第十六章色譜分析法概論

第十六章色譜分析法概論第一頁，共四十三頁，2022年，8月28日概述

色譜法是一種重要的分離、分析技術(shù)。

一、色譜法（起源）

1906年，俄國植物學(xué)家茨維特（Tswett）首次研究了植物葉的色素成分。（如圖）分析過程為離線的，即不能連續(xù)進(jìn)行。人們將這種方法稱為色譜法，隨著色譜法的發(fā)展，可對大量無色物質(zhì)進(jìn)行分離，但仍沿用了色譜法這一名詞。第二頁，共四十三頁，2022年，8月28日

現(xiàn)代色譜法的分離、分析過程是在線的，即連續(xù)進(jìn)行。第三頁，共四十三頁，2022年，8月28日二、色譜法特點(diǎn)①分離效率高②選擇性好③集分離、分析于一體④靈敏度高（可測10-11—10-13g）⑤分析速度快⑥易與其它儀器聯(lián)用，應(yīng)用范圍廣第四頁，共四十三頁，2022年，8月28日第一節(jié)色譜法的分類和發(fā)展一、色譜法的分類1.按兩相（固定相與流動相）狀態(tài)分類氣相色譜法

色譜法液相色譜法超臨界色譜法

第五頁，共四十三頁，2022年，8月28日2.按分離原理分類

吸附色譜分配色譜色譜法離子交換色譜凝膠色譜（擴(kuò)散）、親和色譜、絡(luò)合色譜、熱色譜等第六頁，共四十三頁，2022年，8月28日3.按固定相形式分類填充柱色譜柱色譜色譜法毛細(xì)管色譜紙層色譜薄層色譜第七頁，共四十三頁，2022年，8月28日二、色譜法的發(fā)展㈠色譜法的歷史㈡色譜法的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.新型固定相和檢測器的研制2.色譜新方法的研究3.色譜聯(lián)用技術(shù)4.色譜專家系統(tǒng)第八頁，共四十三頁，2022年，8月28日第二節(jié)色譜過程和基本原理一、色譜過程及色譜圖第九頁，共四十三頁，2022年，8月28日二、色譜流出曲線和有關(guān)概念㈠色譜流出曲線1.色譜流出曲線

當(dāng)試樣流經(jīng)色譜柱后，各組分隨流動相的移動而在兩相間反復(fù)進(jìn)行吸附、解吸、或分配、萃取過程，最后依次得到各組分，將各組分濃度經(jīng)檢測器轉(zhuǎn)換成電信號而記錄下來，得到一條信號隨時間變化的曲線，稱為色譜流出曲線。第十頁，共四十三頁，2022年，8月28日2.基線

操作條件穩(wěn)定后，僅有流動相通過時，檢測器響應(yīng)訊號隨時間變化的曲線。3.色譜峰（P339)4.色譜峰區(qū)域?qū)挾?/p>

它是組分在色譜柱中譜帶擴(kuò)張的函數(shù)，可反映出色譜柱的分離效能第十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日度量色譜峰區(qū)域?qū)挾瘸Ｓ萌N方法：①標(biāo)準(zhǔn)偏差σ

即0.607倍峰高處色譜峰寬的一半。②半峰寬W1/2

即峰高一半處對應(yīng)的峰寬W1/2=2.354σ③峰底寬Wb

即色譜峰兩側(cè)拐點(diǎn)上的切線在基線上的截距Wb=4σ第十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日㈡保留值

保留值是試樣各組分在色譜柱中保留行為的量度，可反映出組分與固定相間作用力大小。1.死時間t0

不被固定相吸附或溶解的組分，即非滯留組分（如空氣、甲烷）從進(jìn)樣開始到出現(xiàn)其色譜峰最大值所需的時間。它也是氣體流經(jīng)色譜柱中空隙所需時間。第十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日2.保留時間tR

某組分從進(jìn)樣到出現(xiàn)色譜峰最大值的時間。它取決于色譜過程的熱力學(xué)因素，是定性依據(jù)。3.調(diào)整保留時間tR′

扣除死時間后的保留時間。它反映了組分與固定相作用所消耗的時間，是各組分產(chǎn)生差速遷移的物化基礎(chǔ)。第十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日4.死體積V0

指在t0這段時間內(nèi)通過色譜柱的載氣體積。即色譜柱內(nèi)載氣所占的體積。

V0=t0·Fc(

Fc，ml/min為流動相流速)5.保留體積VR

指從進(jìn)樣到出現(xiàn)某組分色譜峰最大值時所通過的載氣體積。

VR=tR·Fc第十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日6.調(diào)整保留體積

VR′

指扣除死體積后的保留體積。

VR′=VR-V0=tR′·

Fc7.

相對保留值r2，1

指在相同操作條件下，某組分2的調(diào)整保留值與另一組分1的調(diào)整保留值之比。即第十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日

相對保留值僅與柱溫、固定相性質(zhì)有關(guān)?？捎脕肀硎旧V柱的選擇性。*r2，1↑，兩組分越易實(shí)現(xiàn)分離。*r2，1=1時，兩組分色譜峰重疊。第十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日8.保留指數(shù)I

在GC中，把組分的保留行為換算成相當(dāng)于正構(gòu)烷烴的保留行為，也就是以正構(gòu)烷烴系列作為組分相對保留值的標(biāo)準(zhǔn)，用兩個保留時間緊鄰待側(cè)組分的基準(zhǔn)物質(zhì)來標(biāo)定組分，這個相對值稱為保留指數(shù)。第十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日㈢色譜峰高和峰面積1.峰高h(yuǎn)

是組分在柱后出現(xiàn)濃度極大時的檢測信號，即色譜峰頂至基線的距離。2.峰面積A

色譜曲線與基線間包圍的面積。第十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日㈣分離度（分辨率）R柱效能和選擇性對分離的影響柱效選擇性差差

差好

好好第二十頁，共四十三頁，2022年，8月28日

因此，單獨(dú)用柱效或選擇性不能真實(shí)反映組分在色譜柱中的分離情況，需引入一個綜合指標(biāo)—分離度R

分離度：相鄰兩組分色譜峰保留值之差與兩組分色譜峰峰底寬度平均值之比。即第二十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日

理論證明，若相鄰兩色譜峰對稱且滿足正態(tài)分布，當(dāng)R<1兩峰部分重疊

R=1.0分離程度可達(dá)98%

R=1.5分離程度可達(dá)99.7%

通常，R=1.5作為相鄰兩峰完全分離的標(biāo)志。第二十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日色譜從流出曲線中，可得到重要信息：⑴根據(jù)色譜峰的個數(shù)，可以判斷樣品中所含組分的最少數(shù)目；⑵根據(jù)色譜峰的保留值，可以定性分析；⑶根據(jù)色譜峰的面積和峰高，可以定量分析⑷色譜峰的保留值及其區(qū)域?qū)挾?，是評價色譜柱分離效能的依據(jù)；⑸色譜峰兩峰間的距離，是評價固定相（或流動相）選擇是否合適的依據(jù)。第二十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日三、分配系數(shù)與色譜分離㈠分配系數(shù)和容量因子1.分配系數(shù)K

式中cs、cm分別為組分在固定相和流動相中的濃度。

K與溫度、壓力有關(guān)；也與組分性質(zhì)、流動相、固定相性質(zhì)有關(guān)。條件一定時，K一定。第二十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日2.容量因子k（分配比、保留因子）式中mS、mm分別為組分在固定相和流動相中物質(zhì)的質(zhì)量。容量因子不僅與溫度和壓力有關(guān)，而且還與固定相和流動相的體積比有關(guān)。第二十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日3.分配系數(shù)和容量因子的關(guān)系第二十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日㈡分配系數(shù)和容量因子與保留時間的關(guān)系意義：在色譜圖上找出tR、t0，則可計(jì)算出k，即可以直接從色譜圖上求得分配比（容量因子）k。反之，分配系數(shù)不同的組分具有不同的保留值，因而在色譜圖上有不同位置的色譜峰。第二十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日見P343第二十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日㈢色譜分離的前提

由上式可見，若使ΔtR≠0,必須KA≠KB,即分配系數(shù)不等是分離的前提。第二十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日第三節(jié)基本類型色譜方法及其分離機(jī)制一、分配色譜（見P345頁）1.正相分配色譜：流動相極性＜固定相極性2.反相分配色譜：流動相極性＞固定相極性洗脫順序由組分在固定相或流動相中溶解度的相對大小而決定。二、吸附色譜法第三十頁，共四十三頁，2022年，8月28日第四節(jié)色譜法基本原理一、塔板理論（半經(jīng)驗(yàn)理論）（P351）

該理論是1952年馬?。∕artin）等人提出

從熱力學(xué)角度討論了流出曲線形狀與分離效果關(guān)系。第三十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日

塔板理論將色譜柱假想為一個精餾塔。即色譜柱（柱長L）是由一系列連續(xù)的、相等的水平塔板組成，每一塊塔板高度為H，在每一塊塔板上，溶質(zhì)在兩相間很快達(dá)到分配平衡，然后隨流動相按一個一個塔板的方向向前移動。第三十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日塔板理論的基本假設(shè)為：1）色譜柱內(nèi)存在許多塔板，組分在塔板間隔（即塔板高度）內(nèi)完全服從分配定律，并很快達(dá)到分配平衡。2）樣品加在第0號塔板上，樣品沿色譜柱軸方向的擴(kuò)散可以忽略。3）流動相在色譜柱內(nèi)間歇式流動，每次進(jìn)入一個塔板體積4）在所有塔板上分配系數(shù)相等，與組分的量無關(guān)。

第三十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日

雖然以上假設(shè)與實(shí)際色譜過程不符，如色譜過程是一個動態(tài)過程，很難達(dá)到分配平衡；組分沿色譜柱軸方向的擴(kuò)散是不可避免的。但是塔板理論導(dǎo)出了色譜流出曲線方程，成功地解釋了流出曲線的形狀、濃度極大點(diǎn)的位置，能夠評價色譜柱柱效。第三十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日n與色譜參數(shù)之間的關(guān)系（經(jīng)驗(yàn)公式）為：

由此可以看出，組分保留時間越長、峰寬度越小，則n越多，色譜柱效能越高。第三十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日塔板理論貢獻(xiàn)：①分配系數(shù)不同，最終可分離。②平衡次數(shù)n

（>50），曲線接近正態(tài)分布曲線。③給出了n與Wb的關(guān)系式（由此關(guān)系式可得出流出曲線與分離效果關(guān)系）n

，柱效。若兩組分K相同，則無論n多大，都無法分離。第三十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日塔板理論不足：①無法解釋峰擴(kuò)展原因。（為使n↑，則Wb應(yīng)↓，如何使Wb↓

？）②無法解釋影響塔板高度的因素（L一定，n∝1/H,如何使H↓？）

第三十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日二、速率理論

1956年荷蘭學(xué)者VanDeemter等人吸收了塔板理論的概念，并把影響塔板高度的動力學(xué)因素結(jié)合起來，提出了色譜過程的動力學(xué)理論--速率理論。它把色譜過程看作一個動態(tài)非平衡過程，研究過程中的動力學(xué)因素對峰展寬（即柱效）的影響。第三十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日速率理論的簡化方程式:

H=A+B/u+Cu㈠影響塔板高度(柱效)的動力學(xué)因素⒈渦流擴(kuò)散：A=2λdp由于色譜柱內(nèi)填充劑的幾何結(jié)構(gòu)不同，分子在色譜柱中的流速不同而引起的峰展寬。dp為填料直徑，λ為填充不規(guī)則因子，填充越不均勻λ越大。

HPLC常用填料粒度一般為3~10μm，最好3~5μm，粒度分布RSD≤5%。但粒度太小難于填充均勻（λ大），且會使柱壓過高。大而均勻（球形或近球形）的顆粒容易填充規(guī)則均勻，λ越小?？偟恼f來，應(yīng)采用細(xì)而均勻的載體，這樣有助于提高柱效。毛細(xì)管無填料，A＝0。

第三十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日⒉縱向擴(kuò)散：

B=2γDm由于進(jìn)樣后溶質(zhì)分子在柱內(nèi)存在濃度梯度，導(dǎo)致軸向擴(kuò)散而引起的峰展寬。

u為流動相線速度，分子在柱內(nèi)的滯留時間越長（u小），展寬越嚴(yán)重。在低流速時，它對峰形的影響較大。Dm為分子在流動相中的擴(kuò)散系數(shù)，由于液相的Dm很小，通常僅為氣相的10-4~10-5，因此在HPLC中，只要流速不太低的話，這一項(xiàng)可以忽略不計(jì)。

γ是考慮到填料的存在使溶質(zhì)分