复旦仪器分析课件11色谱分析概论

1第十六章色谱分析概论色谱过程和基本原理基本类型及其分离机制色谱法基本理论色谱法的发展概况2•色谱法（chromatorgraphy）是一种物理/物理化学分离分析方法•高效能的分离能力•20世纪初，俄国植物学家Tweet首创并命名•两次诺贝尔化学奖与之有关•各国药典及其他标准的法定方法3第一节色谱过程和基本原理一、色谱过程由于结构和性质的不同，试样中各组分与固定相作用的类型、强度也不同，结果在固定相上的滞留时间（或被流动相携带移动的速度）不等，产生差速迁移而被分离。样品4二、色谱流出曲线和有关概念（一）色谱流出曲线和色谱峰1.色谱流出曲线2.基线3.色谱峰4.对称因子样品5对称因子fs(symmetryfactor)fs=W0.05/2A=（A+B）/2A对称峰fs：0.95~1.05前延峰fs：0.95拖尾峰fs：1.05W1/20.05hABhW0.05h6（二）保留值•保留时间tR•死时间t0•调整保留时间tR'tR'=tR–t0•保留体积VR•死体积V0•调整保留体积VR'VR'=VR-V0=FctR'VR=Fc·tRV0=Fc·t07•相对保留值relativeretention;r''''1,21212RRRRVVttr•保留指数retentionindex;Iz为正构烷烃的碳原子数。n通常为1。规定正己烷、正庚烷及正辛烷等的保留指数分别为600、700及800，多数同系物每增加一个CH2，保留指数约增加100。')(')(')(')(lglglglg100zRnzRzRxRxttttnzI8例：测定甲苯的保留指数，实验得到下列色谱图，请根据色谱图求出甲苯的Ix724)24.017(100137lg293lg137lg165lg1710016522187(＝＝‘甲苯）Rt13722159(＝＝‘）zRt29322315(＝＝‘）nzRtt')(')(')(')(lglglglg100zRnzRzRxRxttttnzI9（三）色谱峰高和峰面积•峰高h•峰面积A（四）色谱峰和区域宽度•标准差•半峰宽W1/2•峰宽WhW1/212h0.607h10（五）分离度resolution21RR21RR)(22/)(1212WWttWWttR＝＝若W1W2=4R=1时，4分离，基本分离R=1.56分离，完全分离在作定量分析时，应使R1.511三、分配系数与色谱分离（一）分配系数和保留因子1.分配系数ms=ccK2.保留因子（质量分配系数、分配比、容量因子）k=cmVmcsVsmsmm==VsVmK12（二）K、k和t之间的关系•保留比流动相的线速度u，组分的速度v•在定距展开，如柱色谱中v=L/tR，u=L/t0，•保留比与组分分子在流动相中的分数有如下关系uvR'RttR0'ssmmmmSmmsmm'VcVcVcNNNtttRkR11'v=L/tRu=L/t013K、k和t之间的关系RttR0'kR11'tR=t0(1+k)或tR=t0(1+KVsVm)0R00Rtttttk'色谱过程方程式14（三）色谱分离的前提•若组分A和B通过色谱柱tRA=t0(1+KAVsVm)tRB=t0(1+KBVsVm)tR=tRA-tRB=t0(KA-KB)VsVmK（k）不等是分离的前提或tR=t0(kA-kB)tRA=t0(1+kA)tRB=t0(1+kB)15第二节基本类型色谱法及其分离机制一、分类LC柱色谱法平面色谱法GC柱色谱法GSCGLCTLCLLCLSCSECIECBPC纸色谱LLC色谱法LSCCECSFCCE按分子聚集状态按操作形式16分类－按分离机制•分配色谱法•吸附色谱法•离子交换色谱法•分子排组色谱法172.固定相和流动相3.洗脱顺序固定相（固定液）载体上涂渍薄层液体GLCH2，N2LLC水，有机溶剂正相反相流动相洗脱顺序极性1.分离机制mmssmsVXVXccK//二、分配色谱法（GLC，LLC）极性弱先出峰极性强先出峰K-狭义分配系数18三、吸附色谱法（GSC,LSC）1.分离机制Xm+nYaXa+nYmKa-吸附系数)1(0maaRVSKttmmaamaaVXSXXXK//][][吸附解析柱色谱中：192.固定相和流动相吸附色谱法极性强时，洗脱能力（0）强固定相流动相多为吸附剂（常用硅胶）GSC：气体LSC：有机溶剂3.洗脱顺序mmaamaaVXSXXXK//][][)1(0maaRVSKttKa与组分的性质，吸附剂的性质和流动相的性质有关Ka值大，后流出色谱柱20四、离子交换柱色谱法IEC1.分离机制RSO3H+Na+RSO3Na+H+交换再生+AR-BR-A+BKA/B大，交换能力强，易保留通式：选择性系数RNH3+OH-+Cl-RNH3+Cl-+OH-B][A][RA][B][RA/BK212.固定相和流动相离子交换色谱法固定相流动相离子交换剂一定pH和离子强度的缓冲溶液3.影响保留行为的因素•被分离离子•离子交换剂•流动相价态高的离子选择系数大水合离子半径，选择系数B][A][RA][B][RA/BK22影响保留行为的因素•被分离离子•离子交换剂•流动相RCOOH+Na+RCOONa+H+H+交换能力强柠檬酸根PO43-SO42-I-NO3-SCN-NO2-Cl-HCO3-CH3COO-OH-F-RNR3OH+Cl－RNR3Cl+OH－离子交换色谱法强酸性弱酸性阳离子交换树脂强碱性弱碱性阴离子交换树脂23影响保留行为的因素•被分离离子•离子交换剂•流动相流动相组成不同，洗脱能力不同流动相pH的影响主要影响弱离子交换树脂的交换能力流动相组成的影响离子交换色谱法RCOOH+Na+RCOONa+H+24五、分子排阻色谱法MEC（空间排阻色谱法SEC）1.分离机制Kp=Xs/XmXs=0，则Kp=0Xs=Xm，Kp=10＜Kp＜1渗透系数XSXm252.固定相和流动相•固定相多孔性凝胶，故又称凝胶色谱法（gelchromatography）有机溶剂：凝胶渗透色谱法水溶液：凝胶过滤色谱法性能参数：平均孔径、排斥极限和相对分子量•流动相相对分子量范围分子排阻色谱法Kp=0排斥极限Kp=1全渗透点263.保留体积与渗透系数的关系Vs—凝胶孔穴的总体积，Vm—色谱柱内凝胶的粒间体积，近似于死体积V0)1(msPmRVVKVVsp0RVKVV渗透系数小，或分子线团尺寸（相对分子质量）大的组分，保留体积小，即先被洗脱出柱。分子排阻色谱法Xs=0，则Kp=0Xs=Xm，Kp=10＜Kp＜127四种基本类型色谱法)1(ms0RVVKtts0RKVVVKVs狭义分配系数K色谱柱内固定液体积吸附系数Ka吸附剂表面积选择性系数KA/B离子交换剂总交换容量渗透系数Kp凝胶孔内总容积28第三节色谱法基本理论•塔板理论（platetheory）热力学理论，从相平衡观点来研究分配过程。•速率理论（ratetheory）动力学理论，从动力学观点来研究各种动力学因素对峰展宽的影响。29一、塔板理论基本假设•在一个塔板高度H内，组分可在两相中瞬间达到分配平衡•分配系数K在各塔板上是常数•流动相间歇式通过色谱柱•试样在柱内的纵向扩散可略30（一）质量分配和转移分配色谱过程模型kA=2kB=0.501ABABN=0进样1.0001.000分配平衡0.3330.667载气0.6670.333固定液N=1进气0.3330.667载气0.6670.333固定液分配平衡0.2220.2220.1110.445载气0.4450.1110.2220.222固定液塔板号组分进气次数31分配色谱过程模型kA=2kB=0.523进气0.1110.445载气N=20.2220.222固定液平衡0.0740.1480.0370.296载气0.1480.0740.0740.148固定液N=3进气0.0370.297载气0.0740.148固定液平衡0.0250.0990.0120.198载气0.0490.0490.0250.099固定液ABAB32转移N次后，在各塔板内溶质含量的分布符合二项式的展开式：例：用二项式定理计算转移三次后各塔板内的溶质含量（k=2）：(ms+mm)N=ms3+3ms2mm+3msmm2+mm3=(0.667+0.333)3=0.297+0.444+0.222+0.037=1塔板号0123(ms+mm)N][][msmmk33•可由下述通式求出：Nmr=N!r!(N-r)!msN-rmmr转移N次后第r号塔板中的含量Nmr例如：N=3，r=0（0号塔板）的含量3m0=3!0!(3-0)!0.6673-00.3330=0.297N=3，r=3（3号塔板）的含量3m3=3!3!(3-3)!0.6673-30.3333=0.03734（二）流出方程曲线当塔板数很大时，流出曲线趋于正态分布222)(02Rttecct=tR时c=cmax20maxcc222)(maxRttecc峰面积和峰高是色谱定量参数35（三）理论塔板高度和理论塔板数n=tR()2色谱峰越窄，n越大，柱效越高n=tRW1/2()25.54H=Ln塔板数n塔板高度36举例•在柱长为2m的某柱子上、柱温1000C的实验条件下，测定苯的保留时间为1.5min，半峰宽为0.05min。求理论塔板高度和每米的理论塔板数。4987)05.050.1(54.5)(54.5222/1WtnR410449872nLH每米理论塔板数=24932498737二、速率理论H=A+B/u+Cu（二）影响柱效的动力学因素•涡流扩散系数A•纵向扩散系数B•传质阻抗系数C（一）VanDeemter方程381.涡流扩散（多径扩散）A=2dp涡流扩散产生峰展宽—填充不规则因子dp—填料（固定相）颗粒的直径392.纵向扩散（分子扩散）弯曲因子Dm组分在流动相中扩散系数B=2Dm纵向扩散产生峰展宽403.传质阻抗气液溶解Cs—固定相传质阻抗系数气液两相间物质的传递传质阻抗产生峰展宽流动相中固定相中液气挥发Cm—流动相传质阻抗系数41（二）流动相线速度对塔板高度的影响•在低速时，uH柱效•在高速时，uH柱效A=涡流扩散B=分子扩散C=传质阻力理论塔板高度HB/uA线速度u最佳流速42第四节色谱法的发展概况（一）发展历史•Tsweet实验•经典色谱薄层色谱/纸色谱•现代色谱GCHPLC•SFCCECEC（二）现状和发展趋势•新的固定相、新的检测器•新的方法•联用技术