《色谱理论基础》PPT课件.ppt

色谱概述和色谱理论基础 色谱法历史 色谱法分类 色谱有关术语 色谱基本理论 气相色谱流程 色谱法的历史 色谱法的历史1903年 Tswett发表了吸附色谱分离植物色素的论文 并于1906年正式提出色谱法 1931年 Ledeer的工作 色谱技术受到重视 1938年 Izomailov和Shraiber薄层色谱 同年 Taylor和Uray用离子交换色谱分离了锂和钾同位素1944年 美国橡树岭实验室和衣阿华州大学分离和鉴定了稀土元素 1941年 Martin和Synge发展了分配色谱 色谱法的历史 1944年 Martin发展了纸色谱1952年 Martin和James发展了气 液分配色谱 气相色谱问世 1956年 VanDeemter等发表了速率理论 1957年 制作了离子色谱交换氨基酸分析仪 1959年 凝胶过滤色谱 Giddings于1963年奠定色谱理论 1969年 现代液相色谱 1975年 离子色谱法 1981年 毛细管电泳 色谱法分类 按两相状态分类气体为流动相的色谱称为气相色谱 GC 根据固定相是固体吸附剂还是固定液 附着在惰性载体上的一薄层有机化合物液体 又可分为气固色谱 GSC 和气液色谱 GLC 液体为流动相的色谱称液相色谱 LC 同理 液相色谱亦可分为液固色谱 LSC 和液液色谱 LLC 超临界流体为流动相的色谱称为超临界流体色谱 SFC 色谱法分类 按分离机理分类利用组分在吸附剂 固定相 上的吸附能力强弱不同而得以分离的方法 称为吸附色谱法 利用组分在固定液 固定相 中溶解度不同而达到分离的方法称为分配色谱法 利用组分在离子交换剂 固定相 上的亲和力大小不同而达到分离的方法 称为离子交换色谱法 利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透而达到分离的方法 称为凝胶色谱法或尺寸排阻色谱法 色谱法分类 最近 又有一种新分离技术 利用不同组分与固定相 固定化分子 的高专属性亲和力不同进行分离的技术称为亲和色谱法 常用于蛋白质的分离 按固定相的外形分类固定相装于柱内的色谱法 称为柱色谱 固定相呈平板状的色谱法 称为平板色谱 它又可分为薄层色谱和纸色谱 色谱有关术语 色谱有关术语 基线是柱中仅有流动相通过时 检测器响应信号的记录值 稳定的基线应该是一条水平直线 保留值1 保留时间tR试样从进样开始到柱后出现峰极大点时所经历的时间 称为保留时间 2 死时间tM不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时 从进样到出现峰极大值所需的时间称为死时间 色谱有关术语 3 调整保留时间tR 某组份的保留时间扣除死时间后称为该组份的调整保留时间 即tR tR tM组分在色谱柱中的保留时间tR包含了组分随流动相通过柱子所需的时间和组分在固定相中滞留所需的时间 保留时间可用时间单位 s 或距离单位 cm 表示 色谱有关术语 注意 但同一组分的保留时间常受到流动相流速的影响 因此有时用保留体积等参数进行定性 4 保留体积VR指从进样开始到被测组份在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相体积 保留体积与保留时间tR的关系如下 VR tR F0 色谱有关术语 5 死体积VM指色谱柱在填充后 柱管内固定相颗粒间所剩留的空间 色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间的总和 当后两项很小而可忽略不计时 死体积可由死时间与流动相体积流速F0 mL min 计算 VM tM F06 调整保留体积VR 某组份的保留体积扣除死体积后 称该组份的调整保留体积 即VR VR VM 色谱有关术语 7 相对保留值 2 1某组份2的调整保留值与组份1的调整保留值之比 称为相对保留值 色谱有关术语 注意 由于相对保留值只与柱温及固定相的性质有关 而与柱径 柱长 填充情况及流动相流速无关 是气相色谱中广泛使用的定性数据 相对保留值绝对不是两个组份保留时间或保留体积之比 分离度 柱效 理论塔板数 有效塔板数的概念在 色谱基本理论 介绍 色谱有关术语 选择因子在定性中 通常固定一个色谱峰作为标准 s 然后再求其它峰 i 对这个峰的相对保留值 将它们的相对保留值作为重要参数 可用符号 表示 tR2 为后出峰的调整保留时间 所以这时 总是大于1的 色谱有关术语 峰高色谱峰顶点与基线之间的垂直距离 以h表示 区域宽度 峰宽 半峰宽 色谱峰的区域宽度是组份在色谱柱中谱带扩张的函数 它反映了色谱操作条件的动力学因素 度量色谱峰区域宽度通常有三种方法 1 标准偏差 即0 607倍峰高处色谱峰宽的一半 如上图中EF距离的一半 色谱有关术语 2 半峰宽W1 2即峰高一半处对应的峰宽 如前图中GH间的距离 它与标准偏差 的关系是 W1 2 2 354 3 基线宽度W即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上的截距 如前图中IJ的距离 它与标准偏差 的关系是 W 4 峰面积 A 1 065XW1 2bXh 色谱有关术语 从色谱流出曲线上 可以得到许多重要信息 l 根据色谱峰的个数 可以判断样品中所含组分的最少个数 2 根据色谱峰的保留值 进行定性分析 3 根据色谱峰的峰面积或峰高 进行定量分析 4 色谱峰的保留值及其区域宽度 峰高 峰面积 是评价色谱柱分离效能的依据 5 色谱峰两峰间的距离 是评价固定相 和流动相 选择是否合适的依据 色谱基本理论 概述 分配系数K和分配比k 塔板理论 速率理论 分离度 基本色谱保留式 色谱基本理论 概述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 但是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 色谱基本理论 分配系数K和分配比k分配系数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 分配比又称容量因子 它是指在一定温度和压力下 组分在两相间分配达平衡时 分配在固定相和流动相中的质量比 即 色谱基本理论 它是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要参数 k值也决定于组分及固定相热力学性质 它不仅随柱温 柱压变化而变化 而且还与流动相及固定相的体积有关 分配系数K与分配比k的关系 称为相比率 它是反映各种色谱柱型特点的又一个参数 色谱基本理论 分配系数K及分配比k与选择因子 的关系通过选择因子 把实测值k与分配系数K直接联系起来 对固定相的选择具有实际意义 如果两组分的K或k值相等 则 1 两个组分的色谱峰必将重合 说明分不开 两组分的K或k值相差越大 则分离得越好 因此两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先决条件 色谱基本理论 塔板理论最早由Martin等人提出塔板理论 在平衡色谱理论基础上发展起来 把色谱柱比作一个精馏塔 沿用精馏塔中塔板的概念来描述组分在两相间的分配行为 同时引入理论塔板数作为衡量柱效率的指标 四点假设 1 在柱内一小段长度H内 组分可以在两相间迅速达到平衡 这一小段柱长称为理论塔板高度H 色谱基本理论 2 载气进入色谱柱不是连续进行的 而是脉动式 每次进气为一个塔板体积 Vm 3 所有组分开始时存在于第0号塔板上 而且试样沿轴 纵 向扩散可忽略 4 分配系数在所有塔板上是常数 与组分在某一塔板上的量无关 色谱基本理论 由于死时间tm包括在tr中 而实际的tm不参与柱内分配 所计算的n值尽管很大 H很小 但与实际柱效能相差甚远 采用有效理论塔板数neff和有效塔板高Heff评价柱效能 色谱基本理论 塔板理论形象地描述了溶质在色谱柱中的分配平衡和分离过程 导出流出曲线的数学模型 并成功地解释了流出曲线的形状及浓度极大值的位置 还提出了计算和评价柱效的参数 存在问题 1不能解释造成谱带扩张的原因和影响板高的各种因素 2不能说明为什么在不同流速下可以测得不同的理论塔板数 色谱基本理论 速率理论吸收了塔板理论中板高的概念 并充分考虑了组分在两相间的扩散和传质过程 从而在动力学基础上较好地解释了影响板高的各种因素 色谱基本理论 分子涡流项 在填充色谱柱中 当组分随流动相向柱出口迁移时 流动相由于受到固定相颗粒障碍 不断改变流动方向 使组分分子在前进中形成紊乱的类似 涡流 的流动 故称涡流扩散 A 2 dpA与填充物的平均直径dp的大小和填充不规则因子 有关 与流动相的性质 线速度和组分性质无关 为了减少涡流扩散 提高柱效 使用细而均匀的颗粒 并且填充均匀是十分必要的 对于空心毛细管 不存在涡流扩散 因此A 0 色谱基本理论 分子扩散项B u 纵向扩散项 纵向分子扩散是由浓度梯度造成的 组分从柱入口加入 其浓度分布的构型呈 塞子 状 由于存在浓度梯度 塞子 必然自发地向前和向后扩散 造成谱带展宽 分子扩散项系数为B 2 Dg式中 是填充柱内流动相扩散路径弯曲的因素 也称弯曲因子 它反映了固定相颗粒的几何形状对自由分子扩散的阻碍情况 Dg为组分在流动相中扩散系数 cm2 s 1 色谱基本理论 传质阻力项Cu对于气液色谱 传质阻力系数C包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数Cl两项 即C Cg Cl气相传质过程是指试样组分从气相移动到固定相表面的过程 这一过程中试样组分将在两相间进行质量交换 即进行浓度分配 有的分子还来不及进入两相界面 就被气相带走 有的则进入两相界面又来不及返回气相 这样 使得试样在两相界面上不能瞬间达到分配平衡 引起滞后现象 从而使色谱峰变宽 对于填充柱 气相传质阻力系数Cg为 色谱基本理论 由上式看出 气相传质阻力与填充物粒度的平方成正比 与组分在载气流中的扩散系数成反比 因此 采用粒度小的填充物和相对分子质量小的气体 如氢气 做载气 可使Cg减小 提高柱效 色谱基本理论 固定相的液膜厚度df薄 组分在液相的扩散系数Dl大 则液相传质阻力就小 降低固定液的含量 可以降低液膜厚度 但k值随之变小 又会使C1增大 当固定液含量一定时 液膜厚度随载体的比表面积增加而降低 因此 一般采用比表面积较大的载体来降低液膜厚度 但比表面太大 由于吸附造成拖尾峰 也不利分离 虽然提高柱温可增大Dl 但会使k值减小 为了保持适当的Cl值 应控制适宜的柱温 色谱基本理论 将上面式总结 即可得气液色谱速率板高方程 这一方程对选择色谱分离条件具有实际指导意义 它指出了色谱柱填充的均匀程度 填料颗粒的大小 流动相的种类及流速 固定相的液膜厚度等对柱效的影响 色谱基本理论 色谱基本理论 分离度 柱效和选择性对分离的影响 看下图 色谱基本理论 上图说明了柱效和选择性对分离的影响 图中 a 两色谱峰距离近并且峰形宽 两峰严重相叠 这表示选择性和柱效都很差 图中 b 虽然两峰距离拉开了 但峰形仍很宽 说明选择性好 但柱效低 图中 c 分离最理想 说明选择性好 柱效也高 单独用柱效或选择性不能真实反映组分在色谱柱中分离情况 故需引入一个综合性指标 分离度R 色谱基本理论 分离度又叫分辨率 它定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽总和之半的比值 即 气相色谱色谱流程 气相色谱色谱流程 一 概述GC是Martin等人在研究液液分配色谱的基础上 于1952年创立的一种极有效的分离方法 它可分析和分离复杂的多组分混合物 目前由于使用了高效能的色谱柱 高灵敏度的检测器及化学工作站 使得气相色谱法成为一种分析速度快 灵敏度高 应用范围广的分析方法 气相色谱色谱流程 气相色谱法又可分为气固色谱 GSC 和气液色谱 GLC 前者是用多孔性固体为固定相 分离的对象主要是一些永久性的气体和低沸点的化合物 而后者的固定相是用高沸点的有机物涂渍在惰性载体上或将固定液采用涂敷或交联的方法涂于毛细管壁上 由于可供选择的固定液种类多 故选择性较好 应用亦广泛 下图为气相色谱仪系统流程图 气相色谱色谱流程 气源 进样系统 分离系统 检测系统 数据处理系统 温度和流量控制系统 温度和流量控制系统 温度控制系统 气相色谱色谱流程 二 气源常用的载气和燃烧气 载气纯度的分类 气体中污染物 气体净化器 最常用的载气是氦气和氢气 有时也用氮气 氩气 作用是携带样品进入色谱柱进行分离 然后进入检测器对各组分进行定量 来源 钢瓶 气体发生器 载气的纯度是至关重要的 了解气体纯度的分类 低纯度 高纯度 超纯度 研究级 气相色谱色谱流程 气体中常见的污染物烃类化合物 卤代烃 水分 氧注 气体纯度越高 成本越高 在既不干扰分析 又不损害仪器的情况下 使用最低纯度的气体可以最大程度地降低成本 气相色谱色谱流程 具体到实际工作中 一般选用适当的净化器 又叫捕集阱 需对净化器进行正确的安装和维护 一个不进行维护的净化器会失效 并成为一个污染源 水分捕集阱 一般为13X分子筛氧捕集阱 为一含金属插件的支持反应试剂烃类捕集阱 活性炭吸附 气相色谱色谱流程 三 进样系统 在这一部分主要包括 进样垫 样品瓶 进样针 进样口 气相色谱色谱流程 四 分离系统分离系统由色谱柱组成 它是色谱仪的核心部件 其作用是分离样品 色谱柱主要有两类 填充柱和毛细管柱 1 填充柱填充柱由不锈钢或玻璃材料制成 内装固定相 一般内径为2 4mm 长1 3m 填充柱的形状有U型和螺旋型二种 气相色谱色谱流程 2 毛细管柱毛细管柱又叫空心柱 分为壁涂渍 多孔层和载体涂层空心柱 壁涂渍空心柱是将固定液均匀地涂在内径0 l 0 5mm的毛细管内壁而成 毛细管材料可以是不锈钢 玻璃或石英 毛细管色谱柱渗透性好 传质阻力小 而柱子可以做到几十米长 与填充往相比 其分离效率高 理论塔板数可达1