色谱分析法教材.ppt

1、色谱分析方法，9.1概述色谱又称色谱法，是一种高效的物理分离技术。当它用于分析化学并与适当的检测手段相匹配时，它就成为色谱分析。色谱最早的应用是分离植物色素。方法如下：将碳酸钙放入玻璃管中，将含有植物色素(植物叶提取物)的石油醚倒入玻璃管中。此时，玻璃管的上端立即出现几种颜色的混合带。然后用纯石油醚洗涤。随着石油醚的加入，条带不断下移，逐渐分离成几个不同颜色的条带。洗涤后，可以获得各种颜色的颜料，并分别进行鉴定。色谱也是以它命名的。现在色谱早已不限于分离色素，其方法也有了很大的发展，但其分离原理仍是一样的。我们仍然称之为色谱。首先，色谱分离的基本原理：从上述方法中，我们可以看出色谱中有两个相，

2、一个相是固定的，我们称之为固定相；另一个相连续流过固定相，我们称之为流动相。色谱的分离原理是利用两相之间的亲和力差异，如分配系数和吸附容量。利用外力，包含样品的流动相(气体、液体)通过固定在柱或平板中的固定相表面，并且与流动不混溶。当流动相中携带的混合物流经固定相时，混合物中的组分与固定相相互作用。由于混合物中各组分的性质和结构不同，组分和固定相之间产生的力的大小和强度也不同。随着流动相的移动，混合物在两个相之间反复分布和平衡，这使得组分在不同的时间被固定相保留，然后以一定的顺序从固定相流出。结合适当的柱后检测方法，可以实现混合物中各组分的分离和检测。色谱分类方法：色谱分析方法有很多种，从不同

3、的角度可以采用不同的分类方法。(1)从两相状态分类：在色谱中，流动相可以是气相或液相，可分为气相色谱和液相色谱。固定相可以是固体，也可以是涂在固体上的液体，所以气相色谱和液相色谱可以分为气液色谱、气固色谱、液固色谱和液液相色谱。分类如下：(2)按固定相形式分类：根据固定相的状态，可分为：柱层析：固定相装在色谱柱中；纸色谱：以滤纸为载体，吸附在纸上的水为固定相；薄层色谱法：固体吸附剂在玻璃平板或塑料平板上制成薄层作为固定相。根据分离原理，可分为：吸附色谱法：利用吸附剂表面(固定相通常为固体)分离不同组分吸附能力差异的方法；分配色谱法：一种利用两相之间分配系数的差异来分离不同组分的方法。离子交换色

4、谱法：从溶液中的离子交换剂中分离不同离子的方法。空间排阻色谱法：一种利用多孔物质分离不同大小分子排阻的方法。9.2色谱流出曲线(色谱图)及相关术语(1)气相色谱分离过程：分离过程(以组分甲和组分乙的分离为例)如下：混合组分的分离过程及不同阶段检测器对各组分的响应；(2)色谱流出曲线：从载气随组分进入色谱柱的那一刻起，流出色谱柱的气体由检测器检测，信号随时间的变化曲线由记录仪记录。如图所示，它是一条色谱流出曲线：色谱术语：1)基线：在实验条件下，当色谱柱被调用后只有纯流动相进入检测器时的流出曲线它是否是直的可以反映实验条件的稳定性。2)峰高(h)和峰面积：色谱峰和基线之间的距离称为峰高。色谱峰和

5、峰的基线所围成的面积称为峰面积。3)保留值a .死时间(t0):从进样到不与固定相相互作用的物质达到最大峰值的时间，与色谱柱的空隙体积成正比。由于该物质不与固定相相互作用，其流速与流动相相似。根据t0，可以计算出流动相的平均流速，b .保留时间tr:从进样到达到最大峰值的时间。它包括组分与流动相一起通过柱的时间t0和组分在固定相中的停留时间。调整保留时间tr:扣除停滞时间后的组分保留时间，停滞时间是指组分在固定相中的保留时间。也就是说，保留时间是色谱定性的基础。然而，同一组分的保留时间与流速有关，因此保留体积有时用于表示保留值。d .死体积V0:色谱柱管中固定相颗粒之间的间隙、色谱管道和连接器

6、之间的间隙以及检测器之间的间隙之和。忽略后两项，我们可以得到：其中Fco是色谱柱出口处的载气流速(毫升/分钟)，其值为：F0-检测器出口流速；Tr-室温。Tc-色谱柱温度；P0-大气压力；Pw-室温下的水蒸气压力。例如，保留体积Vr:指从样品注射到柱后分析物最大浓度点的流动相体积。调整保留体积：扣除死体积后的组件体积。相对保留值r2，1:组分2的调整保留值与组分1的调整保留值的比率。注：r2，1仅与柱温和固定相性质有关，与柱内径、柱长L、填充条件和流动相流速无关，因此在色谱分析中，特别是气相色谱中，它被广泛用作定性依据！具体方法：将一个色谱峰固定为标准峰S，然后计算其他峰I相对于标准峰的保留值

7、。此时，它表示为：1，也称为选择因子。h .面积宽度：色谱峰的面积宽度是色谱流出曲线的重要参数之一，可以用来衡量柱效，反映色谱操作条件下的动力学因素。宽度越窄，效率越高，分离效果越好。面积宽度通常有三种表达方式：标准差：峰高为0.607倍的峰宽的一半。半峰宽W1/2:半峰高处的峰宽。W1/2=2.354峰底宽度w:色谱峰两侧拐点上切线的交点与基线之间的距离。W=4，色谱流出曲线的显著性：色谱峰数=样品中单个组分的最小数量；色谱保留值的定性依据；色谱峰高或面积的定量基础；色谱保留值或面积宽度色谱柱分离效率评价指标；色谱峰间距选择固定相还是流动相是否合适。9.3色谱的基本原理色谱分析的目的是将样品

8、中的成分相互分离。为了实现组分的完全分离，两个峰之间的距离必须足够远。两个峰之间的距离由两相之间组分的分布系数决定，这与色谱过程的热力学性质有关。然而，尽管两个峰之间有一定的距离，如果每个峰都很宽，彼此重叠，就不能分开。这些峰的宽度或窄度由色谱柱中组分的传质和扩散行为决定，这与色谱过程的动力学性质有关。因此，应该从热力学和动力学的角度研究色谱行为。1.描述分配过程的参数1。分配系数(k):如前所述，分配色谱的分离基于当样品固定时，k主要取决于固定相的性质。在一定温度下，组分的分布系数k越大，峰值越慢；各组分在不同固定相上的分配系数k不同；选择合适的固定相可以提高分离效果；样品中各组分不同的k值

9、是分离的基础；当K=0时，组分将不会被固定相保留，而是首先流出。在一定条件下，各种物质的钾是不同的。在色谱分析中，k值较小的组分在每次分配后气相中的浓度较高，因此它们较早流出色谱柱。k较大的组分在每次分配后在气相中的浓度较小，因此它们随后流出塔。当分配时间足够长时，不同k的组分可以分离。因此，我们可以认为气相色谱法是用不同的钾含量的不同物质进行分离的。k的差异是由固定相中各成分的不同溶解度(对于气液色谱)或吸附能力(对于气固色谱)造成的。2.分配比：当两相之间的分配达到平衡时，在一定温度和压力下，在固定相和流动相中分配的组分的质量比，称为分配比。它反映了列中组件的迁移率。也称为保留因子。也称为

10、容量因数或容量比。其中VmV0，Vs为固定相的体积，分配比k: k的计算也等于组分的校正保留时间与死时间之比，所以k可以通过实验来测量。还可以知道，k可以表示组分在柱中停留时间的长度。k越大，停留时间越长。称为比率，也是反映色谱柱类型特征的参数。=635，用于填充柱；对于毛细管柱，=60600。3。钾与钾的关系。选择因子：色谱柱对甲、乙组分的选择因子定义如下：甲为先流出的组分，乙为后流出的组分。注：k或k反映某一组分在两相之间的分布；它反映了两个组件之间的分离！当两个分量的k或k相同时，即=1，两个分量不能分开；当两个分量之间的k或k的差值较大时，差值越大，分离越好。也就是说，两相中两种组分的

11、分布系数不同，这是色谱分离的前提。和k是计算色谱柱分离效率的重要参数！2.塔盘理论塔盘理论是一种半经验理论，描述色谱柱中两相之间的组分分布，并评估色谱柱的分离效率。塔板理论认为色谱柱是由许多塔板组成的蒸馏塔，并使用塔板的概念来描述组分在塔中的分布行为。塔盘是从蒸馏中借用来的，这是一个半经验理论，但它成功地解释了色谱流出曲线是正态分布的。塔板理论假设：1)塔板之间不连续；2)塔板之间没有分子扩散；3)各组分在各塔板两相之间的分布立即达到平衡，达到一级平衡所需的塔长为理论塔板高度h；4)某一构件在所有塔上的分布系数相同；5)流动相以不连续的方式加入，即一个接一个地加入。(1)色谱分离过程：塔板理论

12、假设色谱柱是一个蒸馏塔，塔内有许多塔板，组分分布在每个塔板的气相和液相之间，达到分布平衡。然后，随着流动相，它以一个托盘和一个托盘的形式向前移动。经过多次分配平衡后，分配系数小的组分先离开蒸馏塔(色谱柱)，分配系数大的组分随后离开蒸馏塔(色谱柱)，从而使分配系数不同的组分相互分离。分离过程如下图所示，我们再举一个例子来说明色谱图中各组分的分布该组分的分布可计算如下：(1)开始时，每单位质量的组分(即m=1)进入0号塔板，然后流动相以一板体积(v)和一板体积的脉冲形式进入色谱柱；此时，组分将分布在固定相和流动相之间，如下表所示：根据上述分布过程，对于n=5、k=1和m=1的系统，随着进入柱中板体

13、积的载气的增加，分布在柱中任何板上的组分总量(气相和液相的总质量)如下表所示： 从中可以看出，当n=5时，即当具有5个板体积的流动相进入柱时，呈现先小后大的情况。 以上是当托盘的数量为5，并且峰形不对称时的情况，这是由于托盘的数量太小的事实。当塔板数大于50时，峰形对称。在实际色谱柱中，n值非常大(约106-109)。因此，色谱峰呈正态分布。(2)柱效指数：色谱柱的分离能力(称为柱效)主要与塔板数有关。塔板越多，柱效率越高。柱的数量可以用理论板和有效板来表示。其中：tR为组分的保留时间；W1/2是某一组分色谱峰的半宽；w是色谱峰底部的宽度。从公式中可以看出，色谱柱的理论塔板数与峰宽和保留时间有

14、关。保留时间越长，峰越窄，理论塔板数越多。柱效率越高。1理论塔板数n:对于一个塔，理论塔板数可以通过以下公式计算：对于具有固定塔长l的塔，理论塔板的高度h是每个塔板的高度，也就是说，塔中组分的每个分布平衡所需的塔长称为理论塔板的高度。它越小，柱的效率越高。2有效塔板数n有效：上述计算理论塔板数的公式中所用的保留时间包括死时间，它与色谱柱中组分的分布无关，因此不能真实反映色谱柱的柱效。因此，引入了有效塔板数的概念。同样，有效托盘高度为：3。塔板理论的特点：(1)当柱长一定时，塔板数n越大(塔板高度h越小)，被测组分在柱中分布的次数越多，柱效越高，色谱峰越窄。(2)不同的物质在同一色谱柱上有不同的

15、分布系数。当有效塔盘的数量和有效塔盘的高度被用作测量柱效率的指标时，应指定待测定的物质。(3)柱效不能反映分离组分的实际分离效果。当两种组分的分布系数k相同时，无论色谱柱有多少塔板，都不能分离。(4)塔板理论不能指出影响塔效率的因素和提高塔效率的途径。三率理论范迪姆方程：托盘理论是一个半经验理论。它定性地给出了板块高度的概念，但不能指出影响板块高度的因素。基于塔板理论，速率理论给出了影响塔板高度的因素：u是流动相的线速度；a、b和c是常数，其中a分别代表涡流扩散系数；分子扩散系数；传质阻力系数(包括液相和固相传质阻力系数)。这个公式可以从动力学的角度解释影响塔板高度(塔效率)的各种因素！任何减

16、少等式右侧三个项的值的方法都可以减少H，从而提高柱效率。1)涡旋扩散项(a)在填充柱中，由于固定相颗粒的阻碍，组分在迁移过程中随着流动相不断改变方向，形成无序的“涡旋电流”:从图中可以看出，由于填充颗粒的尺寸和填充的不均匀性，同一组分的运行路线也不相同它的大小是B=2D，这是所谓的弯曲因子，这表明静止相的几何形状对自由分子扩散的阻碍；d组分在流动相中的扩散系数。当组分是气体或液体时，分别表示为Dg或Dm；讨论：大分子量组分的Dg小，即B的Dg随柱温升高而升高，随柱压降低而降低；流动相分子量大，Dg小，即B小；随着u的增加，组分停留时间变短，纵向扩散变小；(B/u)对于液相色谱，因为Dm很小，所以可以省略B项。球形粒子；大分子量流动相；适当增加流量；短柱；低温。3)传质阻力项(铜)由于传质阻力的存在，分布不能“瞬间”达到平衡，所以峰形变宽。气相色谱以气