色譜分析法-02色譜基本理論

第二章色譜基本理論

第一節(jié)色譜圖及基本參數(shù)

色譜圖:色譜柱流出物通過檢測器時所產(chǎn)生的響應(yīng)信號對時間的曲線圖,其縱坐標(biāo)為信號強度,橫坐標(biāo)為保留時間.色譜圖示意圖色譜圖相關(guān)術(shù)語.

色譜峰(Peak):.峰底(PeakBase):.峰高h(PeakHeight):.峰(底)寬W(PeakWidth):.半(高)峰寬W1/2(PeakWidthatHalfHeight):.峰面積(PeakArea):.標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)(StandardError):.拖尾峰(TailingPeak):.前伸峰(LeadingPeak):.鬼峰,假峰(GhostPeak):色譜圖相關(guān)術(shù)語.基線(Baseline):.基線飄移(BaselineDrift):.基線噪聲(N)(BaselineNoise):.譜帶擴展(BandBroadening):色譜圖相關(guān)術(shù)語留值的基本參保數(shù)保留時間(tR)(Retentiontime):死時間(tM)(Deadtime):調(diào)整保留時間(tR’)tR’=tR-tM,校正保留時間（tR0）tR0=jtR,

凈保留時間(tN)tN=jtR’,校正保留體積（VR0）:VR0=jVR凈保留體積(VN):VN=jVR’比保留體積(Vg):Vg=(273/Tc)(VN/ML)

保留值的基本參數(shù)有關(guān)分離的參數(shù)一相對保留值α又叫選擇性系數(shù)或選擇性因子α=1時兩個組分分不開，改變α的途徑是：

改變固定相，改變流動相，改變樣品本身的性質(zhì)（如衍生化法）

二區(qū)域?qū)挾?/p>

（1）標(biāo)準(zhǔn)偏差σ

（2）半峰寬W1/2（3）峰底寬度W

從色譜圖中，可得許多信息：1色譜峰的個數(shù)，可判斷所含組分的最少個數(shù)；2

根據(jù)色譜峰的保留值，可以進行定性分析；3

根據(jù)色譜峰的面積或峰高，可以進行定量分析；4

色譜峰的保留值及其區(qū)域?qū)挾?，評價柱效依據(jù)；5

色譜峰兩峰間的距離

三分配系數(shù)K與分配比(容量因子)K’:

1分配系數(shù)K

平衡狀態(tài)時組分在固定相（CL）與流動相（CG）中的濃度之比。2分配比(容量因子)K’:

平衡狀態(tài)時組分在固定相(P)與流動相(q)中的質(zhì)量之比。

討論：K’=0則tR=tM

組分無保留行為

K’=1則tR=2tMK’→∞tR很大組分峰出不來所以K’=1-5最好如何控制K’？主要選擇合適的固定液色譜測K’容易（只測tRtM）所以常用K’四分配系數(shù)K與分配比K’的關(guān)系于

K=K’ββ=VG/VL=K/K’

五分配系數(shù)K,分配比K’與選擇性因子的關(guān)系

t’R(x)---待測物X的調(diào)整保留時間t’R(z)---碳原子數(shù)為Z的正構(gòu)烷烴的調(diào)整保留時間t’R(z+n)---碳原子數(shù)為z+n的正構(gòu)烷烴的調(diào)整保留時間t’R(z)≤t’R(x)≤t’R(z+n)（通常n=1）規(guī)定正構(gòu)烷烴的I值是其他原子數(shù)的100倍，如：正庚烷I=700保留指數(shù)I色譜柱效能的參數(shù)柱效：也叫柱效能。理論塔板數(shù)n有效理論塔板數(shù)neff理論塔板高度HH=L/n第二節(jié)氣路系統(tǒng)一氣體

H2N2Air

也可用CO2NeAr純度要求大于99.99%

氣體控制系統(tǒng)

檢測器常用凈化劑作用

TCD；FID變色硅膠：除H2O

TCD；FID分子篩：除H2O

FID；ECD活性碳：除有機物

FID；ECD脫氧劑：除O2

氣體的壓力與流量的測量

常用皂膜流量計，用時先將皂膜流量計管子內(nèi)壁潤濕

氣體的純化載氣流量的校正

用皂膜流量計測得的流量F皂（mL/min)是在柱后大氣壓下測得的，欲將其換算成色譜條件下的流量FC需作三種校正：濕度校正;壓力校正;溫度校正1，濕度校正

2，壓力校正PW---室溫下的的水飽和蒸汽壓P0---柱出口處壓力Pi---柱入口處壓力3，溫度校正空心柱的載氣流速通常不用皂膜流量計測量。而是由tM計算得到

載氣的平均線速U=L/tM

例題“實驗與習(xí)題”例4（P125）

作業(yè)：P131

41；42（思考）；43；

第三節(jié)色譜基本理論——塔板理論

GC是一種分離技術(shù),組分先分離才可定性定量.如何選擇最佳分離條件,這需要色譜理論的指導(dǎo).

塔板理論的假設(shè)1在理論板高H內(nèi)，組分在氣液相內(nèi)快速平衡2載氣以脈沖式進入色譜柱3無縱向擴散（柱向擴散）4分配系數(shù)K是常數(shù)

根據(jù)對色譜柱模擬蒸餾塔的假設(shè)條件，具體展開討論組分在色譜柱中移動分配過程如下：

動畫二、色譜流出曲線方程--基本關(guān)系式概率推導(dǎo)

設(shè)樣品分子開始全部位于第0號塔板上，當(dāng)色譜柱中通過N體積載氣后，計算在第n塊塔板上出現(xiàn)某組分分子的概率。這個概率應(yīng)該是考慮在塔板上某組分的一個分子出現(xiàn)在流動相中的概率(Mp)等于在該塔板上流動相中組分分子的個數(shù)與整個塔板上組分分子個數(shù)之比。假設(shè)色譜柱由5塊塔板組成：(0號板,1號,2號,…4號板)令N=5(N表示進入柱中載氣的脈沖次數(shù)令組分進樣量為：W=1

組分在柱內(nèi)的分配過程是以氣液色譜分配為例,組分在氣液兩相中進行分配○表示進入氣相的組分分子□表示進入液相的組分分子此時若組分容量因子K，=1,即p=q

組分中有p量溶于液相組分中有q量溶于液相可用二項式準(zhǔn)確表示出來(P+

q)N組分在n=5,k,=1,w=1柱內(nèi)任一板上分配表01234柱出口N=010000010.50.5000020.250.50.2500030.1250.3750.3750.1250040.0630.250.3750.1250.063050.0320.1570.3130.3130.1570.03260.0160.0950.2350.3130.2350.07970.0080.0560.1160.2750.2750.11880.0040.0320.0860.1960.2750.13890.0020.0180.0590.1410.2460.138100.0010.1010.0380.1000.1890.118得出色譜流出曲線方程：

三、塔板理論方程式的討論

塔板理論成功之處較好地解析了色譜曲線形狀2濃度極大點Cmax的位置是tR(即VR)3可用N評價柱效V=VR時流出曲線達濃度極大值Cmax

Cmax的影響因素

(1)

進樣量W愈大,則Cmax愈大.W與Cmax成正比。這是色譜峰高定量的依據(jù)。（2）H值愈小，柱效愈高，Cmax/W比值愈大。即H越小，柱效N越高(3)色譜柱內(nèi)徑愈小，填充愈緊密，Cmax/W比值也愈大。即柱愈細填充愈緊密，柱效N越高。

（4）

色譜柱愈短，Cmax值愈大。（5）

先流出柱子的組分容量因子小，所以Cmax/W比值愈大，反之提高色譜柱的溫度（對GC），增加流動相中強洗脫溶劑的濃度（對HPLC），都可以使容量因子下降，比而使Cmax/W比值愈大，提高色譜檢測靈敏度。四、塔板理論的作用與不足

(一)塔扳理論在色譜法中的地位與作用：

1．從塔板理論方程式的形式看它描述的色譜信號軌跡應(yīng)該是正態(tài)分布函數(shù)，與實際記錄的色譜流出曲線相符合，說明此方程是準(zhǔn)確的，且對色譜分配系統(tǒng)有理論指導(dǎo)意義。2．由塔板理論據(jù)導(dǎo)出來計算往效率的理論塔板數(shù)(N)公式，是行之有效的。長期以來用N值的大小評價色譜柱柱效是成功的，是色譜工作者不可缺少的計算公式。3.塔板理論方程式描述色譜峰極高點的Cmax數(shù)值是符合公式要求的，實驗數(shù)據(jù)證明Cmax與N，W，VR之間的關(guān)系是正確的。各參數(shù)對Cmax之影響都是客觀的。4．按塔板理論模型所建立起來的一些方程式討論了某些色譜參數(shù)對組分色譜峰區(qū)域半峰寬公式均符臺流出曲線半高峰寬變化的實際。特別應(yīng)指出的是，塔板理論也提出了理論塔板高度對色譜峰區(qū)域?qū)挾葦U張的影響，這一點過去往往被忽視。(二)塔扳理論存在的不足：

1.塔板理論是模擬在一些假設(shè)條件下而提出的，假設(shè)同實際情況有差距，所以他描述的色譜分配過程定量關(guān)系合有不準(zhǔn)確的地方。2.對于塔板高度H這個抽象的物理量究竟由哪些參變量決定的？H又將怎樣影響色譜峰擴張等一些實質(zhì)性的較深入的問題，塔板理論卻不能回答。3.為什么流動相線速度(U)不同，柱效率(n)不同；而有時當(dāng)U值由很小一下變得很大時，則柱效能（n）指標(biāo)并未變化許多，但峰寬各異，這些現(xiàn)象塔板理論也無能為力．4.塔報理論忽略了組分分子在柱中塔板間的縱向擴散作用，特別當(dāng)傳質(zhì)速率很快時，其縱向擴散作用為主導(dǎo)方面，這一關(guān)鍵問題并未闡述。5.塔板理論也未說明β變化對組分在柱內(nèi)移動速率的影響。實際上VL、VG在某些方面決定著組分分子的擴散行為和擴散距離。綜上所述塔板理論雖為半經(jīng)驗理論，但在色譜學(xué)發(fā)展中起到了率先作用和對實際工作的指導(dǎo)作用，所以至今延用不衰，為廣大色譜工作者承認。

塔板理論不足之處

不能解析載氣流速U對N影響

不能指出板高H受那些因素影響第四節(jié)色譜理論--速率理論基于無規(guī)行走模型，定義H為單位柱長的離散度H=σ2/L,式中σ為高斯峰形的標(biāo)準(zhǔn)偏差，L為柱長。并假設(shè)：①縱向擴散是造成譜帶展寬的重要原因，必須予以考慮；②傳質(zhì)阻力是造成譜帶展寬的主要原因，它使平衡成為不可能③對填充柱有渦流擴散的影響

vanDeemter方程的數(shù)學(xué)式為H=A+B/U+CU或H=A+B/U+CsU+CmUA、B、C、為常數(shù)，分別代表渦流擴散系數(shù)、分子擴散項系數(shù)、傳質(zhì)阻力項系數(shù)。速率理論討論1、渦流擴散項A=2λdγλ為反應(yīng)柱填充狀態(tài)的常數(shù)

dp為填料垃徑2、分子擴散項B/u（縱向擴散項）

B=2K0Dg

縱向分子擴散是由濃度梯度造成的。組分從柱入口加入，其濃度分布的構(gòu)型呈“塞子”狀。它隨著流動相向前推進，由于存在濃度梯度，“塞子”必然自發(fā)的向前和向后擴散，造成譜帶展寬。分子擴散項系數(shù)為

K0為阻滯常數(shù)即彎曲因子，它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為組分在流動相中擴散系數(shù)(cm2.s-1)色譜柱中的渦流擴散示意圖

色譜柱中的渦流擴散示意圖

色譜柱中的渦流擴散示意圖

3、傳質(zhì)阻力項CU=(Cg+CL)U

傳質(zhì)過程分為：氣相傳質(zhì)過程與液相傳質(zhì)過程傳質(zhì)阻力系數(shù)C等于氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cg和液相傳質(zhì)阻力系數(shù)CL之和：

（1）氣液色譜C=Cg+CL

氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cg為：液相傳質(zhì)阻力系數(shù)

CL：

范氏方程

H=A+B/U+CsU+CmU

令C=Cs+Cm

則H=A+B/U+CU

作H~U圖(見下頁):方程討論

討論1.曲線有一最低點Uopt(即Hmin)

將方程微分:2.對開管柱(毛細柱)A=0

得Golay方程H=B/U+CU

對填充柱A項與U無關(guān),決定與柱的填充情況3.U很小時:CU項可忽略,方程簡化為:

H=A+B/U

作H~1/U直線,斜率為B4.U很大時:B/U項可忽略,方程簡化為:

H=A+CU

作H~U直線,斜率為C,截距A5.K/對板高H的影響(比較復(fù)雜):

N隨K/的變化而變化綜合考慮:U實際稍高于Uopt

因為:1.右側(cè)曲線斜率小,U稍變不會引起H的大變化2.為提高分析速度因為U↑則tR

↓

第五節(jié)分離條件的優(yōu)化要求1.兩峰間有一定距離—tR不同要求2.峰寬要窄—W1/2要小提問:怎樣制備一根好的色譜柱?怎樣評價?怎樣選色譜條件?一般:1.選擇性(相對保留值α或保留指數(shù)I)－－評價固定液對物質(zhì)的保留作用2.柱效能(n.neff)－－評價柱分離效能3.分離度R(總分離效能指數(shù))分離度是將以上二者綜合考慮既反映柱效能,又反映選擇性

一.分離參數(shù)1.n與neff的關(guān)系可見neffn都隨K/變化而變化因為K/不同，柱效不同,所以評價柱效應(yīng)采用K/為一定值時的nW1/2與tR的關(guān)系--半峰寬規(guī)律

W1/2=a+b

tR實驗研究表明:同系物組分的半峰寬線形關(guān)系好非同系物組分的半峰寬線形關(guān)系差所以我們稱之為準(zhǔn)線形關(guān)系.

半峰寬規(guī)律的應(yīng)用

有兩種情況

1第二個峰可能不只一個組分

2也許是第一針留下來未出峰的組分

選擇性系數(shù)(相對保留指數(shù))可見二組分沸點差大,柱溫低時,αis

大,易分離.分離度分離條件的選擇主要是提高“難分離物質(zhì)對”的分離度（1）峰寬分離度R國家標(biāo)準(zhǔn)分離度

當(dāng)兩峰高相差不大,且峰型接近時可以認為W1=W2=W

(2)半峰寬分離度R1/2

R與R1/2關(guān)系,對于高斯R1/2=1.7R二，分離基本關(guān)系式此式用于計算達到一定R時所需的n必須

n表示柱效,難以說明真實分離效果α1.2表示選擇性,表示固定液對組分保留作用,不說明柱效R是總分離效能指標(biāo),只有>1時,二組分才有可能分離α1.2討論：

R=1

分離程度達98%

R>=1.5

完全分離,達>=99.7

也叫基線分離

R<1

二峰明顯重疊分離度與柱效關(guān)系(R與n)所以我們希望用柱效高的色譜柱2.R與K，的關(guān)系

α1.2由上式可知：(1)增加塔板數(shù)可以提高分離度(2)k值的最佳范圍是：1＜k＜10(3)相對保留值α增大，能顯著地提高分離度兩根同種色譜柱的相互關(guān)系式：例如:柱長L=30cm分離度R=1.06

柱效n=3490分析時間tR2=17.63min;要使分離度達到R=1.5或以上,就需要改變L,n如果換一根30cm長,但n=7000的柱則tR2=17.63min內(nèi)可達R=1.5的分離度若采取加長色譜柱的方法,則需要60cm,

分析時間tR2=35min死體積(VM)(Deadvolume):VM=tMFcFc為色譜柱內(nèi)載氣平均流量。保留體積(VR)(Retentionvolume):VM=tRFc，調(diào)整保留體積(VR’)VR’=tR’Fc=VR–VM,保留值的基本參數(shù)3.分離度R與保留時間tR的關(guān)系說明:縮短分析時間的最有效的措施是提高柱效

縮短柱長,增加載氣流速也可以提高分析速度但前提是保證足夠的R值三、分離條件的優(yōu)化改變n和Hn=L/HLn但分析時間也增加最好是在不增加柱長的條件下,減少H,以達到增加n根據(jù)范氏方程選擇操作條件,使H(1).Uopt

選U實稍高于Uopt,一般30ml/min∵右側(cè)平坦U稍變化不會引起H大的變化

U大使tR小,分析速度加快B/UCU(2).固定液及配比降低Cs項(液相阻力),dl(膜厚)要小即配比要低

dl太小有兩個缺點:

a.進樣量小(肚子小)

b.載體表面被固定液覆蓋小,使載體出現(xiàn)極性,因吸附作用會產(chǎn)生拖尾峰(3).載體粒徑影響A項Cm項要求惰性,顆粒小而均勻一般80~100目篩分范圍窄好(4).采用小內(nèi)徑的色譜柱柱徑4mmHUH柱徑2.2mmU20~30目40~50目100~150目2.改變k如圖k>5,R變化就很小了GC分析:最好k=2~5

一般不超過10否則大大延長分析時間如何改變ka.降低柱溫Tc,使k上升

b.降低流速U,使k上升RtR246kk對R,tR的影響3.改變

α1.2

R1.2是準(zhǔn)熱力學(xué)常數(shù),在流動相,固定相一定時,只與Tc相關(guān)當(dāng)α1.2=1時,改變H,k

都無法使1和2兩個組分分離∴應(yīng)當(dāng)保持k=2~10的前提下,設(shè)法改變α1.2

方法是:a.改變柱溫Tcb.更換色譜柱

c.衍生化法(即利用化學(xué)反應(yīng)改變待測物結(jié)構(gòu))4.程序升溫程序升溫可使待測物在適當(dāng)溫度下流出,以保證每個組分有合適的K/值,同時改變分離度程序升溫是分離復(fù)雜多組分沸程寬的混合物的有效方法5.進樣

δi<0.204δδi進樣峰標(biāo)準(zhǔn)偏差

δ實際峰標(biāo)準(zhǔn)偏差進樣快防止縱向擴散進樣量小使峰對稱,一般進樣0.1~10μl

固定液含量低時(毛細柱)進樣量要少進樣技