色谱分析法引论

内容选择 第一节概述第二节色谱法基本术语第三节色谱法基本理论 结束 第4章色谱分析法引论 第4章色谱分析法引论 一 色谱分析法基本原理二 色谱法分类三 色谱分析法过程四 色谱法特点 第1节概述 第四章色谱分析法引论 本章学习要求 1 理解并掌握色谱法的基本原理和特点 2 掌握色谱法的各种分类方法 3 了解色谱分离过程 4 掌握色谱流出曲线及有关的参数和术语 并理解这些参数术语在色谱分析中的意义 第一节概述 一 色谱分析法的基本原理1 色谱分析法的由来 植物色素分离实验色谱分析法 以下简称色谱法 最早源于俄国植物学家茨维特在1906年进行的植物色素分离实验 在一根玻璃管的狭小一端塞上棉花 在管中填充沉淀碳酸钙后将其与吸滤瓶连接 实验装置如图4 1所示 图4 1茨维特植物色素分离实验装置 第一节概述 一 色谱分析法的基本原理实验时 将植物叶的石油醚提取液从玻璃管上端加入 色素物质便被吸附在碳酸钙填料柱上 然后用石油醚自上而下冲洗 随着石油醚的加入 色素物质不断地向下移动 因不同色素被碳酸钙吸附的作用不同而逐渐分开成几个不同颜色的谱带 继续冲洗可分别得到各种颜色的色素 并可分别进行鉴定 色谱法也由此得名 图4 1茨维特植物色素分离实验装置 一 色谱分析法的基本原理 其中 装填了填料的玻璃管称为色谱柱 柱中的填料物质称为固定相 相对于固定相运动 流经固定相的空隙或表面的冲洗溶剂称为流动相 一 色谱分析法的基本原理 2 色谱法的发展现在 色谱法早已不再局限于色素的分离 这种方法有了极大的发展 1 分离的基础不再局限于吸附原理 2 流动相可以是液体 也可以是气体 3 固定相也不再限于碳酸钙 固体 液体都可以作固定相 但其分离的实质仍然是一样的 所以仍然沿用色谱法或色谱分析法的名称 一 色谱分析法的基本原理 3 色谱法基本原理色谱法 也叫层析法 是一种将混合物样品的各组分进行分离 然后顺序检测分离后的各组分的分析技术 两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础 其实质是样品组分在两相间的分配平衡 进行色谱分离时 含有样品的流动相 气体 液体 在外力作用下通过固定相表面 固定相固定于柱中或平板上 与流动相互不相溶 一 色谱分析法的基本原理 当流动相携带的混合物流经固定相时 便与固定相产生相互作用 由于混合物中各组分在性质和结构上的差异 与固定相之间的作用力的大小 强弱不同 宏观上表现为各组分在固定相中移动速度的微小差异 一 色谱分析法的基本原理 随着流动相的移动 各组分在两相间经过反复多次的分配平衡 使各组分与固定相间相互作用的微小差异被反复多次的累积和放大 最终表现为各组分被固定相保留的时间不同 从而按一定顺序从固定相中依次流出 与适当的柱后检测方法相结合 即可实现混合物中各组分的分离与检测 二 色谱法的分类 色谱法有很多分类方法 1 按两相状态分类 1 气相色谱法 以气体为流动相的色谱法称为气相色谱法 GC 即gaschromatography 二 色谱法的分类 气相色谱法按照固定相的状态 又分为气 液色谱法和气 固色谱法 a 气 液色谱法 是以气体为流动相 以涂在载体表面的液体为固定相的色谱法 b 气 固色谱法 是以气体为流动相 以固体为固定相的色谱法 气相色谱中流动相常称为载气 二 色谱法的分类 2 液相色谱法以液体为流动相的色谱法称为液相色谱法 LC 按照固定相的状态 液相色谱法分为液 固色谱法和液 液色谱法 2 液相色谱法 a 液 固色谱法 是以液体为流动相 以固体为固定相的色谱法 b 液 液色谱法 是以液体为流动相 以涂在载体表面的液体为固定相的色谱法 二 色谱法的分类 3 超临界流体色谱法是以超临界流体为流动相 以固体或液体为固定相的色谱法 所谓超临界流体是指温度和压力在超临界温度和超临界压力之上的流体 这种流体因其密度不同 对各种物质具有不同的溶解能力 因而这种色谱法更类似于液相色谱法 二 色谱法的分类 2 按固定相的形式分类 1 柱色谱法 固定相装在色谱柱中 共分为两大类 1 填充柱色谱 是固定相装在一根玻璃或金属管内 上述对植物色素的分离即是经典的填充柱色谱法 2 开管柱色谱或毛细管柱色谱 是固定相附着在一根细管内壁上 管中心是空的 2 纸色谱法 又叫纸层析法 用滤纸作固定相 吸附在纸上的溶剂作流动相 如图4 2 a a 纸层析法 图4 2纸色谱和薄层色谱示意图 二 色谱法的分类 3 薄层色谱法 又叫薄层层析法 将固体吸附剂在玻璃板或塑料板上制成均匀的薄层作固定相 如左图示 b 薄层层析法 图4 2纸色谱和薄层色谱示意图 二 色谱法的分类 纸色谱和薄层色谱总称平面色谱 平面色谱是靠滤纸或硅胶层的毛细管作用将流动相从一端吸上来 使样品组分得以分离 1 吸附色谱法 用吸附剂作固定相的色谱 它是利用吸附剂 一般是固体 表面对不同组分吸附能力的不同 因而吸附平衡常数不同而将组分分离的色谱 包括气 固吸附色谱和液 固吸附色谱 3 按分离原理分类 二 色谱法的分类 二 色谱法的分类 2 分配色谱法用液体作固定相 利用不同组分在液体固定相和流动相中的溶解度不同 因而分配系数不同而进行分离的色谱法 包括气 液分配色谱和液 液分配色谱 3 离子交换色谱法固定相为离子交换剂 利用离子交换剂与不同离子交换能力的不同而进行分离的色谱法 二 色谱法的分类 4 尺寸排阻色谱 凝胶色谱 利用多孔性物质作固定相 因其对不同大小分子的排阻作用不同进行分离的色谱法 5 电色谱 利用带电物质在电场作用下移动速度不同进行分离的色谱 三 色谱法分离过程 以分离A B两组分的气 固吸附色谱为例说明色谱的分离过程 如下图所示 三 色谱法分离过程 当试样由载气携带进入色谱柱与固定相接触时 被固定相吸附 随着流动相的不断流入 被吸附的组分又从固定相中脱附 脱附的组分随着载气向前移动时又再次被固定相吸附 图4 3气相色谱分离过程示意图 三 色谱法分离过程 在这个过程中 各组分与固定相间的吸附作用不同 因而吸附与脱附的速度和次序不同而产生微小的分离 随着载气的流动 吸附与脱附的过程反复地进行 微小的分离被多次累加 最终达到分离 即 三 色谱法分离过程 吸附 脱附 再吸附 再脱附 反复多次平衡 被测组分 分离 四 色谱法的特点 色谱法的特点是它分离能力优越 它的分离效率远远高于其他分离技术 如蒸馏 萃取 离心分离等方法 四 色谱法的特点 1 色谱分析法的优点 1 分离效率高例如毛细管气相色谱柱 内径0 1 0 25 m 30 50m 其理论塔板数可以到7万 12万 而毛细管电泳柱一般都有几十万理论塔板数的柱效 至于凝胶毛细管电泳柱可达上千万理论塔板数的柱效 四 色谱法的特点 2 应用范围广它几乎可用于所有化合物的分离和测定 无论是有机物 无机物 低分子或高分子化合物 甚至有生物活性的生物大分子也可以进行分离和测定 3 分析速度快一般在几分钟到几十分钟就可以完成一次复杂样品的分离和分析 四 色谱法的特点 4 样品用量少用极少的样品就可以完成一次分离和测定 5 灵敏度高色谱法有时可测定出含量在10 9数量级的物质 经一定的浓缩后甚至可测定含量在10 12数量级的物质 四 色谱法的特点 6 操作简便分离和测定一次完成 可以和多种分析仪器联用 易于自动化 可在工业流程中使用 2 色谱法的不足 色谱法的突出优点是分离能力高 但是对所分析对象的鉴别功能较差 一般来说 色谱法是靠保留值来定性分析的 但化合物的保留值极大程度地依赖于色谱测量条件 即使在相同的色谱测量条件下 一个保留值还可能对应于多个化合物 所以色谱法要和其它的方法配合才能发挥它更大的作用 第二节色谱法基本术语 一 色谱流出曲线试样中各组分经色谱柱分离后 按先后次序经过检测器 检测器将流动相中各组分浓度 或含量 的变化转变为相应的电信号 由记录仪所记录下信号 时间曲线或信号 流动相体积曲线 称为色谱流出曲线 如图4 4所示 又称色谱图 一 色谱流出曲线 在色谱流出曲线上 检测器检测到的待测组分的浓度 或含量 表现为峰状 称为色谱峰 每一分离出的组分表现为一个色谱峰 随着计算机技术在色谱分析中的广泛应用 目前的色谱流出曲线图是由色谱工作站 绘制的 由一台微曲型计算机来实现色谱仪器的控制 并进行数据采集和处理的一个系统 由硬件和软件两部分组成 二 有关的参数和术语 现以某一样品色谱流出曲线说明有关参数和术语 二 有关的参数和术语 一 基线当色谱柱中仅有流动相通过时 检测器响应信号的记录值称为基线 稳定的基线应是一条水平直线 二 有关的参数和术语 二 峰高 h 和峰面积 A 1 峰高 色谱峰顶点到基线的垂直距离 以h表示 二 峰高 h 和峰面积 A 2 峰面积 色谱峰曲线与峰底基线所围成区域的面积叫 以A表示 二 峰高 h 和峰面积 A 峰高或峰面积的大小和每个组分在样品中的含量相关 因此色谱峰的峰高或峰面积是气相色谱进行定量分析的主要依据 二 有关的参数和术语 三 保留值保留植表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间 通常用时间 也可用将组分带出色谱柱所需载气的体积 来表示 在一定的实验条件下 任何一种物质都有一定的保留值 保留值是色谱定性分析的依据 二 有关的参数和术语 1 死时间 tM 不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大值时所需的时间 它与色谱柱的空隙体积有关 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 三 保留值 2 保留时间 tR 试样中某组分的保留时间指从进样到出现其色谱峰极大值时所经历的时间 它包括组分随流动相通过柱子的时间tM和组分在固定相中滞留的时间tR 图4 4谱流出曲线图 三 保留值 3 调整保留时间 tR 扣除了死时间的保留时间 即组分在固定相上滞留的时间 tR tR tM 4 1 三 保留值 tR 反映了被分析的组分因与色谱柱中固定相发生相互作用 而在色谱柱中滞留的时间 它更确切地表达了被分析组分的保留特性 因而是色谱定性分析的基本参数 三 保留值 4 死体积 VM 不被保留的组分通过色谱柱所消耗的流动相的体积 又指色谱柱中未被固定相所占据的空隙体积 即色谱柱的流动相体积 包括色谱仪中的管路 连接头的空间 以及进样器和检测器的空间 三 保留值 VM tM FC 4 2 式中 FC为流动相的流速 5 保留体积 VR 某组分的保留体积指从进样到该组分在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积 VR tR FC 4 3 三 保留值 6 调整保留体积 VR 某组分的保留体积扣除死体积后的体积 VR VR VM tR FC 4 4 三 保留值 由于保留时间为色谱定性依据 但同一组分的保留时间与流速有关 有时需用保留体积来表示保留值 7 相对保留值 r21 也称色谱柱的选择性 即组分2的调整保留值与组分1的调整保留值之比 r21越大 分离的越好 色谱柱选择性越好 三 保留值 相对保留值只与柱温和固定相性质有关 与其它色谱操作条件 柱径 柱长 填充情况及流动相流速 无关 它表示了固定相对这两种组分的选择性 只要柱温 固定相不变 即使柱径 柱长 填充情况及流动相流速有所变化 r21值仍保持不变 四 区域宽度 色谱峰的区域宽度 如图4 4所示 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 三 保留值 区域宽度通常有三种表示方法 标准偏差 峰高0 607倍处峰宽的一半 三 保留值 半峰宽W1 2 峰高一半处的峰宽 W1 2 2 354 峰底宽Wb 色谱峰两侧拐点上切线与基线的交点间的距离 Wb 4 五 分配系数 K 大家知道 色谱分离的实质是基于样品组分在固定相和流动相之间反复多次的分配平衡 这种分离过程经常用样品组分的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 K 分配系数 在一定温度下 组分在固定相和流动相之间分配达到平衡时的浓度比 五 分配系数 K 当K 1时 组分在固定相和流动相中浓度相等 当K 1时 组分在固定相中的浓度大于在流动相中的浓度 当K 1时 组分在固定相中的浓度小于在流动相中的浓度 或 五 分配系数 K 分配系数是色谱分离的基本参数之一 实际工作中常应用分配系数K来表征色谱分配过程 色谱柱中不同组分能够分离的先决条件是其分配系数不同 分配系数小的组分 在固定相中停留时间短 较早流出色谱柱 五 分配系数 K 分配系数大的组分 在气相中的浓度较小 移动速度慢 在柱中停留时间长 较迟流出色谱柱 两组分分配系数相差越大 两峰分离的就越好 分配系数K是由组分的性质及固定相的热力学性质决定的 随柱温及柱压变化 与柱中两相的体积无关 六 分离度 分离度 也称总分离效能指标或分辨率 定义为 相邻两色谱峰保留值之差与两峰底宽平均值的比值 分离度是同时反映色谱柱效能和选择性的一个综合指标 六 分离度 一般说来 R 1 两峰有部分重叠 R 1 两峰能明显分离 R 1 5时 两峰能完全分离 R越大 分离效果越好 但会延长分离时间 本式中R 0 8 两峰的分离程度可达89 R 1 0 分离程度98 R 1 5 达99 7 是相邻两峰完全分离的标准 第三节色谱分析法基本理论 目前 有几种理论可以解释 描述和评价色谱分离过程 其中有两种最常用的色谱分离理论 即塔板理论和速率理论 一 塔板理论 塔板理论是1941年由马丁 Martin 和詹姆斯 James 提出的半经验理论 该理论把一根色谱柱视为一个精馏塔 即色谱柱由许多假想的的塔板组成 即把色谱柱分成许多个小段 每一段相当于一块塔板 一 塔板理论 塔板理论假定 在每一块塔板上 溶质在两相间很快达到平衡 然后 随着流动相按一个一个塔板的方式向前移动 一 塔板理论 待分离的组分随着流动相进入色谱柱后 在两相间进行分配 并随着流动相的不断移动 组分就沿着假想的塔板在两相间不断地进行着分配平衡 由于色谱柱的塔板数相当多 因此组分的分配系数只要有微小差异 就可以得到很好的分离效果 一 塔板理论 在塔板理论中 描述色谱柱效能的参数为理论塔板高度和理论塔板数 把组分在分离柱内达成一次分配平衡所需要的柱长称为理论塔板高度 H 色谱柱的总长 L 除以理论塔板高度即得理论塔板数 n 一 塔板理论 但理论塔板高度不易从理论上获得 因此无法由上式计算理论塔板数 计算理论塔板数的经验公式为 式中 tR为组分的保留时间 W1 2为以时间为单位的半峰宽 Wb为以时间为单位的峰底宽 一 塔板理论 由公式知道 组分的保留时间越长 峰形越窄 则理论塔板数越高 一 塔板理论 在实际应用中 用上式计算的理论塔板数常偏高 这是因为保留时间中包括了死时间 用调整保留时间tR 代替保留时间 可求得有效理论塔板数 二 速率理论 1956年 荷兰学者范第姆特等人提出速率理论 该理论是在继承塔板理论的基础上发展起来的 它阐明了影响色谱峰变宽的物理化学因素 并指明了提高和改进色谱柱效能的方向 对毛细管柱色谱和高效液相色谱的发展起着指导性的作用 二 速率理论 该理论用速率理论方程式 范特姆特方程式 阐明影响理论塔板高度即柱效能的因素 式中 H为塔板高度 A为涡流扩散项 u为载气流速 B为分子扩散项 C为传质阻力项 二 速率理论 1 A为涡流扩散项由于组分分子与柱内填充颗粒发生碰撞 形成流