第十二章 色谱分析法 (2)优秀PPT.ppt
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1、第十二章 色谱分析法1第一页,本课件共有86页 概概 述述 气相色谱理论基础气相色谱理论基础 气气 相相 色色 谱谱 法法 色谱分离方法的选择色谱分离方法的选择色谱分离方法的选择色谱分离方法的选择 高高 效效 液液 相相 色色 谱谱 法法2第二页,本课件共有86页1、色谱法的产生、色谱法的产生 色谱法是一种分离技术,它色谱法是一种分离技术,它是俄国植物学家茨维特是俄国植物学家茨维特1906年创年创立的。分离植物叶子中的色素时,立的。分离植物叶子中的色素时,将叶片的石油醚(饱和烃混合物)将叶片的石油醚(饱和烃混合物)提取液倒入玻璃管中,柱中填充提取液倒入玻璃管中,柱中填充CaCO3粉末(粉末(C
2、aCO3 有吸附能力有吸附能力),用纯石油醚洗脱(淋洗)。色,用纯石油醚洗脱(淋洗)。色素受两种作用力影响素受两种作用力影响一、色谱分析法简介一、色谱分析法简介12(1)-1 概述 3第三页,本课件共有86页(1)一种是)一种是CaCO3 吸附,使色素在柱中吸附,使色素在柱中停滞下来停滞下来(2)一种是被石油醚溶解,使色素向下移)一种是被石油醚溶解,使色素向下移动动 各种色素结构不同,受两种作用力大各种色素结构不同,受两种作用力大小不同,经过一段时间洗脱后,色素在小不同,经过一段时间洗脱后,色素在柱子上分开,形成了各种颜色的谱带,柱子上分开,形成了各种颜色的谱带,这种分离方法称为色谱法。这种分
3、离方法称为色谱法。4第四页,本课件共有86页Tsweet的实验的实验5第五页,本课件共有86页12-1 概述 6第六页,本课件共有86页12-1 概述色谱法中共使用两相色谱法中共使用两相 固定相固定相固定不动的相固定不动的相 CaCO3 流动相流动相推动混合物流动的液体推动混合物流动的液体 石油醚石油醚色谱法:色谱法:混合物在流动相的携带下通过色谱柱混合物在流动相的携带下通过色谱柱分离出几种组分的方法。分离出几种组分的方法。流动相流动相液体液体 流的速度慢,加流的速度慢,加压,使其流快,压,使其流快,1969年年HPLC发展,高压液相发展,高压液相色谱。色谱。气体气体 1952年产生年产生气相
4、色谱,是色气相色谱,是色谱法一项革命性谱法一项革命性进展。进展。7第七页,本课件共有86页12-1 概述固定相固定相:(1)固体吸附剂:)固体吸附剂:CaCO3、Al 2O3等等(2)液体固定相(载体)液体固定相(载体+固定液固定液高沸点有机化高沸点有机化合物,涂在载体上)合物,涂在载体上)色谱分离法一定是先分离。后分析色谱分离法一定是先分离。后分析一定具有两相;固定相和流动相一定具有两相;固定相和流动相分离:利用组分在两相中分配系数或吸附能力的差分离:利用组分在两相中分配系数或吸附能力的差异进行分离异进行分离8第八页,本课件共有86页 随着被分离样品种类的增多,该方法随着被分离样品种类的增多
5、,该方法广泛地用于无色物质的分离,广泛地用于无色物质的分离,“色谱色谱”名名称中的称中的“色色”失去了原有的意义,但失去了原有的意义,但“色色谱谱”这一名称沿用至今。这一名称沿用至今。9第九页,本课件共有86页我国情况我国情况我国在色谱分析领域的研究起于我国在色谱分析领域的研究起于1954年,由中年,由中国科学院大连化学物理研究所首先开发。经过几国科学院大连化学物理研究所首先开发。经过几十年的努力,我国色谱基础理论研究和应用技术十年的努力,我国色谱基础理论研究和应用技术研究方面具有特色,居世界领先行列。研究方面具有特色,居世界领先行列。10第十页,本课件共有86页12-1 概述4、特点:、特点
6、:(1)分离效能高)分离效能高(2)灵敏度高)灵敏度高(3)分析速度快)分析速度快(4)应用范围广)应用范围广11第十一页,本课件共有86页二、色谱分析法分类二、色谱分析法分类1、按两相状态分类、按两相状态分类气相色谱气相色谱气体作流动相气体作流动相(1)气固色谱:气体作流动相,固体吸附剂作固定相。)气固色谱:气体作流动相,固体吸附剂作固定相。(2)气液色谱:气体作流动相,固定液作固定相。)气液色谱:气体作流动相,固定液作固定相。12第十二页,本课件共有86页液相色谱液相色谱液体作流动相液体作流动相(1)液固色谱:液体作流动相,固体吸附剂作固体相。)液固色谱:液体作流动相,固体吸附剂作固体相。
7、(2)液液色谱:液体作流动相,固定液作固定相。)液液色谱:液体作流动相,固定液作固定相。超临界液体色谱超临界液体色谱超临界流体作色谱流超临界流体作色谱流动相。动相。13第十三页,本课件共有86页2、按操作形式分类、按操作形式分类(1)柱色谱:)柱色谱:填充柱色谱填充柱色谱固定相填充到柱管内固定相填充到柱管内 毛毛细细管管柱柱色色谱谱把把固固定定相相涂涂在在毛毛细细管管内内壁壁上上,中中间间是是空的。空的。(2)纸纸色色谱谱:滤滤纸纸为为固固定定相相的的色色谱谱法法,流流动动相相是是含含一一定定比例水的有机溶剂,样品在滤纸上展开进行分离。比例水的有机溶剂,样品在滤纸上展开进行分离。(3)薄层色谱
8、:)薄层色谱:把固体固定相压成或涂成薄膜的色谱法。把固体固定相压成或涂成薄膜的色谱法。二、色谱分二、色谱分析法分类析法分类14第十四页,本课件共有86页 3、按分离原理分类、按分离原理分类 (1)吸吸附附色色谱谱:利利用用吸吸附附剂剂表表面面对对被被分分离离的的各各组分吸附能力不同进行分离。组分吸附能力不同进行分离。(2)分分配配色色谱谱:利利用用不不同同组组分分在在两两相相分分配配系系数或溶解度不同进行分离。数或溶解度不同进行分离。(3)离离子子交交换换色色谱谱:利利用用不不同同组组分分对对离离子子交交换剂亲和力不同进行分离。换剂亲和力不同进行分离。(4)凝胶色谱:)凝胶色谱:利用凝胶对分子
9、的大小和形状利用凝胶对分子的大小和形状不同的组分所产生的阻碍作用不同而进行分离的色不同的组分所产生的阻碍作用不同而进行分离的色谱法。谱法。二、色谱分析法分类二、色谱分析法分类15第十五页,本课件共有86页 12(1)-2 色谱图及色谱常用术语色谱图及色谱常用术语一、色谱图一、色谱图 混混合合物物样样品品(A+B)色色谱谱柱柱中中分分离离检检测测器器记记录录下下来来。组组分分从从色色谱谱柱柱流流出出时时,各各个个组组分分在在检检测测器器上上所所产产生生的的信信号随时间变化,所形成的曲线叫色谱图。号随时间变化,所形成的曲线叫色谱图。记录了各个组分流出色谱柱的情况,记录了各个组分流出色谱柱的情况,又
10、叫色谱流出曲线又叫色谱流出曲线16第十六页,本课件共有86页二、色谱图中的基本术语二、色谱图中的基本术语 17第十七页,本课件共有86页1、基基线线在在实实验验操操作作条条件件下下,色色谱谱柱柱后后没没有有组组分分流流出出的的曲曲线线叫叫基基线。线。稳稳定定情情况况下下,一条直线。一条直线。基基线线上上下下波波动称为噪音。动称为噪音。二、色谱图中的基本术语二、色谱图中的基本术语 18第十八页,本课件共有86页2、色谱峰的高度、色谱峰的高度h(1)峰高)峰高h 色谱峰最高点与基线之间的色谱峰最高点与基线之间的距离距离,可用,可用mm,mV,mA表示。峰高低表示。峰高低与组分浓度有关,峰越高越窄越
11、好。与组分浓度有关,峰越高越窄越好。二、色谱图中的基本术语二、色谱图中的基本术语 h19第十九页,本课件共有86页3.色谱峰的宽度色谱峰的宽度标准偏差标准偏差 峰高峰高0.607倍处的色谱峰宽的一半。倍处的色谱峰宽的一半。二、色谱图中的基本术语二、色谱图中的基本术语 20第二十页,本课件共有86页q峰峰底底宽宽Wb色色谱谱峰峰两两侧侧拐拐点点所所作作切切线线在在基基线线上上的的距离距离 Wb=4 q 半半峰峰宽宽W1/2峰峰高高一一半半处处色色谱谱峰峰的的宽宽度度 W1/2=2.354 Wb=4 W1/2=0.589Wb Wb21第二十一页,本课件共有86页 4.色谱峰面积色谱峰面积A 色谱峰
12、与峰底所围的面积。色谱峰与峰底所围的面积。对于对称的色谱峰对于对称的色谱峰 A=1.065h W1/2 对于非对称的色谱峰对于非对称的色谱峰 A=1.065h(W 0.15+W 0.85)/2 二、色谱图中的基本术语二、色谱图中的基本术语 22第二十二页,本课件共有86页5.色谱保留值色谱保留值定性的依据定性的依据 组组分分在在色色谱谱柱柱中中停停留留的的数数值值,可可用用时时间间t 和和所所消消耗耗流流动动相相的的体体积积来来表表示示。组组分分在在固固定定相相中中溶溶解解性性能能越越好好,或或固固定定相相的的吸吸附附性性越越强强,在在柱柱中中滞滞留留的的时时间间越越长长,消消耗耗的的流流动动
13、相相体体积积越越大大,固固定定相相、流流动动相相固固定定,条条件件一一定定时时,组分的保留值是个定值。组分的保留值是个定值。二、色谱图中的基本术语二、色谱图中的基本术语 23第二十三页,本课件共有86页(1)死死时时间间t0不不被被固固定定相相吸吸附附或或溶溶解解的的组组分分流流经色谱柱所需的时间。经色谱柱所需的时间。从进样开始到柱后出现峰最大值所需的时间。从进样开始到柱后出现峰最大值所需的时间。气气相相色色谱谱惰惰性性气气体体(空空气气、甲甲烷烷等等)流流出出色色谱谱柱柱所所需的时间。需的时间。5.色谱保留值色谱保留值定性的依据定性的依据t024第二十四页,本课件共有86页(2)保保留留时时
14、间间tR 组组分分流流经经色色谱谱柱柱时时所所需需时时间间。进进样样开开始始到到柱柱后后出出现现最最大大值值时时所所需需的的时时间间。操操作作条条件件不不变变时时,一一种种组组分分有有一一个个tR定定值值,定定性参数。性参数。25第二十五页,本课件共有86页(3)调调整整保保留留时时间间tR扣扣除除了了死死时时间间的的保保留留时时间间。tR=tR-t0又又称称校校正正保保留留时时间间,实实际际保保留时间。留时间。tR体体现现的的是是组组分分在在柱柱中中被被吸吸附附或溶解的时间。或溶解的时间。二、色谱图中的基本术语二、色谱图中的基本术语 tR26第二十六页,本课件共有86页保留值用体积表示:保留
15、值用体积表示:(4)死死体体积积V0不不被被固固定定相相滞滞留留的的组组分分流流经经色色谱谱柱柱所所消消耗耗的的流流动动相相体体积积称称死死体体积,色谱柱中载气所占的体积。积,色谱柱中载气所占的体积。V0=t 0F0 柱柱后后出出口口处处流流动动相相的的体体积积流流速速mL/min 27第二十七页,本课件共有86页(5)保保留留体体积积VR 组组分分从从进进样样开开始始到到色色谱谱柱柱后后出出现现最最大大值值时时所所需需流流动动相相体体积积,组组分分通通过过色色谱谱柱柱时时所需流动相体积所需流动相体积 VR=t RF 0(6)调调整整保保留留体体积积VR扣扣除除了了死死体体积积的的保保留留体体
16、积积,真真实实的的将将待待测测组组分分从从固固定定相相中中携携带带出出柱柱子子所所需需的的流动相体积。流动相体积。VR=tRF 0 二、色谱图中的基本术语二、色谱图中的基本术语 V0、t0与被测组分无关,因而与被测组分无关,因而VR.tR更合理更合理地反映了物质在柱中的保留情况。地反映了物质在柱中的保留情况。28第二十八页,本课件共有86页(7)相相对对保保留留值值2,1或或i,s 在在相相同同操操作作条条件件下下,组组分分2或或组组分分i对对另另一一参参比比组组分分1或或s调整保留值之比调整保留值之比二、色谱图中的基本术语二、色谱图中的基本术语 29第二十九页,本课件共有86页概念、表示方法
17、及计算公式汇总概念、表示方法及计算公式汇总表表-130第三十页,本课件共有86页色谱曲线的意义:色谱曲线的意义:色谱峰数色谱峰数=样品中单组份的最少个数;样品中单组份的最少个数;色谱保留值色谱保留值定性依据;定性依据;色谱峰高或面积色谱峰高或面积定量依据;定量依据;色谱保留值或区域宽度色谱保留值或区域宽度色谱柱分离效色谱柱分离效能评价指标;能评价指标;色谱峰间距色谱峰间距固定相或流动相选择是否固定相或流动相选择是否合适的依据。合适的依据。31第三十一页,本课件共有86页三、分配平衡三、分配平衡 在在一一定定温温度度下下,组组分分在在流流动动相相和和固固定定相相之之间间所所达达到到的的平平衡衡叫
18、叫分分配配平平衡衡,组组分分在在两两相相中中的的分分配配行行为为常常采采用用分配系数分配系数K和分配比和分配比k来表示。来表示。K随随T变化,与固定相、流动相的体积无关变化,与固定相、流动相的体积无关=cs/cm组分在固定相中的浓度组分在流动相中的浓度K=1、分配系数、分配系数 K(浓度分配系数浓度分配系数)32第三十二页,本课件共有86页2、分配比、分配比k(又叫容量因子,容量比又叫容量因子,容量比)组分在固定相中的质量 组分在流动相中的质量 =ms/mm=svs/mvm=K vs/vm k=k=tR/t0=(tR-t0)/t0 k=VR/V0=(VR-V0)/V0经推导得经推导得k与与tR
19、之间的关系:之间的关系:k随随T、固定相、流动相的体积变化而变化、固定相、流动相的体积变化而变化k越大,组分在固定相中质量越多,越大,组分在固定相中质量越多,tR越长越长K、k越大,组分在固定相中越大,组分在固定相中tR就越长就越长33第三十三页,本课件共有86页总结:总结:(1)色谱峰的位置即保留值)色谱峰的位置即保留值进行定性分析。进行定性分析。(2)色谱峰的)色谱峰的h.A 进行定量分析。进行定量分析。(3)色谱峰的位置及峰的宽度)色谱峰的位置及峰的宽度可评价色谱可评价色谱 柱效的高度。柱效的高度。34第三十四页,本课件共有86页 12(1)-3 色谱法的基本理论色谱法的基本理论 一、塔
20、板理论一、塔板理论 在在50年代,色谱技术发展年代,色谱技术发展的初期,的初期,Martin等人把色谱等人把色谱分离过程比作分馏过程,并把分离过程比作分馏过程,并把分馏中的半经验理论分馏中的半经验理论塔板理塔板理论论用于色谱分析法。用于色谱分析法。35第三十五页,本课件共有86页 塔板理论把色谱柱比作一个分馏塔,假塔板理论把色谱柱比作一个分馏塔,假设柱内有设柱内有n个塔板,每个塔板高度称为理个塔板,每个塔板高度称为理论塔板高度,论塔板高度,用用H表示,表示,在每个塔板内,试在每个塔板内,试样各组分在两相中分配并达到平衡,最后,挥样各组分在两相中分配并达到平衡,最后,挥发度大的组分和挥发度小的组
21、分彼此分离,挥发度大的组分和挥发度小的组分彼此分离,挥发度大的最先从塔顶(即柱后)逸出。尽管这发度大的最先从塔顶(即柱后)逸出。尽管这个理论并不完全符合色谱柱的分离过程,色谱个理论并不完全符合色谱柱的分离过程,色谱分离和一般的分馏塔分离有着重大的差别,但分离和一般的分馏塔分离有着重大的差别,但是因为这个比喻形象简明,因此几十年来一直是因为这个比喻形象简明,因此几十年来一直沿用。沿用。一、塔板理论一、塔板理论36第三十六页,本课件共有86页一、塔板理论一、塔板理论 对对一一个个色色谱谱柱柱来来说说,若若色色谱谱柱柱长长度度固固定定L,每每一一个个塔塔板板高高度度H越越小小,塔塔板板数数目目越越多
22、多,分分离离的的效效果果越好,柱效越高。塔板数用越好,柱效越高。塔板数用n 表示。表示。n=L/H 或或 H=L/n H越越小小,n越越多多,分分离离效效果果越越好好,用用 H,n 评价柱效。评价柱效。由塔板理论导出由塔板理论导出n与与Wb,W 1/2 的关系。的关系。*n=5.54(tR/W 1/2)2 =16(tR/Wb)2 37第三十七页,本课件共有86页 有有时时n 大大,分分离离效效果果也也不不好好,因因用用tR 内内含含tm,后来改用有效塔板数。,后来改用有效塔板数。一、塔板理论一、塔板理论n 有效有效=5.54(tR/W 1/2)2 =16(tR/Wb)2 H有效有效n 有效有效
23、塔板理论的成功之处,提出了塔板理论的成功之处,提出了计算理论塔板计算理论塔板高度、塔板数的公式及评价柱效的方法高度、塔板数的公式及评价柱效的方法,具,具有开创性,但有一定局限性有开创性,但有一定局限性。n理理=5.54(tR/W 1/2)2 =16(tR/Wb)2 H理理n 理理38第三十八页,本课件共有86页 前前面面已已知知,用用塔塔板板理理论论来来说说明明色色谱谱柱柱内内各各组组分分的的分分离离过过程程并并不不合合理理,因因为为色色谱谱柱柱内内并并没没有有塔塔板板。当当同同一一试试样样进进入入同同一一色色谱谱柱柱,当当流流动动相相速速度度变变化化时时,得得到到不不同同的的色色谱谱图图。测
24、测得得的的 n 和和 H 也也不不同同,充充分分说说明明塔塔板理论不足以说明色谱柱的分离过程。板理论不足以说明色谱柱的分离过程。、速率理论、速率理论范第姆特方程范第姆特方程 39第三十九页,本课件共有86页 1956年年,荷荷兰兰学学者者范范第第姆姆特特(VanDeomter)提提出出一一个个描描述述色色谱谱柱柱分分离离过过程程中中复复杂杂因因素素使使色色谱谱峰峰变变宽宽而而致致柱柱效效降降低低(即即:使使 H 增增大大)影影响响的的方方程程。此此方方程程经简化后写为经简化后写为:该式称为速率方程(范氏方程)。该式称为速率方程(范氏方程)。下面我们将对公式中的各项进行讨论下面我们将对公式中的各
25、项进行讨论 u为流动相线速度cm.s-1,线速度=柱长/死时间、速率理论、速率理论范第姆特方程范第姆特方程 40第四十页,本课件共有86页、速率理论、速率理论范第姆特方程范第姆特方程(1)提提出出了了影影响响的的三三项项因因素素:涡涡流流扩扩散散项项,分分子子扩扩散项,散项,传质阻力项。传质阻力项。(2)在流动相流速一定时,)在流动相流速一定时,当、最小时,才小,当、最小时,才小,n 才最高,柱效高。才最高,柱效高。当、最大时,才大,当、最大时,才大,n 才最小,柱效低。才最小,柱效低。41第四十一页,本课件共有86页(1)涡流扩散项)涡流扩散项A 在填充色谱柱中,当组分随流动相向柱出口迁移在
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