时，两色谱峰的分离程度达

99.7%。④当Rs值更大时，分离效果更好，但会延长分析时间，使色谱峰变宽，对分析反而不利。Rs=1.5为相邻两色谱峰完全分离的标志第48页，课件共63页，创作于2023年2月二、影响Rs的因素：

②容量因子k值增大，分离度增大，分析时间延长，甚至造成谱带检测困难。通常控制容量因子k=2～7；③相对保留值α有微小增大，都会使Rs值有较大增加。当α=1时，Rs=0,不能分离。增加塔板数，可以增加分离度。①Rs∝（降低板高的方法来增大塔板数）第49页，课件共63页，创作于2023年2月例：用3米长的填充柱进行色谱分离，得到如下图所示的分离。为了使二者刚好能够分离完全，柱子长度最短需多少？第50页，课件共63页，创作于2023年2月解：分析：分离完全？Rs＝1.5最短柱长？分离条件不变，H、k2、α为常数第51页，课件共63页，创作于2023年2月解：∵∴

由题可知，分离条件未变，故板高H、相对保留值α、容量因子k等不变，它们是常数，则有：第52页，课件共63页，创作于2023年2月对于3米长的色谱柱，由题给的条件可计算出它的分离度Rs值。由图可知：∵∴第53页，课件共63页，创作于2023年2月若要完全分离，则要求Rs＝1.5，设此时需要柱长为Lx，则有：解之得：答：（略）第54页，课件共63页，创作于2023年2月§11—5色谱定性分析和定量分析一、定性分析：●色谱定性分析的任务：比较已知物质与未知物质在相同条件下的保留参数或在固定相上的位置，即可确定物质物质是何种物质。确定色谱图上每一个色谱峰所代表的是什么物质。●方法：第55页，课件共63页，创作于2023年2月二、定量分析<一>色谱定量分析的理论依据：在一定色谱条件下，组分的质量或其在流动相中的浓度，与