第15章分离分析法导论

第15章分离分析法导论一、色谱分析法基本概念1.色谱分析法简介现代色谱分析法是一大类分离分析方法。在互不相溶两相间，混合物被流动相携带流过固定相，因各组分在两相间分配平衡的差异，各组分随流动相移动的速度有差异，经过一段距离的移动之后，混合物中各组分被一一分离。现代色谱分析，将分离和分析（检测）过程集成。对于混合物的分析检测，具独特优势。Agilent6820气相色谱仪●按流动相与固定相状态分类流动相为气体流动相为液体高效液相色谱仪2.色谱分析法的分类●按操作形式分类柱色谱：●按分离原理分类3.色谱图及色谱峰参数BA●色谱图信号（浓度）－时间曲线由基线和若干色谱峰组成。●色谱峰参数(一）保留值－定性1)死时间t00tLu流动相平均线速度柱长2）保留时间tR'0tttRR3）调整保留时间'tR4）死体积V00mcVtF5）保留体积VRRRcVtF6）调整保留体积RRcVtF’’7)相比msVV7）相对保留值r2,1222111,,()(),,,()()RRRRtVtV(二）峰高与峰面积－定量8）峰高（h）9）峰面积（A）（三）区域宽度－柱效10）峰底宽度Y自色谱峰上升沿和下降沿拐点所作切线在基线上的截距11）半峰宽Y1/2Y=1.70Y1/2。利用色谱曲线可以解决的问题？定性（保留值）定量（峰面积）评价色谱柱好坏Question组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？二、色谱分析法理论基础1、分配平衡（热力学过程）每一次分配达平衡时，A、B在柱内的位置会有一微小差异。只要分配次数足够多，就可以将分配系数有微小差别的组分一一分离当组分在两相间分配达平衡时●分配系数KmsccK组分在固定相中的浓度组分在流动相中的浓度●分配比κmsmmk组分在固定相中的质量组分在流动相中的质量当组分在两相间分配达平衡时分配系数K与分配比k的关系//sssmmmmscmVVKcmVVK与k都是与组分及两相热力学性质有关的常数。K与k都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值越大，该组分的保留时间越长。相对保留值与分配系数及分配比的关系2222211111,,()(),,()()RRRRtVKKtVk可直接从色谱图上获得00(1)(1)RRttVV色谱柱对1、2的选择性越好。K2/K1≠1（α21≠1）Question两组分能分离的必要条件是什么？色谱柱对1、2有相同的选择性α21＝1，峰距为0α21≠1，α21越大，峰距越远2、扩散和传质（动力学过程）1、2部分重叠组分在柱内的扩散及传质，使分配平衡不能瞬间完成，从而使色谱峰扩展、柱效下降。●塔板理论－衡量柱效能的高低将色谱柱视为精馏塔3、柱效能－评价分离效能峰越窄，柱效能越高色谱柱长度一定时，塔板数越多，分配平衡次数越多，柱效越高是由Martin和Synger首先提出的色谱热力学平衡理论。221255416RRttnYY/.L一定时，n越大(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。nLH理论塔板数理论塔板高度色谱柱长度柱效能指标221255416/''.RReffttnYYeffeffnLH有效塔板数有效板高不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用塔板数和塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。能够评价色谱柱柱效能，不能解释影响柱效能的因素塔板理论的特点与不足Question●速率理论－影响柱效能的因素范第姆特首先提出的色谱分离动力学理论CuuBAH流动相线速度范弟姆特方程1）A─涡流扩散项：范.弟姆特方程式物理意义固定相颗粒（dp）越小，填充越均匀（λ越小）A越小，H越小，柱效越高，色谱峰越窄。•板高,H(cm)固定相颗粒大小对板高的影响2）B/u─分子扩散项γ：弯曲因子；Dg：组分在流动相中的扩散系数气相色谱的分子扩散远大于液相色谱流动相柱内谱带构型相应的响应信号流动相固液界面固定相组分分子CsCm3）Cu─传质阻力项：C=（Cm+Cs）2,2,20.01(1)pmgdkCkDCm：流动相传质阻力固定相颗粒越小，载气扩散系数越大（分子量越小）气相传质阻力越小2,,223(1)fssdkCkDCs：固定相传质阻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CuuBAH例：已知一色谱柱在某温度下的速率方程的A=0.08cm;B=0.65cm2/s;C=0.003s,求最佳线速度u和最小塔板高H.解:H=A+B/u+Cu最佳线速:u最佳＝(B/C)1/2＝(0.65/0.003)1/2＝14.7cm/s最小板高:H最小＝A+2(BC)1/2＝0.08+2(0.65×0.003)1/2＝0.17cm例：某一气相色谱柱，速率方程式中A、B、C的值分别是0.15cm，0.36cm2.s-1,和4.3×10-2s，计算最佳流速和最小塔板高度。是否柱效能越高，色谱分离的效果就越好？QuestionQuestion载体粒度由60目改变为100目，若其它条件不变，H－u曲线有何变化同一根色谱柱，分别用H2、N2作载气，测出H-u曲线如下，判断A、B分别代表哪种流动相，并解释原因4、分离度（R）－全面评价两组分色谱分离的效果21211()2RRttRYY选择性柱效能R=1.5完全分离5、色谱分离基本方程式2221()()1)41nR(分离度与n、α及κ的关系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，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κ增加，R也增加，但效果不及α明显分离度与n有效的关系21()4effnR22200222002222'1616'1'111()()11()()()414RRReffeffRRReffeffefftttnnnYYnttttttnnnntnnR（）=（＋κ）=κ（＋κ）＋κ＋κ[]κκκ=例：分析某试样时，两组分相对保留值α2，1＝1.21，柱的有效塔板高度H有效＝1mm，需要多长的色谱柱才能分离完全？22221.2116)161.5()119511.211nR有效＝（－11951mm=1.195mLnH有效有效解：两组分能分离完全，则R≥1.521()4effnR例：两物质A和B在30cm长的色谱柱上的保留时间分别为16.4和17.63min，有一不与固定相作用的物质，其在此柱上的保留时间为1.30min。物质A和B的峰底宽分别为1.11和1.21min。试问：1）柱分离度R；2）柱平均理论塔板数nav3）平均塔板高度Hav4）若要求R达到1.5，则柱长至少应为多少？1）柱分离度R；2）柱平均理论塔板数nav3）平均塔板高度Hav4）若要求R达到1.5，则柱长至少应为多少？1、定性分析三、色谱定性定量分析1）用已知纯物质对照定性保留值定性2）用经验规律和文献值定性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)3(lg'nCAntr保留指数（文献对照）]lglglglg[100')(')1(')(')(ZrZrZrxrxttttZIZ,Z+1:正构烷烃的碳原子数进样)(xrt)(Zrt)1(Zrt例：乙酸正丁酯在阿皮松L柱上的流出曲线如下图所示。由图中测得调整保留距离为：乙酸正丁酯310.0mm，正庚烷174.0mm，正辛烷373.4mm。求乙酸正定酯的保留指数。6.775]0.174lg4.373lg0.174lg0.310lg7[100xI在与文献值对照时，一定要重视文献值的实验条件.3）联机定性GC/MS(气相色谱-质谱)例：川桂皮挥发油的化学成分分析色谱柱：SE－54(30m×0.25mm×0.25μm)色谱操作条件载气：氦气，流速1mL/min柱温：初温60℃保持1min，8℃/min升温至150℃，6℃/min升温至190℃，8℃/min升温至250℃，保持1min总离子流色谱图6号峰的质谱图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(196.1nm)C(193.1nm)S(180.7nm)2、色谱定量分析fi，：定量校正因子；Ai：峰面积()iiimfA峰面积’()iiimfh’峰高（1）峰面积的测量峰形对称的峰：A=1.065h•Y1/2（2）定量校正因子单位峰面积(或单位峰高)的组分的量绝对校正因子'if(通常以苯为基准)''s//iiiisisssifmAmAffmAmA相对校正因子P260：求苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯的相对校正因子（以苯为基准）180105967100180105967180105478196844059671801061204094520596718010668041149005967siissiissiissiishmfhmhmfhmhmfhmhmfhm....................苯＝甲苯＝乙苯＝二甲苯＝●归一化法normalizationmethod1122100%100%....iiiinnmAfwmAfAfAf（3）定量计算方法试样中所有组分均须出完整的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。优点例：有一样品的色谱图，各组分的f值，色谱峰的面积列于下表。用归一化法求各组分的含量。组分乙醇庚烷苯乙酸乙酯峰面积相对校正因子5.00.829.00.894.01.007.01.01●外标法（标准曲线法）过程：用待测组分标准物制备一系列不同含量的标准溶液，在选定色谱条件下取相同体积分别测定，用峰面积对含量做标准曲线。特点：适合大批量试样的分析。0123450100200300400500浓度信号BiiiiiissssssmfAfAmmmfAfAsiiiiss100%100%mmfAwmfAm●内标法内标物在样品中最好不存在，其保留值在所有组分保留值的中间，加入内标物的含量和待测组分含量不应相差很大。方法：选择一种试样中不存在的物质为内标物，将一定量内标物加入到准确称量的试样中，混匀后取一定体积进样测定：适用：不能采用归一化法、外标法的情况特点：准确度高，但增加了工作量有一试样含甲酸、乙酸、丙酸及少量水、苯等物质。称取试样1.055g，以环己酮作内标，称取0.1907g环己酮加到试样中，混合均匀后，得如下数据,求甲酸、乙酸、丙酸的质量分数化合物甲酸乙酸环己酮丙酸峰面积相对校正因子14.83.8372.61.781331.0042.41.07例:测定二甲苯氧化母液中乙苯和二甲苯含量，采用内标法。称取试样1500mg，加入内标物壬烷150mg，混合均匀后进样，测得如下数据：组分壬烷乙苯对二甲苯间二甲苯邻二甲苯峰面积校正因子981.02700.97951.001200.95800.98计算样品中乙苯、对二甲苯、间二甲苯的含量解：10068乙苯乙苯壬烷乙苯壬烷壬烷%.%AfmCAfmsiiiiss100%100%mmfAwmfAm10095对二甲苯对二甲苯壬烷对二甲苯壬烷壬烷%.%AfmCAfm100114间二甲苯间二甲苯壬烷间二甲苯壬烷壬烷%.%AfmCAfm