武汉大学分析化学下册18色谱法导论

2020 4 6 第十八章色谱法导论 Introductionofchromatography 一 色谱过程和色谱图二 色谱动力学基础理论三 色谱定性分析四 定量分析方法 2020 4 6 一 色谱过程和色谱图 色谱法 chromatography 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称色谱法 色谱柱 进行色谱分离用的细长管 固定相 stationaryphase 管内保持固定 起分离作用的填充物 流动相 mobilephase 流经固定相的空隙或表面的冲洗剂 2020 4 6 按固定相的几何形式分类 1 柱色谱法2 纸色谱法3 薄层色谱法按流动相的状态分类 气相色谱法 液相色谱法 气 固色谱法 液 固色谱法 气 液色谱法 液 液色谱法 2020 4 6 2020 4 6 色谱图 chromatogram 试样中各组分经色谱柱分离后 按先后次序经过检测器时 检测器就将流动相中各组分浓度变化转变为相应的电信号 由记录仪所记录下的信号 时间曲线或信号 流动相体积曲线 称为色谱流出曲线 2020 4 6 常用术语 基线 在操作条件下 仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线 峰高与峰面积 色谱峰顶点与峰底之间的垂直距离称为峰高 peakheight 用h表示 峰与峰底之间的面积称为峰面积 peakarea 用A表示 峰宽度 a 峰底宽WD 4 1 70Wh 2b 半高峰宽Wh 2 2 355 c 标准偏差峰宽W0 607h 2 2020 4 6 保留值 1 保留时间 从进样至被测组分出现浓度最大值时所需时间tR 2 保留体积 从进样至被测组分出现最大浓度时流动相通过的体积 VR 死时间 不被固定相滞留的组分 从进样至出现浓度最大值时所需的时间称为死时间 deadtime tM 死体积 不被固定相滞留的组分 从进样至出现浓度最大值时流动相通过的体积称为死体积VM VM tMF0 F0为柱尾载气体积流量 2020 4 6 调整保留值 1 调整保留时间 扣除死时间后的保留时间 tR tR tM2 调整保留体积 扣除死体积后的保留体积 VR VR VM或VR tR F0相对保留值 relativeretention 在相同的操作条件下 待测组分与参比组分的调整保留值之比 用ri s表示 2020 4 6 分离度 resolution 相邻两色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽度平均值之比 用R表示 分离度是用来作为衡量色谱分离效率的指标 R越大 表明两组分分离效果越好 保留值之差取决于固定液的热力学性质 色谱峰宽窄反映色谱过程动力学因素及柱效能高低 2020 4 6 对于峰形对称且满足正态分布的色谱峰 R 1 分离程度为98 R 1 5 分离程度可达99 7 所以R 1 5时可认为色谱峰已完全分开 2020 4 6 二 色谱动力学基础理论 色谱动力学是研究物质在色谱过程中运动的科学 其主要目的是解释色谱流出曲线的形状 探求影响色谱区带 样品带 扩张的原因 为高效能色谱柱系统提供理论上的指导以及为色谱分析 色谱专家系统谱图库的建立奠定理论基础 对于溶质在色谱柱内的运动过程 严格的数学处理时应根据柱内溶质迁移过程及各种影响因素 列出相应的偏微分方程组 求出描写色谱谱带运动的方程式 由于这些偏微分方程组求解困难 实际色谱动力学研究只采用较为简单的假设和数学处理 2020 4 6 1 塔板理论 theplatemodel 1941年 Martin和Synge阐明了色谱 蒸馏和萃取之间的相似性 将色谱柱设想成由许多液液萃取单元或理论塔板组成 与精馏相似 色谱分离也是一个分配平衡过程 这就是Martin等人提出的塔板理论 掌握这一理论的要点是 假设 二项式分布 概率密度函数 流出曲线 实验事实 2020 4 6 塔板理论基本假设 固定相 流动相 H vm v3 l色谱柱由一系列塔板组成l塔板内 组分在两相间迅速达到平衡 理想色谱 l组分的分配系数不随它的浓度变化而变化 线性分布等温线 l组分的轴向扩散为零l流动相的流动是跳跃过程 2020 4 6 单次操作类似萃取洗涤 根据假设 将连续的色谱过程 人为地 分解成间歇过程 这样色谱过程与Craig多次连续萃取过程十分相似 塔板内一次平衡相当于一次萃取 2020 4 6 流动相固定相 塔板号0123r 1r 塔板理论示意图 如果把上述错流萃取过程继续下去 平衡 转移 再平衡 再转移 2020 4 6 则每一个萃取单元 塔板 的溶质分布呈现二项式分布 呈现为概率密度函数 塔板理论示意图 q萃取率p萃余率 2020 4 6 当n足够大时 溶质随流动相流过色谱柱 溶质的移动速度取决于溶质分配在流动相中的分数 如果溶质较易分配在固定相 则它的移动速度较慢 反之 如果溶质较易分配在流动相 则溶质就容易从色谱柱中流出来 从数学上说 流动速度取决于q 流动相中的溶质分数 浓度最大的塔板号数rmax 即峰位置 2020 4 6 对于色谱过程而言 n和r均很大 采用数学上近似处理方法 可推导出溶质组分的保留方程为 二项式分布展开成高斯分布 得到色谱流出曲线方程 最大组分浓度 峰高 2020 4 6 决定色谱峰最大浓度的因素 l进样量越大 峰高越大l相同保留时间 塔板数越大 峰高越大l固定进样量和塔板数 保留时间越小 峰高越大 即色谱峰高且窄 反之 保留时间长的组分色谱峰低且宽 色谱峰半高宽度 2020 4 6 决定色谱峰的区域宽度的因素 l保留值越大 峰宽越大l峰宽与柱结构有关l柱长越大 峰宽越大l塔板数越大 峰宽越小塔板数的计算公式N 16 tr wb 2N 5 54 tr w1 2 2塔板高度的计算公式H L N 2020 4 6 塔板理论的优缺点 塔板理论是一种半经验理论 它初步揭示了色谱分离过程 塔板理论在色谱中的意义在于 高斯峰分布与色谱流出曲线基本相符塔板数作为衡量柱效指标是有效的峰高Cmax与W H VR的关系符合实验结果 2020 4 6 塔板理论的缺陷 说明不了色谱流出曲线峰展宽的本质及曲线形状变化的影响因素 也说明不了各种实验操作条件变化所引起的色谱峰峰宽变化的原因 它无法把各种色谱参数与塔板高度定量地关联起来 特别是不能解释流速对柱效率的影响 在气相色谱中 忽略分子轴向扩散流动相的运动是跳跃式的 不连续的假设显然违背了实际色谱过程实际色谱过程难于达到真正的平衡状态分配系数与浓度无关只在一定的范围内成立 2020 4 6 2 速率理论 塔板理论把色谱过程分成单个不连续步骤 每步中体系都达到平衡 可见 这是一种 平衡过程研究方法 速率理论认为色谱分离是一个连续的流动过程 每个组分以一定的速率通过色谱柱 体系没有达到平衡 这是一种 非平衡过程研究方法 或 速率 模型 扩散和传质是谱带展宽的本质 速率理论可以较好地描述色谱过程 速率理论方程物理意义明确 能有效解释了影响色谱峰展宽的各种因素 为高效色谱提供了理论指导 2020 4 6 1956年 VanDeemter研究扩散 传质等与色谱过程物料平衡或质量平衡的关系 偏微分方程 考察溶质通过色谱体系总的浓度变化 导出速率理论方程 H A B u Cu涡流扩散 纵向分子扩散 传质 1958年 Giddings用随机行走模型描述色谱过程 并导出速率理论方程 H HL HS HM HSM 2020 4 6 在色谱中 涡流扩散和流型效应不完全是独立的随机过程 流线加宽效应会由于径向扩散效应 分子时常改变自己所出的流线 即在不同的流线上移动而减弱 这种相互影响与流动相流速有关 在流速较高的色谱过程 如气相色谱中 流动相对塔板高度的总贡献为涡流扩散效应和流型效应之和 HM He HD dp udp2 DM 2020 4 6 在流速很低的情况下 随着流速的增加HM趋于极大值 并不再与流速有关 这时涡流效应起主导作用 对于液相色谱这种填料颗粒小 流速又不太低的情况 涡流效应是和流型效应起耦合作用 因为涡流扩散也就是流线遇到阻力而产生的分裂作用 它和径向扩散效应一样 都能使溶质分子从一条流线过渡到另一条流线 即在这个意义上讲二者的作用是相同的 因为如把这两个效应结合起来则一个溶质分子在不同流线上变动的几率就更大些 而这种几率越大 这个分子在柱中的移动速度就越接近于所有分子的平均速度 即减少色区加宽效应 HM 1 1 He 1 HD 1 1 dp DM udp2 一般说来 采用细颗粒固定相 增大组分在流动相中的扩散系数 减少流速 就可使流动相中的传质阻力减少 柱效提高 2020 4 6 根据理论塔板高度的加和性 得 H HM HL HRM HRS总塔板高度 纵向扩散板高 流动相传质板高 固定相传质板高 即著名的范氏速率方程 2020 4 6 对比塔板理论 速率理论的成功之处 分离效率受流速的影响 从本质上阐明影响谱带展宽的各种实验因素速率理论方程式是选择色谱条件 如填料粒度 填充均匀度 固定相性质及厚度 流动相组成及流速 柱温等的重要依据 2020 4 6 对给定色谱体系 当其它实验条件确定后 u对H的影响 速率曲线 可由实验来测得 将u以外的参数视作常数 则速率方程可简化为 H A B u Cu式中A B C为常数 上式中三项分别代表涡流扩散 纵向分子扩散和两相传质阻力对总塔板高度的贡献 绘制H u图时 应选择若干不同的线速 包含高 中 低线速 测定组分的色谱峰 计算出H值 然后作图 2020 4 6 三 色谱定性分析方法 定性分析的任务是确定色谱图上各个峰代表什么物质 1 利用保留值与已知物对照定性 1 利用保留时间定性在相同色谱条件下 将标准物和样品分别进样 两者保留值相同 可能为同一物质 此方法要求操作条件稳定 一致 必须严格控制操作条件 尤其是流速 2 利用标准加入法定性若样品复杂 流出峰距离太近 或操作条件不易控制 可将已知标准样品加到被测样品中 若被测组分峰高增加了 则可能含该已知物 2020 4 6 2020 4 6 2 与其它分析仪器联用的定性方法 小型化的台式色质谱联用仪 GC MS LC MS 色谱 红外光谱仪联用仪 组分的结构鉴定 2020 4 6 四 色谱定量分析方法 气相色谱定量分析是根据检测器对溶质产生的响应信号与溶质的量成正比的原理 通过色谱图上的峰面积或峰高 计算样品中溶质的含量 mi fiAi mi fihimi 被测组分i的质量 fi 比例系数 校正因子 Ai hi 被测组分的峰面积及峰高对称峰 A 1 065 h W1 2不对称峰 A 1 065 h W0 15 W0 85 2 2020 4 6 绝对校正因子取决于检测器的灵敏度 不易测定 通常所指的校正因子都是指相对校正因子 相对校正因子某组分i的相对校正因子f 为组分i与标准物质s的绝对校正因子之比 2020 4 6 1 归一化法试样各组分都出峰 可用归一化法定量 把所有出峰组分的含量之和当作100 的定量分析方法称为归一化法 若样品中有几个组分 每个组分的量分解为m1 m2 mn 各组分含量总和为m 则组分的质量为mi 质量分数Wi为优点 简便 准确 不需标准物 不必准确称量和准确进样 操作