色谱分析法导论S.pptx

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1、1 各种不同颜色的谱带。在玻璃管上，每一各种不同颜色的谱带。在玻璃管上，每一种色带即为一种色素（完全分离）。色带种色带即为一种色素（完全分离）。色带犹如光谱分析中的谱线（带），因此得名犹如光谱分析中的谱线（带），因此得名“色谱法色谱法”。（chromatography）第1页/共105页2名称：名称：(1)(1)固定相固定相（stationary phase）在色谱法中，填入玻璃管或不锈钢管在色谱法中，填入玻璃管或不锈钢管 内静止不动的一相（固体或液体）。内静止不动的一相（固体或液体）。(2)(2)流动相流动相（mobile phase）携带试样混合物流过固定相的流体（气体携带试样混合物流过固

2、定相的流体（气体 或液体）。或液体）。(3)(3)色谱柱色谱柱（column)装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）第2页/共105页3色谱法分离过程：色谱法分离过程：当流动相中样品混合物经过固定相时，就会与固当流动相中样品混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用，由于各组分在性质和结构上的差定相发生作用，由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相相互作用的类型、强弱也有差异，异，与固定相相互作用的类型、强弱也有差异，因此在同一推动力的作用下，不同组分在固定相因此在同一推动力的作用下，不同组分在固定相滞留时间长短不同，从而按先后不同的次序从固滞留时间长短不同，从

3、而按先后不同的次序从固定相中流出。与适当的柱后检测方法结合，实现定相中流出。与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。混合物中各组分的分离与检测。两个重要特征：两个重要特征：试样中各组分在柱中不等速迁移试样中各组分在柱中不等速迁移（热力学因素）；（热力学因素）；每种组分在流经柱子后发生谱带每种组分在流经柱子后发生谱带扩散分布（动力学因素）。扩散分布（动力学因素）。第3页/共105页42.2.发展发展（1 1）1901年，年，Tswett开始研究。开始研究。（2 2）1903年年3月月21日，华沙自然科学生物学日，华沙自然科学生物学 会论文：会论文：“一种新型吸附现象及其在生一种

4、新型吸附现象及其在生 物分析上的应用物分析上的应用”，提出用吸附原理分，提出用吸附原理分 离植物色素。离植物色素。（3 3）1906年，德国生物学会议，公开展示年，德国生物学会议，公开展示 “彩色环带的柱管彩色环带的柱管”“色谱图色谱图”。（4 4）在随后）在随后20多年中，色谱分离法得以广泛多年中，色谱分离法得以广泛 推广与应用，特别是在天然有机物的分推广与应用，特别是在天然有机物的分第4页/共105页5 离与分析中。离与分析中。（5）1952年，年，Martin（英）发明了（英）发明了GL分配色分配色 谱谱诺贝尔化学奖。诺贝尔化学奖。（6）1954年，年，Ray发明了发明了TCD检测器。检

5、测器。（7）1956年，年，Van.Deemter（荷）提出速率方（荷）提出速率方 程理论。程理论。（8）1957年，年，Golay（美）发明了玻璃毛细柱（美）发明了玻璃毛细柱 （1mm）。（9）几年后，几年后，Mcwillian（澳）发明了（澳）发明了 FID。Lovelock（英）发明了（英）发明了ECD。第5页/共105页6（10）60年代，各国相继出版了有关色谱教科年代，各国相继出版了有关色谱教科 书及专著书及专著色谱成为一门独立色谱成为一门独立 学科。学科。（11）1962年，超临界流体色谱技术年，超临界流体色谱技术 SFC（12）80年代，毛细管电泳色谱年代，毛细管电泳色谱 CEC

6、第6页/共105页7仪器的发展仪器的发展 1955年，美国商品色谱仪出现；年，美国商品色谱仪出现；1957年，日本商品色谱仪出现；年，日本商品色谱仪出现；1960年，美国液相色谱仪，年，美国液相色谱仪，Waters 1979年，年，“弹性石英毛细柱弹性石英毛细柱”；Golay柱（柱（1957年）为易碎的玻年）为易碎的玻 璃柱，长璃柱，长810100m ；石英毛细柱石英毛细柱0.1、0.22、0.32、0.53mm第7页/共105页8进口色谱仪器品牌有：进口色谱仪器品牌有：HP（安捷伦）、（安捷伦）、Waters、岛津、戴安、岛津、戴安国产仪器有：国产仪器有：北分（北分（SP）、上分、鲁南）、上

7、分、鲁南第8页/共105页9二、色谱法分类二、色谱法分类1.1.按操作（固定相使用）形式分类按操作（固定相使用）形式分类（1 1）柱色谱：固定相装于柱内的色谱法。）柱色谱：固定相装于柱内的色谱法。分为填充柱色谱和空心毛细分为填充柱色谱和空心毛细 管柱色谱。管柱色谱。（2 2）平板色谱：固定相呈平板状的色谱。）平板色谱：固定相呈平板状的色谱。它又可分为薄层色谱（固定它又可分为薄层色谱（固定 相压成或涂成薄膜的色谱）相压成或涂成薄膜的色谱）和纸色谱（固定相为滤纸的和纸色谱（固定相为滤纸的 色谱）。色谱）。第9页/共105页102.2.按两相状态分类（使用最普遍）按两相状态分类（使用最普遍）（1 1

8、）气相色谱气相色谱（GC）：）：流动相是气体的色谱。流动相是气体的色谱。分为分为 气固色谱（气固色谱（GSC）气液色谱（气液色谱（GLC）（2 2）液相色谱法液相色谱法（LC）：液体为流动相的色谱。液体为流动相的色谱。分为分为 液固色谱（液固色谱（LSC）液液色谱（液液色谱（LLC）超临界流体为流动相的色谱为超临界超临界流体为流动相的色谱为超临界 流体色谱（流体色谱（SFC）。）。第10页/共105页113.3.按分离机理分类按分离机理分类（1 1）吸附色谱）吸附色谱 利用组分在吸附剂（固定相）上的吸附利用组分在吸附剂（固定相）上的吸附 能力强弱不同而得以分离的方法。能力强弱不同而得以分离的方

9、法。（2 2）分配色谱）分配色谱 利用不同组分在固定液（固定相）中不利用不同组分在固定液（固定相）中不 同的分配系数而达到分离的方法。同的分配系数而达到分离的方法。（3 3）离子交换色谱）离子交换色谱 利用组分在离子交换剂（固定相）上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。亲和力大小不同而达到分离的方法。第11页/共105页12（4 4）凝胶色谱（或空间排阻）色谱）凝胶色谱（或空间排阻）色谱 利用多孔性固定相对大小不同的分子利用多孔性固定相对大小不同的分子 的排阻作用而达到分离的方法。的排阻作用而达到分离的方法。又称为空间（尺寸）排阻色谱法。又称为空间（尺寸）排阻

10、色谱法。第12页/共105页13GC与与LC的区别：的区别：物质在物质在GC中传输速度快，流动相渗透性好，可用长柱，分离效率高，分析速度中传输速度快，流动相渗透性好，可用长柱，分离效率高，分析速度快；但快；但GC要求样品具有一定挥发性及热稳定性；气体价格低，仪器相对便宜。要求样品具有一定挥发性及热稳定性；气体价格低，仪器相对便宜。LC的流动相为色谱纯液体，需用高压恒流泵传输，造价高，有机溶剂为流动相，的流动相为色谱纯液体，需用高压恒流泵传输，造价高，有机溶剂为流动相，价高、消耗量大，仪器昂贵，但只要样品具有一定的溶解性即可用价高、消耗量大，仪器昂贵，但只要样品具有一定的溶解性即可用LC分析。分

11、析。一般，一般，GC可分析可分析15%20%的有机物；的有机物；LC可分析可分析70%80%的有机物。的有机物。第13页/共105页1415-2 色谱图及色谱常用术语一、色谱图一、色谱图 色谱流出曲线和色谱峰色谱流出曲线和色谱峰 色谱柱后流出物通过检测器时，系统所产生的输出色谱柱后流出物通过检测器时，系统所产生的输出响应信号强度（响应信号强度（R）对时间（）对时间（tR）或流动相流出体积（）或流动相流出体积（VR）作图，）作图，所得曲线称为色谱流出曲线。曲线上突起部分就所得曲线称为色谱流出曲线。曲线上突起部分就是色谱峰。是色谱峰。响应信号响应信号电压（电压（mv）或电流（）或电流（mA）第14

12、页/共105页15Y色谱图色谱图第15页/共105页16二、色谱图基本术语二、色谱图基本术语1.1.基线基线 在实验操作条件下，色谱柱后没有样品在实验操作条件下，色谱柱后没有样品组分流出时的流出曲线称为基线，稳定的组分流出时的流出曲线称为基线，稳定的基线应该是一条水平直线。基线应该是一条水平直线。第16页/共105页172.2.色谱峰色谱峰 组分浓度随时间变化的曲线。组分浓度随时间变化的曲线。如果进样量很小，浓度很低，在线性范围内，则色谱峰是对称的。标准的色谱峰为如果进样量很小，浓度很低，在线性范围内，则色谱峰是对称的。标准的色谱峰为正态分布曲线。正态分布曲线。每一色谱峰至少代表一个组分；每一

13、色谱峰至少代表一个组分；每一峰的峰值出峰时间每一峰的峰值出峰时间定性；定性；每一峰的峰面积（峰高）每一峰的峰面积（峰高）定量。定量。第17页/共105页183.峰高峰高h 色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以h表示。用纸高表示。用纸高（mm）或电信号大小或电信号大小（mv或或mA）表示。表示。4.峰的区域宽度峰的区域宽度 色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参数之一，用于衡量柱效率及反映色谱色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参数之一，用于衡量柱效率及反映色谱操作条件的动力学因素。操作条件的动力学因素。表示色谱峰区域宽度通常有三种方法。表示色谱峰区域宽度通常有三

14、种方法。第18页/共105页19标准偏差标准偏差 即即0.607倍峰高处色谱峰宽的一半（即拐点峰宽的一半）倍峰高处色谱峰宽的一半（即拐点峰宽的一半）。=Y0.607h半峰宽半峰宽Y1/2 即峰高一半处对应的峰宽。它与标准偏差的关系为即峰高一半处对应的峰宽。它与标准偏差的关系为 Y1/2=2.355 峰底宽度峰底宽度Y（基线宽度）（基线宽度）即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上截距间的距离。即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上截距间的距离。它与标准偏差它与标准偏差 的关系是的关系是 Y=4 第19页/共105页20色色 谱谱 流流 出出 曲曲 线线Y0.607h =2 Y=4 Y1/2=2.355 Y

15、2 Y1/2第20页/共105页215.5.峰面积峰面积A 峰面积是色谱图提供的基本定量数据，峰面积测量的准确与否直接影响定量结果。峰面积是色谱图提供的基本定量数据，峰面积测量的准确与否直接影响定量结果。对于不同峰形的谱峰采用不同的测量方法。对于不同峰形的谱峰采用不同的测量方法。（1 1）对称形峰面积的测量）对称形峰面积的测量 A=1.065 h Y1/2（2 2）不）不对称形峰面积的测量对称形峰面积的测量（3 3）剪纸称重法）剪纸称重法原始色谱定量法原始色谱定量法第21页/共105页226.6.色谱保留值色谱保留值 各种组分在柱上的滞留情况各种组分在柱上的滞留情况（1 1）时间表示的保留值）

16、时间表示的保留值 死时间死时间tM 不被固定相吸附或溶解的物质（空气或甲烷）进入色谱柱时，从进样到出现峰极不被固定相吸附或溶解的物质（空气或甲烷）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。它正比于色谱柱的空隙体积。大值所需的时间称为死时间。它正比于色谱柱的空隙体积。测定流动相平均线速测定流动相平均线速时，可用柱长时，可用柱长L与与 tM 的比值计算的比值计算 即即 =L/tM第22页/共105页23保留时间保留时间tR 试样从进样到柱后出现峰极大点时所经过的时间，称为保留时间。试样从进样到柱后出现峰极大点时所经过的时间，称为保留时间。调整保留时间调整保留时间tR 某组分的保留时间

17、扣除死时间后，称为该组分的调整保留时间。某组分的保留时间扣除死时间后，称为该组分的调整保留时间。即即 tR=tR tM tR：由于组分吸附或溶解于固定相中，比流由于组分吸附或溶解于固定相中，比流 动相在柱中多滞留的时间。动相在柱中多滞留的时间。tR：出柱时间；出柱时间；tR：与固定相作用时间。与固定相作用时间。第23页/共105页24（2 2）用体积表示的保留值）用体积表示的保留值 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、色谱仪中管路和连接头指色谱柱在填充后，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。间的空间以及检测器的空间

18、的总和。当后两相很小可忽略不计时，死体积可由死时间与色谱柱出口的载气流速当后两相很小可忽略不计时，死体积可由死时间与色谱柱出口的载气流速Fo（cm3 min-1）计算。）计算。VM =tM Fo VM反映了柱和仪器系统的几何特性，与被测组分的性质无关。反映了柱和仪器系统的几何特性，与被测组分的性质无关。第24页/共105页25保留体积保留体积VR 指从进样开始到被测组分在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积。指从进样开始到被测组分在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积。VR=tR Fo 载气流速越大，保留时间降低，载气流速越大，保留时间降低，VR不变不变 VR与载气流速无关。与载气流速

19、无关。调整保留体积调整保留体积VR 某组分的保留体积扣除死体积后的保留体积。某组分的保留体积扣除死体积后的保留体积。VR =VR VM =tR Fo 同理：同理：VR 与载气流速无关，并更合理地反映了被测组分的保留特性。与载气流速无关，并更合理地反映了被测组分的保留特性。第25页/共105页267.7.相对保留值相对保留值r2.1或或ri.s 某组分某组分2的调整保留值与组分的调整保留值与组分1的调整保留值之比。的调整保留值之比。r2,1=t R2 /t R1=V R2 /VR1 相对保留值只与柱温及固定相性质有关，而与柱径、柱长、填充情况及流动相流速相对保留值只与柱温及固定相性质有关，而与柱

20、径、柱长、填充情况及流动相流速无关。无关。在色谱法中，特别是在气相色谱法中，广泛用作定性的依据。在色谱法中，特别是在气相色谱法中，广泛用作定性的依据。相对保留值相对保留值r2.1或或ri.s也称为分离系数、柱的选择性、溶剂效率等。也称为分离系数、柱的选择性、溶剂效率等。第26页/共105页27 在定性分析中，通常固定一个色谱峰作为标准（在定性分析中，通常固定一个色谱峰作为标准（s），然后再求其它峰（），然后再求其它峰（i）对这）对这个峰的相对保留值，个峰的相对保留值，即即 =tR (i)/tR (s)式中式中tR (i)为后出峰的调整保留时间，所以为后出峰的调整保留时间，所以 总是大于总是大于

21、1 1的。的。相对保留值往往可作为衡量固定相选择性的指标，又称选择因子。相对保留值往往可作为衡量固定相选择性的指标，又称选择因子。当当=1时，两组分永不分离；时，两组分永不分离；越大，分离的越好。越大，分离的越好。第27页/共105页28三、分配平衡三、分配平衡色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组分要达到完全分离，分要达到完全分离，两峰间的距离两峰间的距离必须足够远，必须足够远，两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱过程的热力学性质有关。的，即与色谱过程的热力学性质有关。但是两峰间虽有一定

22、距离，如果每个峰都很宽，但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能分开。这些以致彼此重叠，还是不能分开。这些峰的宽或窄峰的宽或窄是由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即是由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即与色谱过程的动力学性质有关。因此，要从热力与色谱过程的动力学性质有关。因此，要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。学和动力学两方面来研究色谱行为。第28页/共105页29分配平衡：一定温度（分配平衡：一定温度（TC）下，组分在流动）下，组分在流动 相和固定相间作用达到的平衡。相和固定相间作用达到的平衡。1.1.分配系数分配系数K 指指在在一一定定温温度度和和压压

23、力力下下，组组分分在在固固定定相相和和流流动动相相之之间间分分配配达达平平衡衡时时的的浓浓度度之之比比值值，即即 第29页/共105页30 下图是下图是 A、B两组分沿色谱柱移动时，不同位置处的浓度轮廓。两组分沿色谱柱移动时，不同位置处的浓度轮廓。沿柱移动距离沿柱移动距离L 溶质溶质A和和B在沿柱移动时不同位置处的浓度轮廓在沿柱移动时不同位置处的浓度轮廓浓浓度度ABKAKBA AB B第30页/共105页31分配系数的要点：分配系数的要点：K值与组分性质、固定相性质、流动相性质、值与组分性质、固定相性质、流动相性质、分离温度有关的参数；分离温度有关的参数；一定一定TC下，下，K越大，出峰越慢；

24、越大，出峰越慢；提高提高TC ，组分在固定相中浓度降低，组分在固定相中浓度降低，tR变小；变小；K=0的组分，不被固定相保留，最先流出；的组分，不被固定相保留，最先流出；每个组分的每个组分的K不同，选择适宜的固定相来改善不同，选择适宜的固定相来改善 分离效果；分离效果；试样中不同组分在相同分离条件下，试样中不同组分在相同分离条件下，K不同，不同，得以分离。得以分离。第31页/共105页322.2.分配比分配比k（分配容量或容量因子分配容量或容量因子）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

25、配在固定相和流动相中的质量比。即分配在固定相和流动相中的质量比。即第32页/共105页33式中：式中：为相比：为相比：反映色谱柱柱型及结构的参数。反映色谱柱柱型及结构的参数。填充柱相比约填充柱相比约635；毛细管柱的相；毛细管柱的相比约比约501500。，VM为流动相体积，即柱内固定为流动相体积，即柱内固定 相颗粒间空隙体积。相颗粒间空隙体积。VS为固定相体积，其中，为固定相体积，其中，GSC中为吸附剂表面容量，中为吸附剂表面容量，GLC中为固定液体积。中为固定液体积。空气或甲烷的空气或甲烷的ms=0，k=0 第33页/共105页343.3.分配比与保留值的关系分配比与保留值的关系 第34页/

26、共105页35讨论：讨论：K和和k除与组分及固定相的热力学性质有关外，还随柱温、柱压的变化而变化。除与组分及固定相的热力学性质有关外，还随柱温、柱压的变化而变化。K只与组分和两相性质有关，与两相体积无关。而只与组分和两相性质有关，与两相体积无关。而k又称容量因子、分配容量、容又称容量因子、分配容量、容量比，其随固定相的量的增加而增大。量比，其随固定相的量的增加而增大。k越大，保留时间越长。越大，保留时间越长。k=0，tR=0，tR=tM第35页/共105页3615-3 色谱分析的基本理论试样在色谱柱中的分离过程包括两方面：试样在色谱柱中的分离过程包括两方面：热力学热力学 各组分在两相间的分配情

27、况各组分在两相间的分配情况 （tR由由K决定）决定）动力学动力学 各组分在两相间的传质情况各组分在两相间的传质情况 （Y1/2）一、塔板理论一、塔板理论塔板理论：塔板理论：1941年，年，Martin提出的半经验热提出的半经验热 力学理论。力学理论。给出衡量柱效的指标给出衡量柱效的指标第36页/共105页37 把色谱柱比作把色谱柱比作一个分馏塔，一个分馏塔，引入理论塔板引入理论塔板数（数（n）作为衡）作为衡量柱效率的指量柱效率的指标，即色谱柱标，即色谱柱是由一系列连是由一系列连续的、相等的续的、相等的水平塔板组成。水平塔板组成。第37页/共105页381.1.塔板理论的建立塔板理论的建立在在柱

28、柱内内一一小小段段长长度度H内内，组组分分可可以以在在两两相相间间迅迅速速达达到到平平衡衡。这这一一小小段段柱柱长长称称为为理理论论塔板高度塔板高度H。以以气气相相色色谱谱为为例例，载载气气进进入入色色谱谱柱柱不不是是连连续续进进行行的的，而而是是脉脉动动式式，每每次次进进气气为为一一个个塔板体积（塔板体积（Vm）。）。所有组分开始时存在于第所有组分开始时存在于第0号塔板上，而且试样沿轴（纵）向扩散可忽略。号塔板上，而且试样沿轴（纵）向扩散可忽略。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。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38页/共105页39第39页/共

29、105页40第40页/共105页412.2.塔板理论的结论塔板理论的结论色谱柱长：色谱柱长：L虚拟的塔板间距离：虚拟的塔板间距离：H色谱柱的理论塔板数：色谱柱的理论塔板数：n（衡量柱效的指标）（衡量柱效的指标）则三者的关系为：则三者的关系为：n=L/H理论塔板数与色谱参数之间的关系为：理论塔板数与色谱参数之间的关系为：第41页/共105页42有效塔板数和有效塔板高度有效塔板数和有效塔板高度单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。组分在组分在tM时间内不参与柱内分配。时间内不参与柱内分配。

30、需引入有效塔板数和有效塔板高度：需引入有效塔板数和有效塔板高度：第42页/共105页433.塔板理论的特点和不足当色谱柱长度一定时，塔板数n越大(塔板高 度H越小)，被测组分在柱内被分配的次数 越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效 能的指标时，应指明测定物质。柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，第43页/共105页44 当两组分的分配系数当两组分的分配系数K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。塔塔板板理理论论无无法法解解释释同同一一色色谱谱柱柱在在不不同同的的载

31、载气气流流速速下下柱柱效效不不同同的的实实验验结结果果，也也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。第44页/共105页45二、速率方程二、速率方程范范第姆特方程第姆特方程 给出影响柱效的因素给出影响柱效的因素 1956年，荷兰学者年，荷兰学者van.Deemter等在研究气液色谱时，提出了色谱过程动力等在研究气液色谱时，提出了色谱过程动力学理论学理论速率理论。他吸收了塔板理论中板高的概念，并充分考虑了组分在两相速率理论。他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好地解释了影响板高的各种因素。间的扩散和传

32、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、液相色谱都适用。该理论模型对气相、液相色谱都适用。第45页/共105页46van Deemter方程的数学简化式为方程的数学简化式为 H=A+B/u+C u 式中：式中：H为板高（为板高（cm）；）；u为流动相的线速度（为流动相的线速度（cm.s-1）；）；A、B、C为常数：为常数：A为涡流扩散系数；为涡流扩散系数；B为分子扩散项系数；为分子扩散项系数；C为传质阻力项系数。为传质阻力项系数。减小减小A、B、C三项可提高柱效；存在着最佳三项可提高柱效；存在着最佳流速；流速；A、B、C三项各与哪些因素有关？三项各与哪些因素

33、有关？第46页/共105页471.1.涡流扩散项涡流扩散项 A （多路效应）（多路效应）在填充色谱柱中，当组分随流动相向柱出口迁移时，流动相由于受到固定相颗粒在填充色谱柱中，当组分随流动相向柱出口迁移时，流动相由于受到固定相颗粒障碍，不断改变流动方向，使组分分子在前进中形成紊乱的类似涡流的流动，故称障碍，不断改变流动方向，使组分分子在前进中形成紊乱的类似涡流的流动，故称涡流扩散。涡流扩散。色谱峰变宽的程度由下式决定：色谱峰变宽的程度由下式决定：A=2dp 为柱子填充的不均匀性（不规则因子）；为柱子填充的不均匀性（不规则因子）；dp为填充物的平均直径。为填充物的平均直径。第47页/共105页48

34、固定相颗粒越小固定相颗粒越小dp，填充的越均匀，填充的越均匀，A，H，柱效，柱效n。表现在涡流扩散所引起的色。表现在涡流扩散所引起的色 谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄。谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄。对于空心毛细管，不存在涡流扩散，对于空心毛细管，不存在涡流扩散，A=0。对于对于34的填充柱，的填充柱，6080目（标准筛）固目（标准筛）固 定相。定相。第48页/共105页492.2.分子扩散项分子扩散项 B/u （纵向扩散项）（纵向扩散项）纵纵向向分分子子扩扩散散是是由由浓浓度度梯梯度度造造成成的的。组组分分随随着着流流动动相相向向前前推推进进，由由于于存存在在浓浓度度梯梯度度，组分自发向前扩散，

35、造成谱带展宽。组分自发向前扩散，造成谱带展宽。分子扩散项系数为分子扩散项系数为 B=2 Dg是填充柱内流动相扩散路径弯曲的因数，称是填充柱内流动相扩散路径弯曲的因数，称弯曲因子弯曲因子，它反映了固定相颗粒的几何，它反映了固定相颗粒的几何形状对自由分子扩散的阻碍情况。形状对自由分子扩散的阻碍情况。空心毛细柱空心毛细柱=1 填充柱填充柱1（硅藻土担体（硅藻土担体=0.50.7）第49页/共105页50Dg为组分在流动相（为组分在流动相（GC为气相）中扩散系数（为气相）中扩散系数（cm 2 s-1）,分子扩散项与组分在流分子扩散项与组分在流动相中动相中扩散系数扩散系数 Dg 成正比。成正比。Dg与流

36、动相及组分性质有关：与流动相及组分性质有关：Dg ：Dg反比于流动相相对分子反比于流动相相对分子 质量的平方根，所以采用质量的平方根，所以采用 相对分子质量较大的流动相对分子质量较大的流动 相，可使相，可使B项降低。项降低。如：如：N2 Dg TC：Dg随柱温增高而增加。随柱温增高而增加。第50页/共105页51a.扩散导致色谱峰变宽，扩散导致色谱峰变宽，H(n)，分离变差。分离变差。b.分子扩散项与流速有关，低流速时，扩散加剧，分子扩散项与流速有关，低流速时，扩散加剧，滞留时间延长。滞留时间延长。c.扩散系数扩散系数Dg(M载气载气)-1/2，M载气载气大，大，B减小。减小。d.Dg TC

37、低柱温提高柱效。低柱温提高柱效。第51页/共105页523.3.传质阻力项传质阻力项 Cu（1 1）气相色谱）气相色谱 传质阻力系数传质阻力系数C包括气相传质阻力系数包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数和液相传质阻力系数Cl两项，即两项，即 C=Cg+Cl =Cm+Cs 气相传质过程气相传质过程Cg：是指试样组分从气相移动到固定相表面的过程所受到的阻力。是指试样组分从气相移动到固定相表面的过程所受到的阻力。液液相相传传质质过过程程Cl：是是指指试试样样组组分分从从固固定定相相的的气气/液液界界面面移移动动到到液液相相内内部部，并并发发生生质质量量交换，达到分配平衡，然后又返回气交换，达到

38、分配平衡，然后又返回气/液界面的传质过程所受到的阻力。液界面的传质过程所受到的阻力。第52页/共105页53降低液膜厚度减小降低液膜厚度减小Cl，提高柱效；，提高柱效；提高提高TC减小传质阻力减小传质阻力C，提高柱效。，提高柱效。第53页/共105页54van Deemter的气相色谱板高方程展开式H的相关项有：的相关项有：柱填充的均匀性、担体粒度；柱填充的均匀性、担体粒度；柱的种类（填充柱、毛细柱）、载气种类柱的种类（填充柱、毛细柱）、载气种类 （N2、H2）、）、TC、u；柱的形状柱的形状（k，、）、固定液、液膜厚度、固定液、液膜厚度 和均匀性。和均匀性。第54页/共105页554.4.载

39、气流速与柱效载气流速与柱效-最佳流速最佳流速第55页/共105页56载气流速高时，传质阻力项是影响柱效的主要因素，载气流速高时，传质阻力项是影响柱效的主要因素，流速流速，柱效，柱效,曲线的右边。曲线的右边。载气流速低时，分子扩散项成为影响柱效的主要因素，载气流速低时，分子扩散项成为影响柱效的主要因素，流速流速 ，柱效，柱效 ，曲线的左，曲线的左边。边。H-u曲线与最佳流速：由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影曲线与最佳流速：由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影响存在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对流速的一阶导数有一极小值。响存在着一个最佳流速值，即速率方程式中

40、塔板高度对流速的一阶导数有一极小值。以塔板高度以塔板高度H对应载气流速对应载气流速u作图，作图，曲线最低点的流速即为最佳流速。曲线最低点的流速即为最佳流速。第56页/共105页57其中的其中的A、B、C的数值可在一定的色谱条的数值可在一定的色谱条件下，测得三种流速对应的三个件下，测得三种流速对应的三个H值，组成值，组成三元一次方程组，三元一次方程组，求出求出H最小最小和和u最佳最佳。第57页/共105页585.5.速率理论的要点速率理论的要点(1)(1)组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩 散、浓度梯度所造成的分子扩散及传质散、浓度梯度所造成的分子扩散及传质 阻

41、力，使气液两相间的分配平衡不能瞬阻力，使气液两相间的分配平衡不能瞬 间达到等因素，是造成色谱峰扩展柱效间达到等因素，是造成色谱峰扩展柱效 下降的主要原因。下降的主要原因。(2)(2)通过选择适当的固定相粒度、载气种类通过选择适当的固定相粒度、载气种类 、液膜厚度及载气流速可提高柱效。、液膜厚度及载气流速可提高柱效。第58页/共105页59(3)(3)速率理论为色谱分离和操作条件选择速率理论为色谱分离和操作条件选择 提供了理论指导。阐明了流速和柱温提供了理论指导。阐明了流速和柱温 对柱效及分离的影响。对柱效及分离的影响。(4)(4)各种因素相互制约，如载气流速增大，各种因素相互制约，如载气流速增

42、大，分子扩散项的影响减小，使柱效提高，分子扩散项的影响减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使柱但同时传质阻力项的影响增大，又使柱 效下降；柱温升高，有利于传质，但又效下降；柱温升高，有利于传质，但又 加剧了分子扩散的影响，选择最佳条加剧了分子扩散的影响，选择最佳条 件，才能使柱效达到最高。件，才能使柱效达到最高。第59页/共105页60三、色谱分离效能的衡量三、色谱分离效能的衡量 评价柱分离性能的指标评价柱分离性能的指标（柱的选择性、柱效能、分离度）（柱的选择性、柱效能、分离度）1.1.选择性（分离效率）选择性（分离效率）r21或或21 难分离物质对的调整保留值之比。难分离物质对的

43、调整保留值之比。r21只只与固定相、柱温有关，可查手册。与固定相、柱温有关，可查手册。一般一般r211.2时，认为色谱峰已达较好分离；时，认为色谱峰已达较好分离；而而r21=1时，为完全重叠状态。时，为完全重叠状态。第60页/共105页612.2.柱效（能）柱效（能）n理论板高：理论板高：H=L/n 有效板高：有效板高：H有效有效 =L/n有效有效第61页/共105页62（a a）两色谱峰距离）两色谱峰距离 近并且峰形宽。两近并且峰形宽。两 峰严重相叠，表示峰严重相叠，表示 选择性和柱效都很选择性和柱效都很 差。差。（b b）虽然两峰距离）虽然两峰距离 拉开了，但峰形仍拉开了，但峰形仍 很宽，

44、选择性好，很宽，选择性好，柱柱效低。效低。（c c）分离最理想，）分离最理想，说明选择性好，柱说明选择性好，柱 效也高。效也高。第62页/共105页633.分离度分离度R（分辨率）（分辨率）分离度分离度R是一个综合性指标。是一个综合性指标。塔塔板板理理论论和和速速率率方方程程都都难难以以描描述述难难分分离离物物质质对对的的实实际际分分离离程程度度，即即柱柱效效为为多多大大时时，相相邻邻两两组组分能够被完全分离。分能够被完全分离。难难分分离离物物质质对对的的分分离离程程度度大大小小受受色色谱谱过过程程两两种种因因素的综合影响：素的综合影响：保留值之差保留值之差色谱过程的热力学因素；色谱过程的热力

45、学因素；区域宽度区域宽度色谱过程的动力学因素。色谱过程的动力学因素。分离度分离度R ：相邻两组分色谱峰保留值之差与两组：相邻两组分色谱峰保留值之差与两组 分色谱峰平均峰宽之比。分色谱峰平均峰宽之比。第63页/共105页64第64页/共105页65R=0.8 两峰的分离程度可达两峰的分离程度可达89%；R=1.0 分离程度分离程度98%；R=1.5 达达99.7%（相邻两峰完全分离的标准）。（相邻两峰完全分离的标准）。第65页/共105页66四、色谱分离基本方程四、色谱分离基本方程 分离度与柱效能、选择性的关系分离度与柱效能、选择性的关系 公式推导：公式推导：令令Y(2)=Y(1)=Y（相邻两峰

46、的峰底宽近似相等），引入相对保留值和塔板（相邻两峰的峰底宽近似相等），引入相对保留值和塔板数，可导出下式：数，可导出下式：第66页/共105页67第67页/共105页68第68页/共105页69公式综述第69页/共105页70例例11在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为85秒和秒和100秒，要达到完全分秒，要达到完全分离，即离，即R=1.5。计算需要多少块有效塔板。若填充柱的塔板高度为。计算需要多少块有效塔板。若填充柱的塔板高度为0.1 cm，柱长，柱长是多少？是多少？解：解：第70页/共105页71 L有效有效=n有效有效H有效有效 =1547

47、0.1=155 cm 即柱长为即柱长为1.551.55米时，两组分可以得到完全分离。米时，两组分可以得到完全分离。第71页/共105页72例例22由分离环己烷和苯的谱图知由分离环己烷和苯的谱图知tM=2.1 tR（环己烷）（环己烷）=4.6，Y1/2=0.58 tR（苯）（苯）=12.5，Y1/2=1.48 若原柱长为若原柱长为2米，求获得基线分离最少需米，求获得基线分离最少需 要多长的柱子？要多长的柱子？解：解：第72页/共105页73第73页/共105页74P261 第7题下列数据是由气-液色谱在一根40cm长的填充柱上得到的：化合物 tR/min Y/min 空气 2.5 -甲基环己烷，

48、A 10.7 1.3 甲基环己烯，B 11.6 1.4 甲苯，C 14.0 1.8求（1）平均理论塔板数 （2）平均塔板高度 （3）B与A的分离度 （4）C与B的分离度第74页/共105页75（1）第75页/共105页76（2）第76页/共105页77P262 第9题有一A、B、C三组分的混合物，经色谱分离后，其保留时间分别为:tR(A)=4.5min,tR(B)=7.5min,tR(C)=10.4min，死时间t0=1.4min。求（1）B对A的相对保留值；（2）C对B的相对保留值；（3）B组分在此柱中的容量因子。第77页/共105页78第78页/共105页7915-4 色谱定性和定量方法一

49、一 、色谱的定性分析、色谱的定性分析保留值可作为一种定性指标。保留值可作为一种定性指标。但是不同物质在同一色谱条件下，可能具有相似或相同的保留值，即保留值并非专但是不同物质在同一色谱条件下，可能具有相似或相同的保留值，即保留值并非专属的。属的。如果在了解样品的来源、性质、分析目的的基础上，对样品组成作初步的判断，再如果在了解样品的来源、性质、分析目的的基础上，对样品组成作初步的判断，再结合下列的方法则可确定色谱峰所代表的化合物。结合下列的方法则可确定色谱峰所代表的化合物。第79页/共105页801.1.利用纯物质定性的方法利用纯物质定性的方法利用保留值定性利用保留值定性 通过对比试样中具有与纯

50、物质相同保留值的色谱峰，来确定试样中是否含有该物质。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。不适用于不同仪器上获得的数据之间的对比。不适用于不同仪器上获得的数据之间的对比。利用加入法定性利用加入法定性 如果未知样品较复杂，可采用在未知混合物中加入已知物，通过未知物中哪个峰如果未知样品较复杂，可采用在未知混合物中加入已知物，通过未知物中哪个峰增大，来确定未知物中成分。增大，来确定未知物中成分。第80页/共105页81第81页/共105页822.2.利用文献保留值定性利用文献保留值定性 相对保留值相对保留值r21：相对保留值：相对保留值r21仅与柱温仅与柱温 和固