仪器分析 (第三版 魏培海)第六章 色谱分析法导论ppt课件

十二五 职业教育国家规划教材 仪器分析 第三版 魏培海曹国庆主编 第六章色谱分析法导论 十二五 职业教育国家规划教材 色谱法或色谱分析法 是一种分离分析技术 它利用混合物中各物质在两相间分配系数的差别 当溶质在两相间作相对移动时 各物质在两相间进行多次分配 从而使各组分得到分离 可完成这种分离的仪器称为色谱仪 本章教学内容 色谱分离仪的基本原理和基本概念色谱分离的理论基础色谱定性和定量分析的方法 本章知识目标 熟悉色谱分析中的基本术语 了解色谱分析中的塔板理论和速率理论 熟悉影响色谱柱柱效 分离度的因素 熟悉色谱分析中的定性和定量方法 本章能力目标 熟练校正因子的计算方法 掌握归一化法 内标法的定量计算方法 掌握外标法 熟练绘制外标法工作曲线并进行定量计算 掌握填充柱的制备方法 第一节色谱及分类 茨维特实验 固定相 CaCO3颗粒流动相 石油醚 一 色谱法 色谱法是一种分离分析技术 它是利用各物质在两相中具有不同的分配系数 当两相作相对运动时 这些物质在两相中进行多次反复的分配来达到分离的目的 色谱法以其具有高分离效能 高检测性能 分析时间快速而成为现代仪器分析方法中应用最广泛的一种方法 固定相 在色谱柱中固定不动的相 可以是固体 还可以是液体 流动相 携带试样混合物流过固定相的流体 是液体或气体 色谱柱 承载固定相的装置 各种材质和尺寸 被分离组分 不再仅局限于有色物质 基本术语 二 色谱法分类 1 按两相分子的聚集状态 流动相固定相类型 2 按固定相的固定方式 3 按分离机制分 分配色谱 利用分配系数的不同吸附色谱 利用物理吸附性能的差异离子交换色谱 利用离子交换原理空间排阻色谱 利用排阻作用力的不同 色谱法的特点 分离效率高 复杂混合物 有机同系物 异构体 手性异构体 灵敏度高 可以检测出 g g 1 10 6 ng g 1 10 9 级的物质量 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 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 不足之处 被分离组分的定性较为困难 分离过程 当流动相中携带的混合物流经固定相时 其与固定相发生相互作用 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流出 第二节色谱流出曲线和术语 一 色谱流出线 从进样到被测组分流出色谱柱进入检测器连续测定 得到的检测信号随时间变化的曲线称为色谱流出曲线或色谱图 二 色谱术语 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一时间曲线 它反映检测器系统噪声随时间变化 稳定的基线是一条直线 2 色谱峰 从被测组分开始进入检测器至完全流出检测器所形成的峰型部分称色谱峰 基线与色谱峰组成了一个完整的色谱图 3 保留值 保留时间tM 不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大值时的时间 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tM和组份在固定相中滞留的时间 调整保留时间 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 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 包括色谱仪中的管路 连接头的空间 检测器的空间 F0 流动相的体积流速 保留体积VR 从进样开始到组分出现浓度极大点时所消耗的流动相的体积 调整保留体积 保留体积与死体积之差 即组分停留在固定相时所消耗流动相的体积 相对保留值 is 一定实验条件下组分i与另一标准组分S的调整保留时间之比 相对保留值只与柱温和固定相性质有关 与其他色谱操作条件无关 色谱定性分析的重要参数 4 色谱峰区域分析 峰高h 色谱峰顶到基线的垂直距离 半峰宽W1 2 色谱峰高一半处的宽度 峰底宽W 从色谱峰两侧拐点上的切线与基线交点之间的距离 也称基线宽度 标准偏差 峰高 h 的0 607倍处色谱峰宽度的一半 与半峰宽及峰底宽的关系为 W1 2 2 354 W 4 区域宽度 峰面积 A 由色谱峰与基线之间所围成的面积称为峰面积 定量分析的基本依据 对理想的对称峰 A 1 065h W1 2 在相同的色谱操作条件下获得的色谱峰的区域宽度值越小 说明色谱柱的分离效能越好 柱效越高 5 描述分配过程的参数 分配系数K 组分在固定相和流动相之间的分配处于平衡状态时 在两相中的浓度之比 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 分配比k 在一定的温度和压力下 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 Vm Vs 表示相比率 是柱型特点参数 对于填充柱 值一般为6 35 对于毛细管柱 值一般为60 600 选择性因子 指相邻两组分调整保留值之比 值的大小反映了色谱柱对难分离组分对的分离选择性 值越大 相邻两组分色谱峰相距越远 色谱柱的分离选择性越高 当 等于或接近1时 说明相邻两组分不能分离 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 第三节色谱分析基本理论 两组份峰间距足够远 由各组份在两相间的分配系数决定 即由色谱过程的热力学性质决定 每个组分峰宽足够小 由组份在色谱柱中的传质和扩散决定 即由色谱过程的动力学性质决定 热力学理论 塔板理论 平衡理论动力学理论 速率理论 Vander方程 基本理论 一 塔板理论 塔板模型 将一根色谱柱视为一个精馏塔 即色谱柱是由一系列连续的 相等的水平塔板组成 每一块塔板的高度用H表示 称为塔板高度 塔板理论假设 在每一块塔板上 溶质在两相间很快达到分配平衡 然后随着流动相按一个一个塔板的方式向前转移 对一根长为L的色谱柱 溶质平衡的次数n称为理论塔板数 塔板理论要点 当溶质在柱中的平衡次数 即理论塔板数n大于50时 可得到基本对称的峰形曲线 当试样进入色谱柱后 只要各组分在两相间的分配系数有微小差异 经过反复多次的分配平衡后 仍可获得良好的分离 n与半峰宽度及峰底宽的关系式为 有效塔板数和有效塔板高度 单位柱长的塔板数越多 表明柱效越高 用不同物质计算可得到不同的理论塔板数 常用有效塔板数n有效表示柱效 例题1 在柱长为2m的5 的阿皮松柱 柱温为1000C 记录纸速度为2 0cm min的色谱条件下 测定苯的保留时间为1 5min 半峰宽为0 20cm 求理论塔板数 解 1 解 2 二 速率理论 速率方程 也称范 弟姆特方程式 u为流动相线速度 A B C为常数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 减小A B C三项可提高柱效 1 涡流扩散项 A 2 dpdp 固定相的平均颗粒直径 固定相的填充不均匀因子 固定相颗粒越小dp 填充的越均匀 A H 柱效n 表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻 色谱峰较窄 2 分子纵向扩散项 B 2 Dg 弯曲因子 填充柱色谱 1 Dg 组分分子在气相中的扩散系数 cm2 s 1 扩散导致色谱峰变宽 H n 分离变差液相色谱中的分子纵向扩散可以忽略 对气相色谱 采用相对分子质量较大的N2 Ar为流动相并适当加大流动相流速 可降低分子纵向扩散项的影响 3 传质阻力项 k为容量因子 Dg Ds为扩散系数 固定相液膜越薄 扩散系数越大 固定相传质阻力就越小 但固定相液膜不宜过薄 否则会减少样品容量 降低柱的寿命 减小担体粒度 选择小分子量的气体作载气 可降低传质阻力 三 分离度 1 色谱柱的总分离效能 a 两色谱峰距离近且峰形宽 彼此严重相重叠 柱效和选择性都差 b 虽能很好分离 但峰形很宽 表明选择性好 但柱效低 c 分离情况最为理想 既有良好的选择性 又有高的柱效 2 分离度 R 的表达式 R值越大 表明两组分的分离程度越高 R 1 0时 分离程度可达98 R 1 0时两峰有部分重叠 R 1 5时 分离程度达到99 7 所以 通常用R 1 5作为相邻两色谱峰完全分离的指标 3 色谱分离方程 分离度R与塔板数有关 分离度R与保留因子 有关系 越大 柱选择性越好 对分离有利 例2 两物质A和B在30cm长的色谱柱上的保留时间分别为16 4和17 63min 有一不与固定相作用的物质 其在此柱上的保留时间为1 30min 物质A和B的峰底宽分别为1 11和1 21min 试问 1 柱分离度R 2 柱平均理论塔板数nav3 平均塔板高度Hav4 若要求R达到1 5 则柱长至少应为多少 4 完全分离 R 1 5 例3 有一根1 5m长的柱子 分离组分1和2 得到如图6 5所示的色谱图 图中横坐标为记录纸走纸距离 1 求此两种组分在该色谱柱上的分离度和该色谱柱的有效塔板数 2 如要使1 2完全分离 色谱柱应该要加到多长 求出分离度 有效塔板数 解 1 先求出组分2对组分1的相对保留值 2 1 即 值 2 该柱有效塔板高度 完全分离的条件是分离度R 1 5此时色谱柱的有效塔板数 要使有效塔板数为4356块 柱长 第四节定性和定量分析 色谱法是分离复杂混合物的重要方法 同时还能将分离后的物质直接进行定性和定量分析 一 定性分析 色谱定性分析 确定色谱图上每一个峰所代表的物质 依据 在色谱条件一定时 任何一种物质都有确定的保留时间 方法 在相同色谱条件下 通过比较已知物和未知物的保留值或在固定相上的位置 即可确定未知物是何种物质 方法的发展 色谱与质谱或其它光谱法联用 是目前解决复杂混合物中未知物定性分析的最有效的技术 二 定量分析 色谱定量分析 在一定的色谱条件下 组分i的质量 mi 或其在流动相中的浓度 依据 组分i的质量 mi 或其在流动相中的浓度 与检测器响应信号 峰面积Ai或峰高hi 呈正比 分别为峰面积和峰高的校正因子 1 响应信号的测量 峰高 峰顶与基线之间的距离 测量比较简单 特别适于较窄的色谱峰峰面积 1 自动测量 色谱工作站 2 手工法测量 手工测量 对称的峰 近似计算公式为 A 1 064h W1 2不对称峰 近似计算公式为 A h W0 15 W0 85 2W0 15和W0 85分别是峰高0 15和0 85处的峰宽值 2 定量校正因子 1 绝对校正因子 组分i的峰面积和峰高的绝对校正因子分别为 绝对校正因子是指某组分i通过检测器的量与检测器对该组分的响应信号之比 mi的单位用克 摩尔或体积表示时相应的校正因子 分别称为质量校正因子 fm 摩尔校正因子 fM 和体积校正因子 fv 2 相对校正因子 相对校正因子 指组分i与基准组分s的绝对校正因子之比 由于绝对校正因子很少使用 因此 一般文献上提到的校正因子 就是相对校正因子 表6 1一些化合物的相对校正因子 3 定量方法 分类 1 外标法 2 内标法 3 归一化法 1 外标法 把待测组分的纯物质配成不同浓度的标准系列 在一定操作条件下分别向色谱柱中注入相同体积的标准样品 测得各峰的峰面积或峰高 绘制A c或h c的标准曲线 在完全相同的条件下注入相同体积的待测样品 根据所得的峰面积或峰高从曲线上查得含量 外标法也称为标准曲线法 外标法不使用校正因子 准确性较高 操作条件变化对结果准确性影响较大 对进样量的准确性控制要求较高 适用于日常控制分子或大量同类量试样的快速分析 特点及要求 2 内标法 应用前提 当只需测定试样中某几个组分 或试样中所有组分不可能全部出峰时 可采用内标法 准确称取试样 加入一定量某种纯物质作为内标物 然后进行色谱分析 由被测物和内标物在色谱图上相应的峰面积 或峰高 和相对校正因子 求出某组分的含量 在实际工作中 一般以内标物作为基准物质 此时含量计算式可简化为 例题4 用气相色谱法测定试样中一氯乙烷 二氯乙烷和三氯乙烷的含量 采用甲苯作内标物 称取2 880g试样 加入0 2400g甲苯 混合均匀后进样 测得其校正因子和峰面积如下表所示 试计算各组分的含量 解 内标物要满足以下要求 试样中不含有内表物质 与被测组分性质比较接近 不与试样发生化学反应 出峰位置应位于被测组分附近 且无组分峰影响 特点 内标法的准确性较高 操作条件和进样量的稍许变动对定量结果的影响不大 每个试样的分析 都要进行两次称量