色谱部分思考题和答案解析

分离科学与技术复习思考题和答案 - 2 - 写在前面的话 本试题的复习思考题与分离科学与技术上课用的课件相同步，为我 认真的看了老师的课件和阅读了相关文献和结合自己的观点后，认真 的总结完成了思考题的答案编写，试题仅供复习期末考试用，答案要 点均详细，需认真总结回答要点，在考试中，写出要点和适当作扩展 即为正确答案，如你在阅读过程中，有任何疑问或者更好的答案，请 发送邮件给我，我们再相互讨论，祝我们取得好成绩！ 色谱部分复习思考题 1色谱过程的差速迁移与分子离散的本质各是什么？引起分子离散的主要原因有哪 些？ 【问题分析】样品在色谱柱内运行的两个基本特征分别是混合物中不同组分分子在 柱内的差速迁移和混合物中同种组分分子在色谱体系迁移过程中的分子离散。 差速迁移 指不同组分通过色谱柱时的移动速度不同，样品注入色谱柱时，由于流动相以一定速度 通过固定相，使样品中各组分在两相之间进行连续多次的分配。 色谱过程的分子离散指同一化合物分子沿色谱柱迁移中发生分子分布扩展或分子离 散。同一组分在色谱柱入口处分布在一个狭窄的区带内，随着分子在色谱柱内的迁移， 分布区带不断展宽，同种组分分子的移动速度不同。 【参考答案】差速迁移本质：组分与固定相和流动相作用力的差别，在两相中的分 配系数的不同。分子离散的本质：色谱过程中随着分子在色谱柱内的迁移，同种组分分 子的移动速度不同。 造成色谱过程分子离散的原因：1）纵向分子扩撒：布朗运动形成扩撒；2）吸附和 解吸：分子吸附和解吸是随机的；3）流动相的移动和扩散：色谱柱内“微流路径”会在 速度和方向上频繁地发生变化。 2为什么高效液相色谱（HPLC）的柱外效应比气相色谱（GC）要严重得多，特别是 微柱高效液相色谱（UHPLC）？ 期末考试考研复习备考 huashengxueyuanbgs - 3 - 【问题分析】影响高效液相色谱的柱外效应的因素有：1）样品体积；2）进样阀； 3）柱前后连接管线；4）柱头死体积； 5）检测池形状和体积；6）电子线路与传感器 等其它因素。 【参考答案】柱外效应又称柱外展宽，是指色谱柱外的因素所引起的峰展宽，主要 包括进样系统、连接管道及检测器中存在的死体积。柱效越高，样品谱带越窄，柱外效 应就显得越重要。GC 使用直径较大和较长的柱子，则使柱外效应的重要性降低。 HPLC 的色谱柱比 GC 的色谱柱短的多（约 530cm），进样系统是引起柱外效应的 的主要因素，进样体积越大，柱外效应越大，UHPLC 色谱柱的填料粒度更细、柱径更 小、柱长更短，UHPLC 需要采用超高压输液泵，故其柱外效应更严重。 3决定开管柱毛细管气相色谱与高效液相色谱的柱内效应的因素有何区别？ 【问题分析】柱内效应指：影响色谱峰扩展及分离的因素，Van Deemter 方程的表 观形式为： Cu u B AH 分子扩散项，由于分子在液体中扩撒系数比色相中小得多，故在 HPLC 中，此项可 以忽略不计。 毛细管色谱柱不装填料，阻力小，管径小，气流单途径通过柱子，消除了组分在柱 子中的涡流扩散。固定液直径涂在管壁上，总柱内壁面积较大，涂层很薄，则气相和液 相传质阻力大大降低。 【参考答案】开管 GC 中无涡流扩散项，柱内效应主要由分子扩散决定，HPLC 中 分子扩散可以忽略，柱内效应主要由涡流扩散和传质阻力决定。 4某一色谱柱从理论上计算得到的理论塔板数 n 很大，塔板高度 H 很小，但实际上分 离效果却很差，试分析原因。 【参考答案】 分离度的计算式为： 2 2 1 1 4k kn R ， n 是通过保留值来计算的， 没有考虑到死时间的影响，实际上 tm 对峰的影响很大，特别是 K3 时，扣除死时间算 出的 neff，有效塔板高度 Heff很大，因而实际分离效能很差。此外 n 大，H 小，只能说明 柱效高，此外还有柱选择项和柱容量项会影响分离度。 5非线性色谱指的是什么？产生非线性色谱的原因有哪些？非线性色谱的出现对定性 和定量分析有何影响？ 分离科学与技术复习思考题和答案 - 4 - 【问题分析】非线性色谱的特点：保留值随样品及浓度的不同而不同，峰形不对称， 峰的高度与浓度不是线性关系，峰高增加的速率随浓度的增加而下降。 【参考答案】非线性色谱：流动相中的样品浓度 Cm与固定相中的样品浓度 Cs不存 在线性关系的色谱。产生非线性色谱的因素有：样品浓度过高、吸附剂上存在强烈的活 性中心、弱吸附中心、移动速率不等。 定性依据：主要是每个组分的保留值。保留值随样品及浓度的不同而不同，故为色 谱的定性分析带来困难。溶质在色谱分离过程中的行为不仅与自身性质有关，而且与它 在两相中的浓度大小及与此浓度相应的吸附等温线的曲率有关。 非线性色谱的峰形也不 对称，而且随吸附等温线曲率的不同显示出拖尾或伸舌的峰，加之溶质浓度较高，通常 超过检测器的动态线性范围，峰高或峰面积与溶质浓度也不存在线性关系，因此也不能 用作定量的指标。 6在液相色谱法中，梯度淋洗适用于分离何种试样？ 【问题分析】梯度淋洗与气相色谱中的程序升温（指在一个分析周期内柱温随时间 由低温向高温作线性或非线性变化，以达到用最短时间获得最佳分离的目的）类似， 程 序升温适用样品：组分复杂，沸程宽的样品 ，其意义：改善分离，缩短分析时间。但是 前者连续改变的是流动相的极性、pH 或离子强度，而后者改变的温度。程序升温也是 改进气相色谱分离的重要手段。 【参考答案】在一个分析周期内，按一定程序不断改变流动相的组成或浓度配比， 称为梯度淋洗，是改进液相色谱分离的重要手段。适用于分析组分数目多，性质差异较 大和分配比变化范围宽的复杂试样。 优点：缩短分析时间、提高分离度、改善峰形、提高检测灵敏度；缺点：引起基线漂移 和降低重现性。 7请从固定相、流动相、分离机理、组分的保留规律及应用等方面比较正相色谱与反 相色谱的异同点。 【问题分析】正相色谱法：流动相极性小于固定相极性的色谱法。用于分离溶于有 机溶剂的极性及中等极性的分子型物质，用于含有不同官能团物质的分离。 反相色谱法：流动相极性大于固定相极性的色谱法。用于分离非极性至中等极性的 分子型化合物。在正相色谱中，由于固定相是极性的，所以溶剂极性越强，洗脱能力也 越强，即极性强的溶剂是强溶剂。在反相色谱中，由于固定相是非极性的，所以溶剂的 强度随溶剂的极性降低而增加，即极性弱的溶剂是强溶剂。 【参考答案】表 7 表 7 正相色谱和反相色谱的比较 期末考试考研复习备考 huashengxueyuanbgs - 5 - 比较项目正相色谱反相色谱 固定相极性非极性 流动相非极性极性 分离机理 依靠组分在互不相溶的两相中溶解达到平衡后分配系数的差 别进行分离。 组分的保留规律 溶质分子与固定相或流动相等极性基团产生特异性的极性相 互作用，极性相互作用大的保留时间大，反之保留时间小。 色谱应用 有机溶剂的极性及中等极 性的分子型物质，用于含 有不同官能团物质的分 离。 非极性、弱极性、中等极性的中性 分子 出峰顺序极性物质后出峰非极性物质后出峰 8在色谱中，对硅胶进行键合改性与封端的目的各是什么？ 【问题分析】硅胶色谱柱填料的优点：1）硅胶具有良好的机械强度；2）硅胶的孔 结构和比表面积容易控制；3）硅胶填料具有比较好的化学稳定性和热稳定性；4）硅胶 表面具有丰富的硅羟基，可以进行键合修饰。对硅胶微粒表面进行修饰硅烷化，使得 硅胶表面带有不同的功能团，以适应不同的分离想需要，目前在色谱填料中，键合相约 占78%（其中 C18展反相色谱的72%，硅胶约占10） 。封端为键合步骤之后，用小分子硅 烷将裸露的硅羟基键合的过程，封端基团在酸性条件下易水解，封端填料也不能在 pH 小于2的条件下使用。 【参考答案】对硅胶进行键合改性的目的：通过化学修饰对硅胶表面进行改性，得 到的各种键合相可适用于不同分离模式的需要，提高硅胶基质反相色谱填料的色谱性 能。 封端：键合步骤之后，用小分子硅烷将裸露的硅羟基键合，以便获得更大的覆盖率。 封端可消除或减少可能发生的二级反应， 没有封端的反相色谱填料通常比封端的有复杂 多样的选择性。如碱性物质在不封端的填料上，容易产生拖尾。 9在 HPLC 分析中，有时要在流动相中加入适量的盐(碳酸铵、四烷基铵盐)或酸，为什 么？ 【问题分析】在反相 HPLC 中峰拖尾是一个普遍的现象。特别是分离碱性化合物和 通过 HPLC 分析药物成分时是经常产生拖尾缘由。峰拖尾可以引起分离度降低，灵敏度 减弱，精密度和定量变差。峰拖尾的主要原因有：1）溶解样品的溶剂比流动像更强；2） 分离科学与技术复习思考题和答案 - 6 - 样品量过载； 3） 固定相中的硅醇基与胺类物质相结合反应；4） 硅胶吸附酸性化合物；5） 色谱柱柱床中有空隙。 【参考答案】其目的均是为了防止峰形拖尾。加入盐类，增加了流动相的离子强， 目的是减少待测物与键合相表面的残留硅醇基作用；加入酸是抑制酸类待测物的离解， 使其以游离酸在柱内分离，可使硅胶固定相上的硅醇基质子化，减少了溶质与硅醇反应 的几率。 10在硅胶柱上，用甲苯为流动相，某组分的保留时间为 30min，如果改用四氯化碳或 乙醚为流动相，试指出选用哪中溶剂能减少该组分的保留时间？为什么？ 【参考答案】该体系为正向色谱体系。在该体系中流动相的极性增大，保留值减少。 流动相甲苯、四氯化碳及乙醚的溶剂强度参数分别是 0.29、0.18、0.38，因此选用溶 剂 强度参数大于甲苯的乙醚，可缩短该化合物的保留时间。 11在液固吸附色谱中，以硅胶为固定相，对以下四组分进行分离，最后流出色谱柱的 可能是哪一个？a. 苯酚b. 对羟基苯胺c. 苯胺d. 苯 【问题分析】有机化合物的极性按下列顺序增强：饱和烃 芳烃 有机卤化物 硫醚 醚 硝基化合物 酯醛酮 胺 醇 砜 亚砜 对，故出峰顺序与此相反。 此外也可以用液固吸附色谱进行分离：色谱柱：C18 柱；流动相：正己烷；出峰顺 序同上。 13在抑制型离子色谱中，使用了一根分离柱和一根抑制柱，请问使用抑制柱的目的是 什么？对抑制柱的要求有哪些？若要用离子色谱分离阳离子，分离柱和抑制柱应该 怎么选择？ 【参考答案】抑制柱：消除洗脱液本底电导对测定影响；抑制柱的特性为高交换容 量树脂。阳离子分析：分离柱为低交换容量强酸型阳离子交换树脂，而抑制柱是交换容 期末考试考研复习备考 huashengxueyuanbgs - 7 - 量大的强碱型阴离子交换树脂，洗脱液中高电导的 H 被抑制柱反应生成低电导的水， 最后检测的是流出液中的 M 和 OH的电导。 阴离子分析：分离柱采用低容量强碱型阴离子交换柱，常用 NaHCO3和 Na2CO3混 合液作流动相，串联在分析柱后面的抑制柱则采用高容量的强酸型阳离子交换柱。 14非抑制型离子色谱法是一种什么样的色谱模型？该方法是如何减少本体电导的干 扰？ 【参考答案】非抑制型离子交换色谱（单柱法） ：使用交换容量更低(0.0070.04 mmol/g 干树脂)的分离柱，以低浓度、低电离度的有机弱酸及弱酸盐作淋洗液，不需抑 制柱的一种离子交换色谱法。 消除本体电导干扰的措施：用更低交换容量（交换容量在 0.0070.04 mmol/g）的离 子交换树脂为固定相,用更低浓度和电导率的洗脱液。 15衡量离子交换剂对离子的亲和能力大小的基本参数是什么？在稀溶液中，离子交换 剂对离子的亲和能力有什么规律？ 【参考答案】衡量离子交换剂对离子的亲和能力大小的基本参数为离子交换选择性 系数，对一价离子交换的选择性系数： BA AB K B A 对多价离子交换的选择性系数： nn nn B A BA AB K 1 B A K表示离子交换剂对同价的这两个离子无选择性。说明离子交换剂对高价离子 的亲和性大于对低价离子的。1 B A K表示离子交换剂对 B 亲和力大于对 A 的亲和力。 离子交换剂对离子亲和能力的一般规律：1）对不同价态的离子，电荷越高，亲和能 力越强；2）价态相同的离子，半径越大，亲和力越强；3）不同类型的离子交换剂对常 见离子亲和力的一般规律： 强酸型阳离子交换剂对一价离子的亲和力由小到大为：Li+ H+ Na+ NH4+ K+ Rb+ Cs+ Tl+Ag+ 强酸型阳离子交换剂对二价离子的亲和力由小到大为：Be2+ Mn2+ Fe2+ Mg2+= Zn2+ Co2+ Cu2+ Cd2+ Ni2+ Ca2+ Sr2+ Hg2+ Pb2+ 分离科学与技术复习思考题和答案 - 8 - 弱酸型阳离子交换剂对一价离子的亲和力与强酸型基本一致，除对 H+外，其对 H+ 的亲和力最大。 强碱型阴离子交换剂对阴离子的亲和力由小到大为： F-OH-Ac-HCOO-Cl-SCN-Br-CrO42- NO3- I- C2O42-SO42- 柠檬酸根(三价） 弱碱型阴离子交换剂对阴离子的亲和力由小到大为： F- Cl- Br- I-Ac- HCOO- NO3-柠檬酸根 (三价） CrO42-1 说明什么 问题? 【参考答案】因为组分的分配系数为 K=Cs/Cm,Cs 与 Cm 分别为组分在固定相和流 动相中的浓度，当分子直径大于孔径时，此时 Cm=0，故 K=0，当分子直径小于固定相 孔径时，组分向空隙内流动相扩散，达到平衡时，一半组分在空隙内，一半组分在空隙 外，此时 K=1.0，若分子直径介于以上两种极限情况之间，K 一定介于 0 与 1 之间，可 见体积排阻色谱中，任何祖父呢的分配系数为 0K1，如果 K1 说明此时的分离方式 已不是纯粹的体积排阻色谱，其分离过程受到其他作用力(如吸附)的支配。 20为了测定邻氨基苯酚中微量杂质苯胺，可选择的固定相有：硅胶、ODS 键合相； 可 选择的流动相有：水-甲醇、异丙醚-己烷。应选用哪种固定相和流动相？为什么？ 【参考答案】邻氨基苯酚中微量杂质苯胺测定，为了良好分离，由于苯胺的极性小 于邻氨基苯酚，应让苯胺先出峰，因此应采用正相色谱法，选用硅胶为固定相，异丙醚 -己烷为流动相。 21请为下列类型物质选择最合适的 HPLC 分离模式和检测方法。 （1）环境样品的常见无机阴离子； （2）酒或果汁中的有机酸； （3）水溶性较差的合成 高分子化合物； （4）萘、苯、甲苯、硝基苯； （5）银杏叶中的黄酮类化合物或茶叶 中的儿茶素类； （6）长链饱和烷烃的混合物。 分离科学与技术复习思考题和答案 - 10 - 【问题分析】 表 21.1 色谱类型及其适宜的分离试样 色谱分离模式最适宜分离试样类型 气液色谱易挥发，受热稳定的物质 正相色谱分离机械亲水性化合物 反相色谱疏水性化合物 离子交换色谱 离子及可离解的化合物、氨基酸、核酸 等。 凝胶色谱相对分子量高的化合物，鉴定聚合物 气固色谱分离气体烃类，永久性气体 液固色谱 极性不同的化合物，异构体、油溶性试 样。 表 21.2 常用气相色谱仪检测器的特点和技术指标 检测器类型 最高操作 温度/ 线性范围主要用途 火焰离子化 (FID) 质量型 准通用 450丙烷：5pg/g107(10%) 各种有价化合物的分 析，对碳氢化合物的 灵敏度高； 热导检测器 (TCD) 浓度型 通用型 400 丙烷： 105 磷：104 含硫、磷和含氮化合 物 脉冲 FPD (PFPD) 浓度型 选择型 4001pg/g 硫：105 磷：104 氮：102 同 FPD 期末考试考研复习备考 huashengxueyuanbgs - 11 - 表 21.3 常用液相色谱仪检测器的特点和技术指标 【参考答案】表 21.4 表 21.4不同试样的 HPLC 分离模式和检测方法 分离试样分离模式检测方法 环境样品的常见无机阴离子离子交换色谱电导检测器 酒或果汁中的有机酸离子对色谱法质谱检测器 水溶性较差的合成高分子化合物凝胶色谱法质谱检测器 萘、苯、甲苯、硝基苯反相色谱法紫外吸收检测器 银杏叶中的黄酮类化合物或茶叶中 的儿茶素类 反相色谱法紫外检测器 长链饱和烷烃的混合物正相色谱法示差折光检测器 21、简述毛细管气相色谱法具有柱效高、分析速度快及检测灵敏度高的原因。 【参考答案】1）从单位柱长的柱效看，毛细管柱和填充柱处于同一数量(2000 5000/m)，但毛细管柱的长度比填充柱可长 12 个数量级，因此其总柱效远高于填充柱 （达到 104106）；2）相比大：传质快，有利于提高柱效和快速分离，固定液直接涂在 管壁上，总柱内壁面积较大，涂层很薄，则气相传质阻力大大降低。3）柱容量小：毛 分离科学与技术复习思考题和答案 - 12 - 细管柱允许的进样量小，而且毛细管色谱产生的涡流扩散为零。4）渗透性好：一般毛 细管的比渗透率约为填充柱的 100 倍。5）使用的检测器 FID 对大部分有机化合物均有 灵敏响，最小检测限可达 ng 级。 22、简述裂解气相色谱、顶空气相色谱与气相色谱质谱联用技术的原理以及各自的优缺 点。 【参考答案】裂解气相色谱气相色谱质谱联用是将裂解和 GC-MS 两种技术有机 结合起来的，裂解器可以看作是 GC-MS 的一种特定的进样系统，即通过热裂解装置在 高温、惰性或有氧氛围下对样品进行加热或燃烧，然后由载气将裂解产物直接导入 GC- MS 等分析仪器对裂解产物进行在线分析。优点：在热裂解的过程中，化合物发生裂解， 生成一种或多种小分子的物质，其主要研究对象是天然和合成的大分子、生物大分子、 有机大分子和非挥发性有机化合物。缺点：各种物质之间也有可能发生反应，结合生成 新物质。 顶空气相色谱与气相色谱质谱联用技术的原理：利用在恒温平衡状态下，挥发性组 分在液气两相中的分配系数不等，将液体或固体样品中的挥发性组分直接导入气相色谱 仪进行分离和检测。优点：可避免在除去溶剂时引起挥发物的损失，又可降低共提物引 起的噪音，具有更高灵敏度和分析速度，需要的样品量少，应用领域广泛，常用于未知 毒物筛查，卷烟裂解产物的分析，能准确定性定量分析，缺点：对仪器条件要求较高。 23、在 GC-MS 以及 LC-MS 联用仪中都涉及接口问题。简述 GC-MS 和 LC-MS 联用仪 中的接口在功能和结构上有何不同。 【问题分析】接口是样品组分的传输线和 GC、MS 两机工作流量或气压的匹配器。 接口组件是解决 GC-MS 和 LC-MS 的关键组件， 它起传输试样， 匹配两者工作流量的作 用。理想的结口应能出去全部载气而使试样毫无损失地从气相色谱仪传输给质谱仪。 期末考试考研复习备考 huashengxueyuanbgs - 13 - 表 23.1常用的 GCMS 接口 接口类型过程或结构特点功能 直接导入 型接口 通过一根金属毛细管直接引入质谱仪的 离于源。 结构简单，产率高，容易维护。无浓缩 作用。 支撑插入端毛细管，使其准确 定位。 另一个作用是保持温度， 使色谱柱流出物始终不产生冷 凝 开口分流 型接口 气相色谱柱的一段插入接口，其出口正 对着另一毛细管，该毛细管称为限流毛 细管。限流毛细管承受将近 0.1MPa 的 压降，与质谱仪真空泵相匹配，把色谱 柱洗脱物的一部分定量地引入质谱仪的 离子源。 结构简单，操作方便，产率较低。 质谱仪真空泵的工作流量相匹 配。过多的色谱流出物随气封 载气流出接口。 喷射式分 子分离器 接口 具备三角形腔体， 经直径约为 0.1mm 的 喷嘴孔以超声膨胀喷射方式向外喷射， 通过约为 0.150.3mm 的行程，又进入 更细的毛细管，进行第二次喷射分离。 结构复杂，操作方便，产率较低。 消除偏离轻分子的载气、浓缩 重分子的样品。 表 23.2 常用的 LCMS 接口 接口类型过程或结构功能 直接液体导 人接口 细小的液流直接导入质谱。 最简单的接口，造价低廉。 无法在大流量下工作，喷口易堵塞。 得到细小、均匀的液滴 电喷雾电离 （ESI） 喷口与金属毛细管之间施加数千伏 特的高电压，此高电压是起关键作 用的离子化条件。 此高电压也可以对喷雾产生的 液体微粒做进一步的分散并有 效地完成离子化过程。 大气压电离 （API） 指接口技术时包括所有在大气压下 进行离子化的接口：电喷雾，气体 辅助电喷雾或离子喷雾。 微小的液滴、粒子和蒸气组成 的雾状混合物。 大气压化学 电离（APCI） 用 借助电晕放电（corona discharge） 启动一系列气相反应以完成离子化 过程。 微小的液滴、粒子和蒸气组成 的雾状混合物。 分离科学与技术复习思考题和答案 - 14 - 24.试以塔板高度 H 做指标，讨论气相色谱操作条件的选择. 【思路分析】主要从速率理论(van Deemer equation)来解释，同时考虑流速的影响, 选择最佳载气流速。 【参考答案】 （1）选择流动相最佳流速。 （2）当流速较小时，可以选择相对分子质量较大的载气（如 N2，Ar)，而当流 速较大时，应该选择相对分子质量较小的载气（如 H2，He)，同时还应该考虑载气对 不同检测器的适应性。 （3）柱温不能高于固定液的最高使用温度，以免引起固定液的挥发流失。在使 最难分离组