第十五章色谱分析法导论

周口师范学院·化学系授课老师：刘增臣AnalyticalChemistry分析化学（仪器分析）课程内容解析第一章绪论第三章光学分析法导论第四章原子发射光谱法第五章原子吸收与原子荧光光谱法第六章分子发光分析法第七章紫外-可见吸收光谱法第八章红外吸收光谱法第九章核磁共振波谱法第十章质谱分析法第十一章电分析化学导论第十二章电位分析法第十三章电解及库仑分析法第十四章极谱法与伏安法第十五章色谱法导论第十六章气相色谱法第十七章高效液相色谱法第十八章其它仪器分析方法光学分析电学分析分离分析其他分析质谱分析（其他分析）3第十五章色谱法导论第一节色谱基本概念第二节色谱理论基础第三节色谱定性定量分析4概述色谱法又称色层法或层析法，是一种比萃取、蒸馏等更高效、应用更广泛的分析技术。色谱法早在1906年由俄国植物学家Tswett分离植物色素时采用。他在研究植物叶的色素成分时，将植物叶子的萃取物倒入填有碳酸钙的直立玻璃管内，然后加入石油醚使其自由流下，结果色素中各组分互相分离形成各种不同颜色的谱带。这种方法因此得名为色谱法。以后此法逐渐应用于无色物质的分离，“色谱”二字虽已失去原来的含义，但仍被人们沿用至今。5在色谱法中，将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相（固体或液体）称为固定相；自上而下淋洗运动的一相（一般是气体或液体）称为流动相；装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）称为色谱柱。6ts7色谱法的实质色谱法的实质是一种物理化学分离分析方法。基于混合物中各组分在互不相容的两相中，具有不同的分配系数，当两相做相对运动时，混合物各组分在两相间进行反复多次的分配。这样就使得那些分配系数只有微小差别的组分在移动速率上产生差别，从而得到分离。8色谱法的分类1.按两相物理状态分类气固色谱(GSC)、气液色谱(GLC)、液固色谱(LSC)、液液色谱(LLC)2.按固定相的固定方式状态分类(1)柱色谱：填充柱色谱和毛细管柱色谱--固定相安装在柱内或柱壁上。(2)薄层色谱：将固定相涂在玻璃板或塑料板上。(3)纸色谱：用滤纸做固定相或固定相载体。93.按分离机理分类(1)吸附色谱：利用吸附剂对不同组分的吸附性能的差别而进行分离(2)分配色谱：利用不同组分在两相间的分配系数的差别而进行分离(3)其他：离子交换色谱，凝胶色谱，离子对色谱，配合色谱，亲和色谱。4.其它色谱类型基于色谱过程的特殊物化原理或特殊的操作方式等，色谱法还有其他一些特殊类型，如化学键合色谱、制备色谱、裂解色谱、二维色谱等。10色谱的发展从Tewett建立色谱法至今，色谱法已成为专门的学科。1952James和Martin发展了气相色谱；是色谱法的革命性进展。1967Kirkland等研制高效液相色谱法；再一次推动了色谱法的发展。11色谱法的特点1.分离效率高，可用于分离复杂化合物2.灵敏度高，可以检测到ug/g至ng/g级的物质含量。3.分析速度快4.应用范围广：气相色谱--沸点低于400度；液相色谱--高沸点、热不稳定、生物试样。5.不足：被分离组分的定性问题12第一节色谱基本概念一、色谱分离过程AB两组分吸附能力和分配系数的差别，导致两组分在柱中移动速率不同，经过数次吸附(分配)，组分逐渐分开，先后进入检测器检测。1314二、色谱常用术语1.色谱图色谱柱中的流出物通过检测器产生的信号对时间（或流动相体积）的曲线在适当的色谱条件下，每个组分对应的色谱峰一般呈正态分布，色谱图是定性、定量和评价色谱分离情况的基本依据。152.基线色谱柱中只有载气无样品通过时，检测器响应信号反应的是系统噪音随时间变化的线称为基线。在实验条件稳定时，基线是一条直线。3.峰高色谱峰最高点与基线之间的距离4.区域宽度色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参数之一，用于衡量柱效率及反映色谱操作条件的动力学因素。表示色谱峰区域宽度通常有三种方法。信号进样空气峰ha色谱流出曲线色谱峰161.标准偏差---即0.607倍峰高处色谱峰宽的一半(高斯曲线)。2.半峰宽Y1/2---即峰高一半处对应的峰宽。它与标准偏差的关系为Y1/2=2.3543.峰底宽度Y---即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上截距间的距离。它与标准偏差的关系是Y=4175.保留值试样各组分在色谱柱中保留行为的量度，反映了组分与固定相间作用力大小，通常用保留时间和保留体积表示。可以揭示色谱过程的作用机理和分子的结构特征。(1)保留时间tR试样从进样到柱后出现峰极大点时所经过的时间，称为保留时间，是色谱定性的依据。信号进样tR18(2)死时间t0不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时，从进样到出现峰极大值所需的时间称为死时间，它正比于色谱柱的空隙体积，如下图。信号进样tM(3)调整保留时间tR´某组分的保留时间扣除死时间后，称为该组分的调整保留时间，即组分在固定相中停留的时间。即tR´=tRt019(4)保留体积VR指从进样开始到被测组分在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积。保留时间与保留体积关系：VR=tRqo(色谱柱出口的载气流量)(5)死体积V0指色谱柱在填充后，柱管内固定相颗粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间的总和。当后两项很小可忽略不计时，死体积可由死时间与色谱柱出口的载气流速qo（cm3·min-1）计算。(6)调整保留体积VR某组分的保留体积扣除死体积后，称为该组分的调整保留体积。VR=VRV0=tRqo20(7)相对保留值r2,1(选择性因子α)某组分2的调整保留值与组分1的调整保留值之比，称为相对保留值。r2,1=tR2/tR1´=VR2/VR1由于相对保留值只与柱温及固定相性质有关，而与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关，因此，它在色谱法中，特别是在气相色谱法中，广泛用作定性的依据。(8)保留指数Ix1958年，Kovats提出用正构烷烃系列作为度量被测物质的相对保留值的标准，引进了保留指数的概念。是色谱定性的指标。21正构烷烃的保留指数定义为100z，z为其碳数。在相同的色谱条件下测定被测组分及两个相邻(间隔)正构烷烃的调整保留时间)]'lg'lg'lg'lg([100)()()()(zRnzRzRxRttttnzIx226.分配系数K它（K）是指在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度之比值，即K=溶质在固定相中的浓度/溶质在流动相中的浓度=ρs/ρm7.分配比k分配比又称容量因子，它是指在一定温度和压力下，组分在两相间分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的物质的质量之比。即k=组分在固定相中的物质的量/组分在流动相中的物质的量=ms/mm23分配系数与分配比之间的关系K=ρs/ρm==k.(相比)8.保留值与分配系数K及分配比k的关系保留体积与热力学平衡常数之间K的关系VR=V0+KVsVR=V0（1+k）tR=t0（1+k）r2,1=tR2/tR1´=K2/K1=k2/k1分配系数和分配比都与组分及固定液的热力学性质有关，并随柱温、柱压的变化而变化，分配系数与两相体积无关，分配比则随着固定液的量而变化，k值越大，组分在固定液中的量越多，相当于柱的容量越大。smmsVVmm24第二节色谱理论基础色谱分离的条件：1.两相邻组分保留值存在一定差别，即洗出两个色谱峰具有足够的距离。受色谱热力学控制(塔板理论)。2.色谱峰区域宽度要窄。受色谱动力学控制(速率理论)。一、塔板理论最早由英国生物学家Martin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，同时引入理论塔板数作为衡量柱效率的指标，即色谱柱是由一系列连续的、相等的水平塔板组成。每一块塔板的高度用H表示，称为塔板高度，简称板高。2526塔板理论假设：1.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。2.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（ΔVm）。3.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。4.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。简单地认为：在每一块塔板上，溶质在两相间很快达到分配平衡，然后随着流动相按一个一个塔板的方式向前移动。对于一根长为L的色谱柱，溶质平衡的次数应为：n=L/Hn称为理论塔板数。与精馏塔一样，色谱柱的柱效随理论塔板数n的增加而增加，随板高H的增大而减小。27n与半峰宽及峰底宽的关系式为：n=5.54(tR/W1/2)2=16(tR/Wb)2组分的保留时间越长，峰形越窄，则理论塔板数n越大，色谱柱效能越高。计算出来的的n和H值有时并不能充分地反映色谱柱的分离效能，因为采用tR计算时，没有扣除死时间tM，所以常用有效塔板数n有效表示柱效：n有效=5.54(tR/W1/2)2=16(tR/Wb)2有效板高：H有效=L/n有效28例：已知某组分峰的峰底宽为40s，保留时间为400s，计算此色谱柱的理论塔板数。解：n=16(tR/Y)2=16（400/40）2=1600块29塔板理论是一种半经验性理论。它用热力学的观点定量说明了溶质在色谱柱中移动的速率，解释了流出曲线的形状，并提出了计算和评价柱效高低的参数。但是，色谱过程不仅受热力学因素的影响，而且还与分子的扩散、传质等动力学因素有关，因此塔板理论只能定性地给出板高的概念，却不能解释板高受哪些因素影响；也不能说明为什么在不同的流速下，可以测得不同的理论塔板数，因而限制了它的应用。30二、速率理论1956年荷兰学者vanDeemter（范第姆特）等在研究气液色谱时，提出了色谱过程动力学理论——速率理论。他们吸收了塔板理论中板高的概念，并充分考虑了组分在两相间的扩散和传质过程，从而在动力学基础上较好地解释了影响板高的各种因素。该理论模型对气相、液相色谱都适用。vanDeemter方程的数学简化式为H=A+B/u+Cu式中u为流动相的线速度；A、B、C、为常数，分别代表涡流扩散系数、分子扩散项系数、传质阻力项系数。311.涡流扩散项A在填充色谱柱中，当组分随流动相向柱出口迁移时，流动相由于受到固定相颗粒障碍，不断改变流动方向，使组分分子在前进中形成紊乱的类似涡流的流动，故称涡流扩散。32由于填充物颗粒大小的不同及填充物的不均匀性，使组分在色谱柱中路径长短不一，因而同时进色谱柱的相同组分到达柱口时间并不一致，引起了色谱峰的变宽。色谱峰变宽的程度由下式决定：A=2λdp上式表明，A与填充物的平均直径dp的大小和填充不规则因子λ有关，与流动相的性质、线速度和组分性质无关。为了减少涡流扩散，提高柱效，使用细而均匀的颗粒，并且填充均匀是十分必要的。对于空心毛细管，不存在涡流扩散，因此A=0。332.纵向扩散项B/u（分子扩散项）纵向分子扩散是由浓度梯度造成的。组分从柱入口加入，其浓度分布的构型呈“塞子”状。它随着流动相向前推进，由于存在浓度梯度，“塞子”必然自发的向前和向后扩散，造成谱带展宽。分子扩散项系数为B=2γDm式中：γ——弯曲因子，填充柱γ空心柱γ=1Dm——组分在流动相中的扩散系数γ是填充柱内流动相扩散路径弯曲的因素，也称弯曲因子(阻碍因子)，它反映了固定相颗粒的几何形状对自由分子扩散的阻碍情况。Dm为组分在流动相中扩散系数（cm3·s-1）,分子扩散项与组分在流动相中扩散系数Dm成正比.34Dm与流动相及组分性质有关：(a)相对分子质量大的组分Dm小，Dm反比于流动相相对分子质量的平方根，所以采用相对分子质量较大的流动相，可使B项降低；(b)Dm随柱温增高而增加，但反比于柱压。另外纵向扩散与组分在色谱柱内停留时间有关，流动相流速小，组分停留时间长，纵向扩散就大。因此为了降低纵向扩散影响，要加大流动相速度。对于液相色谱，组分在流动相中纵向扩散可以忽略。353.传质阻力项Cu由于气相色谱以气体为流动相，液相色谱以液体为流动相，它们的传质过程不完全相同。（1）气液色谱传质阻力系数C包括气相(流动相)传质阻力系数Cm和液相(固定相)传质阻力系数Cs两项，即C=Cm+C