3第三章-色谱分析法1

1色谱分析法(Chromatography)2第一节色谱法概述第二节色谱法基本原理第三节气相色谱分离条件的选择第四节气相色谱仪第五节色谱定性、定量分析方法色谱分析法3历史俄国植物学家茨维特在1906年使用的色谱原型装置分离对象---植物色素色谱柱---玻璃管固定相---碳酸钙流动相---石油醚色谱法概述41931年库恩,奥地利化学家,胡萝卜素植物色素分离1940年吸附色谱与电泳相结合1941年分配色谱创立1952年气相色谱法建立1968年高效液相色谱法建立1975年后离子色谱、超临界流色谱、高效毛细管电泳、场流动分级分离色谱法发展历史5Tiselius,A.W.K.Martin,A.J.P.Synge,R.L.M.1948年Nobel化学奖1952年Nobel化学奖吸附色谱与电泳分配色谱色谱法发展历史6色谱法概述色谱法是一种物理化学分离方法，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（或吸收系数，渗透性等），当两相做相对运动时，这种物质在两相中反复多次分配，从而使各物质得到完全的分离。7色谱法分类1、按固定相及流动相的状态分类色谱：气液色谱、气固色谱液相色谱：液液色谱、液固色谱2、按固定相形状分类柱色谱，纸色谱，薄层色谱。8分类一般分类分离方法固定相所用平衡液相色谱LCL-L分离吸附在固定相表面的液体不同溶液之间分配平衡液相-固定相固定相表面键合的有机相在液体与固定相表面的分布液固或吸附固体吸附离子交换离子交换树脂离子交换尺寸排阻聚合物中间隙分布/筛分气相色谱GC气、液吸附在固定相表面的液体气配/气-液气-键相固体表面键合的有机物气配/气-液气-固定体固体吸附超临界流体色谱SFC固体表面键合的有机物超临界流体与键合表面的分配色谱法分类9气相色谱(Gaschromatography)填充柱气相色谱（Packedcolumngaschromatography)毛细管气相色谱(Capillarycolumngaschromatography)裂解气相色谱(Pyrolysisgaschromatography)顶空气相色谱(Headspacegaschromatography)气相质谱联用技术（Gaschromatography-Massspectrometry)液相色谱(Liquidchromatography)高效液相色谱(Highperformanceliquidchromatography)超临界流体色谱(Supercriticalfluidchromatography)高效毛细管电泳(Highperformancecapillaryelectrophoresis)毛细管电色谱(Capillaryelectrochromatography)液相质谱联用技术（Liquidchromatography-Massspectrometry色谱法分类10平面色谱法（Planarchromatography）薄层色谱(Thinlayerchromatography)薄层电泳色谱(Thinlayerelectrophoresis)纸色谱(Paperchromatography)色谱法分类11色谱法的特点与其它分析方法相比，具有的优点：分离效能高灵敏度高分析速度快应用范围广缺点：对未知物的定性比较困难解决方法：与其它分析方法联用（质谱、红外和电化学等）12色谱法基本概念一、气相色谱流出曲线色谱峰峰底峰高(h)峰底宽度(Wb)半峰宽(W½)常用术语13色谱法基本概念一、气相色谱流出曲线（1）时间表示的保留值保留时间（tR）：组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间。死时间（tM）：不与固定相作用的气体（如空气）的保留时间。调整保留时间（tR＇）：tR＇=tR－tM14色谱法基本概念一、气相色谱流出曲线（2）用体积表示的保留值保留体积（VR）：VR=tR×F0死体积（VM）：VM=tM×F0调整保留体积（VR＇）：VR＇=VR－VMF0为色谱柱出口处的载气流量，单位：mL/min。152.相对保留值，选择性因子()色谱法基本概念----固定相对这两种组分的选择性12RRtt16色谱法基本原理分配系数K一定温度下，组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度比。K只与固定相和被分离物质的性质有关K值的差别是分离的先决条件，差别越大，分离的可能性越大K值大的组分后出峰CmCsK组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度17色谱法基本原理塔板理论---柱效能指标塔板理论是色谱学中的热力学平衡理论。它是把样品组分在色谱柱中的分离过程，视为组分在分馏塔里的分馏过程，把色谱柱看成一个分馏塔。分馏塔利用各组分的沸点不同，在塔板上经过多次气-液平衡后，最终低沸点组分在塔顶流液的含量高，高沸点组分在塔低层含量高，而达到分离目的。石油裂解产物18塔板理论的基本假设(1)色谱中也存在类似分馏装置的塔板。样品中的某组分在色谱柱“H”的高度区间内可以很快达到分配平衡。H称为塔板高度，且组分在H高度内服从分配定律。(2)样品各组分都先加在0号塔板上，且沿色谱柱轴方向的扩散可以忽略不计。(3)流动相进入色谱柱（洗脱过程）不是连续的，而是间歇进入，每次进入一个塔板体积。(4)分配系数在所有塔板上都相同，与组分在塔板上的量无关。19色谱法基本原理塔板理论---柱效能指标色谱柱长：L虚拟的塔板间距离：H色谱柱的理论塔板数：n则三者的关系为：nLH20色谱法基本原理塔板理论---柱效能指标理论塔板数与色谱参数之间的关系2'22/1')(16)(54.5bRRWtWtn有效222/1)(16)(54.5bRRWtWtn有效有效nLH21塔板数n是色谱柱的特征参数。当色谱柱长度一定时，塔板数n越大(塔板高度H越小)，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。色谱法基本原理不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。塔板理论---几点说明22速率理论---影响柱效能的因素色谱法基本原理速率方程（也称范.弟姆特方程式）:H=A+B/u+C·uH：理论塔板高度，u：载气的线速度(cm/s)1956年荷兰vanDeemter23A=2λdpdp：固定相的平均颗粒直径λ：固定相的填充不均匀因子色谱法基本原理dp↓，填充的越均匀，A↓，H↓，柱效n↑A─涡流扩散项24色谱法基本原理B=2νDgν：弯曲因子，填充柱色谱，ν1。Dg：试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2·s-1）流速↓，滞留时间↑，扩散↑Dg∝（M载气）-1/2；M载气↑，B值↓B/u—分子扩散项25色谱法基本原理传质阻力包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力CLC=（Cg+CL）D↓，C↑,分配平衡时间长，峰变宽C·u──传质阻力项LfLDdC226分离度塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分离程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响：保留值之差──色谱过程的热力学因素；区域宽度──色谱过程的动力学因素。色谱分离中的四种情况如图所示：①柱效较高，△K(分配系数)较大,完全分离；②△K不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；③柱效较低，，△K较大,但分离的不好；④△K小，柱效低，分离效果更差。27分离度塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分离程度。柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响：保留值之差──色谱过程的热力学因素；区域宽度──色谱过程的动力学因素。由此可见，单独用柱效或选择性不能真实反映组分在色谱柱中分离情况，故需引人一个综合性指标——分离度R。分离度是既能反映柱效率又能反映选择性的指标，称总分离效能指标。28分离度的表达式)(699.1)(2)(2)1(2/1)2(2/1)1()2()1()2()1()2(bbRRbbRRWWttRWWttRR=0.8：两峰的分离程度可达89%；R=1：分离程度98%；R=1.5：达99.7%（相邻两峰完全分离的标准）。29分离度与基本色谱分离方程式分离度R的定义并没有反映影响分离度的各种因素。实际上，分离度是受柱效（n）、选择因子(α)和容量因子（k）三个参数的控制。上式即为基本色谱分离方程式,也可表示为:)1)(1(4kknR222)1()1(16kkRn30同理,可得:也可表示为:)1(4effnR分离度与基本色谱分离方程式22)1(16Rneff31提高分离度的途径(1)1.提高柱效(1)增加柱长:n增加2倍时R只增大1.4倍(2)降低塔板高度H:是提高分离度的最好方法)1)(1(4kknR32分离度与柱效的关系当固定相确定，被分离物质对的α确定后，分离度将取决于n。这时，对于一定理论板高的柱子，分离度的平方与柱长成正比，即为了提高柱效，可采用的途径：（1）采用直径较小、粒度均匀的固定相；（2）控制较薄的液膜厚度；（3)选择适宜的流动相、流速和温度等。2121221)(LLnnRR33提高分离度的途径(2)2.增大容量因子kR随k增大而增大，但是分析时间也随之延长。为了增大k值，可采用的方法：（1）GC:增加固定液的用量，适当降低柱温；（2）LC:适当采用极性较小一些的流动相。)1)(1(4kknR34提高分离度的途径(3)3.增大选择性因子值由于的微小变化，都对R有很大的影响，增大值是改善分离度的最有力的手段。为了增大值，可采用的方法：（1）GC:适当降低柱温；（2）LC:通过控制固定相和流动相的性质来调整。存在的问题：的变化不像n和k有规律可循。)1)(1(4kknR35例题已知物质A和B在一根30.0cm长的柱子上的保留时间分别为16.40min和17.63min,不被保留组分通过该柱的时间为1.30min,峰底宽度分别为1.11min和1.21min，计算：（1）柱的分离度；（2）柱的平均塔板数；（3）塔板高度；（4）完全分离时所需的柱长。36答案(1)R=1.06;(2)n(A)=3493,n(B)=3397,n平均=3445;(3)H=L/n=8.7×10(-3)cm;(4)R1=1.06,R2=1.5,L1=30.0cm,L2=?L2=60.0cm37气相色谱固定相1．气固色谱固定相种类：活性炭：有较大的比表面积，吸附性较强。活性氧化铝：有较大的极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等气体的相互分离。CO2能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。硅胶：与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能够分离臭氧。38气固色谱固定相分子筛：碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。如3A、4A、5A、10X及13X分子筛等（孔径：埃）。常用5A和13X（常温下分离O2与N2）。除了广泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分离外，还能够测定He、Ne、Ar、NO、N2O等。高分子多孔微球（GDX系列）：新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。型号：GDX-01、-02、-03等。适用于水、气体及低级醇的分析。39气固色谱固定相的特点（1）性能与制备和活化条件有很大关系；（2）同一种固定相，不同厂家或不同活化条件，分离效果差异较大；（3）种类有限，能分离的对象不多；（4）使用方便。40气液色谱固定相气液色谱固定相[固定液+担体（支持体）]：•固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下一定呈液体状态。•固定液的种类繁多，选择余地大，应用范围不断扩大。担体：化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积。可以作为担体使用的物质应满足以下条件：•比表面积大