华东理工大学仪器分析色谱法引论21

色谱分析法Chromatography第一章色谱法引论一、概述问题问题1：什么是色谱法？问题2：为什么色谱法能将混合物分开？问题3：色谱法的分类？问题4：各种色谱法的应用范围？1、什么是色谱法？茨维特的实验茨维特：俄国植物学家，主要从事植物色素的研究工作，在1906年发表的文章中，首次提出了色谱的概念。茨维特的实验碳酸钙石油醚什么是色谱法？Chromatography色谱法是一种分离方法。特点：有两相，一是固定相（stationaryphase），一是流动相（mobilephase），两相作相向运动。将色谱法用于分析中，则称为色谱分析。因此色谱分析是一种分离、分析法。2、色谱法分离原理当流动相中所携带的混合物流过固定相时，就会和固定相发生作用(力的作用)。由于混合物中各组分在性质和结构上有差异，与固定相发生作用的大小也有差异。因此在同一推动力作用下，不同组分在固定相中的滞留时间有长有短，从而按先后不同的次序从固定相中流出。3、色谱法的分类按流动相状态的不同，可分为以下三类：气相色谱法(GasChromatography,GC)液相色谱法(LiquidChromatography，LC)超临界流体色谱(SupercriticalFluidChromatography，SFC)色谱分析仪器流程流动相携带进样装置引入的混合试样进入色谱柱混合试样在色谱柱中进行分离各组分依次进入检测器检测检测响应信号导入计算机得到色谱图流动相进样装置色谱柱检测器数据记录与处理min05101520253035mAU020406080100DAD1C,Sig=270,16Ref=360,100(HUPING\DSLS-A21.D)什么是气相色谱法？以气体为流动相的色谱法GasChromatogaphy，简称GC按固定相状态的不同可分为：气固色谱(GSC)气液色谱(GLC)应用范围：用于分离分析易汽化（在-190℃-500℃范围内有0.2-10mmHg的蒸气压的）稳定、不易分解、不易反应的样品，特别适合用于同系物、同分异构体的分离。什么是液相色谱法？以液体为流动相的色谱法LiquidChromatography，简称LC应用范围：用于分离分析高沸点、热不稳定、离子型的样品。其他分类方式按固定相使用的形式可分为柱色谱（columnchromatography）将固定相装在色谱柱内纸色谱（PaperChromatography）用滤纸做固定相或固定相载体的色谱薄层色谱（ThinLayChromatography）固定相均匀涂在玻璃板或塑料板上应用TLC:123456789BandsDescription1PseudoginsenosideF112AmericanGinseng3GinsenosideRg14GinsenosideRf5Ginseng6GinsenosideRc7GinsenosideRb18Notoginseng9NotoginsenosideR1IdentificationofGinseng,AmericaginsengandNotoginseng二、色谱法基本理论拟解决的问题色谱相关术语色谱法理论的概况色谱中的动力学理论色谱分离情况的评价方法影响色谱分离的主要因素及条件选择（从理论的角度加以判断）1、色谱相关术语关于色谱峰关于保留值关于分配平衡关于色谱峰的术语0oo'tMt'RtRA'2CIJABEGFHDWWh/2峰峰高基线峰宽半峰宽峰面积标准偏差σ关于色谱峰的术语峰底宽、半峰宽及标准偏差三者的关系为：W=4σ，Wh/2=2.354σ拖尾峰伸舌峰鬼峰、假峰畸峰峰底基线漂移基线噪声谱带扩张关于保留值的术语死时间（t0，tM）：无保留组分出峰时间保留时间（tR）：调整保留时间（t’R）：0'tttRR关于保留值的术语死体积（V0，VM）：保留体积（VR）：调整保留体积（V’R）：FctV00FctVRRFcttFctVRRR)(0''关于保留值的术语相对保留值（ri,s）：——相对保留值又称为选择性因子（）——在气相色谱中，相对保留值的大小仅与固定相种类和柱温有关。'''',RsRiRsRisiVVttr关于保留值的术语保留指数（I）：又叫Kovats，它规定正构烷烃的保留指数是其碳数的100倍，其它物质的保留指数在实际色谱条件下测定。选取与被测物相邻的两种正构烷烃做参照系，其中一种碳数为Z，另一种为Z+1，被测物的保留指数由下式计算：ZttttIRzzRRzR100lglglglg100'')1(''关于分配平衡分配系数K（distributioncoefficient）K每毫升固定相上溶解（或吸附）溶质的量每毫升流动相上溶质的量关于分配平衡分配比k：又称为容量因子、容量比、分配容量，是指在一定温度和压力下，平衡状态时组分在固定相中的量与在流动相中的量之比值。是衡量柱子对组分保留能力的重要参数。0'ttVVKkRMS关于分配平衡相比β：色谱柱内固定相和流动相体积之比是柱型及结构的重要特征。kKVVSM2、色谱基本理论概述研究理论的目的解决色谱峰的分离问题三个色谱基本理论问题色谱热力学问题——发展高选择性色谱柱色谱动力学问题——发展高效能色谱柱分离条件的最优化问题——分离条件优化3、色谱动力学理论研究流出曲线展宽的本质及曲线形状变化的影响因素塔板理论速率理论1.塔板理论塔板理论将色谱柱比作精馏塔，通过概率理论得到流出曲线方程：2)1(22RVVnReVWnC塔板理论当t=tR时，C=Cmax，峰高正比于进样量W，是峰高定量的理论基础。当n越大，柱效越大，Cmax/W越大。即保留时间一定时，塔板数越多，峰越高。Cmax反比于tR，tR小，Cmax大，保留时间小的组分峰高且窄。tR大，Cmax小，保留时间大的组分峰低且宽。柱效由流出曲线方程导出：H=L/n222/122/1)(16)2(54.5)2(2ln8WVVVVVnRRR222/122/1)(16)2(54.5)2(2ln8WtttttnRRR柱效n是峰相对展宽的量度n是柱效的量度n是常数时，Y与tR成正比n越大，h越小，表明组分在柱中达到的分配平衡次数越多，对分离越有利，但还不能预言各组分有被分离的可能性。塔板理论的贡献塔板理论有助于我们形象的理解色谱的分离过程。导出色谱流出曲线方程，它符合高斯分布，与实验现象相吻合。导出理论塔板数的计算公式，作为柱效的评价指标。塔板理论的局限塔板高度H是一个抽象的物理量，它的色谱本质是什么？它与哪些参变量有关，又怎样影响峰的扩张？对实验的指导意义有限。不能解释流速对理论塔板数的影响。有些假设不合理，如没有考虑纵向扩散对色谱分离的影响等。4.色谱相关术语关于色谱峰关于保留值关于分配平衡关于色谱峰的术语峰峰高基线峰宽半峰宽峰面积标准偏差σ峰底宽、半峰宽及标准偏差三者的关系为：W=4σ，Wh/2=2.354σ拖尾峰伸舌峰鬼峰、假峰畸峰峰底基线漂移基线噪声谱带扩张关于保留值的术语死时间(tM):无保留组分出峰时间保留时间(tR):调整保留时间(t’R):死体积(VM):保留体积(VR):调整保留体积(V’R):0FtVMMMRRttt'0FtVRR00'')(FttFtVMRRR相对保留值(ri,s):保留指数(I)：又叫Kovats，它规定正构烷烃的保留指数是其碳数的100倍，其它物质的保留指数在实际色谱条件下测定。选取与被测物相邻的两种正构烷烃做参照系，其中一种碳数为Z，另一种为Z+1，被测物的保留指数由下式计算：'''',RsRiRsRisiVVttrZttttIRzzRRzR100lglglglg100'')1(''关于分配平衡分配系数K(distributioncoefficient)分配比k又称为容量因子、容量比、分配容量，是指在一定温度和压力下，平衡状态时组分在固定相中的量与在流动相中的量之比值。是衡量柱子对组分保留能力的重要参数。（柱温）量每毫升流动相上溶质的溶质的量或吸附每毫升固定相上溶解.......)(KMRMSttVVKk'相比β色谱柱内固定相和流动相体积之比是柱型及结构的重要特征。kKVVSM二、色谱分析法基本理论研究理论的目的解决色谱峰的分离问题三个色谱基本理论问题色谱热力学问题——发展高选择性色谱柱色谱动力学问题——发展高效能色谱柱分离条件的最优化问题——分离条件优化1、色谱动力学理论研究流出曲线展宽的本质及曲线形状变化的影响因素塔板理论速率理论（1）塔板理论推导塔板理论将色谱柱比作精馏塔，通过概率理论得到流出曲线方程：nteCCRttR222)(02为标准偏差当t=tR时，C=Cmax，峰高正比于进样量C0，是峰高定量的理论基础。当n越大，柱效越大，Cmax/C0越大。即保留时间一定时，塔板数越多，峰越高。Cmax反比于tR，tR小，Cmax大，保留时间小的组分峰高且窄。tR大，Cmax小，保留时间大的组分峰低且宽。222)(02RtteCC对色谱流出曲线方程的讨论柱效由流出曲线方程导出：H=L/nn是峰相对展宽的量度n是柱效的量度n是常数时，Y与tR成正比n越大，h越小，表明组分在柱中达到的分配平衡次数越多，对分离越有利，但还不能预言各组分有被分离的可能性。222/122/1)(16)(54.5)(2ln8YtYtYtnRRR塔板理论的贡献塔板理论有助于我们形象的理解色谱的分离过程。导出色谱流出曲线方程，它符合高斯分布，与实验现象相吻合。导出理论塔板数的计算公式，作为柱效的评价指标。塔板理论的局限塔板高度H是一个抽象的物理量，它的色谱本质是什么？它与哪些参变量有关，又怎样影响峰的扩张？对实验的指导意义有限。不能解释流速对理论塔板数的影响。有些假设不合理，如没有考虑纵向扩散对色谱分离的影响等。速率理论速率理论是1956年荷兰学者VanDeemter等提出，因此又称作范第姆特方程运用流体分子规律研究色谱过程中产生色谱峰扩展的因素，导出了理论塔板高度与流动相线速度的关系，揭示了影响塔板高度的动力学因素速率方程的导出根据塔板计算公式：n=5.54(tR/Y1/2)2速率理论讨论的是色谱峰展宽原因，即影响塔板数n的因素，也就是影响塔板高度H的因素。H=A+B/u+Cu涡流扩散项A=2λdp涡流扩散项均匀性因子粒径涡流扩散项涡流扩散项A：由不等路径造成的色谱峰扩展。由于柱填料粒径大小不同，粒度分布范围不一致及填充的不均匀，形成宽窄、长短不同的路径，因此流动相沿柱内各路径形成紊乱的涡流运动，有些溶质分子沿较窄且直的路径运行，以较快的速度通过色谱柱，发生分子超前，反之，有些分子发生滞后，从而使色谱峰产生扩散。分子扩散项B/uB=2γDgZ(ttt)132弯曲因子扩散系数分子扩散项分子扩散项：由于分子的纵向扩散造成的色谱峰扩展。即由于试样组分被载气带入色谱柱后，是以塞子的形式存在于色谱柱的很小一段空间中，由于在塞子前后存在浓度梯度，因此使运动着的分子产生纵向扩散，引起色谱峰扩展传质阻力项平衡浓度固定相传质阻力引起非平衡过程示意图实际浓度分界面流动相气相传质阻力项气相传质阻力项Cg：试样组分从气相移动到固定相表面的过程中，由于质量交换过程需要一定时间（即传质阻力）而使分子有滞留倾向。在此过程中，部分组分分子随流动相向前运动，发生分子超前，引起色谱峰扩展。气相传质阻力项表达式CguCg=容量因子液相传质阻力项液相传质阻力项CL：试样组分从固定相表面移动到固定相内部的过程中，由于质量交换过程需要一定时间（即传质阻力）而使分子有滞留倾向。在此过程中，部分组分分子先离开固定相表面，