色譜法引論PPT課件

1、2021-11-18一、 色譜法的特點、分類和作用 1.1.概述概述 分離、分析混合物最有效的方法。分離、分析混合物最有效的方法。 俄國植物學(xué)家茨維特在俄國植物學(xué)家茨維特在1901901 1年使用的裝置：年使用的裝置：色譜原型裝置，如圖。色譜原型裝置，如圖。 色譜法首先是一種分離技術(shù)，同時也是一種色譜法首先是一種分離技術(shù)，同時也是一種分析技術(shù)。分析技術(shù)。 試樣混合物的分離過程也就是試樣中各組分試樣混合物的分離過程也就是試樣中各組分在色譜分離柱中兩相間不斷進行著的分配過程在色譜分離柱中兩相間不斷進行著的分配過程 其中的一相固定不動，稱為其中的一相固定不動，稱為固定相固定相； 另一相是攜帶試樣混合

2、物流過此固定相的流另一相是攜帶試樣混合物流過此固定相的流體（氣體或液體），稱為體（氣體或液體），稱為流動相流動相。第1頁/共53頁2021-11-18 當流動相中攜帶的混合物流經(jīng)固定相時，其與固定相發(fā)當流動相中攜帶的混合物流經(jīng)固定相時，其與固定相發(fā)生相互作用。生相互作用。 由于混合物中各組分在性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的差異，與固定相由于混合物中各組分在性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的差異，與固定相之間產(chǎn)生的作用力的大小、強弱不同，隨著流動相的移動，之間產(chǎn)生的作用力的大小、強弱不同，隨著流動相的移動，混合物在兩相間經(jīng)過反復(fù)多次的分配平衡，使得各組分被固混合物在兩相間經(jīng)過反復(fù)多次的分配平衡，使得各組分被固定相保留的時間不同，從

3、而按一定次序由固定相中流出。定相保留的時間不同，從而按一定次序由固定相中流出。 與適當?shù)闹髾z測方法結(jié)合，實現(xiàn)混合物中各組分的與適當?shù)闹髾z測方法結(jié)合，實現(xiàn)混合物中各組分的分離與檢測。分離與檢測。 第2頁/共53頁2021-11-182.2.色譜法分類色譜法分類 (1) (1)氣相色譜：流動相為氣體（稱為載氣）。 按分離柱不同可分為：填充柱色譜和毛細管柱色譜； 按固定相的不同又分為：氣固色譜和氣液色譜第3頁/共53頁2021-11-18(2)(2)液相色譜：流動相為液體（也稱為淋洗液）。 按固定相的不同分為：液固色譜和液液色譜。 離子色譜：液相色譜的一種，以特制的離子交換樹脂為固定相，不同pH

4、pH值的水溶液為流動相。第4頁/共53頁2021-11-18(3)(3)其他色譜方法薄層色譜和紙色譜： 比較簡單的色譜方法凝膠色譜法： 測聚合物分子量分布。超臨界色譜: : CO2流動相。高效毛細管電泳: : 九十年代快速發(fā)展、特別適合生物試樣分析分離的高效分析儀器。第5頁/共53頁2021-11-183.3.色譜法的特點色譜法的特點不足之處：不足之處：第6頁/共53頁2021-11-18氣固色譜的固定相氣固色譜的固定相: 多孔性的固體吸附劑顆粒。多孔性的固體吸附劑顆粒。 固體吸附劑對試樣中各組分的吸附能力的不同。固體吸附劑對試樣中各組分的吸附能力的不同。氣液色譜的固定相氣液色譜的固定相: 由

5、由 擔體和固定液所組成。擔體和固定液所組成。 固定液對試樣中各組分的溶解能力的不同。固定液對試樣中各組分的溶解能力的不同。氣固色譜的分離機理氣固色譜的分離機理: 吸附與脫附的不斷重復(fù)過程；吸附與脫附的不斷重復(fù)過程；氣液色譜的分離機理：氣液色譜的分離機理： 氣液兩相間的反復(fù)多次分配過程。氣液兩相間的反復(fù)多次分配過程。二、色譜分離過程 色譜分離過程是在色譜柱內(nèi)完成的。以氣相色譜為例，氣固色譜和氣液色譜，兩者的分離機理不同。第7頁/共53頁2021-11-181. 1. 氣相色譜分離過程氣相色譜分離過程 當試樣由載氣攜帶進入色譜柱與固定相接觸時，被固定當試樣由載氣攜帶進入色譜柱與固定相接觸時，被固定

6、相溶解或吸附相溶解或吸附; ;隨著載氣的不斷通入，被溶解或吸附的組分又隨著載氣的不斷通入，被溶解或吸附的組分又從固定相中揮發(fā)或脫附從固定相中揮發(fā)或脫附; ; 揮發(fā)或脫附下的組分隨著載氣向前移動時又再次被固定揮發(fā)或脫附下的組分隨著載氣向前移動時又再次被固定相溶解或吸附相溶解或吸附; ;隨著載氣的流動，溶解、揮發(fā)，或吸附、脫附隨著載氣的流動，溶解、揮發(fā)，或吸附、脫附的過程反復(fù)地進行。的過程反復(fù)地進行。第8頁/共53頁2021-11-182. 2. 分配系數(shù)分配系數(shù)（ partion factor） K 組分在固定相和流動相間發(fā)生的吸附、脫附，或溶解、揮發(fā)的過程叫做分配過程。ms ccK組分在流動相

7、中的濃度組分在固定相中的濃度分配系數(shù)是色譜分離的依據(jù)。 在一定溫度下，組分在兩相間分配達到平衡時的濃度（單位：g / mL）比，稱為分配系數(shù)，用K 表示，即：第9頁/共53頁2021-11-18分配系數(shù) K 的討論 組分在流動相中的濃度組分在流動相中的濃度組分在固定相中的濃度組分在固定相中的濃度 K第10頁/共53頁2021-11-183.3.分配比分配比 （partion radio）k 在實際工作中，也常用分配比來表征色譜分配平衡過程。在實際工作中，也常用分配比來表征色譜分配平衡過程。分配比是指，在一定溫度下，組分在兩相間分配達到平衡分配比是指，在一定溫度下，組分在兩相間分配達到平衡時的質(zhì)

8、量比：時的質(zhì)量比：ms mmk組分在流動相中的質(zhì)量組分在固定相中的質(zhì)量 1. 分配系數(shù)與分配比都是與組分及固定相的熱力學(xué)性質(zhì)分配系數(shù)與分配比都是與組分及固定相的熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，隨分離柱溫度、柱壓的改變而變化。有關(guān)的常數(shù)，隨分離柱溫度、柱壓的改變而變化。 2.分配系數(shù)與分配比都是衡量色譜柱對組分保留能力的分配系數(shù)與分配比都是衡量色譜柱對組分保留能力的參數(shù)，數(shù)值越大，該組分的保留時間越長。參數(shù)，數(shù)值越大，該組分的保留時間越長。 3. 分配比可以由實驗測得。分配比可以由實驗測得。分配比也稱： 容量因子(capacity factor)；容量比(capacity factor)；第11頁/共53

9、頁2021-11-184.分配系數(shù)與分配比的關(guān)系分配系數(shù)與分配比的關(guān)系 式中為相比率， Vm / VS 。 Vm為流動相體積，即柱內(nèi)固定相顆粒間的空隙體積； VS為固定相體積。是反映各種色譜柱柱型特點的又一個參數(shù)。 填充柱 ：635； 毛細管柱：501500。 KVVccVVMVVMMMkmSmsmmSSSSmS 第12頁/共53頁2021-11-185. 分配比分配比 與保留時間的關(guān)系與保留時間的關(guān)系 分配比分配比 可直接從色譜圖測得。若組分和流動相通過長度為L的分離柱，需要的時間分別為tr和t0，則：0r00rtttttk第13頁/共53頁2021-11-18三、色譜流出曲線與術(shù)語1.1.

10、基線基線 無試樣通過檢測器時，檢測到的信號即為基線。2.2.保留值保留值 （1）時間表示的保留值 保留時間（tr）：組分從進樣到柱后出現(xiàn)濃度極大值時所需的時間； 死時間（tM或t0 ）：不與固定相作用的物質(zhì)（如空氣）的保留時間； 調(diào)整保留時間（tr ）：tr= trt0 第14頁/共53頁2021-11-18 （2）用體積表示的保留值 保留體積（VR）： Vr = trF0F0為柱出口處的載氣流速，單位：m L / min。 死體積（V0）： V0 = t0 F0 調(diào)整保留體積(VR)： V r = Vr V0 第15頁/共53頁2021-11-183. 3. 相對保留值相對保留值r21（選擇

11、因子）（選擇因子） 組分2與組分1調(diào)整保留值之比： r21 = tr2 / tr1= Vr2 / Vr1只與柱溫只與柱溫和固定相性質(zhì)有關(guān)和固定相性質(zhì)有關(guān)，與其他，與其他色譜操作條件無關(guān)，它表示色譜操作條件無關(guān)，它表示了固定相對這兩種組分的選了固定相對這兩種組分的選擇性，又稱選擇因子，擇性，又稱選擇因子，第16頁/共53頁2021-11-184.4.分配系數(shù)分配系數(shù) K K 及分配比及分配比 k k 與選擇因子與選擇因子的關(guān)的關(guān)系系 對對A、B兩組分的選擇因子，用下式表示：兩組分的選擇因子，用下式表示： = t r (B) / t r (A) = k (B) / k (A) =K (B) / K

12、 (A) 第17頁/共53頁2021-11-185 5. . 區(qū)域?qū)挾葏^(qū)域?qū)挾?用來衡量色譜峰寬度的參數(shù)，有三種表示方法：（1）標準偏差( )：即0.607倍峰高處色譜峰寬度的一半。（2）半峰寬(Y1/2或W1/2)：色譜峰高一半處的寬度W1/2 =2.354 （3）峰底寬(Wb)：Wb=4 第18頁/共53頁2021-11-186 6. . 色譜色譜流出曲線的數(shù)學(xué)描述流出曲線的數(shù)學(xué)描述222)(02ttRecc 色譜峰為正態(tài)分布時，色譜流出曲線上的濃度與時間的關(guān)系為：第19頁/共53頁2021-11-18第二節(jié)第二節(jié)第二節(jié) 色譜理論基礎(chǔ)色譜理論基礎(chǔ)色譜理論基礎(chǔ)一、塔板理論一、塔板理論plat

13、e theory二、二、速率理論速率理論rate theory三、三、分離度分離度resolution Fundamental of chromatograph theory 第20頁/共53頁2021-11-18色譜理論 色譜理論需要解決的問題：色譜理論需要解決的問題：色譜分離過程的熱力學(xué)和動力色譜分離過程的熱力學(xué)和動力學(xué)問題。影響分離及柱效的因素與提高柱效的途徑，柱效與學(xué)問題。影響分離及柱效的因素與提高柱效的途徑，柱效與分離度的評價指標及其關(guān)系。分離度的評價指標及其關(guān)系。組分保留時間為何不同？色譜峰為何變寬？組分保留時間為何不同？色譜峰為何變寬？組分保留時間組分保留時間：色譜過程的熱力學(xué)因

14、素控制；：色譜過程的熱力學(xué)因素控制； （組分和固定液的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)）（組分和固定液的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)）色譜峰變寬色譜峰變寬：色譜過程的動力學(xué)因素控制；：色譜過程的動力學(xué)因素控制； （兩相中的運動阻力，擴散）（兩相中的運動阻力，擴散）兩種色譜理論：塔板理論和速率理論；兩種色譜理論：塔板理論和速率理論；第21頁/共53頁2021-11-18一、塔板理論- -柱分離效能指標 1.1.塔板理論塔板理論（plate theory）半經(jīng)驗理論；半經(jīng)驗理論； 將色譜分離過程比擬作精餾過程，將連續(xù)將色譜分離過程比擬作精餾過程，將連續(xù)的色譜分離過程分割成多次的平衡過程的重復(fù)的色譜分離過程分割成多次的平衡過程的重復(fù) （類

15、似于精餾塔塔板上的平衡過程）。（類似于精餾塔塔板上的平衡過程）。第22頁/共53頁2021-11-181. 在柱內(nèi)一小段長度在柱內(nèi)一小段長度H內(nèi)，組分可以在兩內(nèi)，組分可以在兩相間迅速達到平衡。這一小段柱長稱為相間迅速達到平衡。這一小段柱長稱為理論塔板高度理論塔板高度H。2. 以氣相色譜為例，載氣進入色譜柱不以氣相色譜為例，載氣進入色譜柱不是連續(xù)進行的，而是脈動式，每次進氣是連續(xù)進行的，而是脈動式，每次進氣為一個塔板體積（為一個塔板體積（Vm）。）。3. 所有組分開始時存在于第所有組分開始時存在于第0號塔板上，號塔板上，而且試樣沿軸（縱）向擴散可忽略。而且試樣沿軸（縱）向擴散可忽略。4. 分配系

16、數(shù)在所有塔板上是常數(shù)，與組分配系數(shù)在所有塔板上是常數(shù)，與組分在某一塔板上的量無關(guān)。分在某一塔板上的量無關(guān)。第23頁/共53頁2021-11-18色譜柱長：L， 虛擬的塔板間距離：H色譜柱的理論塔板數(shù)：n 則三者的關(guān)系為： n = L / H理論塔板數(shù)與色譜參數(shù)之間的關(guān)系（）：第24頁/共53頁2021-11-182.2.有效塔板數(shù)和有效塔板高度有效塔板數(shù)和有效塔板高度222/1)(16)(54. 5wtwtnrreffeffeffnLH（）第25頁/共53頁2021-11-183.3.塔板理論的特點和不足塔板理論的特點和不足 (1)當色譜柱長度一定時，塔板數(shù)當色譜柱長度一定時，塔板數(shù) n 越大

17、越大(塔板高度塔板高度 H 越越小小)，被測組分在柱內(nèi)被分配的次數(shù)越多，柱效能則越高，所，被測組分在柱內(nèi)被分配的次數(shù)越多，柱效能則越高，所得色譜峰越窄。得色譜峰越窄。 (2)不同物質(zhì)在同一色譜柱上的分配系數(shù)不同，用有效塔板不同物質(zhì)在同一色譜柱上的分配系數(shù)不同，用有效塔板數(shù)和有效塔板高度作為衡量柱效能的指標時，應(yīng)指明測定物數(shù)和有效塔板高度作為衡量柱效能的指標時，應(yīng)指明測定物質(zhì)。質(zhì)。第26頁/共53頁2021-11-183.3.塔板理論的特點和不足塔板理論的特點和不足 (3)柱效不能表示被分離組分的實際分離效果，當兩組分的柱效不能表示被分離組分的實際分離效果，當兩組分的分配系數(shù)分配系數(shù)K相同時，無

18、論該色譜柱的塔板數(shù)多大，都無法分相同時，無論該色譜柱的塔板數(shù)多大，都無法分離。離。 (4)塔板理論無法解釋同一色譜柱在不同的載氣流速下柱效塔板理論無法解釋同一色譜柱在不同的載氣流速下柱效不同的實驗結(jié)果，也無法指出影響柱效的因素及提高柱效的不同的實驗結(jié)果，也無法指出影響柱效的因素及提高柱效的途徑。途徑。第27頁/共53頁2021-11-18二、 速率理論- -影響柱效的因素1. 1. 速率方程（也稱范速率方程（也稱范. .弟姆特方程式）弟姆特方程式） H = A + B/u + Cu H：理論塔板高度， u：載氣的線速度(cm/s) 減小A、B、C三項可提高柱效； 存在著最佳流速； A、B、C三

19、項各與哪些因素有關(guān)？第28頁/共53頁2021-11-18A渦流擴散項 A = 2dp dp：固定相的平均顆粒直徑：固定相的填充不均勻因子 固定相顆粒直徑dp，填充的越均勻，則A，H，柱效n。表現(xiàn)在渦流擴散所引起的色譜峰變寬現(xiàn)象減輕，色譜峰較窄。第29頁/共53頁2021-11-18B/u 分子擴散項 B = 2 Dg ：彎曲因子，反映了固定相顆粒的幾何形狀對自由分子擴散的阻礙情況。 Dg：試樣組分分子在氣相中的擴散系數(shù)（cm2s-1） (1) 存在著濃度差，產(chǎn)生縱向擴散; (2) 擴散導(dǎo)致色譜峰變寬，H(n)，分離變差; (3) 分子擴散項與流速有關(guān)，流速，滯留時間，擴散; (4) 擴散系數(shù)

20、：Dg (M載氣)-1/2 ； M載氣，B值。第30頁/共53頁2021-11-18 k為容量因子； Dg 、DL為擴散系數(shù)。 減小擔體粒度，選擇小分子量的氣體作載氣，可降低傳質(zhì)阻力。C u 傳質(zhì)阻力項對GC， 傳質(zhì)阻力包括氣相傳質(zhì)阻力Cg和液相傳質(zhì)阻力CL即： C =（Cg + CL）gpgDdkkC222)1 (01. 0LfLDdkkC22)1 (32第31頁/共53頁2021-11-182.2.載氣流速與柱效載氣流速與柱效最佳流速最佳流速載氣流速高時：載氣流速高時： 傳質(zhì)阻力項是影響柱效的主傳質(zhì)阻力項是影響柱效的主要因素，要因素，流速流速 ，柱效，柱效 。載氣流速低時：載氣流速低時：

21、分子擴散項成為影響柱效的分子擴散項成為影響柱效的主要因素，主要因素，流速流速 ,柱效柱效 。H - u曲線與最佳流速：曲線與最佳流速： 由于流速對這兩項完全相反的作用，流速對柱效的總影響由于流速對這兩項完全相反的作用，流速對柱效的總影響使得存在著一個最佳流速值，即速率方程式中塔板高度對流使得存在著一個最佳流速值，即速率方程式中塔板高度對流速的一階導(dǎo)數(shù)有一極小值。速的一階導(dǎo)數(shù)有一極小值。 以塔板高度以塔板高度H對應(yīng)載氣流速對應(yīng)載氣流速u作圖，曲線最低點的流速即作圖，曲線最低點的流速即為為最佳流速最佳流速。第32頁/共53頁2021-11-183. 3. 速率理論的要點速率理論的要點 (1) (1

22、)組分分子在柱內(nèi)運行的組分分子在柱內(nèi)運行的多路徑與渦流擴散多路徑與渦流擴散、濃度濃度梯度所造成的梯度所造成的分子擴散分子擴散及及傳質(zhì)阻力傳質(zhì)阻力使氣液兩相間的分使氣液兩相間的分配平衡不能瞬間達到等因素是造成色譜峰擴展柱效下配平衡不能瞬間達到等因素是造成色譜峰擴展柱效下降的主要原因。降的主要原因。 (2) (2)通過選擇適當?shù)墓潭ㄏ嗔６取⑤d氣種類、液膜通過選擇適當?shù)墓潭ㄏ嗔６取⑤d氣種類、液膜厚度及載氣流速可提高柱效。厚度及載氣流速可提高柱效。第33頁/共53頁2021-11-183. 3. 速率理論的要點速率理論的要點 (3)速率理論為色譜分離和操作條件選擇提供了理論速率理論為色譜分離和操作條件

23、選擇提供了理論指導(dǎo)。闡明了流速和柱溫對柱效及分離的影響。指導(dǎo)。闡明了流速和柱溫對柱效及分離的影響。 (4) 各種因素相互制約，如載氣流速增大，分子擴各種因素相互制約，如載氣流速增大，分子擴散項的影響減小，使柱效提高，但同時傳質(zhì)阻力項的散項的影響減小，使柱效提高，但同時傳質(zhì)阻力項的影響增大，又使柱效下降；柱溫升高，有利于傳質(zhì)，影響增大，又使柱效下降；柱溫升高，有利于傳質(zhì)，但又加劇了分子擴散的影響，選擇最佳條件，才能使但又加劇了分子擴散的影響，選擇最佳條件，才能使柱效達到最高。柱效達到最高。第34頁/共53頁2021-11-18三、 分離度（分辨率）第35頁/共53頁2021-11-18討論：第3

24、6頁/共53頁2021-11-18分離度的表達式：R=0.8：兩峰的分離程度可達89%；R=1：分離程度98%；2121)(2)(211212wwttwwttRrrrr第37頁/共53頁2021-11-18的定義并未反映影響分離度的諸因的定義并未反映影響分離度的諸因素。素。 實際上，實際上， 受柱效受柱效 、相對保留值、相對保留值（選擇因子（選擇因子）和容量因子）和容量因子 三個參三個參數(shù)的控制，它們之間的關(guān)系可以用數(shù)的控制，它們之間的關(guān)系可以用來表示。來表示。四、基本色譜分離方程式四、基本色譜分離方程式四、基本色譜分離方程式第38頁/共53頁2021-11-18推導(dǎo)可得基本色譜分離方程式：2

25、2212121116 kkrrRn kkrrRn1142121nkkrrR11412121第39頁/共53頁2021-11-18 式中，a為選擇性因子，a=r21)1)(1(4kknR或：或：或：第40頁/共53頁2021-11-18 在實際應(yīng)用中，往往用neff 代替n ，可得基本色譜分離方程式的又一表達式 ：)1(42121rrnReff)1(4effnR 或：第41頁/共53頁2021-11-1822116Rneff第42頁/共53頁2021-11-181、分離度與柱效的關(guān)系 第43頁/共53頁2021-11-18第44頁/共53頁2021-11-18第45頁/共53頁2021-11-18 在實際中，基本色譜分離方程式是在實際中，基本色譜分離方程式是很有用的公式，它將柱效、選擇因子、很有用的公式，它將柱效、選擇因子、分離度三者的關(guān)系聯(lián)系起來了，知道其分離度三者的關(guān)系聯(lián)系起來了，知道其中兩個指標，就可以計算出第三個指標。中兩個指標，就可以計算出第三個指標。五、基本色譜分離方程式的應(yīng)用五、基本色譜分離方程式的應(yīng)用五、基本色譜分離方程式的應(yīng)用第46頁/共53頁2021-11-18例題例題例題1 1 1： 有一根1m長