第七章色谱法分离原理课件.ppt
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1、7 71 1 概概 述述色谱法是一种分离技术,色谱法是一种分离技术,是混合物最有效的分离、是混合物最有效的分离、分析方法。分析方法。俄国植物学家茨维特在俄国植物学家茨维特在19061906年使用的装置年使用的装置色谱原型色谱原型装置,如右图所示。装置,如右图所示。茨维特实验茨维特实验一、色谱:一、色谱:色谱法又叫色层法、层析法,以试样组色谱法又叫色层法、层析法,以试样组分在固定相和流动相间的溶解、吸附、分在固定相和流动相间的溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲和作用的差异分配、离子交换或其他亲和作用的差异为依据而建立起来的各种分离分析方法。为依据而建立起来的各种分离分析方法。色谱柱色谱柱:进行色
2、谱分离用的细长管。:进行色谱分离用的细长管。固定相固定相:管内保持固定、起分离作用的填充物。:管内保持固定、起分离作用的填充物。流动相流动相:流经固定相的空隙或表面的冲洗剂。:流经固定相的空隙或表面的冲洗剂。色谱法分离实质:当流动相中携带的混合物色谱法分离实质:当流动相中携带的混合物 流经固定相时,其与固定相发生相流经固定相时,其与固定相发生相 互作用。由于混合物中各组分在性互作用。由于混合物中各组分在性 质和结构上的差异,与固定相之间质和结构上的差异,与固定相之间 产生的作用力的大小、强弱不同,产生的作用力的大小、强弱不同,随着流动相的移动,混合物在两相随着流动相的移动,混合物在两相 间经过
3、反复多次的分配平衡,使得间经过反复多次的分配平衡,使得 各组分被固定相保留的时间不同,各组分被固定相保留的时间不同,从而按一定次序由固定相中流出。从而按一定次序由固定相中流出。两相及两两相及两相的相对相的相对运动构成运动构成了色谱法了色谱法的基础的基础二、色谱分析法的崛起:二、色谱分析法的崛起:三、色谱的分类:三、色谱的分类:1.1.按流动相和固定相的物理状态分类:按流动相和固定相的物理状态分类:色谱色谱气相色谱气相色谱(流(流气)气)液相色谱液相色谱(流(流液)液)气固色谱气固色谱气液色谱气液色谱液固色谱液固色谱液液色谱液液色谱2.2.按产生分离过程的相系统的形式分类:按产生分离过程的相系统
4、的形式分类:柱色谱法柱色谱法毛细管色谱法毛细管色谱法平板色谱法平板色谱法 用玻璃柱子做色谱柱,用玻璃柱子做色谱柱,固定相填装在柱子中固定相填装在柱子中用毛细管做色谱柱,固用毛细管做色谱柱,固定相填装在管壁定相填装在管壁用平整的板子作固定相用平整的板子作固定相支持的载体,固定相平支持的载体,固定相平铺在板上铺在板上3.3.按分离过程原理分类:按分离过程原理分类:吸附吸附萃取萃取静电作用和扩散静电作用和扩散扩散扩散生物特性生物特性 吸附色谱吸附色谱分配色谱分配色谱离子交换色谱离子交换色谱凝胶色谱凝胶色谱生物亲和色谱生物亲和色谱4.4.按展开程序分类:按展开程序分类:洗脱法洗脱法 顶替法顶替法 迎头
5、法迎头法 组分与固定相作用力组分与固定相作用力 流动相与固定相作用力流动相与固定相作用力 组分与固定相作用力组分与固定相作用力 流动相或其他物质与固定相作用力流动相或其他物质与固定相作用力 将试样连续地通过色谱柱,吸附或溶将试样连续地通过色谱柱,吸附或溶解最弱的组分,首先以纯物质状态流解最弱的组分,首先以纯物质状态流出色谱柱,然后顺次流出的是次弱组出色谱柱,然后顺次流出的是次弱组分和第一流出组分的混合物,依次类分和第一流出组分的混合物,依次类推,从而实现混合物分离的色谱法。推,从而实现混合物分离的色谱法。四、色谱法的特点:四、色谱法的特点:分离效率高分离效率高 复杂混合物,有机同系物、异构体,
6、手性异构体。复杂混合物,有机同系物、异构体,手性异构体。灵敏度高灵敏度高 可以检测出可以检测出1010-6-6级甚至级甚至1010-9-9级的物质量。级的物质量。分析速度快分析速度快 一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。应用范围广应用范围广 气相色谱:沸点气相色谱:沸点400400的各种有机或无机样的分析。的各种有机或无机样的分析。液相色谱:高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。液相色谱:高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。不足之处:不足之处:被分离组分的定性较为困难。被分离组分的定性较为困难。五、色谱分离过程:五、色谱分离过程:色
7、谱分离过程是在色谱柱内完成的色谱分离过程是在色谱柱内完成的7 72 2 线性洗脱色谱及名词术语线性洗脱色谱及名词术语一、线性洗脱色谱:一、线性洗脱色谱:1.1.分配等温线与分配系数分配等温线与分配系数K K:分配等温线:在一定温度分配等温线:在一定温度 下,溶质在固定相与流动下,溶质在固定相与流动 相之间的分配曲线,此曲相之间的分配曲线,此曲 线称为线称为分配等温线分配等温线。分配系数分配系数K K:分配等温线:分配等温线 的斜率。的斜率。若若K K与浓度无关,则分与浓度无关,则分 配等温线为直线;配等温线为直线;在色谱过程中,图中在色谱过程中,图中 的的C C、D D型很少出现;型很少出现;
8、A A、B B型常见,但不能型常见,但不能 用于测定;用于测定;在溶质浓度低时,在溶质浓度低时,CsCs 基本上正比于基本上正比于CmCm,曲,曲 线近似直线。线近似直线。2.2.线性洗脱色谱:线性洗脱色谱:在色谱中,分配系数在色谱中,分配系数K K为常数时所进行的色谱为常数时所进行的色谱 过程,即称为过程,即称为线性洗脱色谱线性洗脱色谱。结论结论:C CS S值大,则值大,则K K值大,溶质进入固定相的量值大,溶质进入固定相的量就多。就多。推论推论:溶质流过色谱柱时,溶质流过色谱柱时,分配系数分配系数K K值大的组值大的组分通过色谱柱所需时间长,而分通过色谱柱所需时间长,而K K值小的组值小
9、的组分通过色谱柱所需时间短分通过色谱柱所需时间短。当样品中各。当样品中各组分在两相的分配系数组分在两相的分配系数K K不同时,就能实不同时,就能实现差速迁移,达到分离的目的。现差速迁移,达到分离的目的。二、相关术语:二、相关术语:色谱图:色谱图:色谱柱流出物通过检测器时所产生的色谱柱流出物通过检测器时所产生的响应信号对时间的曲线图。纵坐标为响应信号对时间的曲线图。纵坐标为信号强度,横坐标为保留值。信号强度,横坐标为保留值。只有流动相通过检测器时,只有流动相通过检测器时,在实验操作条件下,反映在实验操作条件下,反映检测器噪声随时间变化的检测器噪声随时间变化的曲线。曲线。色谱峰(样品峰)顶色谱峰(
10、样品峰)顶点到基线之间的垂直点到基线之间的垂直距离,以距离,以h h表示。表示。保留值:保留值:(热力学因素)(热力学因素)即组分在色谱柱中固即组分在色谱柱中固 定相上停留的时间。定相上停留的时间。不被固定相吸附或溶解的不被固定相吸附或溶解的组分进入色谱柱时,从进组分进入色谱柱时,从进样开始到柱后出现该物质样开始到柱后出现该物质的峰极大点时所需的时间,的峰极大点时所需的时间,用用 t tM M表示。表示。被分析组分从进样开始到柱后被分析组分从进样开始到柱后出现被分析组分的峰极大点时出现被分析组分的峰极大点时所需要的时间所需要的时间(它包括组分通(它包括组分通过色谱柱所需时间和组分与固过色谱柱所
11、需时间和组分与固定相作用所需的时间。)定相作用所需的时间。),用用t tR R表示。表示。某组分的保留时间扣除死时间某组分的保留时间扣除死时间后所剩的时间,用后所剩的时间,用 表表示。示。=t=tR R-t-tM M 式中各项单位可用式中各项单位可用 minmin、s s、cmcm等表示;等表示;保留时间是色谱定性的基本依据,但同保留时间是色谱定性的基本依据,但同 一组分的保留时间受流动相流速的影响,一组分的保留时间受流动相流速的影响,因此,色谱定性分析常采用保留体积等因此,色谱定性分析常采用保留体积等 定性。定性。=t=tR R-t-tM M 实际上是组分在固定相中停留的总时间;实际上是组分
12、在固定相中停留的总时间;死体积死体积V VM M:指色谱柱在填充后,柱管内固定相颗指色谱柱在填充后,柱管内固定相颗粒之间的空间、色谱仪器管路的空间粒之间的空间、色谱仪器管路的空间及检测器的空间的总和。或者说,在及检测器的空间的总和。或者说,在死时间内通过色谱柱的流动相体积。死时间内通过色谱柱的流动相体积。V VM M=t=tM MF F0 0(流动相流速,(流动相流速,L/minL/min)保留体积保留体积V VR R:在保留时间内通过色谱柱的流动相在保留时间内通过色谱柱的流动相体积。即将组分从柱中带出所需的体积。即将组分从柱中带出所需的流动相体积。流动相体积。V VR R=t=tR RF F
13、0 0相对保留值相对保留值 r r2121:某组分某组分2 2与组分与组分1 1的调整保留的调整保留值之比。值之比。某组分的保留体积扣除死体某组分的保留体积扣除死体积后的剩余体积,称为该组积后的剩余体积,称为该组分的调整保留体积。分的调整保留体积。=V=VR R-V-VM M 调整保留体积调整保留体积 :r r2121只与色谱柱温度和固定相的性质有关只与色谱柱温度和固定相的性质有关,与色,与色 谱柱的柱长、柱径、填充情况以及流动相流速谱柱的柱长、柱径、填充情况以及流动相流速 无关,因此,它是一个广泛使用的定性数据;无关,因此,它是一个广泛使用的定性数据;在多元混合物分析时,通常选择一对最难分离
14、在多元混合物分析时,通常选择一对最难分离 的物质对,将它们的相对保留值作为重要参的物质对,将它们的相对保留值作为重要参 数。在这种情况下,数。在这种情况下,r r2121可用可用表示:表示:为后出峰的组分的调整保为后出峰的组分的调整保留时间,故留时间,故总是大于总是大于1 1的。的。分配比分配比k k:也称容量因子。它是指组分在固定也称容量因子。它是指组分在固定相和流动相中的分配量之比。相和流动相中的分配量之比。区域宽度:(动力学因素)区域宽度:(动力学因素)标准偏差标准偏差:0.6070.607倍峰高处倍峰高处色谱峰宽的一色谱峰宽的一半。半。峰高一半处对峰高一半处对应的峰宽,用应的峰宽,用Y
15、 Y1/21/2表示。表示。色谱峰两侧拐点上色谱峰两侧拐点上的切线在基线上的的切线在基线上的截距,用截距,用 Y Y表示。表示。Y Y4 4 三、色谱图的作用:三、色谱图的作用:7 73 3 色谱法基本原理色谱法基本原理一、色谱法中组分分离条件一、色谱法中组分分离条件A A、B B两组分沿色谱柱移动时,不同位置处的浓度轮廓两组分沿色谱柱移动时,不同位置处的浓度轮廓 两组分的分配系数必须有两组分的分配系数必须有 差异差异;区域扩宽的速率应该小于区域扩宽的速率应该小于 区域分离的速率区域分离的速率;必要条件必要条件 在保证快速分离的前提下,提在保证快速分离的前提下,提 供足够长的色谱柱。供足够长的
16、色谱柱。二、色谱法基本理论二、色谱法基本理论 塔板理论塔板理论 1.1.理论假设理论假设 将色谱柱视为精馏将色谱柱视为精馏塔,即色谱柱是一系列塔,即色谱柱是一系列连续的、相等的水平塔连续的、相等的水平塔板组成,每一块塔板的板组成,每一块塔板的高度用高度用H H表示,称为塔表示,称为塔板高度,简称板高。板高度,简称板高。流动相进入色谱柱不是连续进行的,而是流动相进入色谱柱不是连续进行的,而是 脉动式脉动式,每次进气为一个塔板体积,每次进气为一个塔板体积(Vm)(Vm);所有组分开始时存在于第所有组分开始时存在于第0 0号塔板上号塔板上,而且,而且 试样沿轴(纵)向扩散可忽略;试样沿轴(纵)向扩散
17、可忽略;分配系数在所有塔板上是常数分配系数在所有塔板上是常数,与组分在某,与组分在某 一塔板上的量无关。一塔板上的量无关。塔板理论假设:塔板理论假设:在柱内一小段长度在柱内一小段长度H H内,内,组分可以在两相间组分可以在两相间 迅速达到平衡迅速达到平衡。这一小段柱长称为理论塔板。这一小段柱长称为理论塔板 高度高度H H;2.2.理论塔板数(溶质平衡次数)理论塔板数(溶质平衡次数)根据塔板理论假设,在每一块塔板上,溶质在根据塔板理论假设,在每一块塔板上,溶质在两相间很快达到分配平衡,然后随着流动相按两相间很快达到分配平衡,然后随着流动相按一个一个塔板的方式向前移动。对于一根长为一个一个塔板的方
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- 第七 色谱 分离 原理 课件
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