《色谱学lecture》PPT课件.ppt

1、,色谱学 第二讲,2011年9月26日,2,2008年9月,罪魁祸首：“假蛋白”三聚氰胺(Melamine),C3H6N6,3,结石机理,J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 7518-7533,4,色谱技术,为什么会被添加？,含氮量高、不易被发觉,为什么不易被发觉？,检测方法有漏洞,如何来检测？,5,6,（一）色谱流出曲线术语：分离与柱效， 定性与定量,相对保留值ri,s,分离因子,分配系数K和分配比k,1 分配系数,2 分配比(容量因子)k,k可直接从色谱图上获得。,组分及固定相一定时,温度增加,K减小?,分配系数K与分配比k的关系,分离因子与分配系数K及分配比k的关系

2、,最早由Martin等人提出塔板理论，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，同时引人理论塔板数作为衡量柱效率的指标。,塔板理论（plate theory）,(二）色谱理论,该理论假定： （i）在柱内一小段长度H内，组分可以在两相间迅速达到平衡。这一小段柱长称为理论塔板高度H。 （ii）以气相色谱为例，载气进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔板体积（Vm）。 （iii）所有组分开始时存在于第0号塔板上，而且试样沿轴（纵）向扩散可忽略。 （iv）分配系数在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关。 为简单起见，设色谱往由5块塔板（n5，n

3、为柱子的塔板数）组成，并以r表示塔板编号，r=1，2，nl；某组分的分配比k=1.,根据上述假定，在色谱分离过程中，该组分的分布可计算如下： 开始时，若有单位质量，即m=1（例1mg或1g）的该组分加到第0号塔板上，分配平衡后，由于k=1，即ns=nm故nm=ns=0.5。当一个板体积（lV）的载气以脉动形式进入0号板时，就将气相中含有nm部分组分的载气顶到1号板上，此时0号板液相（或固相）中ns部分组分及1号板气相中的nm部分组分，将各自在两相间重新分配。故0号板上所含组分总量为0.5，其中气液（或气固）两相各为0.25而1号板上所含总量同样为0.5气液（或气固）相亦各为0.25。以后每当一

4、个新的板体积载气以脉动式进入色谱柱时，上述过程就重复一次(见下表)。,按上述分配过程，对于n=5，k=1，m=1的体系，随着脉动进入柱中板体积载气的增加，组分分布在柱内任一板上的总量（气液两相中的总质量）,由塔板理论可建流出曲线方程：,m为组分质量，Vr为保留体积，n为理论塔板数。 当流动相体积V=Vr 时，C值最大，即,理论塔板数,理 论 塔 板 高 度,色谱柱长度,柱效能指标,当色谱柱长度一定时，塔板数 n 越大(塔板高度 H 越小)，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能越高，所得色谱峰越窄。,从上两式可以看出，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

5、标。 通常填充色谱柱的n103，H1mm。而毛细管柱 n=105-106，H0.5mm 由于死时tM包括在tR中,而实际的tM不参与柱内分配,所计算的n值尽大,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。,塔板理论用热力学观点形象地描述了溶质在色谱柱中的分配平衡和分离过程，导出流出曲线的数学模型，并成功地解释了流出曲线的形状及浓度极大值的位置，还提出了计算和评价柱效的参数。但由于它的某些基本假设并不完全符合柱内实际发生的分离过程，例如，纵向扩能解释造成谱带扩张的原因和影响板高的各种因素，也不能说明为什么在不同流速下可以测得不同

6、的理论塔板数，这就限制了它的应用。,塔板理论的作用与不足,作用：1.塔板理论方程式描述色谱流出曲线应该是正态分布函数，与实际记录的色谱流出曲线相符合，对色谱分配系统有指导意义。 2.理论塔板数公式：n评价色谱柱是成功的。 3.塔板理论提出了塔板高度对色谱峰区域宽度扩张的影响。,不足：1.模拟假设条件提出，同实际情况有差异，所以色谱分配定量关系不准确。 2.塔板理论不能解释H与色谱峰扩张关系。 3.忽略了纵向扩散的作用。 4.流速差异所造成不同的塔板数。,2 速率理论影响柱效的因素,范弟姆特方程,沈昊宇， ,24,1) A涡流扩散项,A = 2dp dp：固定相的平均颗粒直径 ：固定相的填充不均

7、匀因子,固定相颗粒越小dp，填充的越均匀，A，H，柱效n。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄。 空心毛细管柱：A =0,沈昊宇， ,25,2) B/u 分子扩散项,B = 2 Dg ：弯曲因子，填充柱色谱，1。 Dg：试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2s-1） (1) 存在着浓度差，产生纵向扩散; (2) 扩散导致色谱峰变宽，H(n)，分离变差; (3) 分子扩散项与流速有关，流速，滞留时间，扩散; (4) 扩散系数：Dg (M载气)-1/2 ； M载气，B值。 (5) 较低的柱温可以减小B,3) 传质阻力项Cu,气相传质阻力,固定相颗粒越小,气相传质阻力越小,液相传质阻

8、力,固定液粘度及液膜厚度越小,液相传质阻力越小,4) 流动相线速度对板高的影响,气相色谱：H = B/u + Cu 液相色谱：H = A + Cu,气相色谱与液相色谱法的H-u图,图18d1说明了柱效和选择性对分离的影响。图中（a）两色谱峰距离近并且峰形宽。两峰严重相叠，这表示选择性和柱效都很差。图中（b）虽然两峰距离拉开了，但峰形仍很宽，说明选择性好，但柱效低。图中（c）分离最理想，说明选择性好，柱效也高。,四 分离度,分离度作为色谱柱的总分离效能指标，以判断难分离物质对在色谱柱中的分离情况。 分离度（R）定义为：,相邻两峰的保留时间之差与两组分峰宽平均值之比值， R 1时，两峰有 98 以

9、上的分离； R= 1.5时，分离程度可达 99 7 。 一般用 R=1.5为相邻两峰完全分离的标志。,返回,R=1.5 完全分离,分离度与k、n及 的关系, k从1增加到3，R增加到原来的1.5倍 (k: 2-7), n增加到原来的3倍，R增加到原来的1.7倍, 从1.01增加到1.1，增加约9，R增 加到原来的9倍,结论,选择合适的固定相(流动相)以增加 是改善分离度最有效的方法,1) 各组分的分配系数必须不同。这一条件通过选择合适的固定相来实现。 2) 色谱柱的柱效要高。 3) 在保证快速分离的前提条件下，色谱柱应足够长。,使试样中的不同组分分离需要满足的条件,三 气相色谱分析方法及应用,

10、一 定性分析,1 用已知纯物质 对照定性,保留值定性 峰高增加法定性,2 用经验规律和文献值定性,(1) 经验规律,碳数规律,在一定温度下，同系物的调整保留时间的对数与分子中碳数成线性关系,如果知道两种或更多同系物的调整保留时间，则可求出常数A和C。从色谱图查出未知物的 后，根据上式即可求出未知物的碳数。,(2) 相对保留值,3.与其他分析仪器联用的定性方法,色质谱联用仪（GC-MS；LC-MS） 色谱-红外光谱仪联用仪、原子发射仪等； 组分的结构鉴定,气相色谱联用技术GC-MS,MS：利用电磁学原理将样品分子转换为带电荷的气态离子，并按照核质比将其分离并记录下来，从而获得分子结构的方法。 质

11、谱单元：真空部分、电离源、质量分析器、检测器 气质联用：接口单元色谱仪柱出口压力为105Pa，质谱仪必须保证在高真空度下运行。为了解决压力的不协调性接口。 接口方式：开口分流法通入保护气流（He），使色谱柱的末端保持常压，而不会降低系统的分离效率。限阻管具有适当的阻力，仅有一小部分被引入质谱（大部分被放空）。 分子分离器：通过分馏技术，使进入质谱的气流获得富集，以保证较高的灵敏度。 直接连接法：毛细管柱内径细，柱流量小，即使色谱出来的所有气流全部流入质谱系统，真空系统仍可以维持较好的状态。,GC/AES(气相色谱原子发射光谱),二甲基硒,烯丙基甲基硒,甲基亚磺基硒酸甲酯,二甲基二硒,2丙稀硫硒

12、酸甲酯,1丙稀硫硒酸甲酯,双(甲硫)硒,烯丙基甲基硫,二甲基二硫,二烯丙基硫,烯丙基甲基二硫,二甲基三硫,二烯丙基二硫,烯丙基甲基三硫,二烯丙基三硫,GC-AES同时检测大蒜中碳、硫、硒化合物,Se(196.1 nm),C(193.1 nm),S(180.7 nm),几种方法联合定性,质谱和保留指数两种鉴定方法的结果,例：缬草挥发油化学成分的研究,多种方法联合定性可大大提高鉴定的可靠性,二 定量分析,1 定量基础,或,单位峰面积(或单位峰高)的组分的量,定量校正因子,相对校正因子,2 常用的几种定量分析方法,(1)归一化法,试样中所有组分均须出峰,要求,操作条件如进样量、载气流速等变化时对结果的影响较小。,优点,C8芳烃异构体归一化定量分析,（2）外标法也称为标准曲线法。,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。,或,(3)内标法,对内标物的要求： （a）试样中不含有该物质； （b）与被测组分性质比较接近； （c）不与试样发生化学反