第18章 色谱法导论

第18章色谱法导论18.1.概论18.1.1.分离科学的形成1.蒸馏器与蒸馏设备2.沉淀、结晶、电解、萃取等分离技术3.精馏、区域熔炼等4.色谱与电泳18.1.2.分离与色谱法分离（separation）是一种假定的（hypothetical）状态，在这种状态下，物质完全被分开（isolation），就是说，含有n种化学组分的混合物被分成n种纯的形式，并把它们置于n个独立容器中。困难：一是被分离组分在分离过程中再混合；二是被分离组分的浓度稀释或分子离散。色谱分离是基于混合物各组分在两相中分布系数的差异，当两相作相对移动时，被分离物质在两相间进行连续、多次分配，组分分配系数微小差异导致迁移速率差异，实现组分分离。dcbadcba18.1.2.分离与色谱法分析分离常在极微小体系内完成，如毛细管、芯片式的微通道。分离分析的微型化，即微分离（microseparation）技术是当前的发展趋势之一。色谱亦是高效制备分离方法。与分析分离相比，制备分离处理的样品或物料量要大得多，其目的也不尽相同。按分离目的和处理物料量可分为小规模实验室制备分离和大规模工业制备分离。经典柱色谱、制备色谱、萃取、精馏、结晶精馏、萃取、吸附、吸收、膜分离18.1.3.分离方法分类18.1.3.1.按相的类型分类18.1.3.分离方法分类18.1.3.2.按分离机理分类18.1.3.分离方法分类18.1.3.3.按分离过程推动力分类18.1.4.色谱法分类18.1.4.1.按固定相的形态分类柱色谱：填充柱、整体柱、毛细管或开管柱平面色谱：薄层色谱和纸色谱18.1.4.2.按色谱动力学过程分类淋洗色谱法置换色谱法迎头色谱法18.1.4.色谱法分类18.1.4.3.按两相的物理形态、分离机理等分类18.1.5.色谱法与其他分离、分析方法比较18.1.5.1.与精馏、萃取分离比较1.色谱、精馏与萃取同属平衡分离方法。2.色谱法与精馏、萃取分离比较具有速度快、效率和选择性高的特点。3.精馏不能分离沸点相同的组分，萃取不能分离在溶剂中溶解度相同的组分；色谱法可分离沸点、溶解度相同的组分，可分离物理、化学性质相近，其他分离方法不能或难以分离的组分。4.精馏、萃取可分离物理化学性质差别较大的组分，仪器分析色谱法每次处理样品量少。5.多级萃取和色谱法分离过程中分离组分被稀释。18.1.5.色谱法与其他分离、分析方法比较18.1.5.2.与化学分析方法比较1.不受化学性质限制，是一种分离分析方法。2.化学分析本身不具备分离功能，简单、快速。3.化学分析一般不适用于分析多组分的混合物。4.化学分析定量方法简易；色谱法定量测定较复杂。18.1.5.色谱法与其他分离、分析方法比较18.1.5.3.与光谱、质谱分析方法比较1.光谱、质谱主要是物质定性鉴定分析方法，色谱法本质上不具备定性分析功能。2.色谱法最主要的特点是适用于多组分复杂混合物分离分析。3.色谱仪器的价格相对比分子光谱、质谱仪器低得多，适用范围和领域更广。4.一般来说色谱检测器比分子光谱法灵敏度更高，比质谱灵敏度低。18.2．色谱法基础知识、基本概念和术语18.2.1．色谱分离和相应基础理论范畴色谱基础理论是从微观分子运动和宏观分布平衡探讨最大限度提高分离迁移和降低离散迁移的科学原理，包括色谱热力学、色谱动力学和色谱分离理论。各种色谱方法具有基本相同的动力学理论，也有相似的分离理论规律。18.2.2．分布平衡色谱过程涉及溶质在两相中的分布平衡(distributionequilibrium)，平衡常数K称为分布系数或分配系数：msCCK0)(.PTGsssaRTlnmmmaRTlnmmssaRTaRTlnln)exp(RTCCKms18.2.3．分布等温线分布系数与溶质浓度无关或随溶质浓度变化而改变。在恒定温度下，将CS对Cm作图所得组分或溶质在两相中的浓度关系曲线，称为分布等温线。18.2.4．分布等温线方程描述吸附等温线的数学方程称为等温线方程。由于固体对气体或溶液的吸附现象十分复杂，等温线形状多种多样，有些还无合适方程来描述，在色谱领域常用的等温线方程主要有三种。18.2.4.1．Freundlich方程nKPmX1nKCmCs1CmnKCslg1lglg18.2.4．分布等温线方程18.2.4.2.Langmuir方程18.2.4.3.BET(Bnunaure-Emmett-Teller)方程PKPKKCsmX.1..121])1(1)[(.002PPCPPCPKCsmX0220)1(1)(CPKPCCKPPCsP18.2.5．色谱流动相流速流动相的流速通常有两种度量方式：1.体积流速：以Fc表示，为单位时间流过色谱柱的平均体积表示，单位一般为mL·min-1。2.线速度：以u表示，定义为单位时间内流动相流经色谱柱的长度，也可称为速率，单位是cm·min-1、mm·min-1或mm·s-1。MtLu18.2.6.色谱图色谱柱内分离的样品各组分依次进入柱后检测器产生检测信号，其响应信号大小对时间或流动相流出体积的关系曲线称为色谱图。18.2.6.色谱图色谱图上的信息：1.说明样品是否是单一纯化合物。2.说明色谱柱效和分离情况。3.提供各组分保留时间等色谱定性资料和数据。4.给出各组分色谱峰高、峰面积等定量依据或按不同定量方法计算出的定量数据。术语：基线、色谱峰高、色谱峰区域宽度、标准差σ、半峰高宽度、色谱峰底宽、色谱峰面积。18.2.7.保留值保留值(retention)是样品各组分，即溶质在色谱柱或色谱体系中保留行为的度量，反映溶质与色谱固定相作用力类型和大小，与两者分子结构有关。18.2.7.1.比移值溶质通过色谱柱的平均线速度u与流动相平均线速度ux之比，以Rf表示。smmxfnnnuuR18.2.7.保留值18.2.7.3.保留体积死时间内流经色谱柱的流动相的体积称为死体积VM，即等于色谱柱内流动相体积。保留时间内流经色谱柱的流动相体积，称为保留体积，以VR表示。调整保留时间内流经色谱柱的流动相体积，称为调整保留体积VR’。VR=tR×FCVR’=tR’×FC=(tR-tM)×FC=VR-VMCMMFtV18.2.7.保留值18.2.7.4.保留因子(retentionfactor)溶质分布在固定相和流动相的分子数或物质的量之比，以k(或k’)表示(无因次)。MSMMSSmsVVKVCVCnnkMRMMRMRtttttttk,1kRf11)1()1(MSMMXMRVVKtktuutt')1(RMSMMRVVKVVkVV18.2.7.保留值18.2.7.5.相对保留值相对保留值α用以表述两组分或组分间保留差异，亦称为选择性因子(selectivityfactor)，它反映不同溶质与固定相作用力的差异。,1,21212ttkkKK18.2.7.保留值18.2.7.6.保留指数基于色谱保留值与分子结构关系，KovatsE提出以正构烷烃系列H(CH2)nH作为测定相对保留值的统一标准，并定义正构烷烃的保留指数为100n，如正辛烷保留指数为800，则欲测定某化合物(x)的保留指数以适当碳数正构烷烃的保留值表示。)(')1(')(')('lglglglgnRnRnRXRttttnX]lglg[100]lglglglg[100100),1(),()(')1(')(')('nnnXnRnRnRXRRntttnXI)]lglg([100)]lglglglg([100),(),()()()()(NnNnXNnNNXRnNRRRRnNI18.2.8.色谱柱结构特性参数评价色谱柱的优、劣一般根据两类指标：一是色谱柱性能指标：单位柱长的理论塔板数、特定两组分或物质对的选择性因子等二是色谱柱结构特性参数：色谱柱的总孔隙度、渗透性等，这直接关系到色谱仪器操作的流动相柱前压、分析速度等。18.2.8.色谱柱结构特性参数18.2.8.1.色谱柱总孔隙度柱横截面上流动相所占的分数，即色谱柱内流动相体积与柱总体积之比：18.2.8.2.渗透率与阻抗因子udFLdtFVVVVVCCCMCCMCPiT2244PdLFVtFPLuKKCCCMCTTf20420PdPLuK22202LtPdLuPdKdMPPP18.3.溶质分布谱带展宽-色谱动力学基础理论18.3.1.色谱过程的理论处理类型色谱过程的理论处理方法可根据分布等温线呈线性或非线性；色谱过程是理想或非理想状态分为不同类型。所谓理想色谱过程指溶质在两相间物质交换在热力学上可逆，传质速率很高，平衡瞬间实现，分子扩散可以忽略;非理想色谱这些假设都不成立。线性理想色谱；线性非理想色谱；非线性理想色谱；非线性非理想色谱18.3.2.2.溶质在色谱柱内分布平衡和迁移过程18.3.2.3.色谱流出曲线方程实际色谱柱N值很大，为103~106，因而洗出曲线一般趋近正态分市，可近似地用正态分布函数描述溶质分布，除以流动相体积，即可导出浓度变化方程:当V=VR=nmax△Vm，洗出色谱峰，此时溶质最大浓度Cmax,其流动相体积为VR，即为溶质保留体积：RVVVNVMeNCRR/22221RVMNC/221max22maxRVVRVNeCC22maxRttRtNeCC18.3.2.4.理论塔板的计算公式令VR–V=△V，当洗出溶质浓度C为最大浓度Cmax一半，即Cmax/C=2时，△V用△V1/2表示：2)2/1(2max2/RVVNeCC22/122/122/1254.5254.522ln8ttVVVVNRRR216WtNRNLH18.3.2.4.理论塔板的计算公式为了扣除死时间的影响=，引入以调整保留时间tR’计算的有效理论塔板数Neff和有效理论塔板高Heff的作为柱效指标。22/122/122/12'162'54.5254.5tttttttNRRMReffeffeffNLHeffNkkN21effHkkH2118.3.2.5.塔板理论的成就和局限塔板理论中的理论塔板数和板高按在色谱柱效评价中具有重要实用价值。然而，色谱是一个动态过程，区别于萃取、精馏等分级过程，不可能实现溶质在两相间真正分布平衡；忽略扩散、传质、瞬间实现平衡的假设也不符合色谱过程分子运动规律。塔板理论不能说明为何理论塔板数随流动相流速变化；色谱过程中溶质分子分布离散的原因；也未能深入探讨色谱柱结构、操作条件等对理论塔板数或塔板高度的影响，因而对色谱柱制备、操作条件优化等色谱实践的指导作用有限，而这正是色谱理论进一步发展的内在推动力。18.3.3.速率理论18.3.3.1.塔板高度的统计意义以标准差σ2作为分子在色谱柱内离散的度量，总的分子离散度应为单位柱长离散度之和，且与柱长呈正比，即σ2=HL。比例因子H=σ2/L，等于各独立分子离散因素之和：niiiiHHHHHLLLLH13212232221.......18.3.3.2.速率理论方程uCmCsuBACuuBAH)(//)11(/uCAuCuBHms'/AuCuBHsuCAAm111'18.3.3.3.气相色谱速率理论方程1.涡流扩散项(A)流动相携带溶质分子沿柱内各路径形成紊乱的涡流运动，有些分子沿较窄而直的路径以较快的速度通过色谱柱，发生分子运动超前;而另一些分子沿较宽或弯曲的路径以较慢的速度通过色谱柱，发生分子运