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第九章色谱分析方法导论 1 9 1概述色谱法也叫层析法 它是一种高效能的物理分离技术 将它用于分析化学并配合适当的检测手段 就成为色谱分析法 2 色谱法的最早应用是用于分离植物色素 其方法是这样的 在一玻璃管中放入碳酸钙 将含有植物色素 植物叶的提取液 的石油醚倒入管中 3 此时 玻璃管的上端立即出现几种颜色的混合谱带 然后用纯石油醚冲洗 随着石油醚的加入 谱带不断地向下移动 并逐渐分开成几个不同颜色的谱带 继续冲洗就可分别接得各种颜色的色素 并可分别进行鉴定 色谱法也由此而得名 4 5 现在的色谱法早已不局限于色素的分离 其方法也早已得到了极大的发展 但其分离的原理仍然是一样的 我们仍然叫它色谱分析 6 一 色谱分离基本原理 由以上方法可知 在色谱法中存在两相 一相是固定不动的 我们把它叫做固定相 另一相则不断流过固定相 我们把它叫做流动相 7 色谱法的分离原理就是利用待分离的各种物质在两相中的分配系数 吸附能力等亲和能力的不同来进行分离的 8 使用外力使含有样品的流动相 气体 液体 通过一固定于柱中或平板上 与流动相互不相溶的固定相表面 当流动相中携带的混合物流经固定相时 混合物中的各组分与固定相发生相互作用 9 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先后流出 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 10 二 色谱分类方法 色谱分析法有很多种类 从不同的角度出发可以有不同的分类方法 11 一 从两相的状态分类 色谱法中 流动相可以是气体 也可以是液体 由此可分为气相色谱法 GC 和液相色谱法 LC 固定相既可以是固体 也可以是涂在固体上的液体 由此又可将气相色谱法和液相色谱法分为气 液色谱 气 固色谱 液 固色谱 液 液色谱 分类情况如下 12 13 二 按固定相的形式分类 按固定相的状态可分为 柱色谱 固定相装在色谱柱中 纸色谱 利用滤纸作载体 吸附在纸上的水作固定相 薄层色谱 将固体吸附剂在玻璃板或塑料板上制成薄层作固定相 14 15 三 按分离原理分类 可分为 吸附色谱法 利用吸附剂 固定相一般是固体 表面对不同组分吸附能力的差别进行分离的方法 16 分配色谱法 利用不同组分在两相间的分配系数的差别进行分离的方法 17 离子交换色谱 利用溶液中不同离子与离子交换剂间的交换能力的不同而进行分离的方法 空间排斥 阻 色谱法 利用多孔性物质对不同大小的分子的排阻作用进行分离的方法 18 9 2色谱流出曲线 色谱图 及有关术语 一 气相色谱法分离的过程 分离过程 以分离A B两组分为例 为 19 混合组分的分离过程及检测器对各组份在不同阶段的响应 20 21 二 色谱流出曲线 从载气带着组分进入色谱柱起就用检测器检测流出柱后的气体 并用记录器记录信号随时间变化的曲线 此曲线就叫色谱流出曲线 当待测组分流出色谱柱时 检测器就可检测到其组分的浓度 在流出曲线上表现为峰状 叫色谱峰 22 如图所示为一色谱流出曲线 23 色谱术语 1 基线 在实验条件下 色谱柱后仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线称为基线 基线在稳定的条件下应是一条水平的直线 它的平直与否可反应出实验条件的稳定情况 24 2 峰高 h 和峰面积 色谱峰顶点与基线的距离叫峰高 色谱峰与峰底基线所围成区域的面积叫峰面积 25 3 保留值a 死时间 t0 不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大值时的时间 它与色谱柱的空隙体积成正比 由于该物质不与固定相作用 因此 其流速与流动相的流速相近 据t0可求出流动相平均流速 26 b 保留时间tr 试样从进样到出现峰极大值时的时间 它包括组份随流动相通过柱子的时间t0和组份在固定相中滞留的时间 27 c 调整保留时间tr 某组份的保留时间扣除死时间后的保留时间 它是组份在固定相中的滞留时间 即由于保留时间为色谱定性依据 但同一组份的保留时间与流速有关 因此有时需用保留体积来表示保留值 28 d 死体积V0 色谱柱管内固定相颗粒间空隙 色谱仪管路和连接头间空隙和检测器间隙的总和 忽略后两项可得到 29 其中 Fco为柱出口的载气流速 mL min 其值为 F0 检测器出口流速 Tr 室温 Tc 柱温 p0 大气压 pw 室温时水蒸汽压 30 e 保留体积Vr 指从进样到待测物在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积 31 f 调整保留体积 某组份的保留体积扣除死体积后的体积 32 g 相对保留值r2 1 组份2的调整保留值与组份1的调整保留值之比 33 注意 r2 1只与柱温和固定相性质有关 而与柱内径 柱长L 填充情况及流动相流速无关 因此 在色谱分析中 尤其是GC中广泛用于定性的依据 具体做法 固定一个色谱峰为标准s 然后再求其它峰i对标准峰的相对保留值 此时以 表示 1 又称选择因子 34 h 区域宽度 色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参数之一 可用于衡量色谱柱的柱效及反映色谱操作条件下的动力学因素 宽度越窄 其效率越高 分离的效果也越好 35 区域宽度通常有三种表示方法 标准偏差 峰高0 607倍处峰宽处的一半 半峰宽W1 2 峰高一半处的峰宽 W1 2 2 354 峰底宽W 色谱峰两侧拐点上切线与基线的交点间的距离 W 4 36 色谱流出曲线的意义 色谱峰数 样品中单组份的最少个数 色谱保留值 定性依据 色谱峰高或面积 定量依据 色谱保留值或区域宽度 色谱柱分离效能评价指标 色谱峰间距 固定相或流动相选择是否合适的依据 37 9 3色谱法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 但当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 38 一 描述分配过程的参数1 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一脱附过程 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 39 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 K只与固定相和温度有关 与两相体积 柱管特性和所用仪器无关 40 分配系数K的讨论 试样品一定时 K主要取决于固定相性质一定温度下 组分的分配系数K越大 出峰越慢 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 试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础 某组分的K 0时 即不被固定相保留 最先流出 41 在一定条件下 各种物质的K是不同的 K较小的组分在色谱分析中每次分配后在气相中的浓度较大 因此较早流出色谱柱 K较大的组分每次分配后在气相中浓度较小 因此较晚流出色谱柱 42 当分配次数足够多时 就能将具有不同K的组分分开 所以 我们可以认为 气相色谱法是利用不同的物质具有不同的K而进行分离的 而K的不同则是由于各组分在固定相中的溶解度 对气 液色谱 或吸附能力 对气 固色谱 不同而造成的 43 2 分配比 在一定温度和压力下 组份在两相间的分配达平衡时 分配在固定相和流动相中的质量比 称为分配比 它反映了组分在柱中的迁移速率 又称保留因子 也叫容量因子或容量比 其其中Vm V0 Vs为固定相体积 44 分配比k的求算 k也等于组分的校正保留时间与死时间的比值 因此 k可通过实验测得 由此也可知道 k可表示出组分在柱中停留时间的长短 k越大 停留时间也就越长 45 称为相比率 它也是反映色谱柱柱型特点的参数 对填充柱 6 35 对毛细管柱 60 600 3 K与k的关系 46 4 选择因子 色谱柱对A B两组分的选择因子 定义如下 A为先流出的组分 B为后流出的组分 47 注意 K或k反映的是某一组分在两相间的分配 而 是反映两组分间的分离情况 当两组分K或k相同时 1时 两组分不能分开 当两组分K或k相差越大时 越大 分离得越好 也就是说 两组分在两相间的分配系数不同 是色谱分离的先决条件 和k是计算色谱柱分离效能的重要参数 48 二 塔板理论塔板理论是描述色谱柱中组分在两相间的分配状况及评价色谱柱的分离效能的一种半经验式的理论 塔板理论将一根色谱柱当作一个由许多塔板组成的精馏塔 用塔板概念来描述组分在柱中的分配行为 塔板是从精馏中借用的 是一种半经验理论 但它成功地解释了色谱流出曲线呈正态分布 49 50 塔板理论假定 1 塔板之间不连续 2 塔板之间无分子扩散 3 组分在各塔板内两相间的分配瞬间达至平衡 达一次平衡所需柱长为理论塔板高度H 4 某组分在所有塔板上的分配系数相同 5 流动相以不连续方式加入 即以一个一个的塔板体积加入 51 一 色谱分离过程 塔板理论是把色谱柱假想为一个精馏塔 塔内存在许多塔板 组分在每个塔板的气相和液相间进行分配 达成一次分配平衡 然后随着流动相按一个塔板 一个塔板的方式向前移动 经过多次分配平衡后 分配系数小的组分 先离开蒸馏塔 色谱柱 分配系数大的组分后离开蒸馏塔 色谱柱 从而使分配系数不同的组分彼此得到分离 52 分离过程如下图所示 53 54 下面我们再举一个例子说明组分在色谱柱中的分配情况 为简单起见 设色谱柱由5决塔板 n 5n为柱子的塔板数 组成 并以r表示塔板编号 r 0 1 2 3 4 5 某组分的分配比k 1 根据上述假定 在色谱分离过程中 该组分的分布可计算如下 55 开始时 将单位质量 即m 1 的该组分进入0号塔板上 然后将流动相以一个板体积 V 一个板体积的脉动形式进入色谱柱 此时组分将安下表所示在固定相和流动相进行分配 56 57 按上述分配过程 对于n 5 k 1 m 1的体系 随着进入柱中板体积载气的增加 组分分布在柱内任一板上的总量 气相和液相的总质量 见下表 58 59 60 61 由表中可见 当n 5时 即5个塔板体积的流动相进入柱中时 组分就开始从柱口流出 并且呈现先小后大的情况 62 以上是当塔板数为5时的情况 出现的峰形不对称 这是由于塔板数太少的原因 当塔板数大于50时 峰形就是对称的 在实际色谱柱中 n值很大 约为106 109 所以色谱峰一般为正态分布 63 二 柱效能指标 对于一个色谱柱来说 其分离能力 叫柱效能 的大小主要与塔板的数目有关 塔板数越多 柱效能越高 色谱柱的塔板数可以用理论塔板数和有效塔板数来表示 64 式中 tR为某组分的保留时间 W1 2为某组分色谱峰的半宽度 W为色谱峰的峰底宽度 由式可见 柱子的理论塔板数与峰宽和保留时间有关 保留时间越大 峰越窄 理论塔板数就越多 柱效能也就越高 1 理论塔板数n 对于一个柱子下说 其理论塔板数可由下式计算 65 对于一个柱长固定为L的柱子 其理论塔板高度H为每一个塔板的高度 即组分在柱内每达成一次分配平衡所需要的柱长叫理论塔板高度 它越小 也表示柱效能越高 66 2 有效塔板数n有效 在以上计算理论塔板数的式子中使用的是保留时间 它包括了死时间 它与组分在柱内的分配无关 因此不能真正反映色谱柱的柱效 为此 引入了有效塔板数的概念 67 同理有效塔板高度为 68 3 塔板理论的特点 1 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 2 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 3 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 4 塔板理论无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径 69 三 速率理论 范弟姆特方程式 塔板理论是一个半经验性的理论 它定性的给出了板高的概念 但不能指出影响板高的因素 速率理论就是在塔板理论的基础上 给出了影响塔板高度的因素 70 u为流动相线速度 A B C为常数 其中A 分别表示涡流扩散系数 B 分子扩散系数 C 传质阻力系数 包括液相和固相传质阻力系数 该式从动力学角度很好地解释了影响板高 柱效 的各种因素 任何减少方程右边三项数值的方法 都可降低H 从而提高柱效 71 1 涡流扩散项 A 在填充柱中 由于受到固定相颗粒的阻碍 组份在迁移过程中随流动相不断改变方向 形成紊乱的 涡流 从图中可见 因填充物颗粒大小及填充的不均匀性 同一组分运行路线长短不同 流出时间不同 峰形展宽 展宽程度以A表示 A 2 dp其中dp 填充物平均直径 填充不规则因子 可见 使用细粒的固定相并填充均匀可减小A 提高柱效 对于空心毛细管柱 无涡流扩散 即A 0 流动方向 72 73 2 分子扩散项 B u 纵向分子扩散是由于浓度梯度引起的 当样品被注入色谱柱时 它呈 塞子 状分布 随着流动相的推进 塞子 因浓度梯度而向前后自发地扩散 使谱峰展宽 其大小为B 2 D 称为弯曲因子 它表示固定相几何形状对自由分子扩散的阻碍情况 D 组分在流动相中的扩散系数 组份为气体或液体时 分别以Dg或Dm表示 74 讨论 分子量大的组分 Dg小 即B小Dg随柱温升高而增加 随柱压降低而减小 流动相分子量大 Dg小 即B小 u增加 组份停留时间短 纵向扩散小 B u 对于液相色谱 因Dm较小 B项可勿略 球状颗粒 大分子量流动相 适当增加流速 短柱 低温 75 3 传质阻力项 Cu 因传质阻力的存在 使分配不能 瞬间 达至平衡 因此产生峰形展宽 气相色谱以气体为流动相 液相色谱以液体为流动相 二者传质过程不完全相同 下面分别作讨论 a 气液色谱 传质阻力项C包括气相传质阻力系数Cs和液相传质阻力系数Cl 76 77 讨论 减小填充颗粒直径dp 采用分子量小的流动相 使Dg增加 减小液膜厚度df Cl下降 但此时k又减小 因此 当保持固定液含量不变时 可通过增加固定液载体的比表面来降低df 但比表面过大又会因吸附过强使峰拖尾 增加柱温 可增加Dl 但k值也减小 为保持合适Cl值 应控制柱温 78 b 液液色谱 传质阻力项C包括流动相传质阻力系数Cm和固定相传质阻力系数Cs 79 讨论 流动相传质阻力包括两方面 流动相中的传质阻力Cm 滞留的流动相传质阻力Cs 分别与填充物大小dp 扩散系数 Dm 微孔大小及其数量等有关 因此 降低流动相传质阻力的方法有 细颗粒固定相 增加组分在固定相和流动相中的扩散系数D 适当降低线速度 短柱 固定相传质阻力与液膜厚度df 保留因子k和扩散系数Ds等有关 因此 降低固定相传质阻力的方法有 与气液色谱中液相传质阻力的表述相同 80 4 流速u由方程H A B u Cu知道 当u一定时 仅在A B C较小时 H较小 柱效较高 反之则柱效较低 色谱峰将展宽 以u对H作图 可得H u曲线 如图 从该曲线得到 81 82 涡流扩散项A与流速u无关 低流速区 u小 B u大 分子扩散项占主导 此时选择分子量大的气体如N2和Ar为载气 可减小扩散 提高柱效 高流速区 u大 Cu大 传质阻力项占主导 此时选择分子量小的气体如H2和He为载气 可增加扩散系数 提高柱效 LC的Hmin和uopt均比GC的小一个数量级 即在LC中 较低流速可获得较大的柱效 曲线的最低点对应最佳线速uopt 下的最小板高Hmin 83 5 固定相颗粒大小对板高的影响实验表明 颗粒越细 板高越小 受线速影响越小 即 在HPLC分析中采用细粒作固定相的理论根据 但颗粒细导致柱流速慢 当采用高压技术 才能实现HPLC的分析要求 84 板高 H cm 85 上面分别介绍了影响色谱分离的基本原理以及影响柱效的各种因素 但是如何从总体上定量描述色谱分离效能 如何将各种影响因素对分离的影响定量地表述出来呢 86 9 4分离度及色谱分离方程一 分离度 Resolution R 同时反映色谱柱效能和选择性的一个综合指标 也称总分离效能指标或分辨率 其定义为 用此式 可直接从色谱流出曲线上求出分离度R 87 色谱分离中的四种典型情况 分离效果差 柱效低 选择性 低 完全分离 柱效高 峰窄 选择性 低 完全分离 选择性 增加 柱效低 峰宽 完全分离 柱效高 选择性 好 88 R越大 相邻组分分离越好 当R 1 5时 分离程度可达99 7 因此R 1 5通常用作是否分开的判据 89 90 二 色谱分离方程R的定义并未反映影响分离度的各种因素 也就是说 R未与影响其大小的因素 柱效n 选择因子 和保留因子k联系起来 对于相邻的难分离组分 由于它们的分配系数K相差小 可合理假设k1 k2 k W1 W2 W 因此可导出R与n 和k的关系 91 有关色谱方程的讨论 1 分离度R与柱效的关系分离度R与理论塔板数n有关 即R受热力学性质的影响 对具一定相对保留值 的物质对 R与有效塔板数neff有关 说明neff可正确代表柱效能 由色谱方程可得 因此可通过增加柱长提高分离度 然而 分析时间也相应增加 且峰宽也展宽 为提高柱效 用减小塔板高度H的方法比增加柱长更有效 92 2 分离度R与保留因子 的关系 越大 柱选择性越好 对分离有利 的微小变化可引起R较大改变 如 当 从1 01增加至1 10 增