建筑環(huán)境測試技術色譜理論剖析實用教案

1、色 譜 分 析1.色譜分析(s p fn x)基本理論 2.氣相色譜分析(s p fn x) 3.高效液相色譜分析(s p fn x) 4.薄層色譜分析(s p fn x)第1頁/共26頁第一頁，共27頁。第二章 色譜分析(s p fn x)基本理論2-1 色譜分析(s p fn x)概述一、色譜分析(s p fn x)的概念色譜法(chromatography)： 1906年，俄植物學家Tsweet創(chuàng)立色譜法：玻璃柱CaCO3色素石油醚色素(色譜(s p)柱)(固定(gdng)相)(流動相)色譜色譜分析色素 色譜法是利用物質在流動相和固定相之間的分配(或吸附等)差異進行物質分離的一種物理或物

2、理化學分析方法。 色譜法先將混合物中各組分分離，然后逐一對各組分進行分析，是分析混合物的最有力手段之一。色譜法分類1.按兩相物態(tài)分： 按流動相: 氣相色譜法(GC)：液相色譜法(LC)： 按固定相:氣-固色譜法(GSC) 氣-液色譜法(GLC)液-固色譜法(LSC) 液-液色譜法(LLC)第2頁/共26頁第二頁，共27頁。2. 按固定相所處“形態(tài)”分：分為(fn wi)柱色譜法和平板色譜法柱色譜法： 填充柱色譜法 毛細管柱色譜法平板(pngbn)色譜法： 薄層色譜法(TLC) 紙色譜法(PC)3.按分離(fnl)機理分：吸附色譜法離子交換色譜法(IEC)空間排阻色譜法(SEC)毛細管電泳法(C

3、E)毛細管電色譜法(CEC)分配色譜法第3頁/共26頁第三頁，共27頁。4.簡單(jindn)綜合分類：第4頁/共26頁第四頁，共27頁。流動相系統(tǒng)進樣系統(tǒng)色譜柱檢測系統(tǒng)mvt(min)記錄系統(tǒng)二、柱色譜分析(s p fn x)的一般過程試樣3.漂移(pio y)d:基線隨時間朝一定方向緩慢變化。用單位時間(1hr)基線水平變化d表示。mv tIbd2-2 色譜流出曲線(色譜圖)及有關概念色譜流出曲線(色譜圖)： 試樣經(jīng)色譜分離后的各組分進入檢測器，所形成的檢測器信號隨時間變化的曲線。一、基線(基流)基線：純流動相的色譜流出曲線1.正?；€：水平(shupng)直線。2.噪音Ib：各種偶然因素

4、引起的基線起伏。用噪音帶寬Ib表示。第5頁/共26頁第五頁，共27頁。二、色譜峰峰形色譜(s p)峰有三種形狀：1.正常峰：對稱正態(tài)分布曲線2.拖尾峰3.前延峰第6頁/共26頁第六頁，共27頁。峰參數(shù)：峰高、區(qū)域寬度和峰面積2.區(qū)域寬度：柱效參數(shù)。三種表示(biosh)方法：0.607h 標準偏差：正態(tài)峰兩拐點間距的一半 =W0.607h / 2h1.峰高hh/2半峰寬W1/2 ：W1/2W1/2 =2 (2ln 2)1/2=2.355Wb = 4 =1.699 W1/2峰(底)寬Wb ：Wb3.峰面積A：定量參數(shù) 峰曲線與基線包圍的面積。計算方法：峰高乘半峰寬法： 對稱峰：A=1.065hW

5、1/2峰高乘平均(pngjn)峰寬法： 不對稱峰：A=1.065h(W0.15+W0.85)/2自動求積法：利用積分儀、色譜工作站求積分面積第7頁/共26頁第七頁，共27頁。三、保留值：表示試樣中個組分在色譜柱中的滯留時間，是定性參數(shù)。保留時間1.保留時間tR：從進樣開始到某組分色譜峰頂?shù)臅r間間隔。tR2tR1t02.死時間t0 ：不被固定相滯留的組分的保留時間。即流動相從進樣口到達檢測器所需時間。L進樣檢測流動相流速：utR1tR23.調(diào)整保留時間tR： tR = tR - t0 可消除進樣時間的影響保留(boli)體積1.保留(boli)體積VR(洗脫體積)：在某組分保留(boli)時間間

6、隔內(nèi)，通過色譜柱的流動相體積。 VR= utR u - 流動相流速(ml/min)2.死體積V0 ：死時間內(nèi)通過色譜柱的流動相體積。即從進樣器至檢測器未被固定相占有的體積。即： V0=u t0 3.調(diào)整保留(boli)體積VR： VR = VR -V0=u tR VR、 V0、 VR與u無關。t0 =L/u第8頁/共26頁第八頁，共27頁。相對保留值2,1： 某組分(2)的調(diào)整保留值與另一組分(1)的調(diào)整保留值的比值,稱為該組分(2)的相對保留值。 2,1 = tR2/ tR1 = VR2 /VR1 2,1與柱溫、固定相有關，與柱長、柱徑、柱填充、流動相流速等無關。四、分離度R 衡量(hng

7、ling)相鄰兩色譜峰的分離程度，用相鄰兩色譜峰分開的距離是平均峰寬的幾倍表示。mvttR2tR1W1W2定義：相鄰兩色譜峰保留(boli)時間之差與兩色譜峰平均峰寬的比值。 R=(tR2 - tR1)/(W2+ W1)/2=2 (tR2 - tR1)/ (W2+ W1)討論：R=1時，4分離（因 tR2 - tR1=(W2+ W1)/2= 4)，分離程度95.4 R=1.5時， 6分離，分離程度99.7，完全分離。第9頁/共26頁第九頁，共27頁。2-3 分配(fnpi)平衡與色譜分離基本原理 色譜過程可以看成物質分子在相對運動的兩相之間分配(fnpi)平衡的過程。一、分配系數(shù)K 一定溫度下

8、，組分在流動相和固定相間進行分配，當達到分配平衡(pnghng)時，組分在固定相中濃度Cs與在流動相中濃度CM之比為一常數(shù)，稱為分配系數(shù)。 K= Cs/CM 濃度很小時，K與組分、流動相和固定相性質、溫度有關，與濃度無關。二、分配比k(容量因子)1. 定義： 一定溫度下，組分在兩相間達到分配平衡(pnghng)時，在固定相中的質量ms和在流動相中的質量mM之比。 k = m s/mM分配比越大，滯留在固定相中的分子數(shù)目越多，該組分移動得越慢2. 與K的關系： K = C s/CM= ms /Vs /mM / VM= k (VM/ Vs) k = K (Vs / Vm) 與兩相體積有關。第10頁

9、/共26頁第十頁，共27頁。三、色譜分離(fnl)基本原理 設：A、B兩組分混合物，經(jīng)色譜柱到達檢測器，則： tRA=t0 (1+kA)= t01+ KA (Vs / Vm) tRB=t0 (1+kB)= t01+ KB (Vs / Vm) tR= tRA- tRB= t0 (kA - kB)= t0 (KA - KB ) (Vs / Vm) 若使兩組分離(fnl)，即： tR0 , 則必須： KA KB 或 kA kB 因此，色譜分離(fnl)基本原理就是： 利用物質各組分在流動相和固定相間的分配系數(shù)差異進行組分分離(fnl)。 理想的色譜過程中， K= Cs/Cm=常數(shù)，與組分濃度C無關。

10、實際上，當組分濃度較大(jio d)時，K隨組分在兩相中的濃度Cs、Cm變化，這一變化可用分配等溫線來描述。第11頁/共26頁第十一頁，共27頁。四、分配等溫線 在一定溫度下，某組分在固定相和流動相之間達到分配平衡時，該組分在兩相中濃度的關系曲線。典型的等溫線有三種。K=Cs/CmC,KC,K線性等溫線凸形等溫線凹形等溫線正常峰前延峰拖尾峰第12頁/共26頁第十二頁，共27頁。進樣檢測色譜柱2-4 塔板理論 基本思想： 將組分在兩相間的轉移過程分解(fnji)為若干個分配平衡過程。 將色譜柱看作一個分餾塔，假想將色譜柱均勻分成若干距離為H(稱塔板高度)的小段，每一小段相當于分餾塔中一塊塔板，完

11、成一次分配平衡。 樣品的各組分在一塊塔板高度內(nèi)在流動相和固定相中達到分配平衡，而后被流動相攜帶轉移(zhuny)至相鄰塔板，再達到分配平衡，經(jīng)多次分配平衡、轉移(zhuny)后，分配系數(shù)小的組分先到達“塔頂”(出柱)。 K=Cs/Cm 由于色譜柱可分成很多塔板，因此只要不同(b tn)組分的K有微小差別，即可分離。 H第13頁/共26頁第十三頁，共27頁。進樣檢測色譜柱ms一、基本(jbn)假設 色譜柱由完全相同的不連續(xù)相同的不連續(xù)體積單元組成，每一體積單元為一假想的理論塔板。體積單元的長度H稱塔板高度。 塔板號：0 1 2 3 4 5.H 流動相從柱入口(0號塔板)以脈沖式進入色譜(s p)

12、柱，每次進樣量一個塔板的流動相體積。流動相K=Cs/Cmk=ms/mM試樣和新鮮(xn xin)流動相最初加在0號塔板上，忽略縱向擴散。 組分在每塊塔板的兩相間瞬間達到平衡，在所有塔板上K=常數(shù)。第14頁/共26頁第十四頁，共27頁。二、色譜流出曲線組分在塔板上的分布(fnb)規(guī)律 設待測組分在塔板上達到分配平衡時，在固定相中的組分分數(shù)為p，在流動相的組分分數(shù)為q，則有：k= p/q (p+q=1)進樣檢測色譜柱ms塔板號：0 1 2 3 4 5.H流動相1 qppq q2p2 pqp2q 2pq2 q3p3 2p2q pq2第15頁/共26頁第十五頁，共27頁。流出曲線方程 用二項式分布式計

13、算出各塔板上某待測組分的相對含量C，然后對轉移次數(shù)N(塔板號)作圖，可得到該待測組分在各塔板上的分布曲線，即色譜流出曲線。 當塔板數(shù)n (n=N+1)較小時，流出曲線不對稱(duchn)。 色譜柱的塔板數(shù)越多，色譜流出曲線越接近正態(tài)分布曲線，曲線輪廓越窄。 當塔板數(shù)n51(N50)時，流出曲線接近正態(tài)分布。 所以，色譜流出曲線方程為： C0 C= e -(t-tR)2/22 2C為任意時間t時的組分量(濃度C、質量或高度h)C0為組分的總量(總濃度C0 、總質量或峰面積A)當t=tR，有：Cmax= C0/(2)1/2 即：hmax= A/(2)1/2可見(kjin)：峰高hmax與樣品量(C

14、0，A)成正比，與成反比。t tRC (h)Cmax(hmax)Ct 色譜柱的塔板數(shù)在103以上，因此色譜流出曲線趨于標準偏差很小正態(tài)分布曲線，可用正態(tài)分布方程描述。 第16頁/共26頁第十六頁，共27頁。三、柱效參數(shù) 由塔板理論的流出曲線方程可推導(tudo)出： 色譜柱理論塔板數(shù) n=5.54 (tR/Y1/2)2 =16 (tR/Y)2 理論塔板高度 H=L/n 可見：n越大或H越小，越小 ，峰越窄，柱效越高。 因此，n和H是衡量色譜柱柱效高低的參數(shù)。 因t0與色譜柱對組分的滯留、分配平衡無關，應從tR中扣除，得到色譜柱的實際有效塔板數(shù)neff為： 有效塔板數(shù)： neff=5.54 (t

15、R/Y1/2)2 =16 (tR/Y)2 有效塔板高度： Heff =L/ neff四、塔板理論的意義和缺陷意義 1.建立了色譜過程的熱力學分配平衡的數(shù)學模型，推導(tudo)出色譜流出曲線方程，解釋了流出曲線的形狀和濃度極大點的位置。 2.建立了評價柱效的方法，給出了柱效參數(shù)及計算公式。缺陷： 某些假設和實際的色譜過程不相符，忽視了組分分子在兩相中擴散和傳質的動力學過程以及流動相速度的影響，未闡述影響色譜柱柱效的動力學因素。第17頁/共26頁第十七頁，共27頁。2-5 速率理論 速率理論是把色譜過程看成為一個連續(xù)的動態(tài)過程，研究動力學因素對色譜峰展寬(或塔板高度H、柱效)的影響。 1956年

16、，荷蘭化學家范第姆特(Van Deemeter)全面概括了影響色譜柱柱效的動力學因素，提出了范第姆特方程式。一、范第姆特方程式 實驗發(fā)現(xiàn)：色譜峰寬隨流動相流速而變化(binhu)。用塔板高度(板高)H對流動相流速u作圖可得板高-流速曲線。Hu Van Deemeter從動力學理論導出板高H和流動相速度u的關系，稱為范第姆特方程式： H=A + B/u + Cu A(cm)、B(cm2.s-1)、C(s)為常數(shù)，u為流動相線速度(cm.s-1)。 由Van Deemeter方程式可見(kjin)：影響板高(柱效)的因素有三項：A、B/u、Cu。第18頁/共26頁第十八頁，共27頁。1.渦流擴散(

17、kusn)：A稱為渦流擴散(kusn)項或多徑項。是指由于組分分子在色譜柱中以不同路徑遷移所造成的色譜峰展寬。Van Deemeter方程式：H=A + B/u + CuHu板高-流速曲線影響板高的因素： A=2dp - 填充不規(guī)則因子，dp 固定相顆粒直徑 2.縱向分子擴散：B/u稱為縱向分子擴散項。 是指在色譜柱中組分譜帶(“塞子”)前后存在濃度差，引起(ynq)沿色譜柱方向方向的擴散，而造成的色譜峰展寬。B稱為縱向分子擴散系數(shù)B=2rDg r1 ：彎曲(wnq)因子。Dg 組分在流動相中的擴散系數(shù)。DgT 1/M1/2第19頁/共26頁第十九頁，共27頁。 是指阻礙組分在固定項和流動項中

18、進行物質(wzh)傳遞過程(溶解或吸附、平衡、轉移等)的阻力。C稱為傳質阻力系數(shù)。包括： 流動相傳質阻力系數(shù)Cm 停滯流動相傳質阻力系數(shù)Csm固定相傳質阻力系數(shù)Cs C=Cm+Csm+Cs3. 傳質阻力：Cu稱為(chn wi)傳質阻力項 Van Deemeter方程式：H=A + B/u + CuHu板高-流速曲線流動(lidng)相傳質阻力(系數(shù)Cm)：停滯流動相 是指組分分子進入固定相深孔中的停滯流動相中，相對晚回到流動相中而引起的色譜峰展寬。Cm=Cmdp2/Dm Cm - 常數(shù)因子, 由柱填充性質決定。停滯流動相傳質阻力(系數(shù)Csm)：Csm=Csmdp2/Dm Csm - 常數(shù)因子第20頁/共26頁第二十頁，共27頁。固定(gdng)相傳質阻力(系數(shù)Cs)： 是指組分分子進入厚涂層固定(gdng)液內(nèi)部，相對晚回到流動相所引起的色譜峰展寬。 Cs=Csdf2/Ds Cs - 常數(shù)因子，df - 固定液膜厚度， Ds 組分(zfn)在固定相中的擴散系數(shù)。因此(ync)：H=A + B/u + (Cm+Csm+Cs)u= 2dp + 2rDm/u+ (Cmdp2/Dm + Csmdp2/Dm + Csdf2/Ds)u 第21頁/共26頁第二十一頁，共27頁。4. 流速u對板高H的影響： 板