色谱分析法概述幻灯片.ppt

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1、色谱分析法概述第1页，共47页，编辑于2022年，星期二 第一节第一节 色谱法的历史、分类和发展色谱法的历史、分类和发展一、色谱的历史一、色谱的历史 .19031903年，俄国植物学家年，俄国植物学家Mikhail Tswett Mikhail Tswett 最最先发明。他采用填充有固体先发明。他采用填充有固体CaCOCaCO3 3细颗粒的玻璃柱，细颗粒的玻璃柱，将植物色素的提取物加于柱顶端，然后以溶剂淋洗，被将植物色素的提取物加于柱顶端，然后以溶剂淋洗，被分离的组份在柱中显示了不同的色带，他称之为分离的组份在柱中显示了不同的色带，他称之为色谱色谱。(希腊语中希腊语中“chroma”=colo

2、r;“graphein”=write“chroma”=color;“graphein”=write)。第2页，共47页，编辑于2022年，星期二第3页，共47页，编辑于2022年，星期二 20 20世纪世纪3030到到4040年代出现了薄层色谱和纸色谱年代出现了薄层色谱和纸色谱.1941 1941年年,马丁马丁和和辛格辛格提出用气体代替液体的可能性提出用气体代替液体的可能性,出现了出现了分配色谱分配色谱,还提出了著名的塔板理论还提出了著名的塔板理论,并于并于19521952年获得了诺贝尔年获得了诺贝尔奖奖.1948 1948年瑞典科学家年瑞典科学家TiselinsTiselins因电泳和吸附的

3、研究而获因电泳和吸附的研究而获得了诺贝尔奖得了诺贝尔奖.20 20世纪世纪6060年代年代,范第姆特范第姆特(Van Deameter)(Van Deameter)提出速率理论提出速率理论;同时代出现了气质联用技术同时代出现了气质联用技术;70;70年代高效液相色谱飞速发展年代高效液相色谱飞速发展;之后之后,产生了超临界流体色谱、毛细管电色谱等等。产生了超临界流体色谱、毛细管电色谱等等。第4页，共47页，编辑于2022年，星期二二、色谱法的分类：二、色谱法的分类：第5页，共47页，编辑于2022年，星期二三、色谱法的发展趋势三、色谱法的发展趋势新型固定相和检测器的研制新型固定相和检测器的研制色

4、谱新方法的研究色谱新方法的研究色谱联用技术的开发色谱联用技术的开发色谱专家系统的开发色谱专家系统的开发第6页，共47页，编辑于2022年，星期二四、色谱分析法的特点四、色谱分析法的特点1.选择性高选择性高2.灵敏度高灵敏度高3.效能高效能高4.分析速度快分析速度快5.应用范围广应用范围广第7页，共47页，编辑于2022年，星期二总结：总结：1.色谱：色谱：混合色素被分为不同色带的现像。（像一束混合色素被分为不同色带的现像。（像一束光线通过棱镜时被分成不同色带的光谱现象一样）光线通过棱镜时被分成不同色带的光谱现象一样）2.色谱法：色谱法：将待分析样品的各组分一一进行分离，然将待分析样品的各组分一

5、一进行分离，然后顺序检测各组分的方法。后顺序检测各组分的方法。3.色谱法基本组成部分：色谱法基本组成部分：固定相和流动相。固定相和流动相。4.色谱法的用途：色谱法的用途：分离分离（实质）（实质）分析分析第8页，共47页，编辑于2022年，星期二第二节第二节 色谱过程和基本原理色谱过程和基本原理第9页，共47页，编辑于2022年，星期二一、色谱过程：一、色谱过程：return第10页，共47页，编辑于2022年，星期二二、色谱分离的基本原理二、色谱分离的基本原理 1.组分移动速度低于流动相组分移动速度低于流动相 证明：证明：各组分和固定相存在一定的各组分和固定相存在一定的化学亲和力化学亲和力2.

6、各组分移动速度不同各组分移动速度不同证明：证明：各组分和固定相的亲和力大小不同各组分和固定相的亲和力大小不同化学亲和力化学亲和力定向力诱导力色散力氢键超分子作用第11页，共47页，编辑于2022年，星期二三、色谱流出曲线和基本概念三、色谱流出曲线和基本概念(一一)色谱流出曲线和色谱峰色谱流出曲线和色谱峰:1.色谱流出曲线：色谱流出曲线：由检测器输出的电信号强度对时间所绘制的曲线（色谱图）2.基线：基线：在操作条件下，没有组分流出时的色谱流出曲线。3.色谱峰：色谱峰：流出曲线上的突起部分。（对称形正态分布曲线）第12页，共47页，编辑于2022年，星期二对称因子：对称因子：fs=W0.05h/2

7、A=(A+B)/2A其中，fs为0.05倍色谱峰高处的色谱峰宽；A，B分别为在该处的色谱峰前沿与后沿和色谱峰顶点至基线的垂线之间的距离。fs1.05 拖尾峰拖尾峰 fs0.95 前延峰前延峰0.95fsAl3+Ba2+Pb2+Sr2+Ca2+Ni2+Cd2+Cu2+Co2+Mg2+Zn2+Mn2+Ag+Cs+Rb+K+NH4+Na+H+Li+*弱酸性阳离子交换树酯的基团离解受溶液中H+的抑制，所以H的交换能力很强，甚至大于二价、三价阳离子。第30页，共47页，编辑于2022年，星期二 常见阴离子在强碱性阴离子交换树脂上的交换顺序为：柠檬酸根PO43-SO42-I-NO3-SCN-NO2-Cl-

8、HCO3-CH3COO-OH-F-2.2.离子选择剂的交联度和交换容量：离子选择剂的交联度和交换容量：交联度交换容量越大保留时间。3.流动相组成和流动相组成和pH：交换能力强的离子组成的流动相有较强的洗脱能力调节pH值的作用主要体现对弱电解质离解的控制，溶质的离解受到抑制则保留时间变短。第31页，共47页，编辑于2022年，星期二四、空间排阻色谱法四、空间排阻色谱法(一一)、基本原理：、基本原理：根据被分离组分分了的线团尺寸而进行分离(二二)、固定相和流动相：、固定相和流动相：固定相为多孔凝胶。流动相必须能够溶解试样，同时能润湿凝胶。水溶性用水，非水溶性一般用四氢呋喃、氯仿、甲苯和二甲基甲酰胺

9、。(三三)、保留体积与渗透系数的关系、保留体积与渗透系数的关系：VRVm(1+KpVs/Vm)该式表明分子线团尺寸大的组分，其渗透系数小，保留体积也小，因而先被洗脱出柱。第32页，共47页，编辑于2022年，星期二第四节色谱基本理论第四节色谱基本理论一、一、塔板理论（塔板理论（Plate theory)1952年，Martin等人提出的塔板理论将一根色谱柱当作一个由许多塔板组成的精馏塔，用塔板概念来描述组分在柱中的分配行为。塔板是从精馏中借用的，是一种半经验理论，但它成功地解释了色谱流出曲线呈正态分布。第33页，共47页，编辑于2022年，星期二 (一一)、塔板理论假定：、塔板理论假定：1）塔

10、板之间不连续；2）试样和新鲜流动相都加在0号塔板上，且塔板之间无纵分子扩散；3）组分在各塔板内两相间的分配瞬间达至平衡，达一次平衡所需柱长为理论塔板高度H；4）某组分在所有塔板上的分配系数相同；5）流动相以不连续方式加入，即以一个一个的塔板体积加入。当塔板数n较少时，组分在柱内达分配平衡的次数较少，流出曲线呈峰形，但不对称；当塔板数n50时，峰形接近正态分布。第34页，共47页，编辑于2022年，星期二 色谱柱长：色谱柱长：L L，虚拟的塔板间距离：虚拟的塔板间距离：H H，色谱柱的理论塔板数：色谱柱的理论塔板数：n n，则三者的关系为：则三者的关系为：n n=L L/H H 理论塔板数与色谱

11、参数之间的关系为：理论塔板数与色谱参数之间的关系为：第35页，共47页，编辑于2022年，星期二(二二)、有效塔板数和有效塔板高度、有效塔板数和有效塔板高度单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。组分在tM时间内不参与柱内分配。需引入有效塔板数和有效塔板高度：第36页，共47页，编辑于2022年，星期二(三三)、有关塔板理论的说明：、有关塔板理论的说明：1）说说明明柱柱效效时时，必必须须注注明明该该柱柱效效是是针针对对何何种种物物质质、固固定定液液种种类类及及其其含含量量、流流动相种类及流速、操作条件等；动相种类及流速、操作条件等；2）应定期对柱效进行评价，以

12、防柱效下降、延长柱寿命。）应定期对柱效进行评价，以防柱效下降、延长柱寿命。3）塔塔板板理理论论描描述述了了组组分分在在柱柱内内的的分分配配平平衡衡和和分分离离过过程程、导导出出流流出出曲曲线线的的数数学学模模型型、解解释释了了流流出出曲曲线线形形状状和和位位置置、提提出出了了计计算算和和评评价价柱柱效效的的参数。参数。4）塔塔板板理理论论无无法法解解释释同同一一色色谱谱柱柱在在不不同同的的载载气气流流速速下下柱柱效效不不同同的的实实验验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。但但该该理理论论是是在在理理想想情情况况下下导导出出的的，未未考

13、考虑虑分分子子扩扩散散因因素素、其其它它动动力力学学因因素对柱内传质的影响。因此它不能解释：素对柱内传质的影响。因此它不能解释：v 峰形为什么会扩张？峰形为什么会扩张？v 影响柱效的动力学因素是什么？影响柱效的动力学因素是什么？第37页，共47页，编辑于2022年，星期二二二.速率理论（速率理论（Rate theory）1956年，荷兰化学工程师van Deemter提出了色谱过程动力学速率理论：吸收了塔板理论中的板高H概念，考虑了组分在两相间的扩散和传质过程，从而给出了van Deemter方程：u 为流动相线速度；为流动相线速度；A，B，C为常数，其中为常数，其中 A分别表示涡流扩散系数；

14、分别表示涡流扩散系数；B分子扩散系数；分子扩散系数；C传质阻力系数（包括液相和固相传质阻力系数）。传质阻力系数（包括液相和固相传质阻力系数）。该该式式从从动动力力学学角角度度很很好好地地解解释释了了影影响响板板高高（柱柱效效）的的各各种种因因素素！任任何何减减少少方方程程右边三项数值的方法，都可降低右边三项数值的方法，都可降低H，从而提高柱效。，从而提高柱效。第38页，共47页，编辑于2022年，星期二(一一)、涡流扩散项、涡流扩散项(Multipath term,A)(Multipath term,A)在填充柱中，由于受到固定相颗粒的阻碍，组份在迁移过程中随流动相不断改变方向，形成紊乱的“涡

15、流”：从图中可见，因填充物颗粒大小及填充的不均匀性同一组分运行路线长短不同流出时间不同峰形展宽。展宽程度以A表示：A=2dp其中dp填充物平均直径；填充不规则因子。可可见见，使使用用细细粒粒的的固固定定相相并并填填充充均均匀匀可可减减小小A A，提提高高柱柱效效。对对于于空心毛细管柱，无涡流扩散，即空心毛细管柱，无涡流扩散，即A=0A=0。第39页，共47页，编辑于2022年，星期二(二二)、分子扩散项、分子扩散项(Longitudinal diffusion term,B/u)(Longitudinal diffusion term,B/u)纵向分子扩散是由于浓度梯度引起的。当样品被注入色谱

16、柱时，它呈“塞子”状分布。随着流动相的推进，“塞子”因浓度梯度而向前后自发地扩散，使谱峰展宽。其大小为B=2D 称为弯曲因子，它表示固定相几何形状对自由分子扩散的阻碍情况；D组分在流动相中的扩散系数。组份为气体或液体时，分别以Dg或Dm表示；讨论：q 分子量大的组分，Dg小，即B小q Dg 随柱温升高而增加，随柱压降低而减小；q 流动相分子量大，Dg 小，即 B 小；q u 增加，组份停留时间短，纵向扩散小；（B/u）q 对于液相色谱，因Dm 较小，B 项可忽略。第40页，共47页，编辑于2022年，星期二(三三)、传质阻力项、传质阻力项(Mass-transfer term,Cu)(Mass

17、-transfer term,Cu)因传质阻力的存在，使分配不能“瞬间”达至平衡，因此产生峰形展宽。气相色谱以气体为流动相，液相色谱以液体为流动相，二者传质过程不完全相同。下面分别作讨论。1.1.气气液液色色谱谱：传质阻力项C包括气相传质阻力系数Cs和液相传质阻力系数Cl。流动相流动相固液界面固液界面固定液固定液组分分子组分分子ClCg第41页，共47页，编辑于2022年，星期二讨论：讨论：F 减小填充颗粒直径减小填充颗粒直径d dp p；F 采用分子量小的流动相，使采用分子量小的流动相，使D Dg g增加；增加；F 减小液膜厚度减小液膜厚度d df f，C Cl l下降。下降。但此时但此时k

18、 k又减小。又减小。因此，当保持固定液含量不变时，可通过因此，当保持固定液含量不变时，可通过 增加固定液载体的比表面来降低增加固定液载体的比表面来降低d df f。但比。但比 表面过大又会因吸附过强使峰拖尾。表面过大又会因吸附过强使峰拖尾。F 增加柱温，可增加增加柱温，可增加D Dl l，但，但k k值也减小，为保值也减小，为保 持合适持合适C Cl l值，应控制柱温。值，应控制柱温。第42页，共47页，编辑于2022年，星期二2.2.液液液液色色谱谱：传质阻力项C包括流动相传质阻力系数Cm和固定相传质阻力系数Cs。讨论：讨论：v 流动相传质阻力包括两方面：流动相中的传质阻力Cm、滞留的流动相

19、传质阻力Cs。分别与填充物大小 dp、扩散系数(Dm)、微孔大小及其数量等有关。因此，降低流动相传质阻力的方法有：细颗粒固定相、增加组分在固定相和流动相中的扩散系数D、适当降低线速度、短柱。v 固定相传质阻力与液膜厚度df、保留因子 k 和扩散系数Ds等有关。因此，降低固定相传质阻力的方法有：与气液色谱中液相传质阻力的表述相同。sm第43页，共47页，编辑于2022年，星期二速率理论的要点：速率理论的要点：1.被分离组分分子在色谱柱内运行的多路径、浓度梯度所造成的分子扩散及传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到等因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因。2.通过选择适当的固定相粒度、载气种类

20、、液膜厚度及载气流速可提高柱效。3.速率理论为色谱分离和操作条件的选择提供了理论指导。阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。4.各种因素相互制约，如载气流速增大，分子扩散项的影响减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使柱效下降；柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的影响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。第44页，共47页，编辑于2022年，星期二(四四)、流速、流速u u 由van Deemter方程 H=A+B/u+Cu知道：当u一定时，仅在A、B、C较小时，H较小，柱效较高；反之则柱效较低，色谱峰将展宽。以u对H作图，可得H-u曲线（如图），从该曲线得到：板高，板高，H(cm

21、)HminA+B/u+CuCmuCsuAB/u第45页，共47页，编辑于2022年，星期二涡流扩散项A与流速u无关；低流速区(u小)，B/u大，分子扩散项占主导，此时选择分子量大的气体如N2和Ar为载气，可 减小扩散，提高柱效；高流速区(u大)，Cu大，传质阻力项占主导，此时选择分子量小的气体如H2和He为载气，可增加扩散系数，提高柱效；曲线的最低点对应最佳线速uopt()下的最小板高Hmin()；LC的Hmin和uopt均比GC的小一个数量级，即在 LC中，较低流速可获得较大的柱效。第46页，共47页，编辑于2022年，星期二(五五)、固定相颗粒大小对板高的影响、固定相颗粒大小对板高的影响 实验表明，颗粒越细，板高越小，受线速影响越小。即，在HPLC分析中采用细粒作固定相的理论根据！但颗粒细导致柱流速慢，当采用高压技术，才能实现HPLC的分析要求。板高板高,H(cm)第47页，共47页，编辑于2022年，星期二