仪器分析色谱法的基本原理PPT讲稿.ppt
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1、仪器分析色谱法的基本原理第1页,共39页,编辑于2022年,星期四本章基本要求本章基本要求 理解混合物中各组分在色谱柱内分离的原因;理解混合物中各组分在色谱柱内分离的原因;了解色谱流出曲线和术语;了解色谱流出曲线和术语;理解柱效率的物理意义及计算方法;理解柱效率的物理意义及计算方法;理解速率理论方程对实际分离的指导意义;理解速率理论方程对实际分离的指导意义;掌握分离度的计算方法及影响分离度的色谱参数。掌握分离度的计算方法及影响分离度的色谱参数。第2页,共39页,编辑于2022年,星期四2.1 概概述述2.1.1色谱法发展史色谱法发展史色色谱谱法法是是俄俄国国植植物物学学家家Tswett(茨茨维
2、维特特)于于1903年年首首先先提提出出的的。他他把把植植物物色色素素的的石石油油醚醚抽抽提提液液倒倒入入一一根根装装有有固固体体碳碳酸酸钙钙颗颗粒粒(固固定定相相)的的竖竖直直玻玻璃璃管管(色色谱谱柱柱)中中,并并再再从从管管的的上上部部加加入入纯纯的的石石油油醚醚(流流动动相相),任任其其自自由由流流下下。这这时时植植物物色色素素的的抽抽提提液液沿沿玻玻璃璃管管流流动动,在在管管内内形形成成具具有有不不同同颜颜色色的的色色带带,每每个个色带代表不同的组分。色带代表不同的组分。-“色谱色谱”(色层)因而得名(色层)因而得名第3页,共39页,编辑于2022年,星期四胡萝卜素(橙色)胡萝卜素(橙
3、色)胡萝卜素(橙色)胡萝卜素(橙色)植物色素植物色素植物色素植物色素叶绿素(绿色)叶绿素(绿色)叶绿素(绿色)叶绿素(绿色)叶黄素(黄色)叶黄素(黄色)叶黄素(黄色)叶黄素(黄色)石油醚石油醚石油醚石油醚CaCOCaCO3 3固定相固定相固定相固定相19411941年,年,年,年,MartinMartin、SyugeSyuge发明发明发明发明了液液色谱。了液液色谱。了液液色谱。了液液色谱。19521952年,年,年,年,JamesJames、MartinMartin发发发发明了气相色谱。明了气相色谱。明了气相色谱。明了气相色谱。2020世纪世纪世纪世纪6060年代,出现了高效年代,出现了高效年
4、代,出现了高效年代,出现了高效液相色谱。液相色谱。液相色谱。液相色谱。第4页,共39页,编辑于2022年,星期四色谱法:色谱法:借助在两相间分配系数的差异,而使混合物中各组分获得借助在两相间分配系数的差异,而使混合物中各组分获得分离的技术称为色谱分离技术。分离的技术称为色谱分离技术。固定相:固定相:填充柱内的填料(固体或液体)。填充柱内的填料(固体或液体)。流动相:流动相:携带样品流过固定相携带样品流过固定相(气体、液体和超临界流体气体、液体和超临界流体)。色谱柱:色谱柱:装有固定相的柱。装有固定相的柱。色谱分离过程:色谱分离过程:当流动相中携带混合物经过固定相时,与固定相发生当流动相中携带混
5、合物经过固定相时,与固定相发生作用,由于各组分的结构性质(溶解度、极性、蒸汽压和吸附能力等)作用,由于各组分的结构性质(溶解度、极性、蒸汽压和吸附能力等)不同,这种相互作用产生强弱的差异。在同一推动力的作用下,不同组不同,这种相互作用产生强弱的差异。在同一推动力的作用下,不同组分在固定相分在固定相滞留时间滞留时间长短不同,按先后不同的次序从固定相中流出。长短不同,按先后不同的次序从固定相中流出。几个基本术语:几个基本术语:第5页,共39页,编辑于2022年,星期四 气相色谱气相色谱 -用气体作流动相用气体作流动相用气体作流动相用气体作流动相 液相色谱液相色谱 -用液体作流动相用液体作流动相用液
6、体作流动相用液体作流动相由于固定相可分为固体吸附剂和涂在固体担体上或毛细管内壁上的由于固定相可分为固体吸附剂和涂在固体担体上或毛细管内壁上的由于固定相可分为固体吸附剂和涂在固体担体上或毛细管内壁上的由于固定相可分为固体吸附剂和涂在固体担体上或毛细管内壁上的液体固定相,故可将色谱法分为下述四类:液体固定相,故可将色谱法分为下述四类:液体固定相,故可将色谱法分为下述四类:液体固定相,故可将色谱法分为下述四类:气气气气 固色谱固色谱固色谱固色谱气体气体气体气体固体固体固体固体 流动相流动相流动相流动相固定相固定相固定相固定相 液体液体液体液体液体液体液体液体 1 1、按两相所处的状态分类、按两相所处
7、的状态分类、按两相所处的状态分类、按两相所处的状态分类液液-固固色谱色谱气气-液液色谱色谱液液液液 液色谱液色谱液色谱液色谱2.1.2色谱法分类色谱法分类第6页,共39页,编辑于2022年,星期四柱柱色色谱谱:固固定定相相装装在在柱柱管管内内。它它又又可可分分为为填填充充柱柱色色谱谱和和毛毛细细管管柱色谱。固定相装在色谱柱(玻璃管或毛细管)内。柱色谱。固定相装在色谱柱(玻璃管或毛细管)内。纸纸色色谱谱:用用滤滤纸纸作作固固定定相相或或载载体体,把把试试样样液液体体滴滴在在滤滤纸纸上上,用用溶溶剂剂将将它它展展开开,根根据据其其在在纸纸上上有有色色斑斑点点的的位位置置与与大大小小,进进行行鉴鉴定
8、与定量测定。定与定量测定。薄薄层层色色谱谱:将将固固定定相相研研磨磨成成粉粉末末,再再涂涂敷敷成成薄薄膜膜。样样品品的的分离形式类似纸色谱。分离形式类似纸色谱。2、按固定相形状分类、按固定相形状分类第7页,共39页,编辑于2022年,星期四 吸附色谱吸附色谱吸附色谱吸附色谱(L-SL-S,G-SG-S):利用吸附剂对不同组分物理吸附性能的差异进):利用吸附剂对不同组分物理吸附性能的差异进):利用吸附剂对不同组分物理吸附性能的差异进):利用吸附剂对不同组分物理吸附性能的差异进行分离。行分离。行分离。行分离。分配色谱分配色谱分配色谱分配色谱(L-LL-L,G-LG-L):利用不同组分在两相中分配系
9、数的不同进行分离。):利用不同组分在两相中分配系数的不同进行分离。):利用不同组分在两相中分配系数的不同进行分离。):利用不同组分在两相中分配系数的不同进行分离。在液在液-液分配色谱中,根据流动相和固定相相对极性不同,又分为正相分配色液分配色谱中,根据流动相和固定相相对极性不同,又分为正相分配色谱和反向分配色谱。谱和反向分配色谱。离子交换色谱离子交换色谱离子交换色谱离子交换色谱(L-SL-S):利用组分离子与离子交换剂的交换能力不):利用组分离子与离子交换剂的交换能力不):利用组分离子与离子交换剂的交换能力不):利用组分离子与离子交换剂的交换能力不同进行分离。同进行分离。同进行分离。同进行分离
10、。空间排阻色谱空间排阻色谱空间排阻色谱空间排阻色谱(凝胶色谱法,(凝胶色谱法,(凝胶色谱法,(凝胶色谱法,L-SL-S):用多孔物质对不同大小分子):用多孔物质对不同大小分子):用多孔物质对不同大小分子):用多孔物质对不同大小分子的阻碍作用进行分离。的阻碍作用进行分离。的阻碍作用进行分离。的阻碍作用进行分离。固定相是一种分子筛或凝胶,利用各组分的分固定相是一种分子筛或凝胶,利用各组分的分子体积大小不同而进行分离的方法。子体积大小不同而进行分离的方法。亲和色谱亲和色谱亲和色谱亲和色谱:利用不同组分与固定相的高专属性亲合力进行分离的技术,常:利用不同组分与固定相的高专属性亲合力进行分离的技术,常用
11、于蛋白质的分离。用于蛋白质的分离。3、按分离过程的物理化学原理分类、按分离过程的物理化学原理分类第8页,共39页,编辑于2022年,星期四色谱法的分类大致如下:色谱法的分类大致如下:根据以上所述,将色谱法的分类总结于下表中:根据以上所述,将色谱法的分类总结于下表中:第9页,共39页,编辑于2022年,星期四2.2色谱分离原理色谱分离原理2.2.12.2.1分配系数和分配比分配系数和分配比分配系数和分配比分配系数和分配比分配系数:分配系数:分配系数:分配系数:分配比分配比分配比分配比k k(又称容量因子)(又称容量因子)(又称容量因子)(又称容量因子)定定定定义义义义:在在在在一一一一定定定定的
12、的的的温温温温度度度度、压压压压力力力力下下下下,组组组组分分分分在在在在气气气气 液液液液两两两两相相相相间间间间达达达达平平平平衡衡衡衡 时时时时,分配在液相中的重量与分配在气相中的重量之比。即分配在液相中的重量与分配在气相中的重量之比。即分配在液相中的重量与分配在气相中的重量之比。即分配在液相中的重量与分配在气相中的重量之比。即s s:固定相固定相固定相固定相mm:流动相:流动相:流动相:流动相k k 随柱温、柱压、相体积变化,由组分及固定液的热力学性质决定随柱温、柱压、相体积变化,由组分及固定液的热力学性质决定随柱温、柱压、相体积变化,由组分及固定液的热力学性质决定随柱温、柱压、相体积
13、变化,由组分及固定液的热力学性质决定:相比:相比第10页,共39页,编辑于2022年,星期四进样进样A AB B空气空气B BA AA+BA+B流动相流动相B BB BA A流动相流动相固定相固定相检测和纪录检测和纪录2.2.22.2.2分离原理分离原理分离原理分离原理例:气相色谱法例:气相色谱法例:气相色谱法例:气相色谱法载气(即流动载气(即流动载气(即流动载气(即流动相,是一种不与待测物作用、用来相,是一种不与待测物作用、用来相,是一种不与待测物作用、用来相,是一种不与待测物作用、用来载送试样的惰性气体,如氮气等)载送试样的惰性气体,如氮气等)载送试样的惰性气体,如氮气等)载送试样的惰性气
14、体,如氮气等)载着待分离的试样通过色谱柱中的载着待分离的试样通过色谱柱中的载着待分离的试样通过色谱柱中的载着待分离的试样通过色谱柱中的固定相,使试样在两相中发生反复固定相,使试样在两相中发生反复固定相,使试样在两相中发生反复固定相,使试样在两相中发生反复多次的分配,最后使各组分分离,多次的分配,最后使各组分分离,多次的分配,最后使各组分分离,多次的分配,最后使各组分分离,然后分别检测,记录各自的响应信然后分别检测,记录各自的响应信然后分别检测,记录各自的响应信然后分别检测,记录各自的响应信号。号。号。号。第11页,共39页,编辑于2022年,星期四2.3色谱流出曲线色谱流出曲线色谱流出曲线(色
15、谱图)即色谱柱流出物通过检测器时所色谱流出曲线(色谱图)即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,其纵坐标为信号强度,产生的响应信号对时间的曲线图,其纵坐标为信号强度,横坐标为保留时间。横坐标为保留时间。峰高峰高色谱峰色谱峰保留时间(分)保留时间(分)响应值响应值第12页,共39页,编辑于2022年,星期四第13页,共39页,编辑于2022年,星期四1、有关术语有关术语 基线:柱中仅有流动相通过时,检测器响应讯号的记录值,基线:柱中仅有流动相通过时,检测器响应讯号的记录值,基线:柱中仅有流动相通过时,检测器响应讯号的记录值,基线:柱中仅有流动相通过时,检测器响应讯号的记录值,即
16、图中即图中即图中即图中O-O-t t 线。稳定的基线应该是一条水平直线。线。稳定的基线应该是一条水平直线。线。稳定的基线应该是一条水平直线。线。稳定的基线应该是一条水平直线。峰高:色谱峰顶点与基线之间的垂直距离,峰高:色谱峰顶点与基线之间的垂直距离,峰高:色谱峰顶点与基线之间的垂直距离,峰高:色谱峰顶点与基线之间的垂直距离,h h 标准偏差标准偏差标准偏差标准偏差 峰面积峰面积峰面积峰面积 A A 半峰宽半峰宽半峰宽半峰宽Y Y1/21/2 =2.354=2.354 峰底宽峰底宽峰底宽峰底宽Y Y=4=4 、Y Y1/21/2、Y Y:区域宽度:区域宽度:区域宽度:区域宽度第14页,共39页,
17、编辑于2022年,星期四死死时时间间tm: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进进入入色色谱谱柱柱时时,从从进进样样到到柱柱后后出出现现浓浓度度最最大大值值所所需需的的时时间间。对对于于气气相相色色谱谱,常常把把空空气气(TCD)和和甲甲烷烷(FID)从从进进样样到到出出峰峰的的时时间间称称为为tm。如如图图中中O-A。这这种种物物质质不不被被固固定定相相吸吸附附或或溶溶解解,其其流流速速与与流流动动相相的的流流速速接接近近。测测定定流流动动相相平平均均线线速速度度 时时可可用用柱柱长长L与与死死时时间间tm的比值计算。的比值计算。2、保留值保留值第15页,共39页,编辑于20
18、22年,星期四保留时间保留时间 t tR R 试样从进样开始到柱后出现色谱峰极大值所需要时间。如图中试样从进样开始到柱后出现色谱峰极大值所需要时间。如图中O-B。它相应于。它相应于样品到达检测器所需的时间。样品到达检测器所需的时间。tR=tR+tm调整保留时间调整保留时间t tR R 扣除死时间后的组份保留时间,扣除死时间后的组份保留时间,即即 tR=tR tm 组组分在色分在色谱谱柱中的保留柱中的保留时间时间t tR R包含了包含了组组分随流分随流动动相通相通过过柱子所需的柱子所需的时间时间和和组组分在分在固定相中滞留的固定相中滞留的时间时间;t tR R实际实际上是上是组组分在固定相中滞留
19、的分在固定相中滞留的时间时间。单单位位(s)(s)或或(cm)(cm)。第16页,共39页,编辑于2022年,星期四死体积死体积 V Vm 不不能能被被固固定定相相滞滞留留的的(惰惰性性)组组分分从从进进样样到到出出现现峰峰最最大大值值时时所所消消耗耗的的流流动动相相的的体体积积。死死体体积积可可由由死死时时间间与流动相体积流速与流动相体积流速F F0 0(L Lminmin)计算:)计算:V Vm=t tmF F0 0保留体积保留体积 V VR R 从进样开始到柱后被测组份出现浓度最大值时所通从进样开始到柱后被测组份出现浓度最大值时所通过的流动相体积。如下:过的流动相体积。如下:V VR R
20、=t tR RF F0 0第17页,共39页,编辑于2022年,星期四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后,称该组份的调整保留体积VR=tRF0或或VR=VR-Vm相对保留值相对保留值2,1 某组份某组份2与组份与组份1的调整保留值之比,是一个无因次量。的调整保留值之比,是一个无因次量。2,1的的大大小小与与两两组组分分的的选选择择性性有有关关。2,1越越大大,选选择择性性越越好好,越越容容易易分分离离。2,1只只与与柱柱温温及及固固定定相相的的性性质质有有关关,而而与与柱柱径径、柱柱长长、填填充充情情况况及及流流动动相
21、相流流速速无无关关。因因此此是是色色谱谱法法中中,特特别别是是气气相相色色谱谱法法中中广泛使用的定性数据。广泛使用的定性数据。第18页,共39页,编辑于2022年,星期四从色谱流出曲线上,可以得到许多重要信息:从色谱流出曲线上,可以得到许多重要信息:根据色谱峰个数,可以判断样品中所含组份的最少个数。根据色谱峰个数,可以判断样品中所含组份的最少个数。根据色谱峰的保留值(或位置),可以进行定性分析。根据色谱峰的保留值(或位置),可以进行定性分析。根据色谱峰的面积或峰高,可以进行定量分析。根据色谱峰的面积或峰高,可以进行定量分析。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。色谱峰的保留值
22、及其区域宽度,是评价色谱柱分离效能的依据。色色谱谱峰峰两两峰峰间间的的距距离离,是是评评价价固固定定相相(和和流流动动相相)选选择择是是否否合合适适的的依据。依据。第19页,共39页,编辑于2022年,星期四在自然科学上,科学理论:在自然科学上,科学理论:在自然科学上,科学理论:在自然科学上,科学理论:假设假设假设假设理论模型理论模型理论模型理论模型(数学表达式数学表达式数学表达式数学表达式)实验验证实验验证实验验证实验验证修改模型修改模型修改模型修改模型完善完善完善完善1.1.塔板理论假设塔板理论假设在每块塔板上气液平衡是瞬间建立的。在每块塔板上气液平衡是瞬间建立的。载气以脉冲式载气以脉冲式
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