色谱学导论-色谱分析的定义与分类Word

　　色谱学导论

　　2016/3/18

　　第一节 色谱法概述1、色谱分析的历史、定义与分类 2、一些重要的参数 3、色谱与色谱分析

　　一、色谱分析的历史、定义与分类 色谱分析是从分离技术发展成为分离- 分析技术的一门综合性学科。(一)、色谱分离发展史 1、Tswett的方法是借助于各组分在固定相中吸附 能力的强弱不同而进行分离的，称为吸咐色谱。

　　2016/3/18

　　叶片的石油醚萃取液

　　石油醚 ( 流动相 )

　　叶绿素a 叶绿素b 叶黄素 胡萝卜素

　　色谱柱 碳酸钙颗粒 (固定相) 色谱图

　　洗过程称为： 洗脱 方法称为： 色谱法

　　2、 1941年Martin和Synge把氨基酸的混合液 注入到以硅胶作固定相的柱中,用氯仿作流 动相,借助于氨基酸在硅胶中的水和有机溶 剂氯仿两相中的溶解度不同而达到分离，故 称为分配色谱。 3、 1944年Martin和Synge用滤纸代替硅胶,不 用色谱柱，固定相是滤纸中含有水份的纤维 素，流动相用有机溶剂，也成功地分离了氨 基酸，从而创立了纸色谱法。

　　4、1952年Martin等又提出以气体作流动相的 气相色谱法。 5、50年代又出现了将固定相涂布在玻璃板上 的薄层色谱法。

　　(二)、色谱分析的定义与分类 色谱法是一种物理化学的分离分析方法。 它是利用样品中各种组分在固定相与流 动相中受到的作用力不同，而将待分析 样品中的各种组分进行分离，然后顺序 检测各组分含量的一种分离分析方法。

　　色谱法分类1、按固定相及流动相的状态分类 气相色谱：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。

　　3、按色谱过程的物理、化学机理分类 (1) 吸附色谱：用固体吸附剂作固定相的色谱。它是利 用组分在吸附剂上吸附力的不同，因而吸附平衡常数 不同而将组分分离的色谱。 (2)分配色谱： 用液体作固定相，利用组分在液相中的 溶解度不同，因而分配系数不同而进行分离的色谱。(3)离子交换色谱： 利用离子交换原理进行分离的色谱。 (4) 排阻色谱: 利用分子大小不同而进行分离的色谱。 (5) 电色谱：利用带电物质在电场作用下移动速度不同 进行分离的色谱。

　　气相色谱( Gas chromatography )填充柱气相色谱(Packed column gas chromatography) 毛细管气相色谱 (Capillary column gas chromatography) 裂解气相色谱(Pyrolysis gas chromatography ) 顶空气相色谱 ( Headspace gas chromatography) 气相质谱联用技术(Gas chromatography-Mass spectrometry)

　　液相色谱( Liquid chromatography )高效液相色谱( High performance liquid chromatography) 超临界流体色谱( Supercritical fluid chromatography) 高效毛细管电泳(High performance capillary electrophoresis) 毛细管电色谱(Capillary ele

　　ctrochromatography) 液相质谱联用技术(Liquid chromatography- Mass spectrometry

　　平面色谱法(Planar chromatography)薄层色谱 ( Thin layer chromatography) 薄层电泳色谱 (Thin layer electrophoresis ) 纸色谱( Paper chromatography)

　　二、一些重要的参数

　　(一)、色谱图的重要参数1、色谱峰 峰宽 (用 W 或 Y 表示); 峰高 (用 H 表示) 半峰宽 (用 W 1/2 或 Y 1/2 表示,亦用 2△X 1/2表示) 标准偏差 (用σ表示)。标准偏差亦称曲折点峰宽， 即峰高0.607处峰的宽度。与峰宽和半峰宽的关系 如下式表示： Y=4σ Y 1/2 = 2 σ√2 Ln2 = 2.355σ

　　2、时间保留值 死时间 t0R 从进样至情性组分出现浓度极大点时 的时间。 保留时间 t R 从进样至组分出现浓度极大点时的 时间。 校正保留时间 t R' t R'= t R - t0R

　　3、体积保留值 死体积 VR0 VR0 = t0R FC 保留体积 VR VR = t R FC

　　FC -流动相的流速

　　校正保留体积 VR' VR' = t R' FC

　　4、色谱峰的对称性 高斯(Gaussian)曲线： 在理想情况下，色谱峰的 形状可以近似地用高斯曲线描述。。

　　σ为标准偏差(拐点处的半峰宽), h为最大峰高，w为峰宽

　　不对称因子： 在实际的色谱过程中，很少符合高 斯分布，而是具有一定的不对称性。可以定义一个 不对称因子As来定量地表示色谱峰的不对称程度。

　　拖尾峰： 当As大于1时，色谱峰的形状是前半部 分信号增加快，后半部分信号减少慢。引起峰拖 尾的主要原因是溶质在固定相中存在吸附作用， 因此，拖尾峰也称为吸附峰。

　　伸舌峰： 当As小于1时，色谱峰是前半部分信号 增加慢，后半部分信号减小快。因为伸舌峰主要 是固定相不能给溶质提供足够数量合适的作用位 置，使一部分溶质超过了峰的中心，即产生了超 载，所以也称超载峰。

　　3、塔板数(N) 组分在柱中固定相和流动相中反复分配平行的 次数。N越大，平衡次数越多，组分与固定相的 相互作用力越显著，柱效越高。 N=16(tR/Y)2 4、分离度(R) 分离度亦称分辨率。是指相邻两个峰的分离程 度。

　　tR1

　　tR2

　　Y1

　　Y2

　　2(tR2 –tR1 ) R = ─────── W1 + W2

　　当 R=1.0时，有2%未分离。 R=1.25时，有0.6%未分离。 R=1.5时，有0.3%未分离

　　(三)、各种参数对分离的综合影响

　　2(tR2– tR1 ) N1/2 α-1 R = ─────── = ── ─── ─── Y1 + Y2 4 α

　　k' k' +1

　　讨论:原始 1. 分离度与k'的关系 决定洗出峰位置，k'值一般控制 在3-7之间。改

　　变k'有如下办法: A.改变流动相或固定相 对于GC,流动相只有少数几个, 难奏效。选择固定相较为理想。 对于LC,两者均有选择余地， 固定相一般为化学键合固定相价格 太贵。选择流动相的配比较为合理。 B.改变温度可以控制k' 。特别 是对于GC,可采用程序升温。对 于LC,温度会影响柱效。

　　增大 α

　　增大N

　　减少或 增大k’ tR0

　　2.分离度与柱效N R N , N由L与H来控制,H与柱的填充、固定相的性质等有关。3.分离度与α的关系： α决定洗出峰的位置。 综上所述，对于GC,用选择固定液的办法。对于LC,用选择流动相 配比的办法。再加上程序升温(GC)或梯度淋洗(LC)等技术，将是 提高分离度的有效办法。

　　三、色谱与色谱分析色谱法具有的三个共同点： 1、凡是色谱分离都具有两个相，流动相和固定相。 2、固定相是不动的，流动相对固定相作相对的运动。 3、被分离的组分对流动相和固定相有不同的作用力。这 种作用力有吸附力(吸附色谱),溶解能力 (分配色谱),离子 交换能力 (离子交换色谱) 等。以分配系数来描述组分对流 动相和固定相的作用力的差别：

　　CsK= Cm

　　K 分配系数 Cs 组分在固定相中的浓度 Cm 组分在流动相中的浓度

　　色谱学研究的三个重要问题 要想使二组分(特别是难分离的二组分，亦称物质对)分离， 就要使它们的流出峰相距足够的远。二物质的流出峰的距离 与它们在两相的分配系数K有关，而K与物质的分子结构和性 质有关，因此必须研究这一分配过程中的热力学基础，它是 发展高选择性色谱柱的理论基础。 两峰具有一定距离还不足以分离，还必须要求峰宽要窄。色 谱峰的宽窄与物质在色谱过程中的运动情况有关，这就要求 研究色谱过程中的动力学因素。 当改变操作条件时，色谱峰宽和距离均可能同时起变化，色 谱分离条件的选择，成了色谱学理论研究的第三个重要问题。

　　第二节 色谱学基本理论 塔板理论 速率理论 扩散理论 块状液膜模型 平衡色谱理论

　　一、塔板理论 塔板理论的基本假设L 0 1 2 3 4 5 △V H column

　　1、柱内各段塔板高度 H不变，柱子塔板数 N = L/H 2、在塔板高度 H 内，组分在两相间达到瞬时平衡。 3、流动相以脉冲方式进入一个体积。 4、分配系数K在每个塔板上均不变，是常数。 5、组分加在0号塔板上，轴向扩散可忽略。

　　设有两组分A、B,KA=1,KB=0.25,N=5 两组分A,B在柱中H塔板高度的分布如下表所示： 0号塔板 1号塔板 2号塔板 3号塔板 4号塔板 柱出口 进样 1.0A 1.0B 1△V 0.5A 0.5A 0.2B 0.8B 2△V 0.25A 0.5A 0.25A 0.04B 0.320B 0.640B 3△V 0.125A 0.375A 0.375A 0.125A 0.008B 0.096B 0.384B 0.512B 4△V 0.063A 0.250A 0.37

　　5A 0.250A 0.062A 0.0016 B 0.026B 0.154B 0.410B 0.410B 5△V 0.032A 0.156A 0.313A 0.313A 0.157A 0.032A 0.006B 0.052B 0.205B 0.410B 0.328B 6△V 0.016A 0.095A 0.235A 0.313A 0.235A 0.079A 0.001B 0.015B 0.083B 0.246B 0.328B 7△V 0.008A 0.056A 0.165A 0.274A 0.274A 0.118A 0.004B 0.029B 0.119B 0.197B

　　8△V

　　0.004A

　　0.032A

　　9△V

　　0.002A

　　0.018A0.010A

　　0.110A 0.001B 0.071A 0.045A

　　10△V 0.001A

　　0.219A 0.010B 0.164A 0.003B 0.118A

　　11△V12△V 13△V 14△V

　　0.005A0.002A 0.001A

　　0.028A0.016A 0.009A 0.005A

　　0.082A0.055A

　　0.275A 0.047B 0.248A 0.017B 0.206A 0.006B 0.162A 0.001B 0.122A

　　0.036A 0.088A 0.022A 0.062A

　　0.138A 0.095B 0.121A 0.038B 0.103A 0.014B 0.081A 0.005B 0.081A 0.001B 0.061A 0.044A

　　注：数字右上角的 A,B分别代表 A,B组分在某一塔板上的分配值。

　　模似图 从上述数据可得如下模似图：

　　当 N 大于103时，趋向于正态分布曲线，此时色谱图如下：

　　1、物理意义

　　N说明组分在柱中反复分配平行的次数的多少，N越大， 平衡次数越多，组分与固定相的相互作用力越显，柱效 越高。 形象地说明了色谱柱的柱效，是反映柱效能的指标。

　　能很好地解释色谱图，如曲线形状、浓度最大值位置、 色谱峰的宽度和保留值的关系等。

　　2、塔板理论的局限性及原因 不能解释同一色谱柱对不同组分N或H的不同。 不能解释不同操作条件下，同一色谱柱对相同组分N或H 的不同。 不能找出影响N或H的内在因素。

　　不能为操作与应用色谱方法提供改善柱效的途径和方法。原因： 只考虑组分热力学因素，而没有考虑动力学因素。

　　二、速率理论1、 速率理论公式 H = A + B/U + (Cs + Cm )U A-涡流扩散项(Eddy diffusion) B/U-分子扩散项(Molecular diffusion) (Cs + Cm )U -传质阻力项(Mass transfer)

　　A、涡流扩散项(Eddy diffusion)当流动相带着被分离组分分子通过颗粒大小不 同、填充松紧不同的固定相时，会形成紊乱的类似 “涡流”的流动，形成流速不同的流路，造成组分谱 带的展宽。固亦称多径项。

　　A=2λdpλ-填充不规则因子 dp-固定相微粒直径

　　B、分子扩散项(Molecular diffusion)当样品进入色谱柱后，由于存在着浓度梯度， 组分分子由浓度高的区域向浓度低的区域运动， 产生浓度扩散，造成组分谱带展宽。HB=B/u=2γDM/u

　　B-分子扩散项系数 γ-弯曲因子(扩散阻止系数) DM-组分在流动相中扩散系数

　　C、传质阻力项(Mass transfer)由组分在两相中质量传质阻力引起 Cm U Cm实 流动相

　　实际浓度

　　分界面Cs 理想色谱 CS实 固定相

　　固定相传质阻力项： CSU=f(df2,K')U/Ds df-固定相液膜平均厚度 Ds-组分在固定相中扩散系数 流动相传质阻力项： CMU=f(dP2,K')U/DM

　　例：速率理论公式中A、B、C的求取方法：A、在三个相差较大的流速下，测出三个色

　　谱图。 B、在色谱图上选择某个色谱峰，由公式求出三种 u下的H。 L L Y H= ─── = ── ( ──)2 N 16 tR C、由u和H建立三条速率方程，然后求取A,B,C。 例：氯苯甲酸甲酯在三种不同载气流速下的数据如下：L=2米 tR0(sec) tR(sec) Y(sec) 47.0 361 48.2 37.5 295 39.3 25.0 198 27.7 求H=A+B/U+CU中的A,B,C。 解：先求U、N,后求H。 如U1 U1=L/Tr0=2100/47.0=4.26cm/s N1=16(tR1/Y1)2=16(361/48.2)2=897 H1=L/N1=200/897=0.223cm 则：H1=A+B/U1+CU1 依此类推，得三个方程组，解三方程组得A,B,C。意义： 三项中那一项影响柱效最大，从而可采取相应措施加以改正。

　　本章应掌握的内容：色谱法中的基本组成？ 色谱法的定义？ 色谱法的分类? 色谱图中重要参数表示的意义？ 相对保留值、分配比、塔板数、分离度基本概念？ 色谱法的共同特点？ 速率理论的三项组成？

　　谢谢