气相色谱法1学习.pptx

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1、 色谱法的发展历史 年代年代发明的色谱方法或重要应用发明的色谱方法或重要应用19061906用碳酸钙作吸附剂分离植物色素。最先提出色谱概念。用碳酸钙作吸附剂分离植物色素。最先提出色谱概念。19311931用氧化铝和碳酸钙分离用氧化铝和碳酸钙分离-、-和和-胡萝卜素。使色谱法开始胡萝卜素。使色谱法开始为人们所重视。为人们所重视。19381938最先使用薄层色谱法。最先使用薄层色谱法。19381938用离子交换色谱法分离了锂和钾的同位素。用离子交换色谱法分离了锂和钾的同位素。19411941提出色谱塔板理论；发明液提出色谱塔板理论；发明液-液分配色谱；预言了气体可作为流动液分配色谱；预言了气体可作

2、为流动相（即气相色谱）。相（即气相色谱）。19441944发明了纸色谱。发明了纸色谱。19491949在氧化铝中加入淀粉黏合剂制作薄层板使薄层色谱进入实用阶段在氧化铝中加入淀粉黏合剂制作薄层板使薄层色谱进入实用阶段19521952从理论和实践方面完善了气从理论和实践方面完善了气-液分配色谱法。液分配色谱法。19561956提出色谱速率理论，并应用于气相色谱。提出色谱速率理论，并应用于气相色谱。19571957基于离子交换色谱的氨基酸分析专用仪器问世。基于离子交换色谱的氨基酸分析专用仪器问世。第1页/共60页19571957基于离子交换色谱的氨基酸分析仪问世。基于离子交换色谱的氨基酸分析仪问世。

3、19581958发明毛细管柱气相色谱。发明毛细管柱气相色谱。19591959发表凝胶过滤色谱的报告。发表凝胶过滤色谱的报告。19641964发明凝胶渗透色谱。发明凝胶渗透色谱。19651965发展了色谱理论，为色谱学的发展奠定了理论基础发展了色谱理论，为色谱学的发展奠定了理论基础19751975发明了以离子交换剂为固定相、强电解质为流动相，发明了以离子交换剂为固定相、强电解质为流动相，采用抑制型电导检测的新型离子色谱法。采用抑制型电导检测的新型离子色谱法。19811981创立了毛细管电泳法。创立了毛细管电泳法。第2页/共60页 色谱法起过关键作用的诺贝尔奖研究工作 年代年代获奖学科获奖学科获奖

4、研究工作获奖研究工作19371937化学化学类胡萝卜素化学，维生素类胡萝卜素化学，维生素A A和和B B19381938化学化学类胡萝卜素化学类胡萝卜素化学19391939化学化学聚甲烯和高萜烯化学聚甲烯和高萜烯化学19501950生理学、医学生理学、医学性激素化学及其分离、肾皮素化学及其分离性激素化学及其分离、肾皮素化学及其分离19511951化学化学超铀元素的发现超铀元素的发现19551955化学化学脑下腺激素的研究和第一次合成聚肽激素脑下腺激素的研究和第一次合成聚肽激素19581958化学化学胰岛素的结构胰岛素的结构19611961化学化学光合作用时发生的化学反应的确认光合作用时发生的化

5、学反应的确认19701970生理学、医学生理学、医学关于神经元触处迁移物质的研究关于神经元触处迁移物质的研究19701970化学化学糖核苷酸的发现及其在生物合成碳水化合物中的作用糖核苷酸的发现及其在生物合成碳水化合物中的作用19721972化学化学核糖核酸化学酶结构的研究核糖核酸化学酶结构的研究19721972生理学、医学生理学、医学抗体结构的研究抗体结构的研究第3页/共60页 第4页/共60页二、色谱法定义和特点 1 1、色谱法的定义定义：利用物质的物理化学性质建立的分离、分析方法实质：分离目的：定性分析或定量分析色谱法与光谱法的主要区别：色谱法具有分离及分析功能，而光谱法不具备分离功能。分

6、析混合物最有力的手段第5页/共60页2 2、色谱法的特点（1）分离效率高（2）应用范围广（3）分析速度快。（4）样品用量少（5）灵敏度高（6）分离和测定一次完成，可以和多种波谱分析仪器联用（7）易于自动化，可在工业流程中使用第6页/共60页三、色谱法的分类（一）按两相物理状态分 气相色谱法(gas chromatography 简称 GC)：用气体作流动相的色谱法。气液色谱法 GLC 气相色谱法 气固色谱法 GSC 第7页/共60页液相色谱法(liquid chromatography 简称 LC)：用液体作流动相的色谱法。液-液色谱法 LLC 液相色谱法 液-固色谱法 LSC 第8页/共60

7、页超临界流体色谱法(SFC)：用超临界状态的流体作流动相的色谱法。超临界状态的流体不是一般的气体或流体,而是临界压力和临界温度以上高度压缩的气体,其密度比一般气体大得多而与液体相似,故又称为“高密度气相色谱法第9页/共60页（二）按分离原理分 1、吸附色谱法（adsorption chromatography）根据吸附剂表面对不同组分物理吸附能力的强弱差异进行分离的方法。2、分配色谱法（partition chromatography）根据不同组分在固定相中的溶解能力和在两相间分配系数的差异进行分离的方法。第10页/共60页3、离子交换色谱法（ion exchange chromatograp

8、hy）根据不同组分离子对固定相亲和力的差异进行分离的方法。第11页/共60页4、排阻色谱法（size exclusion chromatography）又称凝胶色谱法（gel chromatography）根据不同组分的分子体积大小的差异进行分离的方法。其中：以水溶液作流动相的称为凝胶过滤色谱法 ；以有机溶剂作流动相的称为凝胶渗透色谱法 5、亲和色谱法(affinity chromatography)利用不同组分与固定相共价键合的高专属反应进行分离的方法 第12页/共60页（三）按固定相的形式1.柱色谱法（column chromatography）填充柱色谱法 开管柱色谱法 2.平板色谱法（

9、planer chromatography）纸色谱法 薄层色谱法 第13页/共60页第14页/共60页四、色谱流出曲线和术语（一）色谱流出曲线 第15页/共60页（二）术语1 1、基线(base line)(base line)：2 2、死时间 t t0 0（t tM M)（dead timedead time）：3 3、死体积 V V0 0（dead volume dead volume）：V V0 0 =t t0 0F F0 0第16页/共60页4 4、保留值：（1 1）保留时间 t tR R （retention timeretention time）（2 2）调整保留时间 t tR R

10、（adjusted retention timeadjusted retention time）（3 3）保留体积 V VR R （retention volumeretention volume）（4 4）调整保留体积 V VR R（adjusted retention volumeadjusted retention volume 保留值与固定相和流动相的性质、固定相的量、柱温、流速和柱体积有关第17页/共60页（5 5）相 对 保 留 值 r r2121（relative relative retention retention valuevalue）：特特点点：只与温度和固定相的性质有

11、关，而与柱径、柱长、填充情况及流动相流速等其它色谱操作条件无关，与色谱柱无关，反映了色谱柱对待测两组分1 1和 2 2 的选择性。是色谱法中，特别是气相色谱法中，广泛使用的定性数据第18页/共60页5 5、峰高（h h）6 6、色谱的区域宽度（peak widthpeak width）（1 1）标准偏差 （standar deviationstandar deviation）（2 2）半(高)峰宽 W W1/21/2（peak width at half-heightpeak width at half-height）（3 3）峰宽或称W Wb bWb=4=1.699 W1/2第19页/共60

12、页最后从色谱图上得到以下信息：峰的数目，判断样品中所含组分的最少个数根据峰的保留值进行定性分析根据峰面积或峰高进行定量分析根据保留值和峰宽，判断色谱柱的分离效能由两峰间的距离，判断评价固定相和流动相选择是否合理。第20页/共60页第二节 气相色谱分析理论基础 第21页/共60页1、气-固色谱分析的基本原理 一、气相色谱分析的基本理论 由于吸附剂固定相对各组分的吸附能力的差异，在经过吸附、解吸、再吸附、再解吸。吸附力弱的组分先流出柱子，吸附能力强的后流出柱子。第22页/共60页2、气液色谱分析的基本原理 试样被分离的基本原理是分配过程：第一步：将固定相装入色谱柱后，组分被载气带入柱中，到达固定相

13、表面时，溶解在固定液中 溶解过程第二步：随着载气不断流动，组分又从固定相中挥发出来，重新进入流动相-载气 挥发过程第三步：挥发进入载气的组分随着流动相的不断流动，再次溶解在固定相中 再溶解过程第四步：再挥发过程第23页/共60页3 3、分配系数K K（distribution distribution coefficientcoefficient）无因次量，由组分及两相的热力学性质决定，只随柱温、柱压而变化第24页/共60页结论：一定温度下，各组分在两相间的 K K 不同 ，在色谱柱中的移动速度不同，使得原来K K 仅有微小差异的各组分在经过反复多次的分配后，产生很大的分离效果 K K小的组分

14、，较早 流出色谱柱 K K大的组分，较晚 流出色谱柱K：色谱分离的依据 第25页/共60页4 4、分配比 k k（partition rationpartition ration）(分配容量或容量因子)k k值也决定于组分及固定相热力学性质。它不仅随柱温及柱压变化而变化，而且还与流动相及固定相的体积有关 第26页/共60页5 5、分配系数(K)K)和分配比 k k 的关系 令：色谱柱的相比 第27页/共60页结论：结论：K K及及k k是是和和组组分分、固固定定相相的的热热力力学学性性质质有有关关的的参数，它们随柱温、柱压的变化而变化参数，它们随柱温、柱压的变化而变化K K由由组组分分和和两两

15、相相性性质质确确定定，和和两两相相（固固定定相相、流动相）体积无关流动相）体积无关 k k值值和和组组分分、两两相相性性质质有有关关外外，还还和和相相比比有有关关 K K及及k k是是衡衡量量色色谱谱柱柱对对组组分分保保留留能能力力的的重重要要参参数数第28页/共60页6 6、K K 和和k k 与与t tR R 的关系的关系k k 值越大t tR R越长 K K 与t tR R的关系t tR R=k k t t0 0=K tK t0 0 V Vs s/V/Vm m 要使各组分分离，它们的t tR R必须不同，而t tR R是由两组分的 K K 或 k k 决定第29页/共60页7 7、分配系

16、数比、分配系数比（分离因子）（分离因子）大于1 1是分离的先决条件 第30页/共60页二、色谱分离的基本理论 气相色谱法是利用混合物中各组分在两相中的分配系数或吸附系数的不同而进行分离的。要使各组分实现有效的分离，必须考虑两方面的问题：第一：热力学问题提出了塔板理论第二：动力学问题提出了速率理论第31页/共60页（一）塔板理论（一）塔板理论 1 1、理论假定：（i i）在柱内一小段长度H H内，组分可以在两相间迅速达到平衡。这一小段柱长称为理论塔板高度H H（iiii）以气相色谱为例，载气进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔板体积（VVm m）第32页/共60页（iiiiii

17、）所有组分开始时存在于第0 0号塔板上，而且试样沿轴（纵）向扩散可忽略 （iviv）分配系数在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关 第33页/共60页 为简单起见，设色谱往由5 5块塔板（n n5 5，n n为柱子的塔板数）组成，并以r r表示塔板编 号，r=1r=1，2 2，n nl l；某组分的分配比k=1.k=1.m=1（例1mg或1g）第34页/共60页第35页/共60页第36页/共60页第37页/共60页2 2、柱效能指标(n n、H H)理理论论塔塔板板数数N组分流过色谱柱时，在两相间进行平衡分配的总次数理理论论塔塔板板高高度度H为使组分在柱内两相间达到 一次分配平衡所需要

18、的柱长第38页/共60页讨论：不同组分，理论塔板数 不同n为无量纲值，计算时上下单位保持一致第39页/共60页有效（理论）塔板数（有效（理论）塔板数（n nefteft）有效塔板高度 H Hefteft 组分能否分离，主要取决于各组分在两相间K K 的差异，而不是决定于分配次数的多少。柱效高只能说明组分在两相中交换次数多第40页/共60页塔板理论的贡献：从热力学角度 解释了色谱流出曲线的形状和浓度极大点的位置 阐明了保留值与K的关系 提出了评价柱效高低的n和H的计算式第41页/共60页例：色谱柱长为2m2m，固定相为5%5%的阿皮松，分离柱温为1001000 0C C，记录纸速度为2.0cm/

19、min2.0cm/min的色谱条件下，测定苯的保留时间为1.5min1.5min，半峰宽为0.20cm0.20cm，求理论塔板数。第42页/共60页（二）速率理论（二）速率理论 塔板理论成功处塔板理论成功处：解释了色谱流出曲线的形状和浓度极大值对应的t tR R 阐明了保留值与K K的关系 评价柱效（n n，）第43页/共60页塔板理论塔板理论存在问题存在问题:1 1）做出了四个与实际不相符的假设 忽略了组分在两相中传质和扩散的动力学过程2 2）只定性给出塔板高度的概念，却无法解释板高的影响因素3 3）排除了一个重要参数流动相的线速度u u，因而无法解释柱效与流速关系 更无法提出降低板高的途径

20、第44页/共60页速率理论：吸收了塔板理论的有效成果H H，并从动力学角度较好地解释了影响柱效的因素涡流扩散项涡流扩散项涡流扩散项涡流扩散项纵向扩散项纵向扩散项纵向扩散项纵向扩散项传质阻力项传质阻力项传质阻力项传质阻力项第45页/共60页1.1.涡流扩散项（多径扩散项）：涡流扩散项（多径扩散项）：AA 产产生生原原因因：载气携样品进柱，遇到来自固定相颗粒的阻力路径不同涡流扩散第46页/共60页影响因素：影响因素：固体颗粒越小，填充越实，A A项越小讨论：讨论：讨论：讨论：气相色谱中，粒度很小时，柱阻大，且不易填匀，因此一般采用粒度为60-8060-80目或80-10080-100目的填充物较好

21、。（空心毛细管柱的A A项为零）第47页/共60页2 2、纵向分子扩散项 B Bu u 产生原因：产生原因：峰在固定相中被流动相推动向前、展开 两边浓度差第48页/共60页纵向扩散项系数 弯曲因子，亦称阻碍因子，由于固定相颗粒的存在使扩散受阻，填充柱11，硅藻土单体为0.50.50.70.7，毛细管柱 1 1 Dg Dg组分在流动相中的扩散系数（cmcm2 2/s/s）措施：为降低纵向扩散，宜为降低纵向扩散，宜选择分子量较大的载气（如N N2 2）、较低的柱温、较高的u u以减小B Bu u第49页/共60页选择载气原则选择载气原则：兼顾分析时间和减小纵向扩散 u 较小时，选M较大的N2气（粘

22、度大）u 较大时，选M较小的H2气，He气（粘度小）第50页/共60页注意和（填充物的不均匀因子和弯曲因子）的区别：填充物填充不均匀造成载气流动的路径不同由填充物对分子扩散造成的阻碍而引入的校正系数。第51页/共60页3 3、传质阻力项 CuCu C u=（Cm+Cs）uCmCm气相（流动相）传质阻力系数，指试样组分从流动相扩散到 固定相界面进行质量交换过程中所受到的阻力CsCs液相（固定相）传质阻力系数，为组分从两相界面扩散到固定相内部达到分配平衡后又返回到两项界面时受到的阻力 第52页/共60页（1 1）气相（流动相）传质阻力项 （Cm Cm u u）当组分在两相间进行质量交换，即进行浓度

23、分配,有的分子还来不及进入两相界面，就被气相带走；有的则进人两相界面又来不及返回气相。这样，使得试样在两相界面上不能瞬间达到分配平衡，引起滞后现象，从而使色谱峰变宽。采用细颗粒的固定相、增大DgDg、适当降低流动相线速度等均可使流动相传质阻力减小。第53页/共60页（2 2）固定相（液相）传质阻力项（C Cs s u u）讨论：降低固定液的含量，可以降低液膜厚度，但k值随之变小，又会使Cs增大。当固定液含量一定时，液膜厚度随载体的比表面积增加而降低，一般可采用比表面积较大的载体来降低液膜厚度，但比表面太大，由于吸附造成拖尾峰，也不利分离。提高柱温可增大DL，但会使k值减小，为了保持适当的Cs值

24、，应控制适宜的柱温。第54页/共60页4 4、速率理论方程、速率理论方程 小结：小结：范氏方程说明了在色谱分离条件的选范氏方程说明了在色谱分离条件的选择中，填充均匀程度、填充物的粒度、流动择中，填充均匀程度、填充物的粒度、流动相的种类及流速、固定相的液膜厚度等对柱相的种类及流速、固定相的液膜厚度等对柱效和峰展宽的影响效和峰展宽的影响第55页/共60页5 5、影响色谱带展宽的其他因素（1 1）非线性色谱 第56页/共60页非线性等温线（1）凸形拖尾峰 固定相表面吸附中心活性不均，K不同.先占据强吸附中心再占据弱吸附中心，K随着溶质浓度的增加而减小（2）凹形前沿峰 溶质与固定相作用，改变其表面性质,K随着溶质浓度的增加而增加 斜率斜率=K=K前沿峰前沿峰前沿峰前沿峰拖尾峰拖尾峰拖尾峰拖尾峰第57页/共60页（2 2）活性中心的影响 由于载体表面不完全惰性，即使涂布少量固定液后，在它表面存在的活性中心 (如酸或碱作用中心)对极性强的组分仍会产生吸附，使这些组分释放的速度慢于 其他分子而造成拖尾。解决办法:将载体预处理，除去或减少这些活性中心 第58页/共60页（3 3）柱外效应 较大的气化器体积 柱前后死体积 连接管体积 检测器死体积等 进样速度慢 与进样有关的技术 进样量大 气化温度不够高等第59页/共60页感谢您的观看。第60页/共60页