第二章 色譜分析理論基礎(chǔ)課件

Chromatography第二章色譜分析法第二章色譜分析理論基礎(chǔ)一、色譜分離理論基礎(chǔ)問題問題1：什么是色譜法？問題2：為什么色譜法能將混合物分開？問題3：色譜法的分類？問題4：各種色譜法的應(yīng)用范圍？第二章色譜分析理論基礎(chǔ)1、色譜法概述茨維特的實驗茨維特(M.S.Tswett)：俄國植物學(xué)家，主要從事植物色素的研究工作——色譜之父第二章色譜分析理論基礎(chǔ)1901《一種新型吸附現(xiàn)象及其在生化分析上的應(yīng)用》1906年發(fā)表的文章中，首次提出了色譜的概念。利用混合物中不同組分在兩相之間進行不同分配的原理，使混合物分離，并進行定性和定量分析的方法。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)色譜法是一種分離方法。它的特點是：有兩相，一是固定相，一是流動相，兩相作相向運動。將色譜法用于分析中，則稱為色譜分析。色譜分析是一種分離、分析法。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)色譜的發(fā)展液固色譜Tiselius和Claesson，瑞典科學(xué)家，改進色譜方法，1948年諾貝爾化學(xué)獎A.W.K.Tiselius

1902—1971第二章色譜分析理論基礎(chǔ)分配色譜Martin和Synge，英國科學(xué)家，提出分配法，1952年諾貝爾化學(xué)獎氣相色譜Martin和James，1951年通過實驗證明氣液色譜可行性。A.J.P.Martin

1910～2002R.L.M.Synge

1914～1994第二章色譜分析理論基礎(chǔ)2、色譜法分離原理當流動相中所攜帶的混合物流過固定相時，會和固定相發(fā)生作用。由于混合物中各組分在性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的差異，與固定相之間作用力的大小也有差異。因此在同一推動力作用下，不同組分在固定相中的滯留時間有長有短，從而按先后不同的次序從固定相中流出。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)3、色譜法的分類按流動相狀態(tài)的不同，可分為氣相色譜法(GC)液相色譜法(LC)超臨界流體色譜(SFC)第二章色譜分析理論基礎(chǔ)氣相色譜法以氣體為流動相的色譜法（GasChromatogaphy）按固定相狀態(tài)的不同可分為：氣固色譜(GSC)氣液色譜(GLC)適合分離分析易汽化，穩(wěn)定、不易分解、不易反應(yīng)的樣品，特別適合用于同系物、同分異構(gòu)體的分離。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)液相色譜法以液體為流動相的色譜法（LiquidChromatogaphy）按固定相狀態(tài)的不同可分為：液固色譜(LSC)液液色譜(LLC)適合分離分析高沸點、熱不穩(wěn)定、離子型的樣品。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)按固定相使用的形式可分為柱色譜（ColumnChromatography）將固定相裝在色譜柱內(nèi)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二章色譜分析理論基礎(chǔ)按分離過程作用原理可分為吸附色譜分配色譜離子交換色譜排阻色譜第二章色譜分析理論基礎(chǔ)4.色譜相關(guān)術(shù)語色譜儀的一般組成第二章色譜分析理論基礎(chǔ)關(guān)于色譜圖的術(shù)語峰峰高基線峰寬Y半峰寬Y1/2峰面積標準偏差σ第二章色譜分析理論基礎(chǔ)基線無組分時色譜流動相所產(chǎn)生的信號隨時間變化的曲線（直線）基線漂移基線定向的緩慢變化基線噪聲基線隨機的起伏第二章色譜分析理論基礎(chǔ)標準偏差σ0.607倍峰高處的峰寬的一半半峰寬Y1/2峰高一半處的峰寬：Y1/2=2.354σ峰底寬度Y色譜峰兩側(cè)轉(zhuǎn)折點切線在基線上的截距：Y=4σ第二章色譜分析理論基礎(chǔ)死時間(tM):無保留組分出峰時間保留時間(tR):流出色譜柱的組分濃度最高的時間調(diào)整保留時間(t’R):死體積(VM):保留體積(VR):調(diào)整保留體積(V’R):關(guān)于保留值的術(shù)語第二章色譜分析理論基礎(chǔ)相對保留值(ri,s或a):保留指數(shù)(I)：規(guī)定正構(gòu)烷烴的保留指數(shù)是其碳數(shù)的100倍，其它物質(zhì)的保留指數(shù)在實際色譜條件下測定。選取保留值與被測物相鄰的兩種正構(gòu)烷烴做參照系，其中一種碳數(shù)為Z，另一種為Z+1，被測物的保留指數(shù)由下式計算：第二章色譜分析理論基礎(chǔ)分配系數(shù)K(distributioncoefficient)分配比k（容量因子、容量比），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質(zhì)量的比值。是衡量柱子對組分保留能力的重要參數(shù)。關(guān)于分配平衡的術(shù)語第二章色譜分析理論基礎(chǔ)相比β色譜柱內(nèi)固定相和流動相體積之比

相比是柱型及結(jié)構(gòu)的重要特征。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)滯留因子RS色譜柱中樣品流速與流動相流速之比第二章色譜分析理論基礎(chǔ)二、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(xué)問題——發(fā)展高選擇性色譜柱色譜動力學(xué)問題——發(fā)展高效能色譜柱分離條件的最優(yōu)化問題——分離條件優(yōu)化第二章色譜分析理論基礎(chǔ)1、色譜動力學(xué)理論研究流出曲線展寬的本質(zhì)及曲線形狀變化的影響因素塔板理論速率理論第二章色譜分析理論基礎(chǔ)（1）塔板理論基本假設(shè)色譜柱可分為許多完全相同的小段，每一段中達到分配平衡所需的時間可忽略，每一段的長度稱為塔板高度H；流動相進入色譜柱時為脈沖式而不是連續(xù)式，每次進一個板體積的流動相；待測樣品開始時位于第0號塔板上，并且不會沿色譜柱方向擴散；每個塔板上的分配系數(shù)相同；第二章色譜分析理論基礎(chǔ)色譜峰的產(chǎn)生設(shè)色譜柱有5個塔板，分配系數(shù)為1，第二章色譜分析理論基礎(chǔ)第二章色譜分析理論基礎(chǔ)對流出曲線進行擬合，通過概率理論得到流出曲線方程：

-標準偏差其中：C0-初始濃度tR-保留時間第二章色譜分析理論基礎(chǔ)當t=tR時，C=Cmax，峰高正比于進樣量C0，是峰高定量的理論基礎(chǔ)。當n越大，Cmax/C0越大。即保留時間一定時，塔板數(shù)越多，峰越高。Cmax反比于tR，tR小，Cmax大，保留時間小的組分峰高且窄；tR大，Cmax小，保留時間大的組分峰低且寬。對色譜流出曲線方程的討論第二章色譜分析理論基礎(chǔ)柱效由流出曲線方程導(dǎo)出：n，H，n有效，H有效，——柱效指標第二章色譜分析理論基礎(chǔ)t一定時，Y，Y1/2與n成反比，n越大，峰越窄，分離效果越好；n越大，H越小，表明組分在柱中達到的分配平衡次數(shù)越多，對分離越有利，但還不能預(yù)言各組分有被分離的可能性；相同的色譜柱對不同物質(zhì)的柱效不同??！第二章色譜分析理論基礎(chǔ)塔板理論的貢獻塔板理論有助于我們形象的理解色譜的分離過程。導(dǎo)出色譜流出曲線方程，它符合高斯分布，與實驗現(xiàn)象相吻合。導(dǎo)出理論塔板數(shù)的計算公式，作為柱效的評價指標。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)塔板理論的局限塔板高度H是一個抽象的物理量，它的色譜本質(zhì)是什么？它與哪些參變量有關(guān)，又怎樣影響峰的擴張？對實驗的指導(dǎo)意義有限。不能解釋流速對理論塔板數(shù)的影響。沒有考慮縱向擴散，分配系數(shù)的變化，達到平衡所需的時間。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)（2）速率理論速率理論是1956年荷蘭學(xué)者VanDeemter等提出，因此又稱作范第姆特方程。運用流體分子規(guī)律研究色譜過程中產(chǎn)生色譜峰擴展的因素，導(dǎo)出了理論塔板高度與流動相線速度的關(guān)系，揭示了影響塔板高度的動力學(xué)因素。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)氣相色譜速率方程速率理論討論的是色譜峰展寬原因，即影響塔板數(shù)n的因素，即影響塔板高度H的因素。速率方程的一般形式：H=A+B/u+CuA-渦流擴散項B-分子擴散項C-傳質(zhì)阻力項u-流速第二章色譜分析理論基礎(chǔ)渦流擴散項A由不等路徑造成的色譜峰擴展。由于柱填料粒徑大小不同，粒度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(nèi)各路徑形成紊亂的渦流運動，有些溶質(zhì)分子沿較窄且直的路徑運行，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，從而使色譜峰產(chǎn)生擴散。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)渦流擴散項均勻性因子粒徑第二章色譜分析理論基礎(chǔ)分子擴散項B/u由于分子的縱向擴散造成的色譜峰擴展。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(chǎn)生縱向擴散，引起色譜峰擴展。擴散系數(shù)彎曲因子第二章色譜分析理論基礎(chǔ)傳質(zhì)阻力項Cu由氣相傳質(zhì)阻力和液相傳質(zhì)阻力兩項組成第二章色譜分析理論基礎(chǔ)氣相傳質(zhì)阻力項Cgu試樣組分從氣相移動到固定相表面的過程中，由于質(zhì)量交換過程需要一定時間（即傳質(zhì)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。容量因子第二章色譜分析理論基礎(chǔ)液相傳質(zhì)阻力項Clu試樣組分從固定相表面移動到固定相內(nèi)部的過程中，由于質(zhì)量交換過程需要一定時間（即傳質(zhì)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。液膜厚度液相擴散系數(shù)第二章色譜分析理論基礎(chǔ)氣相色譜中的速率方程第二章色譜分析理論基礎(chǔ)速率方程的意義為柱型的研究和發(fā)展提供理論依據(jù)為操作條件的選擇提供理論指導(dǎo)為色譜柱的填充提供理論指導(dǎo)第二章色譜分析理論基礎(chǔ)對柱型研究和發(fā)展的影響消除渦流擴散項A=0?Golay1957年提出毛細管柱（opentube）的概念毛細管柱A=0，H=B/u+CuH↓，N↑，分離能力大大提高第二章色譜分析理論基礎(chǔ)對柱型研究和發(fā)展的影響消除分子擴散項B=0?溶質(zhì)在液體中的擴散系數(shù)DL≈10-5cm2/s溶質(zhì)在氣體中的擴散系數(shù)Dg≈10-1cm2/sDL

<<Dg當采用液體作流動相時B→0(u>0.5cm/s)液體作流動相時可用更細的固定相，A↓HPLC柱效比GC要高2~3個數(shù)量級第二章色譜分析理論基礎(chǔ)操作條件對柱效的影響H-u曲線第二章色譜分析理論基礎(chǔ)載氣線速度（流速）的影響最佳流速：u=(B/C)1/2最小塔板高度：Hmin=A+2(BC)1/2實用最佳流速：比最佳流速更快A與流速無關(guān)當流速小時，B/u對H的大小起主導(dǎo)作用當流速大時，Cu對H的大小起主導(dǎo)作用第二章色譜分析理論基礎(chǔ)對色譜柱的填充提供理論指導(dǎo)柱徑：柱徑越小，固定相越難填充均勻。柱長L：柱長增加，總塔板數(shù)增加，但分離時間將增加。固定相粒徑dp：根據(jù)速率方程，粒徑減小，A項減小，C項減小，柱效增加。但粒徑太小，不易填充均勻，A項又增大。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)對色譜柱的填充提供理論指導(dǎo)液膜厚度df：從柱效角度考慮，液膜越薄，柱效越高（根據(jù)速率方程），但允許的進樣量減小。固定液與擔(dān)體的配比一般在5:100-25:100之間，但現(xiàn)在更低配比的固定相也應(yīng)用廣泛。更重要的是：不同沸點的物質(zhì)，應(yīng)采用不同配比的固定相。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)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(shù)α（相對保留值）與保留指數(shù)I來評價固定液有效塔板數(shù)N有效來評價色譜柱與分離條件以分離度R作為柱的總分離效能指標第二章色譜分析理論基礎(chǔ)選擇性系數(shù)α定義與相對保留值(ri,s)基本相同不同之處在于選擇性系數(shù)是兩個相鄰峰的調(diào)整保留值之比（后峰比前峰，α≥1），相對保留值是被測物與標準物質(zhì)的調(diào)整保留值之比（可小于1）它是評價固定液選擇性的指標。選擇性系數(shù)越大，該柱對此相鄰峰的分離越好。

第二章色譜分析理論基礎(chǔ)分離度RR越大，說明兩組分分離得越好。由于該定義綜合了色譜動力學(xué)和熱力學(xué)因素，可作為色譜柱的總分離效能指標。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)色譜分離基本方程（Purnell方程）第二章色譜分析理論基礎(chǔ)色譜分離基本方程的意義要改善物質(zhì)對的分離（提高R），即提高兩相鄰物質(zhì)的分離度，可以采取以下措施：提高柱效n提高選擇性系數(shù)α增大容量因子k第二章色譜分析理論基礎(chǔ)如何提高n分離度R與理論塔板數(shù)N的平方根成正比關(guān)系，增加塔板數(shù)，有利于提高分離度。增加柱長可增加n，改善分離，但分析時間將大大延長，峰產(chǎn)生擴展。減小塔板高度H：根據(jù)速率方程的啟示制備一根性能優(yōu)良的色譜柱是十分重要的。根據(jù)速率方程選擇合適的色譜條件同樣有效。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)容量因子k的影響分離度與容量因子有關(guān)，容量因子越大，分離越好。但當容量因子大于10，k/(k+1)的改變不大，而分析時間將大大延長。因此，k的最佳范圍是1<k<10。k135791113∞k/(k+1)0.500.750.830.880.900.920.931.00第二章色譜分析理論基礎(chǔ)如何改變k改變柱溫，提高柱溫可提高分離度改變相比，即改變固定相的量和改變柱死體積，死體積對k/(k+1)的影響很大，使用死體積大的柱子，分離度降低。在高效液相色譜中改變流動相的配比是最簡便、最有效的方法第二章色譜分析理論基礎(chǔ)選擇性因子α的影響αN有效R=1.0R=1.51.001.0051.011.021.051.101.251.502.00∞650000163000420007100190040014065∞36700094000160004400900320145第二章色譜分析理論基礎(chǔ)如何改變a改變柱溫也可改變α。選擇合適的固定相種類選擇合適的流動相的種類和配比第二章色譜分析理論基礎(chǔ)樣品組分k(a)50%甲醇/水40%乙腈/水37%THF/水苯胺1.3（1.07）1.5（1.07）1.7（1.35）苯酚1.6（2.81）1.4（2.87）2.3（1.70）苯甲醚4.5（1.04）4.3（1.09）3.9（1.20）苯4.7（1.96）4.7（1.63）4.7（1.38）氯苯9.27.76.5流動相種類和配比對k和a的影響第二章色譜分析理論基礎(chǔ)選定合適的分離度一般來說R應(yīng)大于1.5。應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)樣品要求和定量方法確定。例如：含量50%的組分，要使峰高定量誤差小于1%，需R1/2=1.28，而采用峰面積定量R1/2需1.00。含量1%的組分，要使峰高定量誤差小于1%，需達到R1/2=1.83，而采用峰面積定量R1/2需2.37。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)3.氣相色譜操作條件的選擇流速柱溫氣化溫度檢測器溫度進樣量載氣種類固定相種類第二章色譜分析理論基礎(chǔ)流速u根據(jù)速率方程，可計算求出最佳流速，此時柱效最高。在實際工作中，為縮短分析時間，往往使流速稍高于最佳流速。對于填充柱，氮氣的實用最佳線速為10-15cm/s；氫氣為15-25cm/s；氦氣介于兩者之間。若填充柱內(nèi)徑為4mm，則體積流速為氮氣30-40ml/min，氫氣40-60ml/min。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)柱溫TC每一種固定液都有它的最高使用溫度，柱溫不可超過這一溫度，否則固定液揮發(fā)流失。柱溫太高，組分揮發(fā)度靠攏，不利于分離。但柱溫太低，被測組分的擴散速度下降，分配不能快速達到平衡，影響峰型，柱效下降，并使分析時間大大延長。原則：在保證難分離物質(zhì)有良好分離的前提下盡可能采取較高柱溫。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)混合物bp

柱溫固定液含量>300℃低于bp100-200℃1-3%200-300℃低于bp100℃5-10%100-200℃平均bp的2/310-15%氣體室溫15-25%吸附劑沸程范圍>100℃程序升溫第二章色譜分析理論基礎(chǔ)汽化溫度一般進樣方法下，汽化溫度比柱溫高30-70℃。進樣量大時溫度略高一些，保證瞬間汽化。保證不可超過試樣的分解溫度。其它氣化溫度與具體進樣方式有關(guān)。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)檢測器溫度一般大于或等于柱溫，具體與檢測器種類有關(guān)。進樣量液態(tài)試樣一般進樣量0.1-5μl。氣態(tài)試樣一般進樣量為0.1-10ml。具體視柱類型，固定液含量（不能超過柱容量）、進樣方式、檢測器的靈敏度和線性范圍等確定。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)流動相（載氣）種類流動相的種類要視檢測器種類確定。常用的有氫氣（熱導(dǎo)用）、氮氣（氫火焰用）、氦氣（均可用，但價格較高）。氫氣和氦氣適合于快速分析。氮氣做載氣峰型較好，柱效較高。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)固定相種類擔(dān)體比表面大的多孔細小顆粒；化學(xué)惰性，熱穩(wěn)定性好；固定液相似相容原理高選擇性、化學(xué)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定第二章色譜分析理論基礎(chǔ)三、色譜定性與定量方法色譜定性分析以確定物質(zhì)成分為目標；以保留值為基礎(chǔ)，結(jié)合多種其他測試方法色譜定量分析以確定混合物中各組分含量為目標；以峰面積為基礎(chǔ)第二章色譜分析理論基礎(chǔ)1.色譜定性分析(1)利用保留值及其規(guī)律定性各物質(zhì)在一定的色譜條件下均有確定不變的保留值，因此保留值可作為定性指標。利用純物對照定性利用文獻值對照定性第二章色譜分析理論基礎(chǔ)純物質(zhì)對照定性利用保留時間和保留體積定性第二章色譜分析理論基礎(chǔ)用相對保留值定性用已知物增加峰高法定性第二章色譜分析理論基礎(chǔ)應(yīng)用范圍：適用于簡單混合物，對該樣品已有了解并具有純物質(zhì)的情況。優(yōu)點：應(yīng)用簡便，不需要其他儀器。缺點：定性結(jié)果的可信度不高。提高可信度的方法：雙柱、雙體系定性第二章色譜分析理論基礎(chǔ)文獻值對照定性分析實現(xiàn)方法測定相對保留值ri,s測定保留指數(shù)I優(yōu)點：無需純物質(zhì)；保留指數(shù)具有較好的重現(xiàn)性和精密度；只與固定相和柱溫有關(guān)。缺點：對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物質(zhì)，缺乏數(shù)據(jù)。適用范圍：適用于簡單混合物，無需純物質(zhì)。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)(2)與其它儀器或化學(xué)方法聯(lián)合定性離線聯(lián)用方式化學(xué)法儀器法在線聯(lián)用方式化學(xué)法儀器法第二章色譜分析理論基礎(chǔ)離線聯(lián)用方式收集方法：GC中一般采用液氮冷阱冷卻后收集應(yīng)用范圍：無標準物時，可對較為復(fù)雜的混合物進行定性分析缺點：麻煩第二章色譜分析理論基礎(chǔ)在線聯(lián)用方式用化學(xué)方法輔助定性柱前反應(yīng)：在色譜柱前裝上預(yù)處理柱，帶有某些官能團的化合物在預(yù)柱中發(fā)生物理化學(xué)變化，其色譜峰會消失或移動，與反應(yīng)前色譜圖比較，可初步判斷試樣中含那些官能團。柱后反應(yīng)：在色譜柱后裝上T型毛細管分流器，將各組分導(dǎo)入官能團試劑反應(yīng)管，利用官能團反應(yīng)對組分進行定性。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)與其它儀器聯(lián)用定性混合物經(jīng)色譜分離后，將各組分直接由接口導(dǎo)入其它儀器中進行定性。常用的聯(lián)用方法有：GC-MS、GC-FTIR、LC-MS……其它儀器相當于色譜儀的檢測器。使用范圍：復(fù)雜樣品的定性。優(yōu)點：不需要標準物，定性結(jié)果可信度高，操作方便。缺點：需要特殊儀器或設(shè)備。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)GC-MS第二章色譜分析理論基礎(chǔ)2色譜定量分析(1)色譜定量基礎(chǔ)色譜定量分析是基于被測物質(zhì)的量與峰面積成正比。在一定色譜條件下有：第二章色譜分析理論基礎(chǔ)（2）定量要解決的問題峰面積的測量和計算校正因子的測量與計算色譜定量方法及其應(yīng)用第二章色譜分析理論基礎(chǔ)峰面積的測量與計算積分儀或色譜工作站簡便、速度快，精度高，可達0.2-2%，對小峰及不對稱峰的結(jié)果準確，是色譜發(fā)展趨勢。手動測量與計算第二章色譜分析理論基礎(chǔ)峰高乘半峰寬法：適于對稱峰峰高乘峰底寬度法：適于矮寬峰峰高乘平均峰寬法：適于不對稱峰峰高乘保留值法：適于狹窄峰，快速簡便，常用于工廠控制分析。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)重疊峰的測量切線分峰垂線分峰第二章色譜分析理論基礎(chǔ)連線分峰計算機擬合分峰第二章色譜分析理論基礎(chǔ)校正因子的測量與計算相對校正因子由于絕對校正因子與儀器的靈敏度有關(guān)，又由于靈敏度與實驗條件相關(guān)，且每一檢測器的靈敏度都是不同的，它不容易測量準確，亦無通用性，所以實際工作中使用相對校正因子。第二章色譜分析理論基礎(chǔ)相對校正因子的表達式質(zhì)量校正因子摩爾校正因子相對響應(yīng)值被測組分的質(zhì)量標準物質(zhì)量分子量第二章色譜分