气相色谱法和高效液相色谱法.pptx
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1、1应用举例应用举例(HPLC)第1页/共77页2 第一节 概 述 色谱法早在色谱法早在1903年由俄国植物学家茨维特(年由俄国植物学家茨维特(Tsweett)分离植物色素时采用。后来不仅用于分离有分离植物色素时采用。后来不仅用于分离有色物质,还用于分离无色物质,并出现了种类繁多的各种色谱法。许多气体、液体和固体样品都能找色物质,还用于分离无色物质,并出现了种类繁多的各种色谱法。许多气体、液体和固体样品都能找到合适的色谱法进行分离和分析。目前色谱法已广泛应用于许多领域,成为十分重要的分离分析手段。到合适的色谱法进行分离和分析。目前色谱法已广泛应用于许多领域,成为十分重要的分离分析手段。第2页/共
2、77页3茨维特的实验第3页/共77页4石油醚碳酸钙颗粒色素玻璃柱概述色谱法:利用组分在两相间分配系数不同而进行分离的技术流动相:在管内自上而下连续流动的流体(液体或气体)。固定相:装填在玻璃管或金属管中固定不动的一相。色谱柱:装填有固定相的玻璃管或金属管。第4页/共77页5概述不不管管属属于于哪哪一一类类色色谱谱法法,其其共共同同的的基基本本特特点点是是具具备备两两个个相相:不不动动的的一一相相,称称一一为为固固定定相相;另另一一相相是是携携带带样样品品流流过过固固定定相相的的流流动动体体,称称为为流流动动相相。当当流流动动相相中中样样品品混混合合物物经经过过固固定定相相时时,就就会会与与固固
3、定定相相发发生生作作用用,由由于于各各组组分分在在性性质质和和结结构构上上的的差差异异,与与固固定定相相相相互互作作用用的的类类型型、强强弱弱也也有有差差异异,因因此此在在同同一一推推动力的作用下,不同组分在固定相动力的作用下,不同组分在固定相滞留滞留时间长短不同,从而按先后不同的次序从固定相中流出。时间长短不同,从而按先后不同的次序从固定相中流出。第5页/共77页6色谱法分类1按两相状态分类气相色谱(气相色谱(GCGC):):流动相为气体的色谱法。根据固定相是固体吸附剂还是固定液(附着在惰性载体上的一薄层有机化合物液体),又可分为气固色谱(气固色谱(GS CGS C)和气液色谱()和气液色谱
4、(GLCGLC)液相色谱(液相色谱(LCLC):):流动相为液体的色谱法。同理,液相色谱亦可分为液固色谱(液固色谱(LSCLSC)和液液色谱)和液液色谱(LLCLLC)超临界流体色谱(超临界流体色谱(SFCSFC):):流动相为超临界流体的色谱法。第6页/共77页7色谱法分类2按分离机理分类利用组分在吸附剂(固定相)上的吸附能力强弱不同而得以分离的方利用组分在吸附剂(固定相)上的吸附能力强弱不同而得以分离的方法,称为法,称为吸附色谱法。吸附色谱法。利用组分在固定液(固定相)中溶解度不同而达到分离的方法称为利用组分在固定液(固定相)中溶解度不同而达到分离的方法称为分分配色谱法。配色谱法。利用组分
5、在离子交换剂(固定相)上的亲和力大小不同而达到分离的利用组分在离子交换剂(固定相)上的亲和力大小不同而达到分离的方法,称为方法,称为离子交换色谱法。离子交换色谱法。利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透而达到分离的方法,利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透而达到分离的方法,称为称为凝胶色谱法或尺寸排阻色谱法凝胶色谱法或尺寸排阻色谱法。最近,又有一种新分离技术,利用不同组分与固定相(固定化分子)最近,又有一种新分离技术,利用不同组分与固定相(固定化分子)的高专属性亲和力进行分离的技术称为亲和色谱法,常用于蛋白质的的高专属性亲和力进行分离的技术称为亲和色谱法,常用于蛋白质的分离。分离。第
6、7页/共77页8色谱法分析的基本原理一、分配系数一、分配系数K Kp p和分配比和分配比k k 1 1分配系数分配系数 Kp Kp 如前所述,分配色谱的分离是基于样品组分在固定相和流动相之间反复多次地分配过程,而吸如前所述,分配色谱的分离是基于样品组分在固定相和流动相之间反复多次地分配过程,而吸附色谱的分离是基于反复多次地吸附一脱附过程。这种分离过程经常用样品分子在两相间的分配附色谱的分离是基于反复多次地吸附一脱附过程。这种分离过程经常用样品分子在两相间的分配来描述,而描述这种分配的参数称为分配系数。它是指来描述,而描述这种分配的参数称为分配系数。它是指在一定温度和压力下,组分在固定相和流在一
7、定温度和压力下,组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度之比值,即动相之间分配达平衡时的浓度之比值,即 第8页/共77页9色谱法分析的基本原理2.2.分配比分配比k k 分配比又称容量因子,它是分配比又称容量因子,它是指在一定温度和压力下,组分在两相间分配达平衡时,分配在固定相指在一定温度和压力下,组分在两相间分配达平衡时,分配在固定相和流动相中的质量比和流动相中的质量比。即。即 第9页/共77页10色谱法分析的基本原理k值越大,说明组分在固定相中的量越多,相当于柱的容量大,因此又称分配容量或容量因子。它是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要参数。k值也决定于组分及固定相热力学性质。它不仅随
8、柱温、柱压变化而变化,而且还与流动相及固定相的体积有关。式中Cs,Cm分别为组分在固定相和流动相的浓度;Vm为柱中流动相的体积,即柱内固定相颗粒间的空隙体积,近似等于死体积。Vs为柱中固定相的体积,在各种不同的类型的色谱中有不同的含义。例如:在分配色谱中,Vs表示固定液的体积;在尺寸排阻色谱中,则表示固定相的孔体积。第10页/共77页11色谱法分析的基本原理 3.分配系数K与分配比k的关系其中称为相比率,它是反映各种色谱柱型特点的又一个参数。第11页/共77页12第二节 色谱流出曲线及有关术语一流出曲线和色谱峰第12页/共77页13色谱流出曲线及有关术语色谱流出曲线及有关术语色谱流出曲线:从载
9、气带着组分进入色谱柱起就用检测器检测流出柱后的气体,并用记录器记录信号随时间变化的曲线,此曲线就叫色谱流出曲线,当待测组分流出色谱柱时,检测器就可检测到其组分的浓度,在流出曲线上表现为峰状,叫色谱峰。第13页/共77页14色谱流出曲线及有关术语色谱流出曲线及有关术语如果进样量很小,浓度很低,在吸附等温线的线性范围内,色谱峰如果对称,可用Gauss正态分布函数表示:式中:C不同时间t时某物质的浓度,C0进样浓度,tr保留时间,标准偏差。第14页/共77页15色谱流出曲线及有关术语色谱流出曲线及有关术语二、基线 是柱中仅有流动相通过时,检测器响应讯号的记录值,仅有流动相通过时,检测器响应讯号的记录
10、值,即图中Ot线稳定的基线应该是一条水平直线 三、峰高(h)色谱峰顶点与基线之间的垂直距离色谱峰顶点与基线之间的垂直距离,以h表示,如图中BA 第15页/共77页16保留值1保留时间保留时间tR 试样从进样开始到柱后出现峰极大点时所经历的时间,称为保留时间,如图中 OB它相应于样品到达柱末端的检测器所需的时间 第16页/共77页17保留值2 2死时间死时间t tM M 不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时,从进样到出现不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时,从进样到出现峰极大值所需的时间称为死时间峰极大值所需的时间称为死时间。如图中 OA。3 3调整保留时间调整保留时间t tR R某组份的保
11、留时间扣除死时间后称为该组份的调整保留时间,某组份的保留时间扣除死时间后称为该组份的调整保留时间,即即 t tR R=t=tR R-t-tM M第17页/共77页18保留值由于组份在色谱柱中的保留时间tR包含了组份随流动相通过柱子所需的时间和组份在固定相中滞留所需的时间,所以tR实际上是组份在固定相中停留的总时间保留时间可用时间单位(如s)或距离单位(如cm)表示。保留时间是色谱法定性的基本依据保留时间是色谱法定性的基本依据,但同一组份的保留时间常受到流动相流速的影响,因此色谱工作者有时用保留体积等参数进行定性检定第18页/共77页19保留值4保留体积 VR指从进样开始到被测组份在柱后出现浓度
12、极大点时所通过的流动相体积。保留体积与保留时间t。的关系如下:VR=tRqv,0 uqv,0为色谱柱出口载气流量,以mL/min计。第19页/共77页20保留值5死体积死体积 VM 指色谱柱在填充后,柱管内固定相颗粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连指色谱柱在填充后,柱管内固定相颗粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间的总和接头间的空间以及检测器的空间的总和当后两项很小而可忽略不计时,死体积可由死时间与流动相体积流速qv,0(mLmin)计算:VM=tMqv,0 6调整保留体积调整保留体积VR某组份的保留体积扣除死体积后,称该组份的调整保留体积,某组份的保留体积扣除死体积
13、后,称该组份的调整保留体积,即 VR=VR-VM=tRqv,0第20页/共77页21保留值7相对保留值相对保留值21 某组份2的调整保留值与组份1的调整保留值之比,称为相对保留值:由于相对保留值只与柱温及固定相的性质有关,而与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关,因此,它是色谱法中,特别是气相色谱法中,广泛使用的定性数据。必须注意,相对保留值绝对不是两个组份保留时间或保留体积之比。第21页/共77页22区域宽度色谱峰的区域宽度是组份在色谱柱中谱带扩张的函数,它反映了色谱操作条件的动力学因素度量色谱峰区域宽度通常有三种方法:1.标准偏差 流出曲线上二拐点间距离之半,即0.607倍峰高处色谱峰宽的
14、一半。2.半峰宽Wh/2 即峰高一半处对应的峰宽,它与标准偏差的关系是:Wh/2 =2.354第22页/共77页23色谱流出曲线及有关术语色谱流出曲线及有关术语3.峰宽W即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上的截距,如图中IJ的距离它与标准偏差的关系是:W=4 第23页/共77页24塔板理论 最早由Martin等人提出塔板理论,把色谱柱比作一个精馏塔,沿用精馏塔中塔板的概念来描述组分在两相间的分配行为,同时引入理论塔板数作为衡量柱效率的指标。第24页/共77页25塔板理论由塔板理论推导出的理论塔板数由塔板理论推导出的理论塔板数n n的计算公式如的计算公式如下:下:而理论塔板高度(而理论塔板高度(H
15、H)即:)即:从上两式可以看出,色谱峰从上两式可以看出,色谱峰Y Y越小,越小,n n就越大,而就越大,而H H就就越小,柱效能越高。因此,越小,柱效能越高。因此,n n和和H H是描述柱效能的指标是描述柱效能的指标。第25页/共77页26塔板理论由于死时间由于死时间tm包括在包括在tR中,而实际上中,而实际上tm不参与柱内分配,所计算的不参与柱内分配,所计算的n值偏大,值偏大,H偏小,与实际柱效能相偏小,与实际柱效能相差甚远。所以,采用有效理论塔板数差甚远。所以,采用有效理论塔板数n有效有效和有效塔板高和有效塔板高H有效有效评价柱效能更为合理。评价柱效能更为合理。第26页/共77页27n 塔
16、板理论的贡献塔板理论有助于我们形象的理解色谱的分离过程。导出色谱流出曲线方程,它符合高斯分布,与实验现象相吻合。导出理论塔板数的计算公式,作为柱效的评价指标。第27页/共77页28n 塔板理论的局限塔板高度H是一个抽象的物理量,它的色谱本质是什么?它与哪些参变量有关,又怎样影响峰的扩张?对实验的指导意义有限。不能解释流速对理论塔板数的影响。有些假设不合理,如没有考虑纵向扩散对色谱分离的影响等。第28页/共77页29速率理论 19561956年荷兰学者年荷兰学者Van DeemterVan Deemter等在研究气液色谱时,提出了色谱过等在研究气液色谱时,提出了色谱过程动力学理论程动力学理论速率
17、理论。他们吸收了塔板理论中板高的概念,并速率理论。他们吸收了塔板理论中板高的概念,并充分考虑了组分在两相间的扩散和传质过程,从而在动力学基础上较充分考虑了组分在两相间的扩散和传质过程,从而在动力学基础上较好地解释了影响板高的各种因素。该理论模型对气相、液相色谱都适好地解释了影响板高的各种因素。该理论模型对气相、液相色谱都适用。用。Van DeemterVan Deemter方程的数学简化式为方程的数学简化式为 式中式中u u为流动相的线速度;为流动相的线速度;A A,B B,C C为常数,分别代表涡流扩散项系数、分子扩为常数,分别代表涡流扩散项系数、分子扩散项系数、传质阻力项系数。散项系数、传
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