第五章-色譜分析法概論課件

§15-1概述一、“色譜法”名稱的由來(lái)石油醚(流動(dòng)相)碳酸鈣(固定相)}色譜帶§15-1概述一、“色譜法”石油醚(流動(dòng)相)碳酸鈣}色1是利用混合物不同組分在固定相和流動(dòng)相中分配系數(shù)(或吸附系數(shù)、滲透性等)的差異，使不同組分在作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩相中進(jìn)行反復(fù)分配，實(shí)現(xiàn)分離的分析方法。色譜法是利用混合物不同組分在固定相和流動(dòng)相中分配系數(shù)(或吸附系數(shù)、2二、色譜法的分類根據(jù)流動(dòng)相的物態(tài)可分為氣相色譜(GC)液相色譜(LC){氣-固色譜(GSC)氣-液色譜(GLC)液-固色譜(LSC)液-液色譜(LLC)二、色譜法的分類根據(jù)流動(dòng)相的氣相色譜(GC){氣-固色譜(3按固定相的固定方式分類柱色譜平板色譜平板色譜填充柱色譜毛細(xì)管柱色譜紙色譜薄層色譜按固定相的固定方式分類柱色譜平板色譜填充柱色譜紙色譜4根據(jù)分離機(jī)理可分為吸附色譜分配色譜離子交換色譜排阻色譜根據(jù)分離機(jī)理吸附色譜5色譜法的特點(diǎn)和應(yīng)用1.分離效能高2.靈敏度高可檢測(cè)10-11~10-13g,適于痕量分析.色譜分析需試樣量極少(g或ng).3.分析速度快4.應(yīng)用范圍廣 缺點(diǎn)：對(duì)未知物的定性分析比較困難。方向：高選擇性檢測(cè)器；聯(lián)用技術(shù)（GC-MS、GC-FTIR、LC-MS、LC-NMR等）。色譜法的特點(diǎn)和應(yīng)用1.分離效能高6一、分離原理特點(diǎn)：不同組分在柱中移動(dòng)速度不等；各組分沿柱子擴(kuò)散分布?！?5-2色譜分離原理一、分離原理特點(diǎn)：不同組分在柱中移動(dòng)速度不等；§15-2色71.分配系數(shù)（平衡常數(shù)）K

指在一定和溫度和壓力下，組分在兩相間達(dá)到分配平衡時(shí)，組分在固定相中的濃度cs與組分在流動(dòng)相中的濃度cm之比。K：與溫度、壓力有關(guān)外，還與組分性質(zhì)、固定相和流動(dòng)相性質(zhì)有關(guān)。

不同組分K值的差異，是實(shí)現(xiàn)色譜分離的先決條件。二、分配系數(shù)和容量因子1.分配系數(shù)（平衡常數(shù)）KK：與溫度、壓力有關(guān)外，還與82、容量因子（分配比）k

指在一定溫度和壓力下，組分在兩相間達(dá)到分配平衡時(shí)，組分在固定相中的質(zhì)量p與組分在流動(dòng)相中的質(zhì)量q之比。分配系數(shù)與容量因子關(guān)系：稱為相比2、容量因子（分配比）k 分配系數(shù)與容量因子關(guān)系：稱為相比9k'：與溫度、壓力有關(guān)外，還與組分性質(zhì)、固定相和流動(dòng)相性質(zhì)及

有關(guān)。

K與k'是兩個(gè)不同的參數(shù)，但在表征組分的分離行為時(shí)，二者完全等效。k'可以方便地從色譜圖直接求得，所以它是一個(gè)重要的色譜參數(shù)。k'：與溫度、壓力有關(guān)外，還與組分性質(zhì)、固定相和流動(dòng)相性質(zhì)10§15-3色譜圖及常用術(shù)語(yǔ)從載氣帶著組分進(jìn)入色譜柱起就用檢測(cè)器檢測(cè)流出柱后的氣體，并用記錄器記錄信號(hào)隨時(shí)間變化的曲線，此曲線就叫色譜流出曲線。當(dāng)待測(cè)組分流出色譜柱時(shí)，檢測(cè)器就可檢測(cè)到其組分的濃度，在流出曲線上表現(xiàn)為峰狀，叫色譜峰?！?5-3色譜圖及常用術(shù)語(yǔ)從載氣帶著組分進(jìn)入11第五章-色譜分析法概論課件12一、基線

當(dāng)沒(méi)有待測(cè)組分進(jìn)入檢測(cè)器時(shí),在實(shí)驗(yàn)操作條件下，反映檢測(cè)器噪聲隨時(shí)間變化的曲線稱為基線，穩(wěn)定的基線應(yīng)該是一條水平直線。二、峰高

色譜峰頂點(diǎn)與基線之間的垂直距離，以（h）表示。一、基線13三、區(qū)域?qū)挾?/p>

用于衡量柱效率及反映色譜操作條件的動(dòng)力學(xué)因素。表示色譜峰區(qū)域?qū)挾韧ǔＳ腥N方法:1)標(biāo)準(zhǔn)偏差

---即0.607倍峰高處色譜峰寬的一半。2)半峰寬Y1/2---即峰高一半處的峰寬度。它與標(biāo)準(zhǔn)偏差的關(guān)系為:Y1/2=2.354

3)峰底寬度Yb--即色譜峰兩側(cè)拐點(diǎn)上的切線在基線上截距間的距離。它與標(biāo)準(zhǔn)偏差

的關(guān)系是

Yb=4

三、區(qū)域?qū)挾?4四、保留值

1.保留值的定義(1)死時(shí)間tM

不被固定相吸附或溶解的物質(zhì)進(jìn)入色譜柱時(shí)，從進(jìn)樣到出現(xiàn)峰極大值所需的時(shí)間稱為死時(shí)間.L為柱長(zhǎng)(cm)ū為流動(dòng)相平均線速度(cm/s)(2)

保留時(shí)間tR

試樣從進(jìn)樣到柱后出現(xiàn)峰極大點(diǎn)時(shí)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，稱為保留時(shí)間.四、保留值L為柱長(zhǎng)(cm)(2)保留時(shí)間tR15(3)調(diào)整保留時(shí)間tR′

tR′=tR

tM

由于組分在色譜柱中的保留時(shí)間tR包含了組分隨流動(dòng)相通過(guò)柱子所需的時(shí)間和組分在固定相中滯留所須的時(shí)間，所以tR′實(shí)際上是組分在固定相中保留的總時(shí)間。

保留時(shí)間是色譜法定性的基本依據(jù).

但同一組分的保留時(shí)間常受到流動(dòng)相流速的影響，因此色譜工作者有時(shí)用保留體積來(lái)表示保留值。(3)調(diào)整保留時(shí)間tR′16(4)死體積VM

不被保留的組分通過(guò)色譜柱所消耗的流動(dòng)相的體積.VM=Fc·tM

Fc:流動(dòng)相平均體積流速,（單位:cm3·min-1）.(5)保留體積VR

指從進(jìn)樣開(kāi)始到被測(cè)組分在柱后出現(xiàn)濃度極大點(diǎn)時(shí)所通過(guò)的流動(dòng)相的體積。保留時(shí)間與保留體積關(guān)系：

VR=Fc·tR(6)調(diào)整保留體積VR

某組分的保留體積扣除死體積后，稱為該組分的調(diào)整保留體積。

VR

=VR

VM=tR

Fc(4)死體積VM172.保留值與平衡常數(shù)K的關(guān)系根據(jù)物料平衡：兩邊同除以cm:平衡常數(shù)K＝cs/cm，且Vm≈VM:或:該式是色譜過(guò)程的基本方程，它將反映色譜行為的保留值（VR、V'R、VM）與反映物質(zhì)性質(zhì)的熱力學(xué)常數(shù)K聯(lián)系起來(lái)。2.保留值與平衡常數(shù)K的關(guān)系根據(jù)物料平衡：兩邊同除以c18可得：

3.保留值與容量因子的關(guān)系將色譜過(guò)程基本方程代入：將該式改為：可得：3.保留值與容量因子的19

4.相對(duì)保留值

某組分2的調(diào)整保留值與組分1的調(diào)整保留值之比，稱為相對(duì)保留值。 由于相對(duì)保留值只與柱溫及固定相性質(zhì)有關(guān)，而與柱徑、柱長(zhǎng)、填充情況及流動(dòng)相流速無(wú)關(guān)，因此，它在色譜法中，特別是在氣相色譜法中，廣泛用作定性的依據(jù)。在定性分析中，通常固定一個(gè)色譜峰作為標(biāo)準(zhǔn)（s），然后再求其它峰（i）對(duì)這個(gè)峰的相對(duì)保留值。

4.相對(duì)保留值20

在多元混合物分析中，通常選擇一對(duì)最難分離的物質(zhì)對(duì)，將它們的相對(duì)保留值作業(yè)重要參數(shù)，稱選擇因子，用符號(hào)

表示，即 式中tR(2)為后出峰的調(diào)整保留時(shí)間，所以

總是大于1的。

可作為衡量固定相選擇性的指標(biāo)。

越大，越容易分離。=1，分離不能實(shí)現(xiàn)。

在多元混合物分析中，通常選擇一對(duì)最難分離的物質(zhì)對(duì)21

α是兩個(gè)組分平衡常數(shù)或容量因子之比，是兩組分在色譜體系中平衡分配差異的量度，是熱力學(xué)參數(shù)。它是柱溫、組分的性質(zhì)、固定相和流動(dòng)相的性質(zhì)的函數(shù)。而與其它實(shí)驗(yàn)條件，如柱徑、柱長(zhǎng)、填充情況及流動(dòng)相流速等無(wú)關(guān)。是廣泛使用的定性數(shù)據(jù)。α是兩個(gè)組分平衡常數(shù)或容量因子之比，是兩組分在色譜體22第五章-色譜分析法概論課件23從色譜流出曲線中，可得許多重要信息：

(1)根據(jù)色譜峰的個(gè)數(shù)，可以判斷樣品中所含組分的最少個(gè)數(shù)；

(2)根據(jù)色譜峰的保留值，可以進(jìn)行定性分析；

(3)根據(jù)色譜峰的面積或峰高，可以進(jìn)行定量分析；

(4)色譜峰的保留值及其區(qū)域?qū)挾?，是評(píng)價(jià)色譜柱分離效能的依據(jù)；

(5)色譜峰兩峰間的距離，是評(píng)價(jià)固定相（或流動(dòng)相）選擇是否合適的依據(jù)。從色譜流出曲線中，可得許多重要信息：24

下圖是A、B兩組分沿色譜柱移動(dòng)時(shí)，不同位置處的濃度輪廓。

濃度沿柱移動(dòng)距離LABABKA>KB若要使A、B組分完全分離，必須滿足以下三點(diǎn)：第一，兩組分的分配系數(shù)必須有差異；第二，區(qū)域擴(kuò)寬的速率應(yīng)小于區(qū)域分離的速度；第三，在保證快速分離的前提下，提供足夠長(zhǎng)的色譜柱?！?5-4色譜法基本理論下圖是A、B兩組分沿色譜柱移動(dòng)時(shí)，不同位置處25

第一、二點(diǎn)是完全分離的必要條件。作為一個(gè)色譜理論，它不僅應(yīng)說(shuō)明組分在色譜柱中移動(dòng)的速率，而且應(yīng)說(shuō)明組分在移動(dòng)過(guò)程中引起區(qū)域擴(kuò)寬的各種因素。塔板理論和速率理論均以色譜過(guò)程中分配系數(shù)恒定為前提，故稱為線性色譜理論。第一、二點(diǎn)是完全分離的必要條件。作為一個(gè)色譜理論，261塔板理論把色譜柱比作一個(gè)精餾塔，即色譜柱是由一系列連續(xù)的、相等的水平塔板組成。每一塊塔板的高度用H表示，稱為塔板高度，簡(jiǎn)稱板高。 塔板理論假設(shè)：在每一塊塔板上，溶質(zhì)在兩相間很快達(dá)到分配平衡，然后隨著流動(dòng)相按一個(gè)一個(gè)塔板的方式向前轉(zhuǎn)移。對(duì)一根長(zhǎng)為L(zhǎng)的色譜柱，溶質(zhì)平衡的次數(shù)應(yīng)為：

n稱為理論塔板數(shù)

n越大或H越小,柱效率越高,分離能力越強(qiáng).

1塔板理論27

塔板理論指出：第一，當(dāng)溶質(zhì)在柱中的平衡次數(shù)，即理論塔板數(shù)n大于50時(shí)，可得到基本對(duì)稱的峰形曲線。在色譜柱中，n值一般很大，如氣相色譜柱的n

約為103-106

，因而這時(shí)的流出曲線可趨近于正態(tài)分布曲線。第二，當(dāng)樣品進(jìn)入色譜柱后，只要各組分在兩相間的分配系數(shù)有微小差異，經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的分配平衡后，仍可獲得良好的分離。第三，n與半峰寬及峰底寬的關(guān)系式為：

式中tR

與Y1/2

(Yb

)應(yīng)采用同一單位（時(shí)間或距離）。

tR

一定時(shí)，色譜峰越窄，n越大，H越小，柱效能越高。塔板理論指出：28

在實(shí)際工作中，計(jì)算出來(lái)的

n

和H值有時(shí)并不能充分地反映色譜柱的分離效能，因?yàn)椴捎胻R計(jì)算時(shí)，沒(méi)有扣除死時(shí)間tM，所以常用有效塔板數(shù)n有效表示柱效：有效板高： 在實(shí)際工作中，計(jì)算出來(lái)的n和H值有時(shí)并不能充分地反29用熱力學(xué)的觀點(diǎn)闡明了溶質(zhì)在色譜柱中的分配平衡和分離過(guò)程解釋了流出曲線的形狀及濃度極大值的位置提出了計(jì)算和評(píng)價(jià)柱效的參數(shù)一種半經(jīng)驗(yàn)性的平衡理論塔板理論貢獻(xiàn)缺點(diǎn)不能解釋造成譜帶擴(kuò)張的原因和影響板高的各種因素不能說(shuō)明同一溶質(zhì)為什么在不同的流速下，可以測(cè)得不同的理論塔板數(shù)用熱力學(xué)的觀點(diǎn)闡明了溶質(zhì)在色譜柱中的分配平衡和分離過(guò)程一種半302速率理論

1956年荷蘭學(xué)者vanDeemter（范第姆特）等在研究氣液色譜時(shí)，提出了色譜過(guò)程動(dòng)力學(xué)理論——速率理論。他們吸收了塔板理論中板高的概念，并充分考慮了組分在兩相間的擴(kuò)散和傳質(zhì)過(guò)程，從而在動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上較好地解釋了影響板高的各種因素。該理論模型對(duì)氣相、液相色譜都適用。2速率理論31

vanDeemter方程的數(shù)學(xué)簡(jiǎn)化式為

ū為流動(dòng)相的平均線速度，單位：cm/s；

A、B、C、為常數(shù)，分別代表渦流擴(kuò)散系數(shù)、分子擴(kuò)散項(xiàng)系數(shù)、傳質(zhì)阻力項(xiàng)系數(shù)。第五章-色譜分析法概論課件32（1）渦流擴(kuò)散項(xiàng)

A

在填充色譜柱中，當(dāng)組分隨流動(dòng)相向柱出口遷移時(shí)，流動(dòng)相由于受到固定相顆粒障礙，不斷改變流動(dòng)方向，使組分分子在前進(jìn)中形成紊亂的類似渦流的流動(dòng)，故稱渦流擴(kuò)散。

A=2λdp

dp:填充物的平均直徑

λ:填充不規(guī)則因子，

A與流動(dòng)相的性質(zhì)、線速度和組分性質(zhì)無(wú)關(guān)。

對(duì)于空心毛細(xì)管，不存在渦流擴(kuò)散，因此A=0。（1）渦流擴(kuò)散項(xiàng)AA=2λdp33(2)

分子擴(kuò)散項(xiàng)—B/ū

（縱向擴(kuò)散項(xiàng)）：彎曲因子，填充柱色譜，<1。Dg：試樣組分分子在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)（cm2·s-1）。與組分性質(zhì)、載氣性質(zhì)、柱溫、柱壓等因素有關(guān)。宜采用相對(duì)分子質(zhì)量較大的載氣（如N2），較高載氣線速度，較低柱溫。(2)分子擴(kuò)散項(xiàng)—B/ū（縱向擴(kuò)散項(xiàng)）：34(3)傳質(zhì)阻力項(xiàng)Cū

物質(zhì)系統(tǒng)由于濃度不均勻而發(fā)生的物質(zhì)遷移過(guò)程，稱為傳質(zhì)。影響該過(guò)程的阻力，稱為傳質(zhì)阻力。 傳質(zhì)阻力系數(shù)C包括氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cg和液相傳質(zhì)阻力系數(shù)C1兩項(xiàng)，即

C=Cg+C1

(3)傳質(zhì)阻力項(xiàng)Cū35將上面式總結(jié)，即可得氣液色譜板高方程

這一方程對(duì)選擇色譜分離條件具有實(shí)際指導(dǎo)意義，它指出了色譜柱填充的均勻程度，填料顆粒的大小，流動(dòng)相的種類及流速，固定相的液膜厚度等對(duì)柱效的影響。將上面式總結(jié)，即可得氣液色譜板高方程這一方程對(duì)36

Ⅰ項(xiàng)，Hed，渦流擴(kuò)散項(xiàng)。Ⅱ項(xiàng)，Hmp，流動(dòng)區(qū)域內(nèi)，流動(dòng)相傳質(zhì)阻力。Ⅲ項(xiàng)，Hld，分子擴(kuò)散項(xiàng)，通?？梢院雎?。Ⅳ項(xiàng)，Hsm，流動(dòng)相停滯區(qū)域內(nèi)的傳質(zhì)阻力項(xiàng)。Ⅴ項(xiàng)，Hsp，固定相傳質(zhì)阻力，與氣相色譜中液相傳質(zhì)阻力項(xiàng)相應(yīng)。液相色譜中的速率理論

液液色譜的VanDeemter方程式可表達(dá)為：

ⅠⅡⅢⅣⅤⅠ項(xiàng)，Hed，渦流擴(kuò)散項(xiàng)。液相色譜中的速率理論ⅠⅡⅢⅣⅤ37由上式可知，在液液色譜中提高柱效可采用以下方法：1、減小填料顆粒粒度dp；2、用黏度較低的溶劑作流動(dòng)相；3、采用低流速流動(dòng)相；4、減小填料空穴深度；5、適當(dāng)提高柱溫。由上式可知，在液液色譜中提高柱效可采用以下方法：38

§15-5

分離度1、柱效和選擇性

理論塔板數(shù)n是衡量柱效的指標(biāo)，反映了色譜分離過(guò)程動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。

選擇性因子

是衡量色譜柱選擇性的指標(biāo)，取決于組分在固定相上的熱力學(xué)性質(zhì)。2、分離度的定義 分離度又叫分辨率或分辨度，既能反映柱效率又能反映選擇性的指標(biāo)，是衡量分離效能的總指標(biāo)。

定義：或§15-5分離度1、柱效和選擇性或39不同分離度時(shí)色譜峰分離的程度一般說(shuō)，當(dāng)Rs<1時(shí)，兩峰有部分重疊；當(dāng)Rs=1時(shí)，分離程度可達(dá)98%；當(dāng)Rs=1.5時(shí)，分離程度可達(dá)99.7%。

通常用Rs=1.5作為相鄰兩組分已完全分離的標(biāo)志。不同分離度時(shí)色譜峰分離的程度一般說(shuō)，當(dāng)Rs<1時(shí)，兩峰有部分403分離度的公式

分離度概括了色譜過(guò)程動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特性，是衡量色譜術(shù)分享效能的總指標(biāo)。分離度受n、α和k'三個(gè)參數(shù)的控制。設(shè)有兩相近色譜峰A、B，同時(shí)假設(shè)Wb(A)=Wb(B)。

由tR(A)=tM(1+k'A）tR(B)=tM(1+k‘B）而基本色譜分離方程式3分離度的公式基本色譜分離方程式41(1)分離度與柱效的關(guān)系

增加柱長(zhǎng)，可提高分離度，但延長(zhǎng)了分析時(shí)間，因此降低板高，提高柱效，才是提高分離度的好方法。(1)分離度與柱效的關(guān)系 增加柱長(zhǎng)，可提高分離度，但延長(zhǎng)了分42(2)分離度與選擇因子的關(guān)系 當(dāng)

=1時(shí)，R=0，這時(shí)，無(wú)論怎樣提高柱效也無(wú)法使兩組分分離。顯然，

大，選擇性好。研究證明

的微小變化，就能引起分離度的顯著變化。如達(dá)到相同分離度，當(dāng)＝1.01時(shí)，所需時(shí)間是＝1.1時(shí)的84倍。

一般通過(guò)改變固定相和流動(dòng)相的性質(zhì)或降低柱溫，可有效增大

值。(2)分離度與選擇因子的關(guān)系43(3)分離度與容量因子的關(guān)系一般取k為2~10最宜。對(duì)于GC，通過(guò)提高溫度，可選擇合適的k'值，以改進(jìn)分離度。而對(duì)于LC，只要改變流動(dòng)相的組成，就能有效地控制k'值。它對(duì)LC的分離能起到立竿見(jiàn)影的效果。(3)分離度與容量因子的關(guān)系一般取k為2~144§15-6色譜定性和定量分析一定性分析1用已知純物質(zhì)對(duì)照定性單柱比較法雙柱比較法峰高增加法定性§15-6色譜定性和定量分析一定性分析1用已知純物質(zhì)452相對(duì)保留值它僅隨固定液及柱溫變化而改變，與其它操作條件無(wú)關(guān)。2相對(duì)保留值它僅隨固定液及柱溫變化而改變，46二定量分析定量基礎(chǔ)或二定量分析定量基礎(chǔ)或471、響應(yīng)信號(hào)的測(cè)量（1）對(duì)稱形峰面積的測(cè)量——峰高乘以半峰寬法

A=1.065hW1/2（2）不對(duì)稱形峰面積的測(cè)量——峰高乘以平均峰寬法

A=1/2

h（W0.15+W0.85）（3）自動(dòng)電學(xué)積分儀（4）用峰高表示峰面積 在痕量分析中，峰高法的準(zhǔn)確度較高。峰面積法適用于各種形狀的峰，精度較好。

峰面積的大小不易受操作條件如柱溫、流動(dòng)相的流速、進(jìn)樣速度等的影響，故適于作定量分析的參數(shù)。1、響應(yīng)信號(hào)的測(cè)量482、校正因子

（1）絕對(duì)校正因子

受儀器及操作條件