分析化学我的课件色谱法通论

色谱法通论分析化学教研室色谱法通论

1.概述2.色谱过程和术语3.色谱法发展趋势

3.色谱分离的基本理论

4.色谱法分离机制

概述1.色谱法（chromatography)M.Tsweet固定相：碳酸钙；流动相：石油醚固定相——CaCO3颗粒流动相——石油醚

色带概述利用各组分物理化学性质的不同，在流动相流经固定相时，由于各组分在两相间的吸附、分配或其它亲和力的差异而产生不同速度的移动，最终达到分离的目的。chroma

（色彩）graphy（图）chromatography（色谱法）定义：概述分离基础：差速迁移概述20世纪初30-40年代50年代60年代柱色谱薄层色谱法（TLC），纸色谱法（PC）气相色谱法（GC）气质联用技术（GC-MS）70年代80年代高效液相色谱（HPLC）超临界流体色谱（SFC），毛细管电泳（CE）概述

效率高灵敏度高能把性质相似的物质彼此分开适合于干扰组分存在的混合物的分离分析色谱法特点：概述2.色谱法分类

a

两相所处的状态b分离机理c操作类型概述a.两相所处的状态流动相固定相类型液相色谱液固l-s

色谱液液l-l

色谱气相色谱气固g-s

色谱气液g-l

色谱概述b：色谱法分离机理不同吸附色谱分子排阻色谱分配色谱离子色谱概述c：操作类型柱色谱(Columnchromatography

):HPLC,GCetc.平板色谱(Planarchromatography

):TLC,PC色谱法通论

1.概述2.色谱过程和术语3.色谱法发展趋势

色谱过程和术语1.色谱过程物质分子在相对运动的两相间，分配“平衡”的过程。其分离机制是差速迁移。例：顺反偶氮苯在柱中吸附解吸附，再吸附……色谱过程和术语色谱过程和术语2.基本术语a.色谱基线（baseline）：仅有流动相通过检测器系统时产生的信号的曲线。如图Ot线

峰高（h）：色谱峰顶点与基线之间的距离。如图B’A线色谱过程和术语标准差（σ）：两拐点间距离之半。峰宽（peakwidth,W或Y）：通过色谱峰两侧的拐点做切线，在基线上的截距。如图IJ间的距离色谱过程和术语半峰宽（peakwidthathalfheight,W1/2或Y1/2

）：峰高一半处的峰宽。如图GH间的距离W=4σ，W1/2=2.355σW=1.699W1/2色谱过程和术语b.保留值

死时间（deadtime,t0orTM)：不被固定相滞留的组分（流动相）从进样开始、通过色谱柱，到出现最大值所需要的时间。色谱过程和术语b.保留值保留时间（retentiontime,tR

)：从进样开始到某个组分的色谱峰顶点的时间间隔tR是色谱的定性参数，同样组分，在同样色谱条件下，tR

应相同。色谱过程和术语b.保留值调整保留时间（adjustedretentiontime,t'R

)组分由于和固定相作用，比不作用的组分在柱中多停留的时间色谱过程和术语b.保留值

保留体积（retentionvolume,VR

)：组分从进样到出现峰最大值所需要的流动相体积

载气流速恒定值与载气流速无关色谱过程和术语b.保留值死体积（deadvolume,V0

)由进样器至检测器的流路中未被固定相占有的空间体积死体积大，色谱峰扩张，柱效降低调整保留体积（adjustedretentionvolume,V’R)由保留体积扣除死体积后的体积色谱过程和术语c.分离参数分离因子α（分配系数比、选择性系数）分离度（resolution,Rs

)色谱过程和术语分离度（resolution,Rs

)R=1.0，基线分离R=1.5，完全分离色谱过程和术语分配系数(partitioncoefficient，K

)

平衡时组分在固定相与流动相中的浓度比

与温度有关分配系数和容量因子色谱过程和术语吸附系数absorptioncoefficentKaKKsKpK分配系数partitioncoefficent渗透系数permeationcoefficent选择系数selectivitycoefficent色谱过程和术语容量因子（capacityfactor，k)平衡状态下，组分在固定相与流动相中的质量之比k值与组分、固定相和流动相的性质及温度、压力等有关K,k,tR的关系推导：设R’为单位时间内一个分子在流动相中出现的几率则1—R’为分子在固定相中出现几率

一定条件下，t0不变，K增加，tR增加。讨论：色谱条件一定时，tR主要取决于K或k大小。K↑,tR↑组分后出柱K=0,组分不保留K无穷大，组分完全保留色谱过程和术语k不同tR不同分离

k

与tR

关系例：一个气相色谱柱，由固定液的涂量及固定液在柱温下的密度计算得Vs=14.1mL,载气流速为43.75mL/min。分离一个含A、B和C组分的样品，测得组分保留时间组分A为1.41min、组分B为2.67min、组分C为4.18min、空气为0.24min。试计算：（1）死体积（假定检测器及柱接头等体积可忽略）（2）各组分的调整保留时间和分配系数（3）相邻组分的分配系数比α色谱过程和术语解：

色谱过程和术语检测器及柱头等体积可忽略时Vm≈V0

所以：

色谱过程和术语相邻峰分配系数比为：

123速率理论------动力学等温线理论塔板理论------热力学色谱分离的基本理论色谱分离的基本理论吸附等温线一定温度下，某组分在吸附剂表面吸附大平衡时，该组分在两相中的浓度相关曲线等温线色谱峰原因直线型对称吸附剂表面没被饱和凸型拖尾吸附剂表面具有吸附能力不同的吸附位点凹型前沿进样量较大塔板理论

最早由Martin等人提出，把色谱柱比作一个精馏塔沿用精馏塔中塔板的概念来描述组分在两相间的分配行为引人理论塔板数(n)作为衡量柱效率的指标（1）在柱内一小段高度内组分分配瞬间达平衡（H→理论塔板高度）（2）载气非连续而是间歇式进入色谱柱，每次进气一个塔板体积（3）样品和载气均加在第0号塔板上且忽略样品沿柱方向的纵向扩散（4）分配系数在各塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关塔板理论四个基本假设

(把色谱柱看作一个分馏塔)理论塔板数n——组分流过色谱柱时，在两相间进行平衡分配的总次数理论塔板高度H——为使组分在柱内两相间达到一次分配平衡所需要的柱长由流出曲线方程可推出：

色谱峰W

越小，n就越大，而H

就越小，柱效能越高因此，n和H是描述柱效能的指标

由于死时间tm

包括在tR

中，而实际的tm不参与柱内分配，所计算的n

值大，H

很小，但与实际柱效能相差甚远。所以，提出把tm

扣除，采用有效理论塔板数neff

和有效塔板高Heff

评价柱效能。

成功处：

1)解释了色谱流出曲线的形状和浓度极大值对应的tR

2)阐明了保留值与K的关系

3)评价柱效（n，σ）存在问题:1）做出了4个与实际不相符的假设，忽略了组分在两相中传质和扩散的动力学过程2）只定性给出塔板高度的概念，却无法解释板高的影响因素3）排除了一个重要参数——流动相的线速度u

，因而无法解释柱效与流速关系，更无法提出降低板高的途径塔板理论塔板理论优缺点VanDeemteer

方程式2.3速率理论塔板理论优缺点1.4.3速率理论速率理论

1956年荷兰学者VanDeemter等在研究气液色谱时提出是色谱过程动力学理论吸收了塔板理论的有效成果——板高H

的概念充分考虑了组分在两相间的扩散和传质过程从动力学角度较好地解释了影响柱效的因素VanDeemter

方程的数学简化式为：B/u纵向扩散项速率理论式中μ为流动相的线速度：A，B，C为常数，分别代表涡流扩散项系数、分子扩散项系数、传质阻力项系数C·u传质阻抗项A涡流扩散项H速率理论C·u传质阻抗项B/u纵向扩散项A涡流扩散项H涡流扩散项（多径扩散项）：A

产生原因：载气携样品进柱，遇到来自固定相颗粒的阻力→路径不同→涡流扩散速率理论Ⅰ——涡流扩散项A动画影响因素：固体颗粒越小，填充越实，A项越小

讨论：

空心毛细管柱（0.1~0.5mm），A=0，n理

较高速率理论Ⅰ——涡流扩散项AC·u传质阻抗项B/u纵向扩散项A涡流扩散项H纵向扩散项（分子扩散项）：B/u产生原因：

峰在固定相中被流动相推动向前、展开→浓度梯度→谱带展宽速率理论Ⅱ——纵向扩散项B/u动画速率理论Ⅱ——纵向扩散项B/u影响因素：讨论：

速率理论Ⅱ——纵向扩散项B/u讨论：①γ——与填充物有关的因子（弯曲因子）空心柱γ=1填充柱γ<1

②纵向扩散与u成反比

u大，B/u可忽略

u小，不可忽略③Dg——

组分在气相中的扩散系数

M载气大，Dg

小，如：N2

M载气小，Dg

大，如：H2，He速率理论Ⅱ——纵向扩散项B/u降低纵向扩散选用分子量较大的载气选择载气原则：兼顾分析时间和减小纵向扩散

u

较小时，选

M

较大的N2气（粘度大）

u

较大时，选M

较小的H2

气，He

气（粘度小）速率理论Ⅱ——纵向扩散项B/u较低的柱温控制较高线速度C·u传质阻抗项B/u纵向扩散项A涡流扩散项H产生原因：样品在气液两相间分配，样品未及溶解就被带走，从而造成峰扩张速率理论Ⅲ——传质阻抗项C·u传质阻抗系数动画讨论：注：固定液应完全覆盖载体表面，不可以太薄，否则柱子寿命短，k太小；T不可以超过固定液最佳使用温度速率理论Ⅲ——传质阻抗项C·u影响因素：速率理论Ⅳ——柱效与流速H–u

曲线与最佳流速：

由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影响使得存在着一个最佳流速值。以塔板高度H

对应载气流速u作图，曲线最低点的流速即为最佳流速。速率理论Ⅳ——柱效与流速最佳流速值，即速率方程式中H

对u的一阶导数有一极小值

1.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因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因。2.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。3.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。4.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，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，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。速率理论Ⅴ——小结1.定义：相邻两组分间峰顶间距离是峰底宽平均值的几倍（衡量色谱分离条件优劣的参数）分离度分离度讨论：分配系数比α：

α=K2/K1=k2/k1将α，k，n

关系代入R

可得：

K2=K1时，α=1，α-1/α=0，R=0；无法分离

K2≠K1

时，n，α，k2

越大，R越大

n--影响峰宽窄α--影响峰间距k2--影响峰位分离度容量因子：分离度：2．影响分离的因素（计算式）前提——定义式基础上，相邻两组分的n一致（假设）

柱选择项柱容量项柱效项分离度图示k

影响峰位n影响峰宽窄α影响两峰间距分离度一.液－固吸附柱色谱法X:溶质分子Y:流动相分子a:吸附剂m:流动相一.液－固吸附柱色谱法1.基本概念固体吸附剂:多孔性物质,表面有许多吸附中心。吸附:溶质在液-固或气-固两相的交界面上集中浓缩的现象。定义:以固体吸附剂为固定相，利用被分离组分对固定相表面活性吸附中心吸附能力的差异而实行分离的色谱法。定义:

将固体吸附剂装在管状柱内，用液体流动相进行洗脱的色谱法。（1）吸附色谱法（adsorptionchromatography)（2）液－固吸附柱色谱法一.液－固吸附柱色谱法X:溶质分子Y:流动相分子a:吸附剂m:流动相流动相大量的,可视为常数。

组分Ka越大，tR越长2.液－固吸附柱色谱法一.液－固吸附柱色谱法3.吸附等温线一定温度下，某组分在吸附剂表面吸附大平衡时，该组分在两相中的浓度相关曲线一.液－固吸附色谱法等温线色谱峰原因直线型对称吸附剂表面没被饱和凸型拖尾吸附剂表面具有吸附能力不同的吸附位点凹型前沿进样量较大二.离子交换柱色谱固定相：离子交换树脂流动相：水溶液与缓冲液分离对象：离子化合物分离机制：差速迁移二.离子交换柱色谱离子交换树脂的结构带有活性基团的网状高分子聚合物骨架活性基团酚醛树脂：聚乙烯树脂：交联剂酸性基团碱性基团-SO3H-COOH-N+R3OH--NR2特殊基团1.离子交换树脂二.离子交换柱色谱离子交换树脂的分类依据活性基团分类阳离子交换树脂阴离子交换树脂强酸型弱酸型交换基为酸性，H+与阳离子交换—SO3H—COOH—OH交换基为碱性，阴离子发生交换强碱型弱碱型—N+(CH3)3OH-—N+H3OH-—N+H2ROH-—N+HR2OH-分类二.离子交换柱色谱阳离子交换反应阴离子交换反应二.离子交换柱色谱2.树脂的性能a.交联度交换树脂中，交联剂的含量为交换度，以重量百分比表示交联度网眼交换体积大的离子大小慢不易进入小弱小大小离子均可进入

阳离子交换树脂一般交联度：8％阴离子交换树脂一般交联度：4％（二）分配色谱法要求：固定相→机械吸附在惰性载体上的液体流动相→必须与固定相不为互溶载体→惰性，性质稳定，不与固定相和流动相发生化学反应分离机制见图示

狭义分配系数注：K与组分的性质、流动相的性质、固定相的性质以及柱温有关next图示分离机制利用组分在流动相和固定相间溶解度差别实现分离连续萃取过程

back（四）空间排阻色谱法要求：固定相→多孔性凝胶流动相→水——凝胶过滤色谱流动相→有机溶剂——凝胶渗透色谱分离机制见图示渗透系数

注：Kp仅取决于待测分子尺寸和凝胶孔径大小，与流动相的性质无关next图示分离机制：利用被测组分分子大小不同、在固定相上选择性渗透实现分离back二.离子交换柱色谱b.交换容量每克树脂能参加交换反应的活性基团数

单位：mmol/g，mmol/ml

反映树脂交换反应的能力c.粒度

以溶胀态所能通过筛孔来表示10-20目:交换水用

100-200目：分析用二.离子交换柱色