仪器分析--色谱.doc

论文题目 色谱分析法简介姓 名 蒋 玉 林 所在学院 化工与环境学院 班 级 07040341 学 号 47 指导教师 马 文 兵 日 期 2010 年 5 月 22 日 色谱分析法简介摘要：色谱法又称“色谱分析”、“色谱分析法”、“层析法”，是一种分离和分析方法。色谱法利用不同物质在不同相态的选择性分配，以流动相对固定相中的混合物进行洗脱，混合物中不同的物质会以不同的速度沿固定相移动，最终达到分离的效果。色谱分析法在现代仪器分析中占有重要地位，其独有的高效、快速分离特性特别适合于复杂混合物的分离分析。广泛地应用于各个领域，如石油化工、有机合成、生理生化、医药卫生、环境保护，乃至空间探索等。据估计，目前的分析任务超过一半是有色谱分析法完成的。关键词： 色谱法 仪器分析Abstract: The chromatography said that “the chromatograph analysis”, “the chromatography”, “the chromatographic analysis law”, is one kind of separation and the analysis method. The chromatography use different material in the different phase states selective assignment, by will flow in the relative fixed phase mixture to carry on the elution, in the mixture the different material by the different speed along the fixed phase migration, will achieve the separation finally the effect. The chromatography holds the important position in the modern instrumental analysis, it is in sole possession of highly effective, the sharp separation characteristic especially qualify in the complex mixture isolation analysis. Widely applies in each domain, like petroleum chemical industry, organic synthesis, physiological biochemistry, medicine health, environmental protection, and even space exploration and so on. It is estimated that the present analysis duty surpasses half to have the chromatography to complete.Keywords： chromatography instrument analysis目录1色谱分析法的发展历史 1 1.1色谱的起源 1 1.2分配色谱的出现 1 1.3气相色谱和色谱理论的出现 1 1.4高效液相色谱 22色谱分析方法的分类及原理 2 2.1色谱法的分类 2 2.2色谱法的原理 3 2.2.1吸附色谱 3 2.2.2分配色谱 3 2.2.3离子交换色谱 3 2.2.4凝胶色谱 3 2.2.5柱色谱 4 2.2.6薄层色谱 4 2.2.7气相色谱 4 2.2.8高效液相色谱 53色谱理论 5 3.1 色谱流出线 5 3.2术语 5 3.3基于热力学的塔板理论 7 3.4基于动力学的Van Deemter方程 7 4色谱法的应用及特点 8 4.1色谱分析的一般流程 8 4.2色谱法的应用 8 4.3色谱分析法的特点 9 5色谱法的发展 9 5.1检测方法的研究 9 5.2专家系统 10 5.3色谱新方法 10参考文献 11致谢 111色谱分析法的发展历史 色谱法起源于20世纪初，1950年代之后飞速发展，并发展出一个独立的三级学科-色谱学。1.1色谱的起源 色谱法起源于20世纪初，1906年俄国植物学家米哈伊尔茨维特用碳酸钙填充竖立的玻璃管，以石油醚洗脱植物色素的提取液，经过一段时间洗脱之后，植物色素在碳酸钙柱中实现分离，由一条色带分散为数条平行的色带。由于这一实验将混合的植物色素分离为不同的色带，因此茨维特将这种方法命名为色谱法。 色谱法发明后的最初二三十年发展非常缓慢。直到1931年德国柏林威廉皇帝研究所的库恩将茨维特的方法应用于叶红素和叶黄素的研究，库恩的研究获得了广泛的承认，也让科学界接受了色谱法，此后的一段时间内，以氧化铝为固定相的色谱法在有色物质的分离中取得了广泛的应用，这就是今天的吸附色谱。1.2分配色谱的出现 1938年阿切尔约翰波特马丁和理查德劳伦斯米林顿辛格准备利用氨基酸在水和有机溶剂中的溶解度差异分离不同种类的氨基酸。他们将水吸附在固相的硅胶上，以氯仿冲洗，成功地分离了氨基酸，这就是现在常用的分配色谱。在获得成功之后，马丁和辛格的方法被广泛应用于各种有机物的分离。1943年马丁以及辛格又发明了在蒸汽饱和环境下进行的纸色谱法。1.3气相色谱和色谱理论的出现 1952年马丁和詹姆斯提出用气体作为流动相进行色谱分离的想法，他们用硅藻土吸附的硅酮油作为固定相，用氮气作为流动相分离了若干种小分子量挥发性有机酸。 气相色谱的出现使色谱技术从最初的定性分离手段进一步演化为具有分离功能的定量测定手段，并且极大的刺激了色谱技术和理论的发展。相比于早期的液相色谱，以气体为流动相的色谱对设备的要求更高，这促进了色谱技术的机械化、标准化和自动化；气相色谱需要特殊和更灵敏的检测装置，这促进了检测器的开发；而气相色谱的标准化又使得色谱学理论得以形成色谱学理论中有着重要地位的塔板理论和Van Deemter方程，以及保留时间、保留指数、峰宽等概念都是在研究气相色谱行为的过程中形成的。 1.4高效液相色谱 1960年代，为了分离蛋白质、核酸等不易汽化的大分子物质，气相色谱的理论和方法被重新引入经典液相色谱。1960年代末科克兰、哈伯、荷瓦斯、莆黑斯、里普斯克等人开发了世界上第一台高效液相色谱仪，开启了高效液相色谱的时代。1971年科克兰等人出版了液相色谱的现代实践一书，标志着高效液相色谱法 (HPLC)正式建立。在此后的时间里，高效液相色谱成为最为常用的分离和检测手段，在有机化学、生物化学、医学、药物开发与检测、化工、食品科学、环境监测、商检和法检等方面都有广泛的应用。高效液相色谱同时还极大的刺激了固定相材料、检测技术、数据处理技术以及色谱理论的发展。随着电子技术和计算机技术的发展气相色谱仪器也在不断发展完善中，到现在最先进的气相色谱仪已实现了全自动化和计算机控制，并可通过网络实现远程诊断和控制。 2色谱分析方法的分类及原理2.1色谱法的分类流动相名称固定相名称气体气相色谱法固体气-固色谱液体气-液色谱 液体 液相色谱法固体吸附剂液-固色谱法液体液液色谱法键合固定相键合相色谱多孔固体尺寸排阻色谱离子交换剂离子交换色谱纸纤维中的水纸色谱固体吸附剂薄层色谱超临界流体超临界流体色谱类似LC超临界流体色谱色谱法种类很多，分类方式也多种多样，最常见的分类方法如下表： 表1 色谱法分类2.2色谱法的原理色谱过程的本质是待分离物质分子在固定相和流动相之间分配平衡的过程，不同的物质在两相之间的分配会不同，这使其随流动相运动速度各不相同，随着流动相的运动，混合物中的不同组分在固定相上相互分离。根据物质的分离机制，又可以分为吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱、凝胶色谱、亲和色谱等类别。 2.2.1吸附色谱吸附色谱利用固定相吸附中心对物质分子吸附能力的差异实现对混合物的分离，吸附色谱的色谱过程是流动相分子与物质分子竞争固定相吸附中心的过程。 2.2.2分配色谱 分配色谱利用固定相与流动相之间对待分离组分溶解度的差异来实现分离。分配色谱的固定相一般为液相的溶剂，依靠图布、键合、吸附等手段分布于色谱柱或者担体表面。分配色谱过程本质上是组分分子在固定想和流动相之间不断达到溶解平衡的过程。 2.2.3离子交换色谱 离子交换色谱利用被分离组分与固定相之间发生离子交换的能力差异来实现分离。离子交换色谱的固定相一般为离子交换树脂，树脂分子结构中存在许多可以电离的活性中心，待分离组分中的离子会与这些活性中心发生离子交换，形成离子交换平衡，从而在流动相与固定相之间形成分配。固定相的固有离子与待分离组分中的离子之间相互争夺固定相中的离子交换中心，并随着流动相的运动而运动，最终实现分离。2.2.4凝胶色谱 凝胶色谱的原理比较特殊，类似于分子筛。待分离组分在进入凝胶色谱后，会依据分子量的不同，进入或者不进入固定相凝胶的孔隙中，不能进入凝胶孔隙的分子会很快随流动相洗脱，而能够进入凝胶孔隙的分子则需要更长时间的冲洗才能够流出固定相，从而实现了根据分子量差异对各组分的分离。调整固定相使用的凝胶的交联度可以调整凝胶孔隙的大小；改变流动相的溶剂组成会改变固定相凝胶的溶涨状态，进而改变孔隙的大小，获得不同的分离效果。2.2.5柱色谱柱色谱法是最原始的色谱方法，这种方法将固定相注入下端塞有棉花或滤纸的玻璃管中，将被样品饱和的固定相粉末摊铺在玻璃管顶端，以流动相洗脱。常见的洗脱方式有两种，一种是自上而下依靠溶剂本身的重力洗脱，一种是自下而上依靠毛细作用洗脱。收集分离后的纯净组分也有两种不同的方法，一种方法是在柱尾直接接受流出的溶液，另一种方法是烘干固定相后用机械方法分开各个色带，以合适的溶剂浸泡固定相提取组分分子。柱色谱法被广泛应用于混合物的分离，包括对有机合成产物、天然提取物以及生物大分子的分离。2.2.6薄层色谱 薄层色谱法是将适当粒度的吸附剂作为固定相涂布在平板上形成薄层，然后用与纸色谱法类似的方法操作以达到分离目的。薄层色谱法是应用非常广泛的色谱方法，这种色谱方法将固定相图布在金属或玻璃薄板上形成薄层，用毛细管、钢笔或者其他工具将样品点染于薄板一端，之后将点样端浸入流动相中，依靠毛细作用令流动相溶剂沿薄板上行展开样品。薄层色谱法成本低廉操作简单，被用于对样品的粗测、对有机合成反应进程的检测等用途。2.2.7气相色谱 气相色谱是被测组分在吸附剂表面进行反复的物理吸附、脱附过程。由于被测物质是各个组分的性质不同，它们在吸附剂上的吸附能力不一样，向前移动速度不一样。一定时间后，即通过一定量的载气后，试样中各个组分就彼此分离先后流出色谱柱。气相色谱是机械化程度很高的色谱方法，气相色谱系统由气源、色谱柱和柱箱、检测器和记录器等部分组成。气源负责提供色谱分析所需要的载气，即流动相，载气需要经过纯化和恒压的处理。气相色谱的色谱柱一般直径很细长度很长，根据结构可以分为填充柱和毛细管柱两种，填充柱比较短粗，直径在5毫米左右，长度在24米之间，外壳材质一般为不锈钢，内部填充固定相填料；毛细管柱由玻璃或石英制成，内径不超过0.5毫米，长度在数十米到一百米之间，柱内或者填充填料或者图布液相的固定相。检测器是气相色谱带给色谱分析法的新装置，在经典的柱色谱和薄层色谱中，对样品的分离和检测是分别进行的，而气相色谱则实现了分离与检测的结合。记录器是记录色谱信号的装置，早期的气相色谱使用记录纸和记录器进行记录，现在记录工作都已经依靠计算机完成，并能对数据进行实时的化学计量学处理。气相色谱被广泛应用于小分子量复杂组分物质的定量分析。 2.2.8高效液相色谱 高效液相色谱是 被测组分在固定液反复多次溶解、挥发、再溶解、再挥发。由于各组分在固定液中溶解能力不同，停留在柱中时间长短不一样，经过一段时间，各组分就彼此分离。 高效液相色谱 （HPLC）是目前应用最多的色谱分析方法，高效液相色谱系统由流动相储液体瓶、输液泵、进样器、色谱柱、检测器和记录器组成，其整体组成类似于气相色谱，但是针对其流动相为液体的特点作出很多调整。HPLC应用非常广泛，几乎遍及定量定性分析的各个领域。 3色谱理论3.1 色谱流出曲线 色谱图以组分浓度为纵坐标，流出时间为横坐标，这种曲线称为色谱流出曲线，也称色谱峰。图1 色谱流出曲线3.2术语1 基线 操作条件稳定后，无样品通过时检测器所反映的信号-时间曲线。如图OM2 保留值（1）死时间tm 惰性气体从进样开始到色谱峰顶（浓度最大）所对应的时间 如图OA所示。（2）保留时间tR组分从进样开始到柱后出现最大值所对应时间。如图OB所示。保留时间是样品从进入色谱柱到流出色谱柱所需要的时间，不同的物质在不同的色谱柱上以不同的流动相洗脱会有不同的保留时间，因此保留时间是色谱分析法比较重要的参数之一。 保留时间由物质在色谱中的分配系数决定： tR = t0(1 + KVs / Vm)式中tR表示某物质的保留时间，t0是色谱系统的死时间，即流动相进入色谱柱到流出色谱柱的时间，这个时间由色谱柱的孔隙、流动相的流速等因素决定。（3）调整保留时间tR 扣除死时间后的保留时间.如图AB所示。tR= tR- tm（4）死体积VM 色谱柱填充后，柱管内固定相颗粒间所剩留空间、色谱仪管路和连接头间空间以及检测器空间的总和。VM=tMFoFo-载气体积流速（ml.min-1）(5) 保留体积VR（retention volume） 进样开始到柱后被测组分出现浓度最大值时所通过的载气体积。VR=tRFo（6）调整保留体积VR 扣除死体积后的保留体积。VR=tRFo 或 VR=VR-VM（7）相对保留值r21（） 组分2的调整保留值与另一组分1调整保留值之比。3.3基于热力学的塔板理论 塔板理论是色谱学的基础理论，塔板理论将色谱柱看作一个分馏塔，待分离组分在分馏塔的塔板间移动，在每一个塔板内组分分子在固定相和流动相之间形成平衡，随着流动相的流动，组分分子不断从一个塔板移动到下一个塔板，并不断形成新的平衡。一个色谱柱的塔板数越多，则其分离效果就越好。 根据塔板理论，待分离组分流出色谱柱时的浓度沿时间呈现二项式分布，当色谱柱的塔板数很高的时候，二项式分布趋于正态分布。则流出曲线上组分浓度与时间的关系可以表示为：C_t=fracC_0sigmasqrt2pi e-frac(t-t_R)22sigma2这一方程称作流出曲线方程，式中Ct为t时刻的组分浓度；C0为组分总浓度，即峰面积；为半峰宽，即正态分布的标准差；tR为组分的保留时间。根据流出曲线方程人们定义色谱柱的理论塔板高度为单位柱长度的色谱峰方差： H=fracsigma2L理论塔板高度越低，在单位长度色谱柱中就有越高的塔板数，则分离效果就越好。决定理论塔板高度的因素有：固定相的材质、色谱柱的均匀程度、流动相的理化性质以及流动相的流速等。3.4基于动力学的Van Deemter方程 Van Deemter方程是对塔板理论的修正，用于解释色谱峰扩张和柱效降低的原因。塔板理论从热力学出发，引入了一些并不符合实际情况的假设，Van Deemter方程则建立了一套经验方程来修正塔板理论的误差。 Van Deemter方程将峰形的改变归结为理论塔板高度的变化，理论塔板高度的变化则源于若干原因，包括涡流扩散、纵向扩散和传质阻抗等。 由于色谱柱内固定相填充的不均匀性，同一个组分会沿着不同的路径通过色谱柱，从而造成峰的扩张和柱效的降低。这称作涡流扩散纵向扩散是由浓度梯度引起的，组分集中在色谱柱的某个区域会在浓度梯度的驱动下沿着径向发生扩散，使得峰形变宽柱效下降。 传质阻抗本质上是由达到分配平衡的速率带来的影响。实际体系中，组分分子在固定相和流动相之间达到平衡需要进行分子的吸附、脱附、溶解、扩散等过程，这种过程称为传质过程，阻碍这种过程的因素叫做传质阻抗。在理想状态中，色谱柱的传质阻抗为零，则组分分子流动相和固定相之间会迅速达到平衡。在实际体系中传质阻抗不为零，这导致色谱峰扩散，柱效下降。 在气相色谱中Van Deemter方程形式为：H=A+fracBmu+Cmu其中H为塔板数，A为涡流扩散系数，B为纵向扩散系数，C为传质阻抗系数，为流动相流速。在高效液相色谱中，由于流动相粘度远远高于气相色谱，纵向扩散对峰型的影响很小，可以忽略不计算，因而Van Deemter方程的形式为：H = A + C4色谱法的应用及特点4.1色谱分析的一般流程显示与数据处理分离柱（固定相）进样装置流动相 检测器 试样通过进样装置加入，由流动相携带进入分离柱并与固定相接触时，被固定相溶解或吸附。随着流动相的不断通入，被溶解或吸附的组分又从固定相中挥发或脱附，向前移动时又再次被固定相溶解或吸附，随着流动相的流动，溶解、挥发或吸附、脱附的过程反复地进行，由于试样中各组分在两相中分配比例的不同，被固定相溶解或吸附的组分越多，向前移动的越慢，从而实现了色谱分离。经检测器的响应信号获得数据，将数据处理就可获得物质的相关信息。4.2色谱法的应用 色谱分析法既可以混合物的分离，又可以对混合物进行定性和定量分析。4.2.1分离混合物，获得一定数量的纯净组分 分离混合物包括对有机合成产物的纯化、天然产物的分离纯化以及去离子水的制备等。相对于色谱法出现之前的纯化分离技术如重结晶，色谱法能够在一步操作之内完成对混合物的分离，但是色谱法分离纯化的产量有限，只适合于实验室应用。 4.2.2定量或者定性测定混合物中各组分的性质和含量 定性的分析性色谱有薄层色谱、纸色谱等，可利用纯物质定性、利用文献保留值定性和利用保留指数定性。定量的分析性色谱有气相色谱、高效液相色谱等，定量分析的方法有归一化法、外标法和内标法。色谱法应用于分析领域使得分离和测定的过程合二为一，降低了混合物分析的难度缩短了分析的周期，是目前比较主流的分析方法。4.3色谱分析法的特点 与其他类型的分析方法相比，色谱分析法具有以下显著特点：（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g.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。5色谱法的发展色谱法是分析化学中应用最广泛发展最迅速的研究领域，新技术新方法层出不穷。