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1、第十二章第十二章 色谱分析法色谱分析法第一页，本课件共有59页环境样品的成分极为复杂，环境样品的成分极为复杂，如如茶叶、土壤、大气、人体血液的成分都茶叶、土壤、大气、人体血液的成分都极为复杂。极为复杂。所以，在对环境样品中的某一所以，在对环境样品中的某一成分进行分析测定时，其它成分必成分进行分析测定时，其它成分必然会对测定过程产生一定的干扰，然会对测定过程产生一定的干扰，导致测定结果不可靠。导致测定结果不可靠。分离在这里显得非常重要！使得分离技术成为一分离在这里显得非常重要！使得分离技术成为一门科学。门科学。引引 言言第二页，本课件共有59页 经典的分离方法有经典的分离方法有过滤过滤、蒸馏蒸馏
2、、分馏分馏、萃取萃取等，这些方法都是基等，这些方法都是基于手工操作，只能用于大计量物质的分离，而且分离很不完全。于手工操作，只能用于大计量物质的分离，而且分离很不完全。第三页，本课件共有59页 经过几十年的发展和几代化学工作者的努力，分离技术达到了很经过几十年的发展和几代化学工作者的努力，分离技术达到了很高的水平！高的水平！药物手性拆分、同位素分离、蛋白质纯化、药物手性拆分、同位素分离、蛋白质纯化、DNA测序等等。测序等等。第四页，本课件共有59页实现物质分离的重要方法和仪器实现物质分离的重要方法和仪器色谱色谱！色谱仪器色谱仪器第五页，本课件共有59页 第一节第一节 概概 述述1.1 色谱的由
3、来和发展色谱的由来和发展1.2 色谱的定性定量方法色谱的定性定量方法1.3 色谱法分类色谱法分类1.4 色谱法的特点和优点色谱法的特点和优点1.5 经典色谱与现代色谱的比较经典色谱与现代色谱的比较1.6 色谱图及其术语色谱图及其术语掌握要点：色谱的定义，定性定量方法，色谱图的相关知识。掌握要点：色谱的定义，定性定量方法，色谱图的相关知识。第六页，本课件共有59页1.1 色谱的由来和发展色谱的由来和发展1.1.1.色谱的出现色谱的出现 1903年，俄国植物学家茨维特年，俄国植物学家茨维特(Tswett)在波兰华沙大学中研究植物叶在波兰华沙大学中研究植物叶子组成，装置右图子组成，装置右图.第七页，
4、本课件共有59页 他发现他发现,管内形成了管内形成了6个色带个色带.茨维特将这种色带叫做茨维特将这种色带叫做“色谱色谱”（Chromatography），），玻璃管叫玻璃管叫做做“色谱柱色谱柱”（Chromatograph Column），），碳酸钙称为碳酸钙称为“固定相固定相”（solid phase），），石油醚叫做石油醚叫做“流动相流动相”（liquid phase）。）。第八页，本课件共有59页1.1.2.色谱法的发展色谱法的发展1.1931年，德国的年，德国的Kuhn和和Lederer用用氧化铝氧化铝和和碳酸钙碳酸钙分离了分离了60多种色素多种色素。2.1940年，年，Martin和
5、和Synge提出了提出了液液分配色谱法液液分配色谱法(Liguid-Liquid Partition Chromatography)，固定相是，固定相是吸附在硅胶上的水吸附在硅胶上的水,流流动相是动相是有机溶剂有机溶剂。3.1941年，年，Martin和和Synge又提出了用又提出了用气体气体代替液体作为流动相代替液体作为流动相,建立了建立了气相色谱法气相色谱法(Gas Chromatography)，获得，获得1952年诺贝尔年诺贝尔化学奖。化学奖。第九页，本课件共有59页4.1957年，高雷年，高雷(Golay)开创了开创了毛细管柱气相色谱法毛细管柱气相色谱法(Capillary Colu
6、mn Chromatography)，使用直径仅几十微米的毛细管作为色谱，使用直径仅几十微米的毛细管作为色谱柱柱,大大减少了进样体积，大大提高了分离效率。大大减少了进样体积，大大提高了分离效率。此后，色谱法的研究十分活跃，各种类型的色谱法纷纷推出，此后，色谱法的研究十分活跃，各种类型的色谱法纷纷推出，50年代的年代的纸色谱纸色谱和和薄层色谱薄层色谱(TLC)，60年代的年代的高效液相色谱高效液相色谱(HPLC)，70年代的年代的离子色谱离子色谱(IC)，80年代的年代的毛细管超临界流体色谱毛细管超临界流体色谱(SFC)和和毛细管电泳毛细管电泳(CZE)，90年代的年代的毛细管电色谱毛细管电色谱
7、(CEC)。第十页，本课件共有59页第十一页，本课件共有59页 30-40年代年代,色谱为揭开色谱为揭开生物世界的奥秘生物世界的奥秘,分离复杂的生物组成分离复杂的生物组成发挥发挥独特的作用独特的作用;50年代为年代为石油工业的研究和发展石油工业的研究和发展作出了重要贡献作出了重要贡献;60-70年年代成为代成为石油工业、化学工业石油工业、化学工业等部门不可缺少的分析监测工具等部门不可缺少的分析监测工具.目目前前,色谱是色谱是生命科学、材料科学、环境科学、医药科学、食品科学、生命科学、材料科学、环境科学、医药科学、食品科学、法庭科学和航天科学等法庭科学和航天科学等研究领域的极为重要的不可缺少的手
8、段和工具。研究领域的极为重要的不可缺少的手段和工具。摘自色谱分析概论摘自色谱分析概论第十二页，本课件共有59页1.2 色谱的定性定量方法色谱的定性定量方法现代色谱仪器构造示意图现代色谱仪器构造示意图 第十三页，本课件共有59页经典色谱与现代色谱的比较经典色谱与现代色谱的比较 经典色谱经典色谱 现代色谱现代色谱 第十四页，本课件共有59页第十五页，本课件共有59页三苯混合标样（丙酮作溶剂）的色谱图三苯混合标样（丙酮作溶剂）的色谱图第十六页，本课件共有59页为什么是峰形？为什么是峰形？第十七页，本课件共有59页16种农药标准品的色谱图种农药标准品的色谱图色谱图例色谱图例1 第十八页，本课件共有59
9、页色谱图例色谱图例2 第十九页，本课件共有59页色谱图例色谱图例3第二十页，本课件共有59页色谱定性分析：色谱定性分析：在实验条件完全一致的情况下，同一种物质的在实验条件完全一致的情况下，同一种物质的出峰出峰时间（保留时间）时间（保留时间）相同。相同。第二十一页，本课件共有59页色谱定量分析：色谱定量分析：色谱色谱峰高和峰面积峰高和峰面积与该物质的浓度（质量）成正比关系。与该物质的浓度（质量）成正比关系。第二十二页，本课件共有59页桉树中提取桉油精含量的测定桉树中提取桉油精含量的测定第二十三页，本课件共有59页1.3 色谱法分类色谱法分类1.3.1.根据流动相和固定相的物理性质分类：根据流动相
10、和固定相的物理性质分类：流动相流动相固定相固定相气气 固固 色谱色谱气气 液液 色谱色谱液液 固固 色谱色谱液液 液液 色谱色谱气相色谱气相色谱液相色谱液相色谱 以临界温度和压力下的以临界温度和压力下的COCO2 2作为流动相的称为作为流动相的称为超临界流体色谱超临界流体色谱。第二十四页，本课件共有59页1.3.2.根据固定相的形式分类：根据固定相的形式分类：（1）柱色谱）柱色谱（2）平板色谱）平板色谱填充柱填充柱毛细管柱毛细管柱薄层色谱薄层色谱纸色谱纸色谱第二十五页，本课件共有59页1.3.3.根据分离过程原理的分类：根据分离过程原理的分类：（1）吸附色谱）吸附色谱 用固体吸附剂作为固定相，
11、根据样品各组分在吸附剂上的吸附力用固体吸附剂作为固定相，根据样品各组分在吸附剂上的吸附力大小不同而达到分离的目的。大小不同而达到分离的目的。（2）分配色谱）分配色谱 用吸附在载体上的液体作为固定相，根据样品各组分在流动相和固定用吸附在载体上的液体作为固定相，根据样品各组分在流动相和固定相上的分配系数不同达到分离的目的。相上的分配系数不同达到分离的目的。（3）离子交换色谱）离子交换色谱 用离子交换剂作为固定相，利用样品中各种离子与固定相的交换用离子交换剂作为固定相，利用样品中各种离子与固定相的交换能力不同达到分离的目的能力不同达到分离的目的（4）络合色谱）络合色谱 络合剂作为固定相，分离各种离子
12、。络合剂作为固定相，分离各种离子。（5）亲和色谱）亲和色谱 用具有生物活性的配位体（如酶、辅酶、抗体、激素等）作为固用具有生物活性的配位体（如酶、辅酶、抗体、激素等）作为固定相，利用蛋白质等与之亲和力不同进行分离蛋白质和其它生物活性定相，利用蛋白质等与之亲和力不同进行分离蛋白质和其它生物活性物质。物质。第二十六页，本课件共有59页1.4.色谱法的特点和优点色谱法的特点和优点1.4.1.特点特点超高的分离能力超高的分离能力，分离效率远远高于其他分离技术。，分离效率远远高于其他分离技术。1.4.2.优点优点（1）分离效率超高。分离效率超高。一个样品中数十上百个组分可以一次性分离。一个样品中数十上百
13、个组分可以一次性分离。（2）应用范围很广。应用范围很广。几乎所有的化学物都可分离和测定。几乎所有的化学物都可分离和测定。（3）分析速度快。分析速度快。几分钟到几十分钟就完成一次分离。几分钟到几十分钟就完成一次分离。（4）需要样品量极少。需要样品量极少。几微升到几毫升的用量。几微升到几毫升的用量。（5）灵敏度很高。灵敏度很高。组分含量低至组分含量低至10-910-14g的可被检出。的可被检出。（6）易于实现自动化。易于实现自动化。全部分析过程采取电脑控制。全部分析过程采取电脑控制。1.4.3.缺点缺点对物质的辨别能力较差。对物质的辨别能力较差。第二十七页，本课件共有59页1.5 经典色谱与现代色
14、谱的比较经典色谱与现代色谱的比较 经典色谱经典色谱 现代色谱现代色谱 第二十八页，本课件共有59页固定相和流动相的种类不断发展，以满足各种物质的分离：固定相和流动相的种类不断发展，以满足各种物质的分离：茨维特采用碳酸钙作为茨维特采用碳酸钙作为固定相固定相，石油醚作为，石油醚作为流动相流动相。流动相流动相气体：气体：N2、H2、He 液体：甲醇、无水乙醇、正己烷等液体：甲醇、无水乙醇、正己烷等固定相固定相固体：活性炭、石墨碳黑、分子筛、高分子微孔小球等固体：活性炭、石墨碳黑、分子筛、高分子微孔小球等 液体：聚二甲基硅氧烷、聚乙二醇、聚苯基甲基硅氧烷等液体：聚二甲基硅氧烷、聚乙二醇、聚苯基甲基硅氧
15、烷等 各种络合剂、各种络合剂、离子交换剂、酶、辅酶等离子交换剂、酶、辅酶等第二十九页，本课件共有59页色谱的发展与检测器检测能力不断提高有密切的关系：色谱的发展与检测器检测能力不断提高有密切的关系：茨维特采用茨维特采用眼睛眼睛观测分离效果。观测分离效果。气相色谱气相色谱热导检测器（热导检测器（TCD）氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器(FID)电子俘获检测器电子俘获检测器(ECD)氮磷检测器（氮磷检测器（NPD）火焰光度检测器（火焰光度检测器（FPD）液相色谱液相色谱紫外可见分光光度检测器紫外可见分光光度检测器示差折光检测器示差折光检测器荧光检测器荧光检测器二极管阵列检测器二极管阵列检测器蒸
16、发激光光散射检测器蒸发激光光散射检测器第三十页，本课件共有59页1.6 色谱图及其术语色谱图及其术语基线基线色谱峰色谱峰峰高峰高标准偏差标准偏差半高峰宽半高峰宽峰底宽峰底宽空气峰空气峰保留时间保留时间调整保留时间调整保留时间死时间死时间第三十一页，本课件共有59页如果流动相的流速为如果流动相的流速为F0，则，则死时间死时间 tm 死体积死体积Vm=tmF0保留时间保留时间 tR 保留体积保留体积VR=tRF0调整保留时间调整保留时间 tR 调整保留体积调整保留体积VR=tR F0第三十二页，本课件共有59页相对保留值相对保留值r越大，两个峰距离越大，该两种组分越容易分离；越大，两个峰距离越大，
17、该两种组分越容易分离；r等于等于1时，两个峰重叠。时，两个峰重叠。R=1,说明两峰的峰面积说明两峰的峰面积5重叠，重叠，95分离；分离；R1.5，可视为两峰完全分，可视为两峰完全分离。离。分离效果表达分离效果表达分离度分离度相对保留值相对保留值第三十三页，本课件共有59页总总 结结 从色谱图可以获得：从色谱图可以获得：（1 1）根据峰的数目，可以判断该试样所含组分的最少个数；）根据峰的数目，可以判断该试样所含组分的最少个数；（2 2）根据峰的保留值，可以进行组分的定性；）根据峰的保留值，可以进行组分的定性；（3 3）根据峰高或者峰面积，可以进行组分的定量；）根据峰高或者峰面积，可以进行组分的定
18、量；（4 4）根据峰间距和峰宽，可以对分离效能进行评价。）根据峰间距和峰宽，可以对分离效能进行评价。第三十四页，本课件共有59页第二节第二节 气相色谱仪气相色谱仪（GC）掌握要点：掌握要点：GC的构造和主要部件，固定相的种类，检测器的工的构造和主要部件，固定相的种类，检测器的工 作原理和操作分析程序。作原理和操作分析程序。2.1 GC仪器构造示意图仪器构造示意图2.2 GC的主要部件及其作用的主要部件及其作用2.3 GC固定相及其选择固定相及其选择2.4 GC检测器检测器2.5 操作分析过程操作分析过程第三十五页，本课件共有59页第三十六页，本课件共有59页第三十七页，本课件共有59页第三十八
19、页，本课件共有59页2.1 GC仪器构造示意图仪器构造示意图第三十九页，本课件共有59页2.2 GC的主要部件及其作用的主要部件及其作用（1）载气系统）载气系统 提供流速提供流速恒定的高纯的恒定的高纯的载载气（流动相）。气（流动相）。包括：包括：气源、净化干气源、净化干燥管和载气流速控制燥管和载气流速控制。常用的载气有：氢气、氮气、氦气；（纯度：常用的载气有：氢气、氮气、氦气；（纯度：99.999）净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等）；净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等）；载气流速控制：压力表、流量计、针形稳压阀，控制载气流速恒定
20、。载气流速控制：压力表、流量计、针形稳压阀，控制载气流速恒定。第四十页，本课件共有59页第四十一页，本课件共有59页第四十二页，本课件共有59页（2）进样系统）进样系统 进样装置：进样器进样装置：进样器+气化室；气化室；微量进样器：微量进样器：第四十三页，本课件共有59页自动进样器：自动进样器：第四十四页，本课件共有59页进样口进样口第四十五页，本课件共有59页（3）色谱柱（色谱的核心部件）色谱柱（色谱的核心部件）分成分成填充柱填充柱和和毛细管柱毛细管柱。其内部的固定相是。其内部的固定相是核心中的核心核心中的核心。第四十六页，本课件共有59页（4）柱箱柱箱第四十七页，本课件共有59页（5 5）
21、检测器）检测器 色谱仪的眼睛。色谱仪的眼睛。通常由通常由检测元件、放大器、显示记录检测元件、放大器、显示记录三部分组成；三部分组成；被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按其浓度或质量随时间的变被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按其浓度或质量随时间的变化，转化成相应电信号，经放大后记录和显示，给出色谱图；化，转化成相应电信号，经放大后记录和显示，给出色谱图；检测器：检测器：广普型广普型对所有物质均有响应；对所有物质均有响应；专属型专属型对特定物质有高灵敏响应；对特定物质有高灵敏响应；常用的检测器：热导检测器、氢火焰离子化检测器；常用的检测器：热导检测器、氢火焰离子化检测器；有关检测器原理、结构
22、见第三节。有关检测器原理、结构见第三节。第四十八页，本课件共有59页TCD FID第四十九页，本课件共有59页（6）温度控制系统温度控制系统 温度对色谱分离的影响及其重要，所以在分离过程中要严格控制温度对色谱分离的影响及其重要，所以在分离过程中要严格控制气化室、色谱柱和检测器气化室、色谱柱和检测器的温度。的温度。气化室气化室：保证液体试样瞬间气化；：保证液体试样瞬间气化；色谱柱色谱柱：准确控制分离需要的温度。：准确控制分离需要的温度。检测器检测器：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝；：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝；第五十页，本课件共有59页（7）色谱工作站色谱工作站第五十一页，本课件共有
23、59页2.3 GC固定相及其选择固定相及其选择1.气固色谱的固定相气固色谱的固定相(1)活性炭活性炭 有较大的比表面积，吸附性较强。有较大的比表面积，吸附性较强。(2)活性氧化铝活性氧化铝 有有较较大大的的极极性性。适适用用于于常常温温下下O2 2、N2 2、CO、CH4 4、C2 2H6 6、C2 2H4 4等等气气体体的的相相互互分分离离。CO2 2能能被被活活性性氧氧化化铝铝强强烈烈吸吸附附而而不不能能用用这这种种固固定定相相进进行行分分析。析。(3)硅胶硅胶 与与活活性性氧氧化化铝铝大大致致相相同同的的分分离离性性能能，除除能能分分析析上上述述物物质质外外，还还能能分析分析CO2 2、
24、N2 2O、NO、NO2 2等，且能够分离臭氧。等，且能够分离臭氧。第五十二页，本课件共有59页 (4)(4)分子筛分子筛 碱碱及及碱碱土土金金属属的的硅硅铝铝酸酸盐盐（沸沸石石），多多孔孔性性。如如3A3A、4A4A、5A5A、10X10X及及13X13X分分子子筛筛等等（孔孔径径：埃埃）。常常用用5A5A和和13X13X（常常温温下下分分离离O O2 2与与N N2 2）。除除了了广广泛泛用用于于H H2 2、O O2 2、N N2 2、CHCH4 4、COCO等等的的分分离外，还能够测定离外，还能够测定HeHe、NeNe、ArAr、NONO、N N2 2O O等。等。(5)(5)高分子多
25、孔微球（高分子多孔微球（GDXGDX系列）系列）新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。型型号号：GDX-01GDX-01、-02-02、-03-03等等。适适用用于于水水、气气体体及及低低级级醇醇的的分分析。析。第五十三页，本课件共有59页2.气液色谱的固定相气液色谱的固定相包括包括载体载体和和固定液固定液：小颗粒表面涂渍上一薄层固定液。：小颗粒表面涂渍上一薄层固定液。载体：载体：化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积。化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积。固定液：固定液：常温下不一定为液体，但在使用温度下一定呈液体状常温下不
26、一定为液体，但在使用温度下一定呈液体状态。态。固定液的种类繁多，选择余地大，应用范围不断扩大。固定液的种类繁多，选择余地大，应用范围不断扩大。第五十四页，本课件共有59页气液色谱载体气液色谱载体第五十五页，本课件共有59页固定液固定液第五十六页，本课件共有59页2.4 GC检测器检测器 2.4.1.热导检测器（热导检测器（TCD）：）：基于各种物质有不同的导热系数基于各种物质有不同的导热系数而设计的检测器。而设计的检测器。纯载气纯载气载气加分析物载气加分析物第五十七页，本课件共有59页2.4.2.氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器(FID)：原理：氢火焰中原理：氢火焰中CnHm CH CH+
27、O CHO+e CHO+H2O H3O+CO 化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向两极定向运动而产生微电流（约别向两极定向运动而产生微电流（约10-610-14A）；）；第五十八页，本课件共有59页2.5 操作分析过程操作分析过程打开气源，打开打开气源，打开GC，打开色谱工，打开色谱工作站作站设定仪器参数，如设定仪器参数，如各部件温度、载气各部件温度、载气流速流速走基线，直至走基线，直至其信号平稳且其信号平稳且低低进样，采集进样，采集数据，得到数据，得到色谱图色谱图分析色谱图，分析色谱图，得到结果得到结果第五十九页，本课件共有59页