環(huán)境分析中的色譜法上

環(huán)境分析中的色譜法上第1頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)色譜(chromatography)一、色譜法茨維特：俄國植物學家，主要從事植物色素的研究工作，在1906年發(fā)表的文章中，首次提出了色譜的概念。

第2頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日茨維特的實驗

試樣混合物的分離過程也就是試樣中各組分在稱之為色譜分離柱中的兩相間不斷進行著的分配過程。其中的一相固定不動，稱為固定相；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），稱為流動相。第3頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日色譜法是一種分離方法?！奶攸c是：有兩相，一是固定相，一是流動相，兩相作相對運動。將色譜法用于分析中，則稱為色譜分析?！V分析是一種分離、分析法。第4頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日二、色譜法的分離原理

當流動相中攜帶的混合物流過固定相時,就會與固定相發(fā)生作用（力的作用）。由于混合物種各組分在性質和結構上有差異，與固定相發(fā)生作用的大小也有差異。因此在同一推動力作用下,不同組分在固定相中滯留的時間有長有短,按先后不同次序從固定相中流出。與適當的柱后檢測方法結合，實現(xiàn)混合物中各組分的分離與檢測。第5頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日三、色譜法的發(fā)展1906年，俄國植物學家T.swett命名自己發(fā)明的分離植物色素的新方法為色譜法。1931年，德國的Kuhn和Lederer重復了T.swett的實驗，得到很好的結果，色譜法因此得到很大的推廣。1940年，Martin和Synge提出了液液分配色譜法，又把塔板的概念引入色譜法中，初步建立了塔板理論。1941年，他們提出了用氣體代替流體做流動相的可能性，發(fā)展了完整的氣液色譜法之后，得到了1952年的諾貝爾化學獎。第6頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日1957年，Golay發(fā)展了開管柱氣相色譜。上個世紀六十年代末，高壓泵和鍵合相固定相結合，出現(xiàn)了高效液相色譜。接著，出現(xiàn)了色譜法和其他檢測技術的聯(lián)用，例如GC-MS、GC-IR等。上個世紀八十年代，毛細管電泳出現(xiàn)，此后得到長足的發(fā)展，并不斷出現(xiàn)新的模式。第7頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日四、色譜法的分類1、按流動相狀態(tài)分類流動相為氣體：

固定相為固體：Gas–solidChromatography

固定相為液體：Gas–liquidChromatography流動相為液體：固定相為固體：Liquid–solidChromatography

固定相為液體：Liquid–liquidChromatography流動相為超臨界流體：SupercriticalFluidChromatography第8頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日氣固(液固)色譜的固定相: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。氣液(液液)色譜的固定相:由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。氣固(液固)色譜的分離機理:

吸附與脫附的不斷重復過程；氣液(液液)色譜的分離機理：兩相間的反復多次分配過程。第9頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日2、按固定相形式分類柱色譜（ColumnChromatography)

將固定相裝在色譜柱內紙色譜（PaperChromatography)

用濾紙做固定相或固定相載體的色譜薄層色譜（ThinLayChromatography)

固定相均勻涂在玻璃板或塑料板上

第10頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日3、按分離原理分類吸附色譜（adsorptionchromatography)

吸附劑對被分離物質的吸附能力不同分配色譜(partitionchromatography)

被分離物質在兩相中分配系數不同離子交換色譜(ion-exchangechromatography)

被分離物質在離子交換樹脂上的離子交換勢不同尺寸排阻色譜（sizeexclusionchromatography）被分離物質分子量大小的不同和在填料上滲透程度的不同親和色譜(affinitychromatography)

生物大分子和固定相表面存在特異性親和力不同第11頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日4、按色譜動力學過程分類淋洗法(elutionmethod)

流動相與固定相的結合比樣品與固定相的結合弱，分為等度淋洗和梯度淋洗。是目前色譜中最普遍的方法。置換法(displacementmethod)

流動相與固定相的結合比樣品與固定相的結合強。前沿法(frontalmethod）樣品本身就是流動相，固定相上吸附或者溶解力最弱的最先流出，后面的就是混合物了。第12頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日五、色譜法的特點（1）分離效率高復雜混合物，有機同系物、異構體、手性異構體。（2）靈敏度高可以檢測出μg.g-1(10-6)級甚至ng.g-1(10-9)級的物質量。（3）分析速度快一般在幾分鐘或幾十分鐘內可以完成一個試樣的分析。（4）應用范圍廣氣相色譜：沸點低于400℃的各種有機或無機試樣的分析。液相色譜：高沸點、熱不穩(wěn)定、生物試樣的分離分析。不足之處：被分離組分的定性較為困難。第13頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日六、色譜相關術語1、關于色譜峰2、關于保留值3、關于分配平衡第14頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日1、關于色譜峰第15頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日色譜圖和色譜峰：若干物質通過色譜柱的流出曲線，在不同時間上的濃度或響應的大小?；€：在色譜操作條件下，沒有被測組分通過鑒定器時，記錄器所記錄的檢測器噪聲隨時間變化圖線稱為基線。峰面積：流出曲線（色譜峰）與基線構成之面積稱峰面積。峰高：由色譜峰的濃度極大點向時間座標引垂線與基線相交點間的高度稱為峰高。色譜峰底寬W：由色譜峰的兩邊拐點做切線，與基線交點的距離半峰高寬度W?

：色譜峰高一半處的峰寬。也稱為色譜峰半高寬度標準偏差：0.607倍峰高處色譜峰寬度的一半。峰底寬、半峰寬及標準偏差的關系：W=4σ，Wh/2=2.354σ第16頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日拖尾峰：前沿陡峭，后沿較平緩的不對稱峰。伸舌峰：前沿平緩，后沿較陡峭的不對稱峰。鬼峰、假峰：在譜圖中出現(xiàn)的一種有規(guī)律的峰，規(guī)律性強，間隔均勻，不易消除，并非由試樣所產生的峰?；€噪聲：由于各種因素所引起的基線波動?；€漂移：單方向的，固定斜率的基線變化。正漂移、負漂移。

譜帶擴張：指試樣組分在色譜柱內移動過程中譜帶寬度增加的現(xiàn)象。第17頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日2、關于保留值保留值：表示試樣中各組分在色譜柱中的停留時間的數值，通常用時間或用將組分帶出色譜柱所需流動相的體積來表示。死時間（tM）：不被保留的樣品通過色譜柱的時間。保留時間（tR）：樣品注入到色譜峰頂出現(xiàn)的時間。調整保留時間（t’R）：保留時間減去死時間等于調整保留時間死體積（VM）：不被保留的樣品通過色譜柱所消耗的流動相的體積。死時間與流動相線速度的乘積。保留體積（VR）：從注射樣品到色譜峰值出現(xiàn)時，通過色譜系統(tǒng)的流動相的體積。用保留時間乘流動相線速度得到。調整保留體積（V’R）：用調整保留時間乘流動相線速度得到。第18頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日相對保留值（ri,s）：以一種物質作為標準，而求出其他物質的保留值對此標準物的比值，稱為相對保留值。該值只與柱溫和固定相性質有關，與其他色譜操作條件無關，它表示了固定相對這兩種組分的選擇性。保留指數（I）：表示物質在固定相上的保留值行為。規(guī)定正構烷烴的保留指數是其碳數的100倍，其它物質的保留指數在實際色譜條件下測定。選取與被測物相鄰的兩種正構烷烴做參照系，其中一種碳數為Z，另一種為Z+1，被測物的保留指數由下式計算第19頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日3、關于分配平衡分配系數K：一定溫度和壓力下，在平衡狀態(tài)下，組分在固定液與流動相中的濃度之比。

一定溫度下，組分的分配系數K越大，出峰越慢；試樣一定時，K主要取決于固定相性質；每個組份在各種固定相上的分配系數K不同；選擇適宜的固定相可改善分離效果；某組分的K=0時，即不被固定相保留，最先流出。第20頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日分配比k：又稱為容量因子、容量比、分配容量，是指在一定溫度和壓力下，平衡狀態(tài)時組分在固定相中的量與在流動相中的量之比值。相比β：色譜柱內流動相和固定相體積之比，是柱型及結構的重要特性。分配系數、分配比都與組分及固定相的熱力學性質有關，隨柱溫及柱壓的變化而變化。分配比還與相比有關。第21頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日滯留因子：

Rs=us/uus:組分在柱內的線速度

u:流動相在柱內的線速度滯留因子也可以用質量分數表示第22頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日假設色譜長度為L則組分和流動相通過色譜所需要的時間分別為：由上各式可知故k可有實驗測得。第23頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日七、色譜分析法基本理論研究理論的目的解決色譜峰的分離問題三個色譜基本理論問題色譜熱力學問題——發(fā)展高選擇性色譜色譜動力學問題——發(fā)展高效能色譜分離條件的最優(yōu)化問題——分離條件優(yōu)化第24頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日色譜理論需要解決的問題：色譜分離過程的熱力學和動力學問題。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系。組分保留時間為何不同？色譜峰為何變寬？組分保留時間：色譜過程的熱力學因素控制；（組分和固定液的結構和性質）色譜峰變寬：色譜過程的動力學因素控制；（兩相中的運動阻力，擴散）第25頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日1、色譜動力學理論研究流出曲線展寬的本質及曲線形狀變化的影響因素（1）塔板理論將色譜柱比作精餾塔，將連續(xù)的色譜分離過程分割成多次的平衡過程的重復，通過概率理論的到流出曲線方程當t=tR，C=Cmax，峰高正比與進樣C0，是峰高定量的理論基礎n越大，σ越小，Cmax越大，即保留時間一定時，塔板數越多，峰越高。n一定，Cmax反比于tR，tR越小，Cmax越大，保留時間小的組分高且窄。tR越大，Cmax越小，保留時間大的組分峰低且寬。第26頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日柱效參數：由流出曲線方程導出n是峰相對展寬的量度n是柱效的量度,單位柱長的塔板數越多，表明柱效越高。n是常數時，Y與tR成正比n越大，表明組分在柱中達到的分配平衡次數越多，對分離越有利，但還不能預言各組分有被分離的可能性。第27頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日有效塔板數和有效塔板高度保留時間包含死時間，組分在死時間內不參與柱內分配需引入有效塔板數和有效塔板高度：用不同物質計算可得到不同的塔板數。第28頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日塔板理論的貢獻：有助于形象的理論色譜的分離過程。導出色譜流出曲線方程，符合高斯分布與實驗現(xiàn)象相吻合導出理論塔板數的計算公式，作為柱效的評價指標。當色譜柱長度一定時，塔板數n越大(塔板高度H越小)，被測組分在柱內被分配的次數越多，柱效能則越高，所得色譜峰越窄。不同物質在同一色譜柱上的分配系數不同，用有效塔板數和有效塔板高度作為衡量柱效能的指標時，應指明測定物質。第29頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日塔板理論的局限：塔板高度H是一個抽象的物理量，對實驗指導意義有限。有些假設不合理，沒有考慮縱向擴散對色譜分離的影響。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K相同時，無論該色譜柱的塔板數多大，都無法分離。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果，也無法指出影響柱效的因素及提高柱效的途徑。第30頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日（2）速率理論運用流體分子規(guī)律研究色譜過程中產生色譜峰展寬的因素，導出理論塔板高度與流動相線速度的關系，揭示了影響塔板高度的動力學因素。

H=A+B/u+CuH：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三項各與哪些因素有關？第31頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日①A-渦流擴散項

A=2λdp

λ:固定相的填充不均勻因子；

dp:固定相的平均顆粒直徑由不等路徑造成的色譜峰展寬。由于柱填料粒徑大小不同，粒徑分布范圍不一致及填充的不均勻，形成寬窄、長短不同的路徑，因此流動相沿柱內各路徑形成紊亂的渦流運動，有些溶質分子沿較窄且直的粒徑運行，以較快的速度通過色譜柱，發(fā)生分子超前，反之，有些分子發(fā)生滯后，從而使色譜峰發(fā)生擴散。

固定相顆粒越小dp↓，填充的越均勻，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32頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日②B/u—分子擴散項

B=2γdg

γ:彎曲因子，填充柱色譜,γ<1。；

dg:試樣組分分子在氣相中的擴散系數（cm2·s-1）由于分子的縱向擴散造成的色譜峰展寬。由于試樣組分被載氣帶入色譜柱后，是以塞子的形式存在于色譜柱的很小的一段空間中，由于在塞子前后存在濃度梯度，因此使運動著的分子產生縱向擴散，引起色譜峰擴展。

(1)存在著濃度差，產生縱向擴散;(2)擴散導致色譜峰變寬，H↑(n↓)，分離變差;(3)分子擴散項與流速有關，流速↓，滯留時間↑，擴散↑;(4)擴散系數：dg

∝(M載氣)-1/2；M載氣↑，B值↓。第33頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日③C·u—傳質阻力項氣液色譜由氣相傳質阻力和液相傳質阻力兩相組成。

C=（Cg+CL）k:容量因子；Dg

、DL:擴散系數。第34頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日氣相傳質阻力Cg

試樣組分從氣相移動到固定相表面的過程中，由于質量交換過程需要一定時間（即傳質阻力）而使分子有滯留傾向。在此過程中，部分組分分子隨流動相向前運動，發(fā)生分子超前，引起色譜峰擴展。液相傳質阻力CL

試樣組分從固定相表面移動到固定相內部的過程中，由于質量交換過程需要一定時間（即傳質阻力）而使分子有滯留傾向。在此過程中，部分組分分子先離開固定相表面，發(fā)生分子超前，引起色譜峰擴展。

減小擔體粒度，選擇小分子量的氣體作載氣，可降低傳質阻力。第35頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日速率方程的作用為柱型的研究和發(fā)展提供理論依據為操作條件的選擇提供理論指導為色譜柱的填充提供理論指導第36頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日第37頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日第38頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日第39頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日第40頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日第41頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日第42頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日第43頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日速率理論的要點(1)組分分子在柱內運行的多路徑與渦流擴散、濃度梯度所造成的分子擴散及傳質阻力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降的主要原因。(2)通過選擇適當的固定相粒度、載氣種類、液膜厚度及載氣流速可提高柱效。(3)速率理論為色譜分離和操作條件選擇提供了理論指導。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，分子擴散項的影響減小，使柱效提高，但同時傳質阻力項的影響增大，又使柱效下降；柱溫升高，有利于傳質，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。第44頁，共54頁，2023年，2月20日，星期日2、色譜分離基本方程對于常規(guī)分析工作，一般選用：選擇性系數α與保留指數I來評價固定液。有效塔板數N有