液相色谱的基础知识及应用

1、HPLC的基础知识及应用的基础知识及应用2007年年10月月26日日工业催化与反应器设计实验室内部学术交流活动工业催化与反应器设计实验室内部学术交流活动徐徐 帅帅State Key Laboratory of Chemical Resource EngineeringContents液相色谱法发展史与分类液相色谱法发展史与分类1色谱方法基本原理色谱方法基本原理2345样品分析方法的建立样品分析方法的建立液相色谱的维护及注意事项液相色谱的维护及注意事项软件的简单介绍及示范软件的简单介绍及示范State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering

2、1 液相色谱发展历史与分类液相色谱发展历史与分类1.1 1.1 色谱的起源色谱的起源 (1903)(1903)M.S. TswettState Key Laboratory of Chemical Resource Engineeringv IUPAC definition of chromatography (1993) :Chromatography is a physical method of separation in which the components to be separated are distributed between two phases, one of whi

3、ch is stationary while the other moves in a definite direction.v 固定相（固定相（stationary phase）：）：在色谱分离中固定不动、对样在色谱分离中固定不动、对样品产生保留的一相。品产生保留的一相。v 流动相（流动相（mobile phase）：）：带动样品向前移动的另一相。带动样品向前移动的另一相。v 色谱法：色谱法：是一种物理化学分离方法，它利用不同组分与两相（固定是一种物理化学分离方法，它利用不同组分与两相（固定相和流动相）之间的作用力（分配、吸附、离子交换等）的差别，样相和流动相）之间的作用力（分配、吸附、离子

4、交换等）的差别，样品在两相中做相对移动时，各组分在两相间进行多次平衡，使不同物品在两相中做相对移动时，各组分在两相间进行多次平衡，使不同物质达到相互分离。质达到相互分离。1.2 色谱的定义色谱的定义State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering1.3 色谱的发展历程色谱的发展历程State Key Laboratory of Chemical Resource EngineeringState Key Laboratory of Chemical Resource Engineering1.4 色谱中的分离过程色谱中的分离过程定性定性

5、定量定量串联应用串联应用样品纯化样品纯化成分分析成分分析分离分离State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering色谱中的分离过程色谱中的分离过程咖啡咖啡利用混合物中各组份在不同的两相中溶解、分利用混合物中各组份在不同的两相中溶解、分配、吸附等化学作用性能的差异配、吸附等化学作用性能的差异,当两相作相对当两相作相对运动时运动时,使各组分在两相中反复多次受到上述各使各组分在两相中反复多次受到上述各作用力而达到相互分离作用力而达到相互分离State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering

6、1.5 色谱的分类色谱的分类v 按流动相的物态分按流动相的物态分: 气相色谱气相色谱(Gas Chromatography, GC)： 用气体作为流动相用气体作为流动相(又叫载气又叫载气) 液相色谱液相色谱(Liquid Chromatography, LC)： 用液体作为流动相用液体作为流动相(又叫洗脱剂又叫洗脱剂)v 按固定相的形态分按固定相的形态分: 平面色谱平面色谱 纸色谱纸色谱 薄层色谱薄层色谱 柱色谱柱色谱v按流动相和固定相的相对对性按流动相和固定相的相对对性 正相色谱正相色谱(Normal Phase Chromatography) 固定相的对性大于流动相固定相的对性大于流动相

7、反相色谱反相色谱(Reversed Phase Chromatography) 固定相的对性小于流动相固定相的对性小于流动相State Key Laboratory of Chemical Resource EngineeringHPLC 与与 GC 的应用差异的应用差异State Key Laboratory of Chemical Resource EngineeringHPLC 与与 GC 的的应用差异应用差异挥发挥发非挥发非挥发疏水性疏水性亲水性亲水性糖糖环氧化环氧化合物合物多氯联苯多氯联苯脂肪酸甲酯脂肪酸甲酯芳香酯芳香酯C2/C5 碳氢化合物碳氢化合物无机离子无机离子氨基酸氨基酸糖类

8、衍生物糖类衍生物香精油香精油聚合物单体聚合物单体甘油三酸酯甘油三酸酯磷脂磷脂亚硝胺亚硝胺有机磷有机磷杀虫剂杀虫剂酒精酒精多环芳烃多环芳烃芳族胺芳族胺脂溶性维生素脂溶性维生素抗体抗体天然食用色素天然食用色素类黄酮类黄酮抗生素抗生素腈类腈类抗氧化剂抗氧化剂乙二醇乙二醇脂肪酸脂肪酸磺胺类磺胺类挥发性羧酸挥发性羧酸醛酮类醛酮类甘草膦甘草膦合成食用色素合成食用色素苯酚苯酚黄曲霉毒素黄曲霉毒素酶酶糖醇糖醇State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering2. 色谱方法基本原理色谱方法基本原理v色谱的主要理论 热力学理论 以相的平衡观点研究色谱过程 塔

9、板理论为代表 (Martin & Synge) 动力学理论 以动力学观点研究各种动力学因素对色谱峰的影响 Van Deemter 方程为代表MartinSyngeState Key Laboratory of Chemical Resource Engineering 分离的原理v 样品组分在固定相和流动相之间的分配 流动相带动样品经过色谱柱 不同组分与固定相之间相互作用 的强度不同 不同组分在固定相上移动速度不同， 形成分离v 分配系数 KD Xm Xs KD1 = Xs / Xm Ym Ys KD2 = Ys / Ym 流动相固定相State Key Laboratory of C

10、hemical Resource Engineering 样品组分的分离v 进样、分配、移动、流出、分离KD2 KD1 ，所以 Y 先流出來State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering 分配系数分配系数Kv 分配系数与组分、流动相和固定相的热力学性质有关，也与温度、压力有关。v 在条件（流动相、固定相、温度和压力等）一定，样品浓度很低时（Cs、Cm很小）时，K只取决于组分的性质，而与浓度无关。这只是理想状态下的色谱条件，在这种条件下，得到的色谱峰为正常峰正常峰；在许多情况下，随着浓度的增大，K减小，这时色谱峰为拖尾峰；而有时随着溶质

11、浓度增大，K也增大，这时色谱峰为前延峰。因此，只有尽可能减少进样量，只有尽可能减少进样量，使组分在柱内浓度降低，使组分在柱内浓度降低，K恒定时，才能获得正常峰。恒定时，才能获得正常峰。v 在同一色谱条件下，样品中K值大的组分在固定相中滞留时间长，后流出色谱柱；K值小的组分则滞留时间短，先流出色谱柱。混合物中各组分的分配系数相差越大，越容易分离，因此混合物中各组分的分配系数不同是色谱分离的前提。v 在HPLC中，固定相确定后，K主要受流动相的性质影响。实践中主要靠调整流动相的组成配比及pH值，以获得组分间的分配系数差异及适宜的保留时间，达到分离的目的。 State Key Laboratory

12、of Chemical Resource Engineering样品组分分离情况v A. 样品与色谱柱固定相无任何作用 三种样品在 t0 时间流出， 无保留 无保留时间v B. 样品组分保留时间一致 与色谱柱作用力相同 v C. 样品组分保留时间不一致 样品各组分与色谱柱作用力不同 v D. 实际分离状况 高斯分布曲线State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering 色谱出峰形状v实际出峰形状为高斯分布曲线 (Gaussian curve) 样品的扩散效应无扩散 样品扩散State Key Laboratory of Chemical

13、Resource Engineering 分离度 分离度（分离度（Resolution)Resolution)两个相邻峰的分离程度。两个相邻峰的分离程度。以两个组份保留值之差以两个组份保留值之差与其平均半峰宽值的比与其平均半峰宽值的比来表示：来表示：R=? 时两峰认为已分开时两峰认为已分开?State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering 不同分离度 Rv 相邻两吸收峰分离度 R=1.0, 98%, 基线分离 R=1.5, 99.7%v R=1.5 時，完全分离（中国药典规定） 两色谱峰被视为 分开State Key Laborator

14、y of Chemical Resource Engineering 分离度R 的数学表达v 分离度R的基本公式 k: 容量因子 (capacity factor) 反映吸收峰的保留特性 : 选择因子 (selectivity factor) 反映相邻两色谱峰的分离程度 色谱过程热力学因素 N: 理论塔板数，反映色谱柱的分离效率 (column efficiency)色谱过程动力学因素有关R = 1/4Nxxk1 + k- 1柱效柱效选择因子选择因子容量因子容量因子State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering 容量因子 k 测量溶质

15、在固定相和流动相中分布的摩尔数（量）之比 与温度有关 (GC) 与流动相溶剂种类及组成有关 (LC)Injectiont0tRtRState Key Laboratory of Chemical Resource Engineeringvk 决定样品能进入色谱柱固定相的量 k太小，在固定相上保留太短，很快流出，难以确定保留时间 k太大，在固定相上保留太强，洗脱时间太长， 理想的 k为 15 State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering 分离效果与 k 值的最优化v k值的优化 改变溶剂成分、梯度条件 (洗脱强度)State Key

16、Laboratory of Chemical Resource Engineering 选择因子 v 色谱柱分开两组份的能力 1 时两组分分离 表示两组分在两相间的平衡分配热力学性质的差异，即分子间相互作用力的差异。 t0tR1tR2InjectionState Key Laboratory of Chemical Resource Engineering选择因子 的影响因素v影响 的因素 改变流动相成分，包括改变 pH 值 改变柱温 (在 LC 不明显) 改变固定相成分 使用特殊化学效应State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering

17、理论板数理论板数 Nv塔板理论 热力学平衡理论 色谱柱效的量化 从分馏法技术衍生而来 分离法依组分挥发性不同而分馏 色谱法依组分分配系数不同而分离 分配系数 K=Cs/Cm 理论板数 N、塔板高度 H 柱效随 N增大和 H减小而增加 分配色谱流程模型State Key Laboratory of Chemical Resource Engineeringv理论塔板数N 与半峰宽W1/2和保留时间的关系如下 在相同保留时间色谱峰越尖锐，则色谱柱效越高 State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering 分离效能的最优化增加容量增加容量增加选

18、择因子增加选择因子增加柱效增加柱效增加增加 k 值可增加值可增加分离度分离度但会增加分析时间但会增加分析时间改变流动相、固定相成分改变流动相、固定相成分 增加增加 值可增加分离度值可增加分离度但不能因此但不能因此影响影响 k 值值State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering液相色谱仪设备概述液相色谱仪设备概述State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering 液相色谱仪器组成液相色谱仪器组成溶剂传输系统（泵系统）进样系统 检测器工作站组分收集（选项）State Key Labo

19、ratory of Chemical Resource Engineering液相色谱仪器结构组成示意图液相色谱仪器结构组成示意图 流动相储液瓶流动相储液瓶单元或多元泵单元或多元泵梯度混合器梯度混合器预柱预柱手动手动-进样器进样器自动自动-进样器进样器保护柱保护柱色谱柱色谱柱柱后反应器柱后反应器柱温箱柱温箱检测器检测器馏分收集器馏分收集器积分仪积分仪工作站工作站计算机计算机接口接口温度控制单元温度控制单元样品制备单元样品制备单元State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering3. 样品分析方法开发 3 选择仪器类型，确定检测器及其参数2

20、 是否需要样品预处理，是否有特殊的步骤1 了解样品的有关情况，明确分析目的State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering7a 回收纯化物质8 方法论证进入常规实验室7b 定量校正7c 定性方法6 检查出现的各种现象和问题(包括仪器、样品稳定性等）选择解决办法和特殊步骤5 优化分离条件，选择最佳检测器参数、色谱柱、流动相比例等4 选择液相色谱分离类型，色谱柱，流动相，其他相关条件（如波长等），进行预实验，估计最佳条件State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering样品预处理样品预

21、处理样品预处理的目的是为了纯化样品。完成纯化的方法有完成纯化的方法有:u稀释- 用一种互溶的且比流动相弱的溶剂或流动相本身稀释样品u过滤- 有不同孔径的过滤材料. 提示: 有的化合物可能吸附在过滤器上，从而影响定量.u离心离心- 可除去样品中的颗粒物质.u萃取萃取-液液萃取，固相萃取u挥发挥发- 采用惰性气体通过样品鼓泡或抽真空除去溶剂样品准备样品准备State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering优化概览优化概览优化应当是系统进行的，也就是说每个参数应当逐步变化. !每次运行只改变一个参数!目标是在最短的分析时间内获得最好的分离结果.

22、 优化溶剂强度 流速 温度 柱长 固定相* 优化优化State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering流动相的选择流动相的选择流动相的选择原则是：流动相的选择原则是： 样品易溶，且溶解度尽可能大。 化学性质稳定，不损坏柱子。 不妨碍检测器检测，紫外波长处无吸收。 粘度低，流动性好。 易于从其中回收样品。 无毒或低毒，易于操作。 易于制成高纯度，即色谱纯。 废液易处理，不污染环境。反相色谱最常用的流动相及其冲洗强度如下：反相色谱最常用的流动相及其冲洗强度如下： H2O甲醇乙腈乙醇丙醇异丙醇四氢呋喃正相色谱常用的流动相及其冲洗强度的顺序是：正

23、相色谱常用的流动相及其冲洗强度的顺序是： 正己烷乙醚乙酸乙酯异丙醇State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering系统方法开发系统方法开发1) 选择初始色谱柱选择初始色谱柱 (直径直径, 长度长度, 填料粒度填料粒度 ）- 4.6 x 250 mm, 5 m 使用适当的孔径使用适当的孔径 初始运行采用与流动相组成条件一致的初始运行采用与流动相组成条件一致的pH2) 优化优化 k* (保留保留) 梯度范围梯度范围, 时间时间, 斜率斜率 流动相流动相 - 很小变化很小变化3) 优化回收率优化回收率 样品的溶解性样品的溶解性 温度的作用温度

24、的作用 键合相的作用键合相的作用 有机改性剂有机改性剂4) 优化优化 * * (选择性选择性) 温度温度 键合相键合相 pH (最后的手段最后的手段)5) 优化优化 N (色谱柱条件色谱柱条件) 流速流速 长度长度 填料粒度填料粒度State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering分离度与分离度与 k, N, 和和 的关系的关系初始初始改变改变k提高提高N提高提高 梯度范围梯度范围, 斜率斜率流速流速, 填料粒度填料粒度, 柱长柱长温度、流动相、温度、流动相、pH 优化优化State Key Laboratory of Chemical

25、Resource Engineering 色谱的定性分析色谱的定性分析v色谱定性分析色谱定性分析:v 用保留值定性和色谱联用技术（如用保留值定性和色谱联用技术（如LC-MS、LC-FTIR)定性定性v利用保留值定性利用保留值定性v基本依据：两个相同的物质在相同的色谱条件下应该有相同的保留基本依据：两个相同的物质在相同的色谱条件下应该有相同的保留 值。但是，相反的结论却不成立，即在相同的色谱条件值。但是，相反的结论却不成立，即在相同的色谱条件 下，具有相同保留值的两个物质不一定是同一个物质下，具有相同保留值的两个物质不一定是同一个物质v利用已知物直接对照进行定性分析利用已知物直接对照进行定性分析

26、用绝对保留值定性一般要求用自动进样用绝对保留值定性一般要求用自动进样用相对保留值定性用相对保留值定性用已知物增加峰高法定性用已知物增加峰高法定性利用文献值对照进行定性分析采用保留指数利用文献值对照进行定性分析采用保留指数(I)State Key Laboratory of Chemical Resource Engineeringv检测器信号响应与时间的关系检测器信号响应与时间的关系v测量每个峰的保留时间测量每个峰的保留时间tR1t0tR2timesignalState Key Laboratory of Chemical Resource Engineering 色谱的定量分析色谱的定量分析

27、l检测器信号响应与时间的关系检测器信号响应与时间的关系l测量每个峰的峰面积测量每个峰的峰面积State Key Laboratory of Chemical Resource Engineeringv定量分析的基本公式： Mi i组分的量；Aii组分的峰面积；fi i组分的校正因子，与检测器的行为和被测组份的行为有关。 定量分析的依据是被测组分的量与响应信号成正比，但相同含量的物质由于物理、化学性质的差别，即使在同一检测器上产生的信号也不同，直接用响应信号定量，必然导致较大误差。故引入校正因子。校正因子校正因子是定量计算公式中的比例常数，其物理意义是单位面积所代表的被测组分的量。 iiiAfm

28、State Key Laboratory of Chemical Resource Engineeringv1. 面积百分法面积百分法 (Area Percent)v2. 外标法外标法 (External Standard)v3. 内标法内标法 (Internal Standard)v4. 归一化法归一化法 (Normalized Percent)色谱定量分析方法的种类色谱定量分析方法的种类State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering 面积百分法面积百分法 最简单的计算方法样品中的所有成分对检测器的响应值相同样品中的所有成分必须完全

29、分离表示样品中单一组份相对于其他组份的含量 面积 % = ( AI / A ) * 100 AI = 单一色谱峰的面积 A = 全部色谱峰的面积之和v 不要求进样量准确不要求进样量准确v 不适用于选择性检测器不适用于选择性检测器State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering归一化法归一化法(Normalized %)v 将样品中所有组份的含量之和定为100%。计算其中某一组份百分含量的定量方法：其中：xi试样中组份I的百分含量 fi组份I的校正因子 Ai组份I的峰面积或峰高100%)(iiiiAfAfixState Key Labor

30、atory of Chemical Resource Engineering 归一化法示例归一化法示例 化合物 峰面积校正因子峰面积校正因子 百分比含量C8 2001.2 240240/1708=14.1%C12 2301.6 368368/1708=21.5%C16 2001.8 360360/1708=21.1%C18 3001.8 540540/1708=31.6%C20 1002.0 200 200/1708=11.7% 1030 1708 100%优点：方法简便，进样量与载气流速的影响不大优点：方法简便，进样量与载气流速的影响不大缺点：样品中所有组份必须都能出峰，并且必须知道各自组份

31、的校缺点：样品中所有组份必须都能出峰，并且必须知道各自组份的校正因子（校正因子需要由已知的标准品来求得）。正因子（校正因子需要由已知的标准品来求得）。归一化法主要用于气相色谱的定量测定。且一般只适用于通用型检归一化法主要用于气相色谱的定量测定。且一般只适用于通用型检测器。测器。State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering直接峰面积归一化无校正因子法直接峰面积归一化无校正因子法 % (NOCalibration)当样品中各组份的校正因子近似相等，如同系物或同分异构体，可直接用峰面积归一化进行定量。即简化为下式：示例：给出了采用校正因子

32、和不用校正因子进行归一化法的定量结果示例：给出了采用校正因子和不用校正因子进行归一化法的定量结果100%iiAAix组份乙苯对二甲苯间二甲苯邻二甲苯峰面积（Ai）校正因子（fi）f*Ai1200.97116751.00751400.961341050.98103校正因子归一化法定量结果直接峰面积归一化定量结果27.027.217.517.131.331.824.123.9State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering多点校正的定量分析多点校正的定量分析 单点校准单点校准峰面积峰面积进样量进样量峰面积峰面积进样量进样量响应值响应值 =样

33、品量样品量unn =峰面积峰面积响应值响应值峰面积峰面积进样量进样量多点校准多点校准State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering外标法（外标法（External Standard)又称校正曲线法又称校正曲线法v在相同分析条件下，比较标准物质与样品的色谱峰面在相同分析条件下，比较标准物质与样品的色谱峰面积或峰高积或峰高1. 用已知的标准品配成不同浓度的标准系列，在用已知的标准品配成不同浓度的标准系列，在与被测样品相同的色谱条件下，等体积准确进样，与被测样品相同的色谱条件下，等体积准确进样，测量各种浓度的峰高或峰面积，绘制响应信号与测量

34、各种浓度的峰高或峰面积，绘制响应信号与百分含量的关系曲线；百分含量的关系曲线；2. 测量样品的峰面积或峰高，在校正曲线上查出测量样品的峰面积或峰高，在校正曲线上查出其对应的百分含量。其对应的百分含量。State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering外标法定量外标法定量State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering浓度峰面积标准1127187标准24012845标准38021437标准412027557标准514031440v 样品结果直接在标准工作曲线上读出，非常简单，尤其对大

35、量样品分样品结果直接在标准工作曲线上读出，非常简单，尤其对大量样品分析时特别适合。析时特别适合。v 要求进样量、色谱分析条件严格不变；容易出现较大误差。要求进样量、色谱分析条件严格不变；容易出现较大误差。State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering内标法内标法(Internal Standard)State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering 用用DBP做内标测定做内标测定Pynamin. 配制标准溶液：配制标准溶液：准确称量准确称量200mgDBP和和220mg90%的的

36、Pynamin配制成配制成溶液溶液100ml。色谱测定得到。色谱测定得到As=12000,Ai=10000,则相对校正因子为：则相对校正因子为：188. 11000020012000%90220issiisAmAmf 配制样品溶液：称量称量210mgDBP210mgDBP和和220mg220mg的样品，配制成溶液的样品，配制成溶液100ml100ml。色谱测定得到色谱测定得到As=12500,Ai=9500,As=12500,Ai=9500,则样品中则样品中PynaminPynamin的含量为：的含量为：mgmfmsAAisisi6 .189210125009500188. 1 故样品中Pynamin的百分含量为： %2.86%1002206.189mgmgState Key Laboratory of Chemical Resource Engineering4.液相色谱仪（液相色谱仪（HPLC）的保养）的保养1、HPLC的