仪器分析绪论及色谱基础

1、仪 器 分 析Instrumental Analysis参考资料参考资料o 分析化学 RKellner编，李克安译 北京大学出版社o 仪器分析朱世盛编 复旦大学出版社o 仪器分析原理（第二版） 方惠群编 南京大学出版社o 仪器分析导论（第二版） 日泉美治编 化工出版社o SciFinder Scholar (CA美国化学文摘数据库）o Analytical Chemistryo 分析化学为为 什什 么么 学学 习习 仪仪 器器 分分 析析？环境分析中的种种问题？o 环境介质中有什么潜在有毒物质？来自何方？进入环境后有什么变化？【污染物的存在形态、污染水平、迁移及转化规律和对人体接触量】o 民用

2、化学品中有害化学物质的存在形态、含量、与人体的接触途径和总接触量？o 异构体、对映体在环境中的累积迁移？o 第一章 引 言 （Preface）o 一、分析化学的发展及仪器分析的产生一、分析化学的发展及仪器分析的产生o 二、仪器分析的分类二、仪器分析的分类o 三、仪器分析的特点三、仪器分析的特点o 四、仪器分析的发展趋势四、仪器分析的发展趋势o 五、五、课程的任务和要求课程的任务和要求o 六、如何学习仪器分析六、如何学习仪器分析一、分析化学的发展及仪器分析的产生一、分析化学的发展及仪器分析的产生o 分析化学定义分析化学定义：是一门发展并运用各种方法、仪器及策略以在时空的维度里获得有关物质组成及性

3、质的信息的一门科学。o 仪器分析定义仪器分析定义 是指那些采用比较复杂或特殊的仪器，通过测量表征物质的某些物理的或物理化学的性质参数及其变化规律来确定物质的化学组成、状态及结构的方法。o 仪器分析与化学分析的联系仪器分析与化学分析的联系 1. 仪器分析是在化学分析的基础上发展起来的，其不少原理都涉及到化学分析的基本理论；2. 仪器分析离不开化学分析，其不少过程需应用到分析化学的理论。3. 化学分析以常量分析为主，仪器分析以微量分析为主。一、分析化学的发展及仪器分析的产生一、分析化学的发展及仪器分析的产生u 确定物质的化学组成定性分析u 测量各组成的含量定量分析u 表征物质的化学结构、构象、形态

4、、能态结构分析、 构象分析，形态分析、能态分析u 表征物质组成、含量、结构、形态、能态的动力学特征 动态分析例如：茶叶中有哪些微量元素？茶叶中咖啡碱的含量？咖啡碱的化学结构？微量元素的形态？化学成分的空间分布？在不同的生长阶段，茶叶中的营养成分的变化？例如：生物大分子结构与功能的关系？分析化学的任务分析化学的任务分析化学作用分析化学作用-比喻比喻“眼睛眼睛”人类认识世界改造世界的眼睛人类认识世界改造世界的眼睛二、仪器分析的分类二、仪器分析的分类分分析析化化学学化学分析仪器分析酸碱滴定配位滴定氧化还原滴定沉淀滴定电化学分析光化学分析色谱分析波谱分析重量分析重量分析滴定分析滴定分析电导、电位、电解

5、、库仑极谱、伏安发射、吸收，荧光、光度气相、液相、离子、超临界、薄层、毛细管电泳红外、核磁、质谱三、仪器分析的特点三、仪器分析的特点o 灵敏度高灵敏度高:适于微量、痕量和超痕量分析o 选择性好选择性好o 分析速度快，自动化程度高分析速度快，自动化程度高o 应用范围广应用范围广:不但可以作组分及含量的分析，在状态、结构分析上有广泛的应用o 专用仪器，复杂，昂贵专用仪器，复杂，昂贵o 相对误差较大相对误差较大1%-5% RSD:不适于作常量和高含量组分的测定四、四、课程的任务和要求课程的任务和要求o 掌握基本的分析方法及其原理o 掌握各种分析方法的有关计算，初步具备数据评价能力o 初步具备查阅文献

6、、选择分析方法、拟订实验方案的能力o 掌握有机分子结构解析的基本知识o 培养观察、分析和解决问题的能力五、如何学习仪器分析五、如何学习仪器分析o 掌握方法的基本原理，了解方法可提供的信息o 了解仪器的结构，方框图o 掌握分析步骤和数据处理方法分分 数数 分分 布布o 课堂表现包括课堂回答问题和听课状态，占比例为25%，o 平时作业成绩包括资料整理、作业、考勤等，占比例为25%，o 期末考试成绩占到50%第二章 气相色谱一、色谱发展历史o 1850年龙格(F.F.Lunge)观察到将一滴染料混合物溶液点滴到吸墨纸上时会扩散成一层层的圆形环。o 申拜恩（C.F.Schoenbein）在1861年注

7、意到如果把一滴无机盐混合溶液点满在一张滤纸上，那么各种盐分会以不同的速度向四周扩散成层。o 德伊(D.T Day)在1897年和克利特卡(S.K.Kritka)在1900年出发现把石油简单地通过碳酸钙的细粉柱时，它就会被分成不同部分。o 但是首先认识到这种色谱分离现象和分离方法大有可为的是俄国的植物学家茨维特色谱奠基人-茨维特 1872年5月14日生于意大利阿斯蒂; 1896年获日内瓦大学哲学博士学位后，全家移居俄国; 1901年获喀山大学植物学学士学位; 1902年任华沙大学讲师; 1907年任兽医学院教授; 1908年任华沙理工大学教授。o 茨维特应用化学方法研究细胞生理学。1900年他在

8、树叶中发现了两种类型的叶绿素：叶绿素a和叶绿素b，后来又发现了叶绿素c,并分离出纯的叶绿素。他最他最重大的贡献是发明分析化学和有机化学中极重要的实重大的贡献是发明分析化学和有机化学中极重要的实验方法验方法色谱法。色谱法。o 他的第一篇关于色谱法的论文发表在1903年华沙的生物学杂志上。19061910年的论文都发表在德国的植物学杂志上。o 在这几篇论文中，他详细地叙述了利用自己设计的色谱分析仪器，分离出胡萝卜素、叶绿素和叶黄素。色谱奠基人-茨维特茨维特研究植物色素的过程中，在一根玻璃管的底部塞上一团棉花，在管中填入粉末的吸附剂，例如碳酸钙等，然后把该吸附柱与吸滤瓶连接，把有色植物叶子的石油醚萃

9、取液倾注到柱内的吸附剂上面，然后用纯净的石油醚洗脱。 1931年，R.库恩才发现茨维特所发明色谱法的重要性，此法才得到普遍的推广和应用分配色谱创始人马丁和辛格o 马丁1910年3月1日生于伦敦，1932年获剑桥大学学士学位，1936年获博士学位；o 辛格1914年10月28日出生于利物浦， 1933年进入剑桥大学三位一体学院（学习物理、化学和生理学），1936-1939年间在该校生物化学实验室做研究生。o 1938年，马丁与辛格在研究乙酰氨基酸时观察到，这些氨基酸在氯仿和水之间的分配系数明显不同，他们尝试在两种逆向流动的溶剂间分配氨基酸以便分离它们，但没有成功，后来发现如果使水吸附在硅胶上保持

10、水相不动，只许氯仿相流动，分配过程就可以顺利进行。分配色谱创始人马丁和辛格o 马丁和辛格因在1941年发明了分配色谱法特别是纸上色谱分析法而共享了1952年诺贝尔化学奖。用这种方法辛格弄清了简单的蛋白质短杆菌肽的结构，找出了几种氨基酸在这种分子中的次序。很快就证明，这项工作对于F桑格阐明在胰岛素分子中氨基酸的排列次序有巨大作用。o James和Martin 1952年所作的气液色层分析在化学上开辟了一个新的园地，无论在研究和工业上它都有广泛应用的前途。并在色谱法的理论作出了卓越的贡献气液色谱的问世o Martin 和 Synge 在 1941 年研究液-液分配色谱时就提出可以使用气体作流动相，

11、即气-液分配色谱。o 一直到 1950 年 Martin 最后证实自己预言的正确。Martin 于 1950 到国家医学研究所，他邀请年青科学家 A.T. James 参加他的研究，用气体做流动相的气-液分配色谱，对脂肪酸进行精细分离，他们使用硅藻土助滤剂做载体，用硅油固定相，用气体流动相,这就是气-液分配色谱了，把色谱柱末端浸入有指示剂的溶液中，分离出来脂肪酸的量用滴定法测定。但是不久 Martin 就研究出一种自动滴定的仪器来。后来知道对高沸点化合物，必须把色谱柱加热才行，于是就在色谱柱外面加一个蒸汽套。气液色谱的问世o 他们的这一研究在1950年的生物化学学会上以“气-液色谱“为题作了报

12、告。这一报告在1951年6月递交到生物化学杂志。以后的几个月他们连续有两篇论文发表，用GLC分离氨和脂肪胺，和吡啶同系物，GLC立即对分析化学产生了极大的影响。当时在石油和石油化工的分析中，传统的分析方法无能为力时，GLC就像及时雨一样，成为无与伦比的得力助手，一直到现在，GC仍然是最为有效的方法之一。气液色谱的问世o 1955年PerkinElmer(珀金埃尔默珀金埃尔默)公司推出世界上第一台商用气相色谱仪-154型；o 1958年世界上第一根商品化毛细管气相色谱柱在PerkinElmer公司诞生；o 1956年我国开展研究，1965年上分投入试制；o 1976年HP推出世界第一台台式气质联

13、用仪 5992。毛细管气相色谱的出现和发展o 毛细管柱的创始人高雷从1955年开始在当时的Perkin-Elmer公司从事提高色谱柱的柱效方面的研究。在1957年，发表了第一篇有关毛细管气相色谱的报告 。在1958年,提出了著名的高雷方程，阐述了各种参数对柱性能的影响。还发表了两幅色谱图其中一幅是在一支45m长内径为0.25mm 的不锈钢毛细管柱中涂以邻苯二甲酸二(十八酯)，柱效达50000多块理论塔板数，检测器是用高雷自己设计的微型热导池。在58 min 内可以把间-二甲苯相对-二甲苯分离开。o 柱温70，载气为氦，流速为0.48mL/mL，间-、对-二甲苯的相对保留值只有1.023。毛细管

14、气相色谱的出现和发展o 第一支色谱柱是用聚乙烯制成的，之后多用不锈钢毛细管柱。但不锈钢柱的活性高、柱效差，因而玻璃毛细管柱成为60-70年代的主要柱型。但是玻璃毛细管柱有几个主要缺点：难以涂渍固定液；柱寿命短；易碎。o 在1960研制出第一台玻璃毛细管柱的拉制机。当时在玻璃毛细管柱上涂渍角鲨烷，只可使用两三天，固定液液膜就破坏了。经过几年的研究，对玻璃毛细管内壁进行改性，致使固定液可以涂渍在毛细管壁上。毛细管气相色谱的出现和发展o 70 年代初有一批色谱工作者，研究了各种处理玻璃表面的方法,和涂渍固定液的方法，并把毛细管色谱的应用范围进一步扩大。70 年代末，当毛细管色谱柱使用玻璃做材料的时代

15、结束时，对玻璃毛细管柱进行去活及涂渍的工艺已相当成熟，它的应用也渗透到许多领域。o 现在玻璃毛细管柱已经完全退出了毛细管气相色谱的领域，完全为弹性石英毛细管柱所取代。毛细管气相色谱的出现和发展o 1979年，Dandeneau和Zerenner 首次报告了用熔融二氧化硅做毛细管柱的研究，开始了熔融二氧化硅做毛细管柱材料的时代。o 弹性石英柱有几个显著的优点:柔韧性好，易于连接安装;内表面惰性好，金属离子杂质少，对固定液的催化分解作用小,对一些极性和氢键型化合物吸附性弱，拖尾小;与玻璃相比，石英表面易于通过硅烷化处理,使各种极性的固定液形成均匀的液膜因而柱效很高。反相色谱的出现o 1948 年，

16、马丁想使用液相色谱分离长链脂肪酸，但是现有的方法是使用极性固定相，并以非极性的剂作洗脱剂 ( 即现在所说的正相色谱 )，得不到好的结果。所以 Martin 就开始研究不同的两相系统，例如使用弱极性的固定相，实验了各种可能性，但是还是不满意：也就是要找到一种理想的疏水性载体做固定相。最后找到用二氯二甲基硅烷蒸汽来处理硅藻土的产物，这一物质不会被极性溶剂所湿润。利用这种固定相作色谱柱及相应分离体系，可以分离脂肪酸。于是在 1949 年就产生了所谓“反相液相色谱并首先用这种方法分离了月桂酸 ( C12 ) 到 硬脂酸 ( C18 ) 的脂肪酸系列。反相色谱的出现o 但在后来的 20 多年里这种广泛使

17、用的反相液相色由于缺少适当的固定相，并对这一物理化学现象理解不深阻碍了这一方法的发展。但是在 70 年代上半段情况发生了很大的变化，即解决了反相液相色谱固定相的制备，使反相液相色谱成为液相色谱中主导的方法。二、色谱分析基础二、色谱分析基础应知应会应知应会:o 了解色谱流出曲线和术语o 理解柱效率的物理意义及其计算方法o 理解速率理论方程对实际分离的指导意义o 掌握分离度的计算方法，及影响分离度的重要色谱参数o 定量方法色谱法的定义色谱法的定义o 色谱法或色谱分析色谱法或色谱分析(chromatography)色谱分离技术是借助色谱分离原理而使混合物中各组分分离的技术；将色谱分离技术应用于分析化

18、学，称为色谱分析。 色谱分析属于化学分析，还是物理分析？为色谱分析属于化学分析，还是物理分析？为什么？什么？ 当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定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、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。与的时间

19、不同，从而按一定次序由固定相中流出。与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组分的适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。分离与检测。色谱分离原理 两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础色谱分离过程色谱法的分类色谱法的分类按物理状态分类(1)流动相的物态：气相色谱法和液相色谱法；(2)固定相的物态：气-固色谱法、气-液色谱法、液-固色谱法、液-液色谱法；按使用的形式分类(1)柱色谱：填充柱色谱、毛细管色谱；(2)平板色谱：纸色谱、薄层色谱；色谱法的分类色谱法的分类 按分离机理分类(1)吸附色谱:根据不同组分在吸附剂上的吸附和解吸能力的大小而

20、分离;(2)分配色谱:根据不同组分在固定液中溶解度的大小而分离;(3)离子交换色谱:不同组分对离子交换树脂的亲和力不同;(4)凝胶色谱:依据分子几何尺寸大小不同进行分离色谱法的基本概念色谱法的基本概念o 色谱流出曲线在色谱法中，当样品加入后，样品中各组分随着流动相的不断向前而在两相间反复进行溶解、挥发，或吸附、解吸，如果各组分在固定相中的分配系数不同，它们就有可能达到分离。色谱法的基本概念色谱法的基本概念色谱峰的高度、宽度、半峰宽度峰高(h)：峰高h指色谱峰最高点到基线的距离，一般用cm为单位。1色谱常用术语峰宽(Y)与半峰宽Y1/2)从色谱峰两侧的转折点(拐点)作切线，在基线上的截距叫峰底宽

21、(Y)；简称峰宽；峰高一半处色谱峰的宽度叫半峰宽(Y1/2)。由于色谱峰顶呈圆孤形，色谱峰的半峰宽并不等于峰底宽的一半。色谱法的基本概念色谱法的基本概念 2.分配系数与分配比定义：组分在固定相和流动相之间发生的吸附与脱附或者溶解与挥发的过程叫分配过程。分配系数(K):当组分在流动相和固定相两相中达到分配平衡时，组分在两相中的浓度之比，称为分配系数(K)：smmkm/smKCC组分在固定相中的质量浓度(gmL-1)组分在流动相中的质量浓度(gmL-1)2.分配系数与分配比 分配比(k)定义：分配比是在一定温度、压力下，组分在两相间达到分配平衡时，两相间组分的质量比：分配比又称为容量因子或容量比分

22、配比k的大小由下式计算：通过实验来测定分配比k的数值k值越大，保留时间越长。k =0的组分，其保留时间即为死时间。0Rtkt色谱法的基本概念色谱法的基本概念分配系数与分配比的关系/sssmmmmsCmVVKkkCmVVsmVV / 相比：表示流动相体积与固定相体积之比一定温度下，组分的分配系数一定温度下，组分的分配系数K越大，流出越慢；越大，流出越慢；试样一定时，试样一定时，K主要取决于固定相性质；主要取决于固定相性质；每个组份在各种固定相上的分配系数每个组份在各种固定相上的分配系数K不同；不同；试样中的各组分具有不同的试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础；值是分离的基础；选择适宜的固定相

23、可改善分离效果；选择适宜的固定相可改善分离效果；某组分的某组分的K = 0时，即不被固定相保留，最先流出。时，即不被固定相保留，最先流出。若两组份若两组份K值相同，则无法进行分离。值相同，则无法进行分离。分配系数分配系数 K 的讨论的讨论相对保留值（相对保留值（relative retention volume）r2,1 指某组分指某组分2的调整保留值与另一组分的调整保留值与另一组分1的调整保留的调整保留值之比。是衡量色谱柱选择性的指标。值之比。是衡量色谱柱选择性的指标。)1()2()1()2()1()2()1()2(21RRRRRRRRvvttvvttr相对保留值的优点是：相对保留值的优点是

24、： 只要柱温，固定相不变，即使柱径，柱长，填充情只要柱温，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，况及流动相流速有所变化， r 2,1值仍保持不变，（重要参值仍保持不变，（重要参数）相邻两组分的数）相邻两组分的tR相差越大，分离的越好，相差越大，分离的越好，r2,11两组两组分不能分离。分不能分离。Ex下列哪些参数的改变会引起相对保留值变化？下列哪些参数的改变会引起相对保留值变化？ 柱长；柱长；固定相；柱温固定相；柱温；流动相流速；流动相流速 Ex衡量色谱柱选择性的指标是（衡量色谱柱选择性的指标是（C）A.分离度；分离度； B.容量因子；容量因子；C相对保留值；相对保留值；D

25、分配系数分配系数容量因子k与保留值的关系mmmtttttkRR1kkttRREx1.某气液色谱柱上组分某气液色谱柱上组分A流出需流出需15.0 min，组分，组分B流出需流出需25.0 min，而不溶于固定相的物质，而不溶于固定相的物质C流出需流出需2.0 min，问，问： （1）B组分相对于组分相对于A的保留值是多少？的保留值是多少？ （2）A组分相对于组分相对于B的保留值是多少？的保留值是多少？ （3）组分）组分A和和B在柱中的容量因子是多少？在柱中的容量因子是多少？（1.77；0.57；6.5，11.5 ）Ex2.在某色谱分析中得到如下的数据：保留时间（在某色谱分析中得到如下的数据：保留

26、时间（tR）为）为5.0 min，死时间（，死时间（tM）为）为1.0 min，液相体积（，液相体积（Vs）为）为2.0 mL，柱出口载气体积流速（，柱出口载气体积流速（F0）为）为50 mL/ min，试计算：，试计算： （1）分配比）分配比k （2）死体积）死体积Vm （3）分配系数）分配系数K （4）保留体积）保留体积VR（4.0；50 mL；100；250 mL）习习 题题3.若一个溶质的分配比为若一个溶质的分配比为0.2，计算它在色谱柱流动相中的质，计算它在色谱柱流动相中的质量分数量分数4.在一根色谱柱上分离苯和甲苯，保留时间分别为在一根色谱柱上分离苯和甲苯，保留时间分别为2.5和和

27、5.5min，死时间为，死时间为1min，问：，问： 甲苯停留在固定相中的时间是苯的几倍？甲苯停留在固定相中的时间是苯的几倍？ 甲苯的分配系数是苯的几倍？甲苯的分配系数是苯的几倍？ 5.某色谱条件下，组分某色谱条件下，组分A的分配比为的分配比为4，死时间为，死时间为30s，求组分，求组分A的保留时间的保留时间6.下列哪些参数的改变会引起相对保留值变化？下列哪些参数的改变会引起相对保留值变化？ 柱长；固定相；柱温；流动相流速柱长；固定相；柱温；流动相流速区域宽度区域宽度（peak width） i 峰高峰高（h）：峰顶点与基线之间的垂直距离）：峰顶点与基线之间的垂直距离。 ii 标准偏差（标准偏

28、差（standadard deviation） 即即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半倍峰高处色谱峰宽度的一半 iii 半峰宽度（半峰宽度（peak width at half-height）Y1/2 峰高一半处的宽度峰高一半处的宽度。它与标准偏差的关系为它与标准偏差的关系为：35. 22ln222/1Y峰底宽度峰底宽度（peak width at base）Y 自色谱峰两侧的转折点所作切线在基线上的截距自色谱峰两侧的转折点所作切线在基线上的截距。与标准偏差的关系为：。与标准偏差的关系为： Y=4利用色谱流出曲线可以解决以下问题：利用色谱流出曲线可以解决以下问题： a. 根据色谱峰的个数，可以

29、判断样品中所含组分的最少个数根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组分的最少个数； b.根据色谱峰位置（保留值）可以进行定性检测；根据色谱峰位置（保留值）可以进行定性检测； c.根据色谱峰面积或峰高可以进行定量测定；根据色谱峰面积或峰高可以进行定量测定； d.根据色谱峰位置及宽度可以对色谱柱分离情况进行评价。根据色谱峰位置及宽度可以对色谱柱分离情况进行评价。Ex判断：某试样的色谱图上出现三个色谱峰，该试样中最多有三判断：某试样的色谱图上出现三个色谱峰，该试样中最多有三个组分。个组分。 色谱分析基本原理o 色谱分离是色谱体系热力学过程和动力学过程的综合表现。热力学过程是指与组分在体系中分配系数相关

30、的过程；动力学过程是指组分在该体系两相间扩散和传质的过程。塔板理论（热力学）塔板理论假定:o 塔板和塔板之间不连续；o 塔板之间无分子扩散；o 组分在每块塔板的两相间的分配平衡瞬时达到，达到一次分配平衡所需的最小柱长称为理论塔板高度；o 一个组分在每块塔板上的分配系数相同；o 流动相以不连续的形式加入，即以一个一个塔板体积加入。塔板理论（热力学）理论塔板数n越大，理论塔板高度H越小，色谱峰越窄，表明柱效越高；理论塔板高度H与柱长无关。塔板理论（热力学）Ex 1.已知已知某组分峰的底宽为某组分峰的底宽为40 s，保留时间为，保留时间为400 s，n计算此色谱柱的计算此色谱柱的理论塔板数（理论塔板

31、数（1600）n若柱长为若柱长为1.00 m，求此理论塔板高，求此理论塔板高度（度（0.0625cm）2.已知已知一根一根1米长的色谱柱的有效塔板数为米长的色谱柱的有效塔板数为1600块，组分块，组分A在该柱上的调整保留时间为在该柱上的调整保留时间为100秒，试求秒，试求A峰的半峰宽及峰的半峰宽及有效塔板高度。有效塔板高度。 （13.85s，0.0625cm）塔板理论的特点和不足塔板理论的特点和不足o 当色谱柱长度一定时，塔板当色谱柱长度一定时，塔板数数 n 越大越大(塔板高度塔板高度 H 越越小小)，被，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得色谱测组分在柱内被分配的次数越多，柱效

32、能则越高，所得色谱峰越窄。峰越窄。o 不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。o 柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数系数K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。o 塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素

33、及提高柱效的途径的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。速率理论（动力学）减小减小B：采用较高载气流速，采用较高载气流速，使用相对分子量较大的载气，使用相对分子量较大的载气，控制较低的柱温控制较低的柱温使用适当粒度和颗粒均匀的担体使用适当粒度和颗粒均匀的担体，尽量填充均匀，可减少涡流扩，尽量填充均匀，可减少涡流扩散。空心毛细管柱中，散。空心毛细管柱中，A项项为零为零。采用粒度小的填充物和分子采用粒度小的填充物和分子量小的气体量小的气体（H2）作载气可作载气可使使Cg减小，提高柱效率。减小，提高柱效率。减小减小CL:减小液膜厚度减小液膜厚度df，增大组分在液相中的扩散系数增大组分在

34、液相中的扩散系数DL速率理论（动力学）速率理论（动力学）速率理论（动力学）总结：范第姆特方程A，B/U，CU越小，色谱柱的塔板高度H 越小，柱效率越高。改善柱效率的因素：选择颗粒较小的均匀填料选用较低的柱温操作降低担体表面液层的厚度选用合适的载气及载气流速：流速较小时，分子扩散项成为色谱峰扩张的主要因素，宜用相对分子质量较大的载气；流速较大时，传质项为控制因素，宜用相对分子质量较小的载气。H=A+B/U+CUEx：在采用低固定液含量柱，高流速进行快速色谱分析时，采用在采用低固定液含量柱，高流速进行快速色谱分析时，采用下列哪一种气体作为载气，可以改善气相传质阻力？下列哪一种气体作为载气，可以改善

35、气相传质阻力？A、氮气；、氮气； B、氢气、氢气 ；C、氦气；、氦气；D、二氧化碳、二氧化碳 （B）Ex:当载气线速较小时，范式方程中分子扩散项起控制作用，采用当载气线速较小时，范式方程中分子扩散项起控制作用，采用哪种气体做载气对提高柱效有利？哪种气体做载气对提高柱效有利？A、氮气；、氮气； B、氢气、氢气 ；C、氦气、氦气 （A）载气流速与柱效载气流速与柱效最佳流速最佳流速载气流速高时：载气流速高时： 传质阻力项传质阻力项是影响柱是影响柱效的主要因素，随着流速效的主要因素，随着流速的提高，柱效下降。的提高，柱效下降。载气流速低时：载气流速低时： 分子扩散项分子扩散项成为影响成为影响柱效的主要

36、因素，随着流柱效的主要因素，随着流速的增加，柱效提高。速的增加，柱效提高。CuuBAHdCuuBddAdH02CuBdudHu 在上述方程各项中存在矛盾，因此，应求出最佳值：CBuoptBCAH2minuHminuoptCuuBAH速率理论的要点速率理论的要点o 被分离组分分子在色谱柱内运行的多路径、浓度梯度所造成的被分离组分分子在色谱柱内运行的多路径、浓度梯度所造成的分子扩散及传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到等分子扩散及传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到等因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因。因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因。o 通过选择适当的固定相粒度、载气种类、

37、液膜厚度及载气流速通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载气流速可提高柱效。可提高柱效。o 速率理论为色谱分离和操作条件的选择提供了理论指导。阐明速率理论为色谱分离和操作条件的选择提供了理论指导。阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。了流速和柱温对柱效及分离的影响。o 各种因素相互制约，各种因素相互制约，如载气流速增大，分子扩散项的影响减小如载气流速增大，分子扩散项的影响减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使柱效下降，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使柱效下降；柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的影响，；柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的影响，选择选择

38、最佳条件，才能使柱效达到最高。最佳条件，才能使柱效达到最高。Ex1.根据范第姆特方程，分别写出根据范第姆特方程，分别写出A, B和和C的表示的意义，并推的表示的意义，并推导出最小塔板高度和最佳流速。导出最小塔板高度和最佳流速。2.长度相等的二根色谱柱，其范第姆特常数如下：长度相等的二根色谱柱，其范第姆特常数如下： n如果载气流速是如果载气流速是0.50 cms-1，那么，这两根柱子给出，那么，这两根柱子给出的理论塔板数哪一个大？的理论塔板数哪一个大？n柱柱1的最佳流速是多少？的最佳流速是多少？ABC柱柱10.18cm0.40cm2s-10.24s柱柱20.05cm0.50cm2s-20.10s

39、分离度分离度o 塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分离程塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分离程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。o 难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响：响：o 保留值之差保留值之差色谱过程的热力学因素色谱过程的热力学因素o 区域宽度区域宽度色谱过程的动力学因素色谱过程的动力学因素Ex衡量色谱柱柱效能的指标是（塔板数）衡量色谱柱柱效能的指标是（塔板数）衡量色谱柱选择性的指标是（衡量色谱柱选择性的指标是（r2.1）色谱分离中的四

40、种情况如图所示：色谱分离中的四种情况如图所示： 柱效较高，选择性较高柱效较高，选择性较高,完完全分离；全分离；选择性不是很大，柱效较选择性不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分高，峰较窄，基本上完全分离；离；柱效较低，选择性较高柱效较低，选择性较高,但但分离的不好；分离的不好；选择性不是很大选择性不是很大，柱效低柱效低，分离效果更差。，分离效果更差。分离度分离度：指相邻两色谱峰保留值之差与两峰底宽平均指相邻两色谱峰保留值之差与两峰底宽平均值之比。（分辨率、分辨度）值之比。（分辨率、分辨度）)2()(1)1()2()2()1()1()2(YY)(22/YRRRRttYttR）（R1：两峰不完全

41、分离：两峰不完全分离R=1：两峰明显分离：两峰明显分离R=1.5：两峰完全分离：两峰完全分离R更大时：两峰分离更好更大时：两峰分离更好基本色谱分离方程式基本色谱分离方程式 令令Y (1) = Y (2)（相邻两（相邻两峰的峰底宽近似相等峰的峰底宽近似相等），引入相对保留值和塔板数，可导出下式：引入相对保留值和塔板数，可导出下式：16) 1() 1() 1()(22121)2(21)2()2()2()1()1()2()2()1()2()1()1()2()1()2(有效nrrYtttrYtttYttYYttRRRRRRRRRRRR:衡量色谱柱的总分离效能指标衡量色谱柱的总分离效能指标则：有效有效H

42、rrRLrrRn221212221212)1(16)1(16有效nkkn2)1(若用若用n代替代替n有效有效：则：则：22221 , 21 , 22)1()1(16kkRn分离度与塔板数和柱长的关系分离度与塔板数和柱长的关系o 固定相确定后，固定相确定后，k和和r21确定，被分离两组分的相对保留确定，被分离两组分的相对保留值和分配比不随值和分配比不随n、L变化，则：变化，则：2121221)(LLnnRR22221 , 21 , 22)1()1(16kkRnEx若在一个若在一个 1m 长的色谱柱上测得两组分的分离度为长的色谱柱上测得两组分的分离度为 0.68，若，若要使它们完全分离，则柱长要使

43、它们完全分离，则柱长 (m) 至少应为至少应为 (1) 0.5 (2) 2 (3) 5 (4) 9Ex色谱分析中，柱长从色谱分析中，柱长从1m增加到增加到4m，其它条件不变，分离度，其它条件不变，分离度是原来的（是原来的（2）倍，塔板数是原来的（）倍，塔板数是原来的（2）倍。）倍。2121221)(LLnnRR例题例题：o 在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为85秒和秒和100秒秒，要达到完全分离，计算需要多少块有效塔板。若填充柱的，要达到完全分离，计算需要多少块有效塔板。若填充柱的塔板高度为塔板高度为0.1 cm，柱长是多少？，柱长是多少？o

44、解：解： 2,1= 100 / 85 = 1.18o 要达到完全分离，即要达到完全分离，即R=1.5o n有效有效 = 16R2 2,1 / ( 2,1 1) 2 o = 162.25 (1.18 / 0.18 ) 2o = 1547（块）（块）o L有效有效 = n有效有效H有效有效 = 15470.1 = 155 cmo 即柱长为即柱长为1.55米时，两组分可以得到完全分离米时，两组分可以得到完全分离。o 已知组分已知组分A和和B的分配系数之比为的分配系数之比为0.909.若使两者的若使两者的分离度分离度Rs=1.5，柱长应为多少？设有效塔板高度为，柱长应为多少？设有效塔板高度为0.88c

45、m。o L=161.52（1.1/1.1-1）20.88=1437（cm） ExEx1.假设两组份的调整保留时间分别为假设两组份的调整保留时间分别为19及及20min，死时间为，死时间为1min，计算：，计算：（1）较晚流出的第二组分的分配比）较晚流出的第二组分的分配比k2 （20）（2）欲达到分离度）欲达到分离度0.75时所需的理论塔板数时所需的理论塔板数 （3974）2.分配系数分别为分配系数分别为100和和110的两组份，在相比（的两组份，在相比（Vs/Vm）为）为0.2的柱上分离。若使分离度的柱上分离。若使分离度Rs=1.2，需多长的色谱柱？，需多长的色谱柱？设理论塔板高度为设理论塔板

46、高度为0.2mmn=16n=161.21.22 2（1+1101+1100.2/1100.2/1100.20.2）2 2（1.1/1.1-11.1/1.1-1）2 2=3047=3047L=3047L=30470.2=609mm0.2=609mm习题习题习题定性和定量分析 定性分析o 利用纯物质定性的方法：保留值定性、加入法定性；o 利用文献保留值定性；o 保留指数定性；o 与其它分析仪器联用定性。定性和定量分析p 定量分析 峰高(h)乘半峰宽(Y1/2)法 峰高乘平均峰宽法 峰高乘保留时间法 自动积分和微机处理法定性和定量分析o 定量校正因子 试样中各组分质量与其色谱峰面积成正比即 定量校正

47、因子与检测器响应值成倒数关系： 相对校正因子定性和定量分析o 归一化法o 特点及要求：简便、准确；进样量的准确性和操作条件的变动对测定结果影响不大；仅适用于试样中所有组分全出峰的情况定性和定量分析o 外标法(也称标准曲线法)o 特点及要求：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，适用于大批量试样的快速分析定性和定量分析o 内标法 要求：试样中不含有该物质；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。 试样配制：准确称取一定量的试样W，加入一定量内标物ms。定性和定量分析o 内标法特点：准确性

48、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(试样W，内标物ms)，不适合大批量试样的快速分析；若将内标法中的试样取样量和内标物加入量固定，则：定性和定量分析小结小结1.色谱分离的原理色谱分离的原理2.色谱基本术语及相互关系色谱基本术语及相互关系3.2个色谱理论：塔板数理论、速率理论个色谱理论：塔板数理论、速率理论4.分离度及其应用分离度及其应用5.定性定量计算定性定量计算fis的计算，内标法计算含量的计算，内标法计算含量公式公式1.死时间，保留时间，调整保留时间关系死时间，保留时间，调整保留时间关系 2. K; k的表示式及其相互关系的表示式及其相互

49、关系3.容量因子容量因子k与保留值的关系与保留值的关系4. 2,1及其与保留值及其与保留值K、k的关系的关系5. neff 与与 n 公式公式6.分离度分离度7.fis的计算公式的计算公式 1.tR = tR- tmmSCCK msnnksmmmssmSVVkVnVnCCK/23mmmtttttkRR42)1(kknneff622221 , 21 , 22)1()1(16kkRn7siissimAmAmfmff)()(/is5填空填空1在一定操作条件下，组分在固定相和流动相之间的分配达到在一定操作条件下，组分在固定相和流动相之间的分配达到平衡时的浓度比，称为平衡时的浓度比，称为_。2为了描述色谱柱效能的指标，人们采用了为了描述色谱柱效能的指标，人们采用了_理论理论。3速率理论中，在线速度较低时，速率理论中，在线速度较低时，_项是引起色谱峰扩项是引起色谱峰扩展的主要因素，此时宜采用相对分子量展的主要因素，此时宜采用相对分子量_的气体作载气，以提的气体作载气，以提高柱效。高柱效。4不被固定相吸附或溶解的气体不被固定相吸附或溶解的气体(如空气、甲烷如空气、甲烷),从进样开始到