色谱分析法概论解析实用教案

1、u色谱法是一种分离分析方法色谱法是一种分离分析方法u各物质各物质(wzh)(wzh)在两相中具有不同的分配系在两相中具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，在两相中进行多数，当两相作相对运动时，在两相中进行多次反复的分配达到分离。次反复的分配达到分离。1第1页/共62页第一页，共62页。2第2页/共62页第二页，共62页。3第3页/共62页第三页，共62页。4第4页/共62页第四页，共62页。第一节第一节 色谱色谱(s p)(s p)过程和基过程和基本原理本原理5第5页/共62页第五页，共62页。一、色谱(s p)过程n样品加入n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、

2、解吸(jix)。n如果各组分在两相中的分配系数不同，它们就有可能达到分离。6第6页/共62页第六页，共62页。 基线基线(jxin)、峰高、峰高 h、半峰宽、半峰宽 W1/2、峰宽、峰宽W二、色谱(s p)流出曲线和术语（一）色谱(s p)流出曲线和色谱(s p)峰7第7页/共62页第七页，共62页。由色谱峰的流出曲线可以实现一下目的：由色谱峰的流出曲线可以实现一下目的：（1）依据色谱峰的保留值进行定性分析）依据色谱峰的保留值进行定性分析（2）依据色谱峰的面积）依据色谱峰的面积(min j)或峰高进行或峰高进行定量分析定量分析（3）依据色谱峰的保留值以及峰宽评价色谱）依据色谱峰的保留值以及峰宽

3、评价色谱柱的分离效能柱的分离效能8第8页/共62页第八页，共62页。（二）（二） 保留值保留值n保留时间 tRn死时间 t0n调整保留时间 tR = tR t0n（组分在固定相中停留的总时间）n保留体积 VR= tRFc（与流动相流速无关）n死体积 V0= t0Fc n（从进样器至检测器的流路中未被固定相占有(zhnyu)的空间）n调整保留体积 VR = tRFc 9第9页/共62页第九页，共62页。n相对保留值n （只与柱温及固定相的性质(xngzh)有关）n保留指数)z(R)nz(R)z(R)x(Rxtlgtlgtlgtlgnz100I数数为正构烷烃对的碳原子为正构烷烃对的碳原子与与为待测

4、组分的保留指数为待测组分的保留指数nIxzz保留值保留值10第10页/共62页第十页，共62页。在某一色谱条件下，把含A和B以及两相邻的两种正构烷烃的混合物注入色谱柱分析。A在相邻的两种正构烷烃之间流出，它们的调整保留时间(shjin)分别为10min，11min和12min；最先流出的正构烷烃的保留指数为800；组分B的保留指数为882.3。求组分A的保留指数。试问A和B有可能是同系物吗？例：11第11页/共62页第十一页，共62页。不是同系物不是同系物3 .882I3 .85210lg12lg10lg11lg8100tlgtlgtlgtlgz100IB)z(R)1z(R)z(R)A(RA

5、解：解：12第12页/共62页第十二页，共62页。（三）色谱（三）色谱(s p)(s p)峰高峰高和峰面积和峰面积1. 1. 峰高峰高 组分在柱后出现浓度极大时的检测组分在柱后出现浓度极大时的检测信号信号(xnho)(xnho)，即色谱峰顶至基线的距，即色谱峰顶至基线的距离离2. 2. 峰面积峰面积色谱曲线与基线间包围的面积色谱曲线与基线间包围的面积13第13页/共62页第十三页，共62页。（四）色谱峰区域（四）色谱峰区域(qy)(qy)宽度宽度1. 标准差标准差 2.半峰宽半峰宽 W1/2W1/2=2.355 3.峰宽峰宽 WW = 4 14第14页/共62页第十四页，共62页。（五）（五）

6、 分离分离(fnl)(fnl)度度21RR21RRWW)tt (22/ )WW(ttR1212完全分离完全分离明显分离明显分离重叠重叠 5 . 1R1R1R15第15页/共62页第十五页，共62页。三、分配系数与色谱三、分配系数与色谱(s p)分离分离分配(fnpi)系数nK大的组分，滞留在固定相中的时间长，在柱内移动的速度慢，后流出柱子。n温度升高，K变小(bin xio)。nK为常数时，是线性色谱。（一）分配系数和容量因子16第16页/共62页第十六页，共62页。容量因子（分配(fnpi)比）mmssmsVCVCmmkmsmmk组分在流动相中的质量组分在流动相中的质量组分在固定相中的质量组

7、分在固定相中的质量 KVVKkms 17第17页/共62页第十七页，共62页。1knnnttLt Ltmms0R0R 组分组分组分组分 （二）分配(fnpi)系数和容量因子与保留时间的关系12121 ,20000121KKkktttttttttkRRRRR 18第18页/共62页第十八页，共62页。（三）色谱分离(fnl)的前提 )VVK1(t)k1(ttms00R )VVK1(tt)VVK1(ttmsB0RmsA0RBA )kk(ttVV)KK(ttttBA0RmsBA0RRRBA 19第19页/共62页第十九页，共62页。例：在例：在1m长的填充色谱柱上，某镇静药物长的填充色谱柱上，某镇静

8、药物A及其异构体及其异构体B的保留时间分别为的保留时间分别为5.80min和和6.60min；峰底宽度分别；峰底宽度分别为为0.78min及及0.82min，空气通过色谱柱需，空气通过色谱柱需1.10min。计算：载气的平均计算：载气的平均(pngjn)线速度；组分线速度；组分B的分配比；的分配比；A及及B的分离度。的分离度。解：解：00. 182. 078. 0)80. 560. 6(2WW)tt (2R)3(00. 510. 1)10. 160. 6(ttk)2(mincm90.9010. 1100tl)1(211RR0R102 20第20页/共62页第二十页，共62页。 流动相：气相色谱

9、、液相色谱、超临界流体流动相：气相色谱、液相色谱、超临界流体(lit)(lit)色谱色谱 固定相：气固、气液；液固、液液固定相：气固、气液；液固、液液2. 按固定(gdng)相的形式分类1. 按两相状态(zhungti)分类n柱色谱：填充柱色谱、毛细管色谱n平面色谱：纸色谱、薄层色谱第二节第二节 基本类型色谱方法及其分离机制基本类型色谱方法及其分离机制一、色谱法的分类一、色谱法的分类21第21页/共62页第二十一页，共62页。3. 按分离机制(jzh)分类n分配色谱：根据不同(b tn)组分在固定液中溶解度的大小而分离n吸附色谱：根据不同(b tn)组分在吸附剂上的吸附和解吸能力的大小而分离n

10、离子交换色谱：不同(b tn)组分对离子交换树脂的亲和力不同(b tn)n空间排阻色谱：依据分子几何尺寸大小不同(b tn)进行分离22第22页/共62页第二十二页，共62页。色谱法的分类(fn li)23第23页/共62页第二十三页，共62页。利用被分离组分在固定相和流动相中溶解度的利用被分离组分在固定相和流动相中溶解度的差别来实现分离。差别来实现分离。溶质分子在固定相中溶解度越大，或在流动相溶质分子在固定相中溶解度越大，或在流动相中溶解度越小，则中溶解度越小，则K K越大，保留时间越大，保留时间(shjin)(shjin)越长。越长。二、分配(fnpi)色谱法1. 分离(fnl)原理24第

11、24页/共62页第二十四页，共62页。固定相：途渍在惰性载体(zit)颗粒上的一薄层液体， 又称固定液。流动相：气体或液体流动相极性 固定相极性 反相分配色谱2. 固定(gdng)相和流动相符合(fh)相似相容原理3. 洗脱顺序25第25页/共62页第二十五页，共62页。三、吸附三、吸附(xf)色谱法色谱法 利用被分离组分对固定相表面吸附中心吸附能利用被分离组分对固定相表面吸附中心吸附能力差别而实现分离。力差别而实现分离。 气固、液固气固、液固 吸附过程是组分分子吸附过程是组分分子X与流动与流动(lidng)相分子相分子Y争夺吸附剂表面活性中心的过程争夺吸附剂表面活性中心的过程maamnYXn

12、YXmmaamanamnmaaV/XS/XXXYXYXK)VSK1(ttma0R：流动相的体积：流动相的体积：吸附剂的表面积：吸附剂的表面积mV aS1. 分离(fnl)原理26第26页/共62页第二十六页，共62页。2. 2. 固定固定(gdng)(gdng)相相和流动相和流动相固定相：多为具有较大固定相：多为具有较大(jio d)比表面积、多比表面积、多孔性微粒状的吸附剂孔性微粒状的吸附剂流动相：极性越强，洗脱能力越强。流动相：极性越强，洗脱能力越强。27第27页/共62页第二十七页，共62页。3. 洗脱(x tu)顺序吸附能力的一般规律：(1)非极性化合物一般不被吸附；(2)极性基团越多

13、，极性越强；(3)不饱和化合物比饱和化合物极性强，双键(shun jin)越多越强；(4)常见化合物的吸附能力顺序 烷烃烯烃卤代烃醚硝基化合物叔胺酯酮醛酰胺醇酚伯胺羧酸28第28页/共62页第二十八页，共62页。四、离子交换四、离子交换(l z jio hun)色谱法色谱法 利用被分离组分利用被分离组分(zfn)离子交换能力的差别离子交换能力的差别而实现分离。而实现分离。 离子交换过程可用通式表示：离子交换过程可用通式表示： BAB/AKKABRBARKBARABR1. 分离(fnl)原理29第29页/共62页第二十九页，共62页。固定相：为离子固定相：为离子(lz)交换剂，如：离子交换剂，如

14、：离子(lz)交交换树脂、硅胶化学键合离子换树脂、硅胶化学键合离子(lz)交换剂交换剂离子离子(lz)交换树脂：网状立体结构的高分子多交换树脂：网状立体结构的高分子多元酸或多元碱的聚合物。元酸或多元碱的聚合物。性能指标：交联度、交换容量、粒度性能指标：交联度、交换容量、粒度流动相：一定流动相：一定pH和离子和离子(lz)强度的缓冲溶液强度的缓冲溶液2. 固定(gdng)相和流动相30第30页/共62页第三十页，共62页。 溶质离子的电荷和水合半径溶质离子的电荷和水合半径 价态高的离子选择性系数大；价态高的离子选择性系数大； 水合半径增大，离子选择性系数变小。水合半径增大，离子选择性系数变小。

15、离子交换剂的交联度和交换容量越大，离子交换剂的交联度和交换容量越大，保留时间越长保留时间越长 流动流动(lidng)相的组成和相的组成和pH3. 影响保留(boli)行为的因素31第31页/共62页第三十一页，共62页。五、空间五、空间(kngjin)排排阻色谱法阻色谱法 根据被分离组分分子的线团尺寸而进行分离根据被分离组分分子的线团尺寸而进行分离 又称凝胶色谱法又称凝胶色谱法 分离与流动分离与流动(lidng)相的性质无关相的性质无关 10 / ppmspsmKKXXKXX：渗透系数：渗透系数1. 分离(fnl)原理32第32页/共62页第三十二页，共62页。n固定(gdng)相：为多孔凝胶

16、n主要性能参数：平均孔径、排斥极限、分子量范围n流动相：溶解性、粘度低2. 固定(gdng)相和流动相3. 保留体积与渗透系数的关系(gun x)VV(VKV)VVK1(VV0msp0mspmR n分子尺寸大，即分子量大的组分其渗透系数小，保留体积小，先出峰。33第33页/共62页第三十三页，共62页。第四节第四节 色谱法基本色谱法基本(jbn)(jbn)理理论论 色谱分离是色谱体系热力学过程和动力学过程的色谱分离是色谱体系热力学过程和动力学过程的综合综合(zngh)表现。表现。 热力学过程是指与组分在体系中分配系数相关的热力学过程是指与组分在体系中分配系数相关的过程，以塔板理论为代表。过程，

17、以塔板理论为代表。 动力学过程是指组分在该体系两相间扩散和传质动力学过程是指组分在该体系两相间扩散和传质的过程，以速率理论为代表。的过程，以速率理论为代表。组分保留时间为何不同(b tn)？色谱峰为何变宽？34第34页/共62页第三十四页，共62页。一、一、 塔板理论塔板理论(lln)（热力学）（热力学） 塔板理论假定塔板理论假定: :塔板和塔板之间不连续；塔板和塔板之间不连续；塔板之间无分子扩散；塔板之间无分子扩散；组分在每块塔板的两相间的分配平衡瞬时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；称为理论塔板高度

18、；一个组分在每块塔板上的分配系数相同；一个组分在每块塔板上的分配系数相同；流动相以不连续的形式加入流动相以不连续的形式加入(jir)(jir)，即以，即以一个一个塔板体积加入一个一个塔板体积加入(jir)(jir)。35第35页/共62页第三十五页，共62页。（一）质量分配（一）质量分配(fnpi)(fnpi)和转移和转移296. 0mm)!33!(3!3m667. 0m,333. 0m3r ,3Nmm)!rN(!r!Nm)mm(NN.444. 0444. 0111. 0)mm(2N667. 0m333. 0m1N5 .0k3m33s33msrmrNsrNNms2msms，例如，例如，展开式展

19、开式时，时，时，时，时，时，的组分分离为例的组分分离为例以以 36第36页/共62页第三十六页，共62页。（二）流出曲线(qxin)方程22R22R2)tt(maxR0max2)tt(0eCC)tt (2CCe2CC 时时 37第37页/共62页第三十七页，共62页。一、质量分配(fnpi)(fnpi)和转移组分(zfn)在n=5，k=1柱内任一板上分配表 01234柱出口柱出口N=010000010.50.5000020.250.50.2500030.1250.3750.3750.1250040.0630.250.3750.1250.063050.0320.1570.3130.3130.15

20、70.03260.0160.0950.2350.3130.2350.07970.0080.0560.1160.2750.2750.11880.0040.0320.0860.1960.2750.13890.0020.0180.0590.1410.2350.138100.0010.0100.0380.1000.1890.11838第38页/共62页第三十八页，共62页。0123456N011pq2p22pqq23p33p2q3pq2q34p44p3q6p2q24pq3q45p55p4q10p3q210p2q35pq4q56p66p5q16p4q220p3q316p2q46qp5q6组分(zfn)在

21、n=7，k=p/q柱内任一板上分配表39第39页/共62页第三十九页，共62页。入色谱柱）入色谱柱）个塔板体积的流动相进个塔板体积的流动相进：（示：示：可以用二项式展开式表可以用二项式展开式表块板上的组分重量分数块板上的组分重量分数色谱柱第色谱柱第NNqprNrNxxrrNrNrN )!( ! r 40第40页/共62页第四十页，共62页。qrNNerxrNNNrrN/21maxmax122max 时的流动相体积数时的流动相体积数为流出曲线进入极大值为流出曲线进入极大值变成：变成：数学处理（泊松方法）数学处理（泊松方法）当的当的值均很大，上式经过适值均很大，上式经过适值与值与实际上，实际上，

22、41第41页/共62页第四十一页，共62页。，呈正态分布。，呈正态分布。即色谱流出曲线方程式即色谱流出曲线方程式此为塔板理论方程式，此为塔板理论方程式，很大时很大时，当，当组分离开色谱柱时，组分离开色谱柱时，）（为单位塔板体积）为单位塔板体积）（浓度为：浓度为：此时组分在流动相中的此时组分在流动相中的器，器，的增加，组分进入检测的增加，组分进入检测随着随着2RR2RRVVV2nmaxVVV2nRRmaxRrNmaxrNrNeCe2VnmCnrrn1rVVNVrxmVNrxmCVV/qxmCN 42第42页/共62页第四十二页，共62页。nn越大，H越小，色谱(s p)峰越窄，n柱效越高；nH与

23、柱长无关。（三）理论(lln)塔板数和理论(lln)塔板高度43第43页/共62页第四十三页，共62页。例 在2m长的色谱柱上，测得某组分保留时间（tR）6.6min，峰宽0.5min，死时间1.2min，柱出口用皂膜流量计测得载气体积流速40mL/min，固定相体积2.1mL，求：（1）容量因子；（2）死体积；（3）调整保留体积；（4）分配(fnpi)系数；（5）有效塔板数；（6）有效塔板高度。44第44页/共62页第四十四页，共62页。m1007. 118662nLH1866)5 . 02 . 16 . 6(16)Wt(16n1031 . 2485 . 4VVkKmL21640)2 . 1

24、6 . 6(F)tt (V3mL48402 . 1FtV25 . 42 . 12 . 16 . 6ttk13effeff22Reffsmc0RRc00R）（）（）（）（）（）（654 0解解45第45页/共62页第四十五页，共62页。 (114)(2222112色谱分离方程式）色谱分离方程式）证明：证明：度相等度相等，设相邻两峰的峰底宽，设相邻两峰的峰底宽已知已知kknRWWttRRR 114 111144 )( )(222202121221221212kknknttttntWtttWttWWttRRRRRRRRRRRR 证明证明(zhngmng)： 4nWt)Wt(16nR2R46第46页/

25、共62页第四十六页，共62页。 )1(16)1()1()111()()1()1(162222222202222222 RkknnkkktttttnnkkRneffRRRReff47第47页/共62页第四十七页，共62页。例例 在在3.0m色谱柱上，空气、组分色谱柱上，空气、组分X和组分和组分Y的保留时间的保留时间(shjin)分别为分别为1.0、14.0、17.0min，Y的峰宽为的峰宽为1.0min，计算计算X和和Y完全分离时，柱长最短为多少？完全分离时，柱长最短为多少？NoImagemnnLLkkRnRYtnttkttYYRMYRXRYR75. 0462411550 . 31155)0 .

26、160 .161()123. 123. 1(5 . 116 )1()1(165 . 14624)0 . 10 .17(16)(160 .160 . 10 . 10 .17 23. 10 . 10 .140 . 10 .1722222221 ,21 ,2222)()()(2)()(1 ,2 需要需要需要需要需要需要时时解（一）解（一） 48第48页/共62页第四十八页，共62页。mRRLLLLRRkknR75. 05 . 10 . 30 . 30 . 30 .1610 .1623. 1123. 1446241142222221 ,21 ,2 需要需要需要需要需要需要需要需要解（二）解（二） 49

27、第49页/共62页第四十九页，共62页。例例 已知物质已知物质A和和B的分配系数的分配系数K分别为分别为6.50和和6.31，已知固定相和流动相的体积比为已知固定相和流动相的体积比为0.422。试计算：。试计算：（1）两物质的分配比）两物质的分配比;（2）选择性系数；）选择性系数；（3）欲得到分离度为）欲得到分离度为1.5时需多少时需多少(dusho)塔板塔板数？数？（4）若柱长为）若柱长为806cm，流动相的流速为，流动相的流速为7.10cm.s-1，则需多长时间可冲洗出各物质？则需多长时间可冲洗出各物质？50第50页/共62页第五十页，共62页。min92. 6tmin07. 7ttttk

28、min89. 16010. 7806t4109 . 7)74. 274. 21()103. 103. 1(5 . 116)kk1()1(R16n303. 166. 274. 2kk266. 2422. 031. 6VVKk74. 2422. 050. 6VVKk1BARR00R042222AA22SBAmsBBmsAA ）（）（）（）（ 解解51第51页/共62页第五十一页，共62页。塔板理论塔板理论(lln)(lln)的特点的特点和不足和不足(1)L一定一定(ydng)时，时，n 越大，越大，H 越小，柱效能则越越小，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。高，所得色谱峰越窄。(2) 用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能(xionng)的指标时，应指明测定物质（不同物质在同一色的指标时，应指明测定物质（不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同）。谱柱上的分配系数不同）。 (3)柱效不能表示被分离组分的实际分离效果柱效不能表示被分离组分的实际分离效果 (4)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及提高柱效的途径。果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。52第52页/共62页第五十二页，共