第19章色谱法分离原理1课件.ppt

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1、第19章色谱法分离原理1第1页，此课件共44页哦19.1 19.1 概述 19031903年，俄国植物学家Mikhail Tswett Mikhail Tswett 采用填充有固体CaCOCaCO3 3 细粒子的玻璃柱，将植物色素的混合物(叶绿素和叶黄素)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，他称之为色谱。静止不动的一相（固体或液体）称为固定相固定相 运动的一相（气体、液体或超临界流体）称为流动流动相相 装有固定相的柱子称为色谱柱色谱柱第2页，此课件共44页哦色谱分类方法：1.按固定相外形分：柱色谱柱色谱（填充柱、空心柱）、平板色谱平板色谱，又可又可分为薄层色谱和纸色

2、谱分为薄层色谱和纸色谱。2.2.按组份在固定相上的分离机理分：3.吸附色谱吸附色谱：不同组份在固定相的吸附作用不同；4.分配色谱分配色谱：不同组份在固定相上的溶解能力不同；5.离子交换色谱离子交换色谱：不同组份在固定相（离子交换剂）上的亲和力不同；6.凝胶色谱凝胶色谱（尺寸排阻色谱）不同尺寸分子在固定相上的渗透作用。第3页，此课件共44页哦3.3.按两相状态分第4页，此课件共44页哦概念：迎头色谱、顶替色谱和洗脱色谱ABABCABCABCACsCm123迎头色谱样品溶液本身是流动相顶替色谱流动相吸附能力强洗脱色谱流动相吸附能力弱根据组分在两相间的浓度关系是否线性，分线性洗脱色谱线性洗脱色谱和非

3、线性洗脱色非线性洗脱色谱谱第5页，此课件共44页哦19.2 19.2 线性洗脱色谱及相关术语线性洗脱色谱及相关术语洗脱色谱分离原理 在色谱法中，当样品加入后，样品中各组分随着流动相的不断向前而在两相间反复进行溶解、挥发，或吸附、解吸，如果各组分在固定相中的分配系数不同，它们就有可能达到分离。第6页，此课件共44页哦一、基线：在实验条件下，色谱柱后仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线称为基线，S/NS/N大的、稳定的基线为水平直线。二、二、峰高：色谱峰顶点与基线的距离。三、三、保留值(Retention value)(Retention value)第7页，此课件共44页哦a.a.保留时间tR：试

4、样从进样到出现峰极大值时的时间。它包括组分随流动相通过柱子的时间和组分在固定相中滞留的时间。b.b.死时间(Dead time,tM)：不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大值时的时间，它与色谱柱的空隙体积成正比。由于该物质不与固定相作用，因此，其流速与流动相的流速相近。据t tM M可求出流动相平均流速注：早期保留值也用记录纸上的距离表示，利用走纸速度可换算为时间第8页，此课件共44页哦c.调整保留时间tR：某组分的保留时间扣除死时间后的保留时间，它是组分在固定相中的滞留时间。即t tR R=t=tR R t tm m 由于时间为色谱定性依据。但同一组分的保留时间与流速有关，因此有时需用保留

5、体积来表示保留值。d.保留体积V VR R：指从进样到待测物在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积。第9页，此课件共44页哦e.e.死体积V VM M：f.f.调整保留体积：g.g.相对保留值g g2,12,1：组份2的调整保留值与组份1的调整保留值之比。注意注意：2,12,1只与柱温和固定相性质有关，而与柱内径、柱长L L、填充情况及流动相流速无关，因此，在色谱分析中，尤其是GCGC中广泛用于定性的依据！选一对最难分离的物质，此时以a表示：a又称选择因子，a a 1 第10页，此课件共44页哦h.h.分配系数(K)(K)：描述组份在固定相和流动相间的分配过程或吸附-脱附过程的参数，称为分

6、配系数。K K 只与固定相和温度有关，与两相体积、柱管特性和所用仪器无关。i.分配比(k)(k)：在一定温度和压力下，组分在两相间的分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比(或摩尔数比），称为分配比,又称保留因子。其中VM 流动相体积，Vs为固定相体积第11页，此课件共44页哦 分配比k k 的求算：流动相线速为u,试样带线速度为us,而所以第12页，此课件共44页哦K K 与k k 的关系：b b称为相比称为相比，它也是反映色谱柱柱型特点的参数。对填充柱，b=0.02-0.5=0.02-0.5；对毛细管柱，b=0.002-0.02=0.002-0.02。选择因子：色谱柱对A A、B B

7、两组分的选择因子定义如下：A A 为先流出的组分，B B 为后流出的组分。第13页，此课件共44页哦a和k k是计算色谱柱分离效能的重要参数：K K 或k k 反映的是某一组分在两相间的分配；而a是反映两组分间的分离情况 当两组分K K 或k k相同时，a=1=1 时，两组分不能分开；当两组分K K 或k k 相差越大时，a越大，分离得越好。即两组分在两相间的分配系数不同，是色谱分离的先决条件。第14页，此课件共44页哦四、区域宽度：用于衡量柱效及反映色谱操作条件下的动力学因素。通常有三种表示方法：标准偏差：0.607 0.607 倍峰宽处的一半。半峰宽Y1/2：峰高一半处的峰宽。Y1/2=2

8、.354 峰底宽Y：色谱峰两侧拐点上切线与基线的交点间的距离(Y=4)若标准偏差以时间为单位，用t 表示，s和t 的关系:此处s为色谱柱内区带的标准偏差，L为柱长（见后）第15页，此课件共44页哦 (1)根据色谱峰的个数，可以判断样品中所合组份的最少个数 (2)根据色谱峰的保留值(或位置），可以进行定性分析 (3)根据色谱峰下的面积或峰高，可以进行定量分析 (4)色谱峰的保留值及其区域宽度，是评价色谱柱分离效能的依据 (5)色谱峰两峰间的距离，是评价固定相(和流动相)选择是否合适的依据第16页，此课件共44页哦一、塔板理论 19521952年，MartinMartin等人提出的塔板理论将一根色

9、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。19-3 色谱法基本理论前提：1、两组分的分配系数必须有差异2、区域扩展速率小于区域分离速率第17页，此课件共44页哦塔板理论假定：1 1）塔板之间不连续；2 2）塔板之间无分子扩散；3 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 H；4 4）某组分在所有塔板上的分配系数K K 相同；5 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。第18页，此课件共44页哦分离过程分离过程第19页，此课件共44

10、页哦第20页，此课件共44页哦第21页，此课件共44页哦 色谱流出曲线的数学描述当塔板数n 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n50n50时，峰形接近正态分布。色谱峰为正态分布时，色谱流出曲线上的浓度与时间的关系为：第22页，此课件共44页哦 由于色谱柱并无真正的塔板，故塔板数又称理论塔板数：理论塔板数由组分保留值和峰宽决定。若柱长为L L，则每块理论塔板高度H H 为 理论塔板数n n 越多或理论塔板高度H H 越小、色谱峰越窄，则柱效越高。第23页，此课件共44页哦前述两式包含死时间t tM M，它与组分在柱内的分配无关，因此不能真正反映色谱柱的

11、柱效。通常以有效塔板数n neffeff 和有效塔板高度H Heff eff 表示：第24页，此课件共44页哦二、速率理论19561956年，荷兰化学工程师van Deemtervan 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 H 概念，考虑了组分在两相间的扩散和传质过程，给出了van Deemtervan Deemter方程：u u 为流动相线速度；A A，B B，C C为常数，其中 A A涡流扩散系数；B B分子扩散系数；C C传质阻力系数（包括液相和固相传质阻力系数）。该式从动力学角度很好地解释了影响板高（柱效）的各种因素，任何减少方程右边三项数值的方法，都可

12、降低H H，从而提高柱效。第25页，此课件共44页哦1 1）涡流扩散项(A)(A)展宽程度以A A表示：其中d dp p填充物平均直径；填充不规则因子。可见，使用细粒的固定相并填充均匀可减小A A，提高柱效。对于空心毛细管柱，无涡流扩散，即A=0A=0。第26页，此课件共44页哦2 2）分子扩散项(B/u)(B/u)浓度梯度而向前后自发地扩散，使谱峰展宽。其大小为称为弯曲因子，它表示固定相几何形状对自由分子扩散的阻碍情况；D 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D Dg g或D Dm m表示；第27页，此课件共44页哦3 3）传质阻力项(C(Cu)u)因传质阻力的存在，使分配

13、不能“瞬间”达至平衡，因此产生峰形展宽。a a）气液色谱：传质阻力项C C包括气相传质阻力系数C Cs s和液相传质阻力系数C Cl l。第28页，此课件共44页哦第29页，此课件共44页哦b b）液液色谱：传质阻力项C C包括流动相传质阻力系数CmCm和固定相传质阻力系数CsCs。第30页，此课件共44页哦4 4）流速u u 由van Deemtervan Deemter方程H=A+B/u+CH=A+B/u+Cu u 知道：以u u对H H作图，可得H-uH-u曲线（如图），从该曲线得到：第31页，此课件共44页哦第32页，此课件共44页哦19.4 19.4 分离度及色谱分离方程一、分离度(

14、Resolution,R)(Resolution,R)同时反映色谱柱效能和选择性的一个综合指标。也称总分离效能指标或分辨率。其定义为：利用此式，可直接从色谱流出曲线上求出分离度R R。R R 越大，相邻组分分离越好。当R=1.5 R=1.5 时，分离程度可达99.7%99.7%，因此R R=1.5=1.5 通常用作是否分开的判据。第33页，此课件共44页哦第34页，此课件共44页哦二、色谱分离方程 对于相邻的难分离组分，由于它们的分配系数K K 相差小，可合理假设k k1 1k k2 2=k=k，Y Y1 1 Y2 2=Y=Y。因此可导出R R与n n、a和k k的关系：第35页，此课件共44

15、页哦分离度R R与选择因子的关系 越大，柱选择性越好，对分离有利。的微小变化可引起R R 较大改变。如，当从1.01 1.01 增加至1.101.10(增加9%9%)时，R R 则增加9 9 倍(但1.5,R 1.5,R 增加不大)。改变改变的方法有：降低柱温、改变流动相及固定相的性质和的方法有：降低柱温、改变流动相及固定相的性质和组成。组成。分离度R R 分配比k k 的关系 k k 增加，分离度R R 增加，但当k10k10，则R R的增加不明显。通常k在2-10之间。改变改变k k 的方法有：适当增加柱温的方法有：适当增加柱温(GC)(GC)、改变流动相性质和组成、改变流动相性质和组成(

16、LC)(LC)以及固定相含量。以及固定相含量。第36页，此课件共44页哦19.5 色谱定性和定量分析一、色谱定性鉴定方法1.利用纯物质定性的方法 利用保留值定性：通过对比试样中具有与纯物质相同保留值的色谱峰，来确定试样中是否含有该物质及在色谱图中的位置。2.相对保留值定性 利用相对保留值g21定性 3.加入已知物增加峰高法 利用加入法定性：将纯物质加入到试样中，观察各组分色谱峰的相对变化。第37页，此课件共44页哦4.保留指数 又称柯瓦指数()，是一种重现性较好的定性参数。测定方法：将正构烷烃作为标准，规定其保留指数为分子中碳原子个数乘以100（如正己烷的保留指数为600）。其它物质的保留指数

17、（IX）是通过选定两个相邻的正构烷烃，其分别具有Z和Z1个碳原子。被测物质X的调整保留时间应在相邻两个正构烷烃的调整保留值之间如图所示：第38页，此课件共44页哦保留指数计算方法第39页，此课件共44页哦二、色谱定量分析方法1.峰面积的测量 （1）峰高（h）乘半峰宽（Y 1/2）法：近似将色谱峰当作等腰三角形。此法算出的面积是实际峰面积的0.94倍：A=1.065 hY1/2 （2）峰高乘平均峰宽法：当峰形不对称时，可在峰高0.15和0.85处分别测定峰宽，由下式计算峰面积：A=h（Y 0.15+Y 0.85）/2 第40页，此课件共44页哦2.2.定量校正因子绝对校正因子：相对校正因子：相对

18、响应值3.常用的几种定量方法（1）归一化法：特点及要求：归一化法简便、准确；进样量的准确性和操作条件的变动对测定结果影响不大；仅适用于试样中所有组分全出峰的情况。%100%1=niAisiAisiifAfAm第41页，此课件共44页哦（2）内标法 内标物要满足以下要求：（a）试样中不含有该物质；（b）与被测组分性质比较接近；（c）不与试样发生化学反应；（d）出峰位置应位于被测组分附近，且无组分峰影响。第42页，此课件共44页哦（3）外标法外标法也称为标准曲线法。特点及要求：外标法不使用校正因子，准确性较高，操作条件变化对结果准确性影响较大。对进样量的准确性控制要求较高，适用于大批量试样的快速分析。第43页，此课件共44页哦例1 已知物质A A和B B的分配系数K K分别为6.506.50和6.316.31，已知相比为0.4220.422。试计算：（1 1）两物质的分配比;（2 2）选择性系数；（3 3）欲得到分离度为1.51.5时需多少塔板数？（4 4）若柱长为806cm806cm，流动相的流速为7.10cm.s7.10cm.s-1-1，则需多长时间可冲洗出各物质？第44页，此课件共44页哦