色谱法教案

15:56:29第七章气相色谱分析•第一节色谱分析法概述•第二节气相色谱分析理论基础•第三节气相色谱分离操作条件的选择•第四节气相色谱检测器•第五节气相色谱定性、定量分析•第六节色谱——质谱联用技术简介15:56:29第七章气相色谱分析法一、色谱分析法的历史Thehistory二、气相色谱分析Gaschromatography三、课程的学习方法learningmethodofthecourse四、参考资料references第一节色谱分析法概述introductionThesummarizationofchromatography15:56:29俄国植物学家Tswett于1901年发现：利用吸附原理分离植物色素一、色谱分析法的历史15:56:29图示固定相——CaCO3颗粒流动相——石油醚色带15:56:291903年发表文章：Onanewcategoryofadsorptionphenomenaandtheirapplicationtobiochemicalanalysis1906年Tswett创立“chromatography”—“色谱法”新名词1907年在德国生物会议上第一次向世界公开展示显现彩色环带的柱管1935年AdamsandHolmes发明了苯酚-甲醛型离子交换树脂，进一步发明了离子色谱1938年Izmailov发明薄层色谱1941年Martin&Synge发明了液-液分配色谱15:56:291954年我国研究成功第一台色谱仪1957年Martin&Golay发明毛细管色谱1959年Porath&Flodin发明凝胶色谱1960年液相色谱技术完善1944年Consden,Gordon&Martin发明纸色谱1952年Martin&Synge发明气-液色谱1953年Janak发明气-固色谱1954年Ray发明热导检测器1954年我国研究成功第一台色谱仪15:56:291957年Martin&Golay发明毛细管色谱1959年Porath&Flodin发明凝胶色谱1960年液相色谱技术完善二、色谱法的定义色谱法：以试样组分在固定相和流动相间的溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲和作用的差异为依据而建立起来的各种分离分析方法称色谱法。是借助色谱分离原理而使混合物中各组分分离的技术；将色谱分离技术应用于分析化学，称为色谱分析。15:56:29•色谱法实质上是一种物理化学分离分析方法。•它是利用不同物质在两相（固定相和流动相）中具有不同的分配系数或吸附能力及其它亲和作用性能的差异为分离依据。•当混合物中各组分随流动相移动时，在两相中反复进行多次分配，从而使各组分得到分离。•实质：分离•目的：定性分析或定量分析15:56:29•以吸附色谱为例说明色谱过程见图示•吸附→解吸→再吸附→再解吸→反复多次洗脱→被测组分分配系数不同→差速迁移→分离15:56:29图示•分配系数的微小差异→吸附能力的微小差异•微小差异积累→较大差异→吸附能力弱的组分先流出；吸附能力强的组分后流出15:56:29三、色谱方法的分类1.定义色谱柱：进行色谱分离用的细长管。固定相：管内保持固定、起分离作用的填充物。流动相：流经固定相的空隙或表面的冲洗剂。15:56:292.色谱法的分类(三种)（1）按两相分子的聚集状态分：流动相固定相类型液相色谱液体固体液-固色谱液体液体液-液色谱气体固体气-固色谱气体液体气-液色谱气相色谱15:56:29（2）按固定相使用的形式分类①柱色谱、②纸色谱、③薄层色谱（3）按分离机理分类①吸附色谱、②分配色谱、③离子交换色谱、④凝胶色谱15:56:29四、色谱法的特点优点：“三高”、“一快”、“一广”缺点：高效能——反复多次利用组分性质的差异产生很好分离效果高选择性——可将性质相似的组分分开高灵敏度——10-11~10-14g，适于痕量分析分析速度快——几~几十分钟完成分离一次可以测多种样品应用范围广——气体，液体、固体物质对未知物分析的定性专属性差需要与其他分析方法联用(GC-MS,LC-MS)15:56:29五、色谱法的应用(1)色谱分析广泛应用于极为复杂的混合物成分分析；(2)在糖类、氨基酸、农药、染料、贵金属、有机金属化合物等方面得到了广泛的应用。(3)色谱分离是一种非常有效的提纯物质的技术，常用于制备分离，得到高纯样品。(4)色谱—质谱联用仪已成为研究分子结构的重要手段。15:56:29第二节气相色谱分析理论基础①高效能填充柱都有几千块理论塔板毛细管柱可达104块～106块理论塔板，可以分析沸点十分相近的组分和极为复杂的多组分混合物②高选择性可分离同系物、同分异构化合物。一、气相色谱法的特点15:56:29一、气相色谱法的基本概念1．色谱常用术语①色谱图试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测器时，检测器就将流动相中各组分浓度变化转变为相应的电信号，由记录仪所记录下的信号——时间的变化曲线，称为色谱流出曲线。第二节气相色谱分析理论基础15:56:2915:56:2915:56:29②基线在操作条件下，没有试样进入检测器，只有纯流动相进入检测器时的流出曲线，记录仪记录的是一条直线，这条直线称为基线。噪音：使基线发生细小的波动的现象基线是在实验操作条件下，反映检测器系统噪声随时间变化的曲线。15:56:29③色谱峰高和峰面积峰高(h)：峰高h指色谱峰最高点到基线的距离，一般用cm为单位。峰面积(A)：峰高与峰底宽之间的乘积称为峰面积(peakarea)，用A表示。15:56:29④峰的区域宽度：峰宽(Y)与半峰宽[Y1/2)从色谱峰两侧的转折点(拐点)作切线，在基线上的截距叫峰底宽(Y)；简称峰宽；峰高一半处色谱峰的宽度叫半峰宽(Y1/2)。由于色谱峰顶呈圆孤形，色谱峰的半峰宽并不等于峰底宽的一半。a、峰底宽Y=4σ=1.70Y1/2b、半高峰宽Y1/2=2.355σc、标准偏差峰宽Y0.607h=2σ15:56:29⑤保留值表示被测组分从进样到色谱柱后出现浓度最大值所需要的时间(或所需载气的体积)，叫做保留值。★★保留时间(tR):是指被测组分从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需的时间。组分在流动相中停留的时间+在固定相中所停留的时间15:56:29★★调整保留时间(tR′)：组分的保留时间与死时间的差值：tR′=tR-tM它表示与固定相发生作用的组分比载气在色谱柱中多滞留的时间，实际上是组分在固定相中所滞留的时间。★★死时间（tM）：不与固定相作用的组分（空气）从进样到柱后出现浓度最大值所需要的的时间。15:56:29★★保留体积（VR）：从进样开始到柱后出现浓度最大值所需要的载气体积VR=qv,0·tR★★调整保留体积（VR′）：指扣除死体积后的保留体积VR′=tR′·qv,0★★死体积（VM）：不与固定相作用的组分从进样到柱后出现浓度最大值所需要的载气体积。若载气的体积流量为qv,0，则死体积为VM=qv,0·tM15:56:29⑥相对保留值()表示组分的调整保留值与标准物质的调整保留值之比：sRiRsRiRVVtt,,,,值越大，两组分的色谱峰相距越远，分离得越好15:56:29⑦选择因子()表示组分2的调整保留值与组分1的调整保留值之比：1,2,1,2,RRRRVVtt值越大，两组分的色谱峰相距越远，分离得越好15:56:292.分配系数与分配比定义：组分在固定相和流动相之间发生的吸附与解（脱）附或者溶解与挥发的过程叫分配过程。（1）分配系数(K):在一定温度、压力下，当组分在流动相和固定相两相中达到分配平衡时，组分在两相中的浓度之比，称为分配系数(K)。15:56:29K↑溶解度或吸附能力↑，组分在固定相中的量↑，在气相中的量↓。K↑进入固定相的组分↑，组分在固定相中滞留的时间越长，流出色谱柱所需的时间也就越长。msCCK/组分在固定相中的质量浓度(g·mL-1)组分在流动相中的质量浓度(g·mL-1)15:56:29（2）分配比(k)定义：分配比是在一定温度、压力下，组分在两相间达到分配平衡时，两相间组分的质量比：k=ms/mm分配比又称为容量因子或容量比分配比k的大小由下式计算：k=tR`/tM通过实验来测定分配比k的数值k值越大，保留时间越长。k=0的组分，其保留时间即为死时间。15:56:29（3）分配系数与分配比的关系kVVkVmVmCCKmmmmssms//smVV/相比：表示流动相体积与固定相体积之比15:56:29•根据上式，k值可以很方便地从色谱图求得，所以容量因子k是一个重要的色谱参数•上式改写VR＝VM（1＋k）tR＝tM（1＋k）说明k值越大，保留时间越长。MMRMRMMRMRVVVVVtttttk``tM＝L/u•可见，保留值与柱长L成正比，与流动相平均线速度u成反比。15:56:29讨论：色谱条件一定时，tR主要取决k或K的大小k或K↑，tR↑，组分后出柱k或K=0，组分不保留k或K→∞，组分完全保留tR＝tM（1＋k）15:56:293.色谱分析的实验依据色谱峰数=样品中的组份数；色谱保留值——定性依据；色谱峰高或面积——定量依据；色谱保留值或区域宽度——色谱柱分离效能评价指标；色谱峰间距——固定相或流动相选择是否合适的依据。相对保留值或选择因子——与柱长、柱径、填充情况、流动相流速等条件无关，而仅与温度、固定相种类有关。当α=1时两个组分不能分离。15:56:29二、色谱分离的基本理论1.塔板理论（MartinandSynge1941）七点假设：将一根色谱柱视为一个精馏塔色谱柱是由一系列连续的、水平的塔板构成每一块塔板的高度为H组分气体以脉冲的方式进入塔板组分在每一块塔板上迅速达到分配平衡分配系数在各塔板上是常数气体的纵向扩散可以忽略不计15:56:29•塔板理论认为，一根柱子可以分为n段，在每段内组分在两相间很快达到一次平衡，把每一段称为一块理论塔板。•设柱长为L，理论塔板高度为H，则•H=L/n•式中n为理论塔板数。•同长度的色谱柱塔板数越多，塔板高度H越小，分离效果越好。15:56:29•理论塔板数按下式推算：2)(16YtnR221)(54.5YtnR或保留时间越长，Y或Y1/2越小，色谱峰越窄，理论塔板数越多，组分在两相间达到分配平衡的次数也越多，分离能力越强，柱效也就越高。15:56:29例2.2某色谱柱长2.1m，测得某组分的保留时间为5min42s，在色谱纸上量得色谱峰的宽度为1.2cm，已知纸速为2cm·min-1，求塔板高度。解：将色谱峰的宽度换算成时间：min.min..6002211cmcmYmin.minmin75604251sstR15:56:2914446075161622)..()(YtnRmmcmcmnLH45.1145.01444210答：塔板高度为1.45mm。15:56:29有效塔板数（neff）的计算公式为；222/)(16)(54.5wtwtnRhReffHeff=L/neffn=1+kk2•neff有效塔板数扣除了死时间的影响，通常用（neff）来评价柱的效能,较为真实地反映了柱效能的好坏,比较符合实际。neff越大或Heff越小，则色谱柱的柱效越高。15:56:29•塔板理论的特点•优点：理论直观，能解释流出曲线的形状和浓度极大点(色谱峰)的位置，应用广泛。•缺点：理论建立在几点假设之上，不能解释塔板高度量受哪些因素的影响，也不能指出降低塔板高度的途径。15:56:292.速率理论（J.J.VanDeemter1956）速率理论认为，单个组分粒子在色谱柱内固定相和流动相间要发生千万次转移，加上分子扩散和运动途径等因素，它在柱内的运动是高度不规则的，是随机的。组分粒子之间在柱中随流动相前进的速度是不均一的。15:56:29范第姆特方程式：☆☆式中：U为流动相平均线速度；A为涡流扩散项；B/U为分子扩散项；CU为传质阻力项。H=A+