色谱分析法概论.ppt

第十六章 色 谱 分 析 法 概 论,概述 色谱法是一种重要的分离、分析技术。 一、色谱法（起源）,1906年，俄国植物学家茨维特（Tswett）首次研究了植物叶的色素成分。（如图） 分析过程为离线的，即不能连续进行。 人们将这种方法称为色谱法，随着色谱法的发展，可对大量无色物质进行分离，但仍沿用了色谱法这一名词。,现代色谱法 的分离、分析 过 程是在线 的，即连续进 行。,二、色谱法特点 分离效率高 选择性好 集分离、分析于一体 灵敏度高（可测10-1110-13g） 分析速度快 易与其它仪器联用，应用范围广,一、色谱法的分类 1.按两相（固定相与流动相）状态分类 气相色谱法 色谱法 液相色谱法 超临界色谱法,2.按分离原理分类 吸附色谱 分配色谱 色谱法 离子交换色谱 凝胶色谱（扩散）、 亲和色谱、络合色谱、热色谱等,3.按固定相形式分类 填充柱色谱 柱色谱 色谱法 毛细管色谱 纸层色谱 薄层色谱,二、色谱法的发展 色谱法的历史 色谱法的现状和发展趋势 1.新型固定相和检测器的研制 2.色谱新方法的研究 3.色谱联用技术 4.色谱专家系统,第二节 色谱过程和基本原理,一、色谱过程及色谱图,二、色谱流出曲线和有关概念 色谱流出曲线 1.色谱流出曲线 当试样流经色谱柱后，各组分随流动相的移动 而在两相间反复进行吸附、解吸、或分配、萃取 过程，最后依次得到各组分，将各组分浓度经检 测器转换成电信号而记录下来，得到一条信号随 时间变化的曲线，称为色谱流出曲线。,2.基线 操作条件稳定后，仅有流动相通过时，检 测器响应讯号随时间变化的曲线。 3.色谱峰（P339) 4.色谱峰区域宽度 它是组分在色谱柱中谱带扩张的函数，可反 映出色谱柱的分离效能,度量色谱峰区域宽度常用三种方法：,标准偏差 即0.607倍峰高处色谱峰宽的一半。 半峰宽W1/2 即峰高一半处对应的峰宽W1/2=2.354 峰底宽Wb 即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上的截距Wb=4,保留值 保留值是试样各组分在色谱柱中保留行 为的量度，可反映出组分与固定相间作用力 大小。 1.死时间t0 不被固定相吸附或溶解的组分，即非滞 留组分（如空气、甲烷）从进样开始到出现 其色谱峰最大值所需的时间。它也是气体流 经色谱柱中空隙所需时间。,2.保留时间tR 某组分从进样到出现色谱峰最大值的时 间。它取决于色谱过程的热力学因素，是定 性依据。 3.调整保留时间tR 扣除死时间后的保留时间。 它反映了组分与固定相作用所消耗的时 间，是各组分产生差速迁移的物化基础。,4.死体积 V0 指在t0这段时间内通过色谱柱的载气体 积。即色谱柱内载气所占的体积。 V0 =t0 Fc ( Fc，ml/min为流动相流速) 5.保留体积VR 指从进样到出现某组分色谱峰最大值时 所通过的载气体积。 VR =tR Fc,6.调整保留体积 VR 指扣除死体积后的保留体积。 VR= VR- V0 = tR Fc 7. 相对保留值r2，1 指在相同操作条件下，某组分2的调整保 留值与另一组分1的调整保留值之比。即,相对保留值仅与柱温、固定相性质有 关。可用来表示色谱柱的选择性。 * r2，1 ，两组分越易实现分离。 * r2，1 =1时，两组分色谱峰重叠。,8.保留指数 I 在GC中，把组分的保留行为换算成相当 于正构烷烃的保留行为，也就是以正构烷 烃系列作为组分相对保留值的标准，用两 个保留时间紧邻待侧组分的基准物质来标 定组分，这个相对值称为保留指数。,色谱峰高和峰面积 1.峰高h 是组分在柱后出现浓度极大时的检测 信号，即色谱峰顶至基线的距离。 2.峰面积A 色谱曲线与基线间包围的面积。,分离度（分辨率）R,柱效能和选择性对分离的影响,柱效 选择性 差 差 差 好 好 好,因此，单独用柱效或选择性不能真实反 映组分在色谱柱中的分离情况，需引入一个 综合指标分离度R 分离度：相邻两组分色谱峰保留值之差与 两组分色谱峰峰底宽度平均值之比。即,理论证明，若相邻两色谱峰对称且满足 正态分布， 当 R1 两峰部分重叠 R=1.0 分离程度可达98% R=1.5 分离程度可达99.7% 通常，R=1.5作为相邻两峰完全分离的 标志。,色谱从流出曲线中，可得到重要信息： 根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组分的最少数目； 根据色谱峰的保留值，可以定性分析； 根据色谱峰的面积和峰高，可以定量分析 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（或流动相）选择是否合适的依据。,三、分配系数与色谱分离,分配系数和容量因子 1.分配系数K,式中 cs、cm分别为组分在固定相和流动相中的浓度。,K与温度、压力有关；也与组分性质、流动相、固定相性质有关。条件一定时，K一定。,2.容量因子k（分配比、保留因子）,式中 mS、mm分别为组分在 固定相和流动相中物质的质量。,容量因子不仅与温度和压力有关，而且还与固定相和流动相的体积比有关。,3.分配系数和容量因子的关系,分配系数和容量因子与保留时间的关系,意义：在色谱图上找出tR、t0，则可计 算出k，即可以直接从色谱图上求得分配比 （容量因子）k。反之，分配系数不同的组 分具有不同的保留值，因而在色谱图上有 不同位置的色谱峰。,见P343,色谱分离的前提 由上式可见，若使tR0,必须KA KB, 即分配系数不等是分离的前提。,第三节 基本类型色谱方法及其分离机制,一、分配色谱（见P345页） 1.正相分配色谱：流动相极性固定相极性 2.反相分配色谱：流动相极性固定相极性 洗脱顺序由组分在固定相或流动相中溶 解度的相对大小而决定。 二、吸附色谱法,第四节 色谱法基本原理,一、塔板理论（半经验理论）（P351）,该理论是1952年马丁 （Martin）等人提出,从热力学角度讨论了流出 曲线形状与分离效果关系。,塔板理论将色谱柱假想为一个精馏塔。 即色谱柱（柱长L）是由一系列连续的、相等 的水平塔板组成，每一块塔板高度为H，在每 一块塔板上，溶质在两相间很快达到分配平 衡，然后随流动相按一个一个塔板的方向向 前移动。,塔板理论的基本假设为： 1）色谱柱内存在许多塔板，组分在塔板间隔（即塔板高 度）内完全服从分配定律，并很快达到分配平衡。 2）样品加在第0号塔板上，样品沿色谱柱轴方向的扩散可 以忽略。 3） 流动相在色谱柱内间歇式流动，每次进入一个塔板体积 4） 在所有塔板上分配系数相等，与组分的量无关。,虽然以上假设与实际色谱过程不符，如 色谱过程是一个动态过程，很难达到分配平衡； 组分沿色谱柱轴方向的扩散是不可避免的。但是 塔板理论导出了色谱流出曲线方程，成功地解释 了流出曲线的形状、浓度极大点的位置，能够评 价色谱柱柱效。,n与色谱参数之间的关系（经验公式）为：,由此可以看出，组分保留时间越长、峰宽度 越小，则n越多，色谱柱效能越高。,塔板理论贡献：,分配系数不同，最终可分离。 平衡次数n （50），曲线接近正态分布 曲线。 给出了n与Wb的关系式（由此关系式可得 出流出曲线与分离效果关系）n ，柱效 。 若两组分K相同，则无论n多大，都无法分离。,塔板理论不足：,无法解释峰扩展原因。 （为使n，则Wb应 ，如何使Wb ？） 无法解释影响塔板高度的因素 （L一定，n1/H,如何使H ？）,二、速率理论,1956年荷兰学者Van Deemter等人吸收了 塔板理论的概念，并把影响塔板高度的动力 学因素结合起来，提出了色谱过程的动力学 理论-速率理论。 它把色谱过程看作一个动态非平衡过程， 研究过程中的动力学因素对峰展宽（即柱 效）的影响。,速率理论的简化方程式: H=A+B/u+Cu 影响塔板高度(柱效)的动力学因素 涡流扩散： A=2dp 由于色谱柱内填充剂的几何结构不同，分子在 色谱柱中 的流速不同而引起的峰展宽。 dp为填料直径，为填充不规则因子，填充越不均匀 越大。 HPLC常用填料粒度一般为310m，最好35m，粒 度分布RSD5%。但粒度太小难于填充均匀（大），且 会使柱压过高。大而均匀（球形或近球形）的颗粒容易填充 规则均匀，越小。 总的说来，应采用细而均匀的载体，这样有助于提高柱 效。毛细管无填料，A0。,纵向扩散： B=2Dm 由于进样后溶质分子在柱内存在浓度梯度，导致轴向 扩散而引起的峰展宽。 u为流动相线速度，分子在柱内的滞留时间越长（u 小），展宽越严重。在低流速时，它对峰形的影响较大。 Dm为分子在流动相中的扩散系数，由于液相的Dm很 小，通常仅为气相的10-410-5，因此在HPLC中，只要流 速不太低的话，这一项可以忽略不计。 是考虑到填料的存在使溶质分子不能自由地轴向扩 散，而引入的柱参数，用以对Dm进行校正。一般在 0.60.7左右，毛细管柱的 1。,传质阻力 由于溶质分子在流动相、静态流动相和固定相中的传 质过程而导致的峰展宽。 溶质分子在流动相和固定相中的扩散、分配、转移的 过程并不是瞬间达到平衡，实际传质速度是有限的，这一 时间上的滞后使色谱柱总是在非平衡状态下工作，从而产 生峰展宽。 液相色谱的传质阻抗项Cu又分为三项。 流动相线速度对塔板高度的影响 见P353页,从速率方程式可以看