化院 色譜法概述

1、化院 色譜法概述2022/9/4第1頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二3.1.1 色譜法概述 色譜法是一種分離技術(shù)混合物最有效的分離、分析方法。色譜原型：俄國(guó)植物學(xué)家茨維特在1906年分離 葉綠素 混合物分離過(guò)程：試樣中各組分在稱(chēng)之為色譜分離柱中的兩相間不斷進(jìn)行著的分配。 一相固定不動(dòng)，稱(chēng)為固定相。 另一相是攜帶試樣混合物流過(guò)固定相的流體(氣體或液體)，稱(chēng)為流動(dòng)相。（動(dòng)畫(huà)）第2頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二3.1.2 色譜法的特點(diǎn)和分類(lèi) 當(dāng)流動(dòng)相中攜帶的混合物流經(jīng)固定相時(shí)，其與固定相發(fā)生相互作用。由于混合物中各組分在性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的差異,與固定相之

2、間產(chǎn)生的作用力的大小、強(qiáng)弱不同，隨著流動(dòng)相的移動(dòng)，混合物在兩相間經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的分配平衡，使得各組分被固定相保留的時(shí)間不同，從而按一定次序由固定相中流出。（動(dòng)畫(huà)）與適當(dāng)?shù)闹髾z測(cè)方法結(jié)合,實(shí)現(xiàn)混合物中各組分的分離與檢測(cè)。兩相及兩相的相對(duì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了色譜法的基礎(chǔ)。第3頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二2.色譜法分類(lèi) (1)氣相色譜：流動(dòng)相為氣體（稱(chēng)為載氣）。 按分離柱不同可分為：填充柱色譜和毛細(xì)管柱色譜。 按固定相的不同又分為：氣固色譜和氣液色譜。第4頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二(2)液相色譜 流動(dòng)相為液體（也稱(chēng)為淋洗液）。 按固定相的不同分為：液固

3、色譜和液液色譜。 第5頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二(3)其他色譜方法薄層色譜和紙色譜：比較簡(jiǎn)單的色譜方法。凝膠色譜法：測(cè)聚合物相對(duì)分子質(zhì)量分布。超臨界流體色譜：CO2流動(dòng)相。高效毛細(xì)管電泳：20世紀(jì)90年代快速發(fā)展，特別適合生物試樣的分析。第6頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二色譜一般結(jié)構(gòu)流程色譜法分類(lèi)圖示第7頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二3.色譜法的特點(diǎn)（1）分離效率高 復(fù)雜混合物，有機(jī)同系物、異構(gòu)體，手性異構(gòu)體。（2） 靈敏度高 可以檢測(cè)出gg-1(10-6)級(jí)甚至ngg-1(10-9)級(jí)的物質(zhì)。（3） 分析速度快

4、 一般在幾分鐘或幾十分鐘內(nèi)可以完成一個(gè)試樣的分析。（4） 應(yīng)用范圍廣 氣相色譜：沸點(diǎn)400的各種有機(jī)或無(wú)機(jī)試樣的分析。 液相色譜：高沸點(diǎn)、熱不穩(wěn)定、生物試樣的分離分析。 不足之處：被分離組分的定性較為困難。第8頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二3.1.3 色譜基本參數(shù)與流出曲線的表征1. 基線 無(wú)試樣通過(guò)檢測(cè)器時(shí)，檢測(cè)到的信號(hào)即為基線。2. 保留值 （1）時(shí)間表示的保留值 保留時(shí)間(tR)：組分從進(jìn)樣到柱后出現(xiàn)濃度極大值時(shí)所需的時(shí)間；死時(shí)間(tM)：不與固定相作用的氣體(如空氣)的保留時(shí)間；調(diào)整保留時(shí)間（tR ）：tR= tRtM 第9頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日

5、，1點(diǎn)26分，星期二 （2）用體積表示的保留值 保留體積（VR）： VR = tRqvqv為柱出口處的載氣流量，單位：m L / min。 死體積（VM）： VM = tM qv 調(diào)整保留體積(VR)： V R = VR VM （動(dòng)畫(huà)）第10頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二3. 相對(duì)保留值r21 組分2與組分1調(diào)整保留值之比： r21 = tR2 / tR1= VR2 / VR1 相對(duì)保留值只與柱溫和固定相性質(zhì)有關(guān)，與其他色譜操作條件無(wú)關(guān)，它表示了固定相對(duì)這兩種組分的選擇性。第11頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二4. 區(qū)域?qū)挾?衡量色譜峰寬度的參

6、數(shù)，三種表示方法：（1）標(biāo)準(zhǔn)偏差()：即0.607倍峰高處色譜峰寬度的一半。（2）半峰寬(Y1/2)：色譜峰高一半處的寬度 Y1/2 =2.354 。（3）峰底寬(Wb)：Wb=4 。第12頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二第二節(jié) 色譜理論基礎(chǔ)第13頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二3.2.1 色譜分離過(guò)程中的基本關(guān)系式氣固(液固)色譜和氣液(液液)色譜，兩者的分離機(jī)理不同。 氣固色譜的固定相：多孔性的固體吸附劑顆粒。 固體吸附劑對(duì)試樣中各組分的吸附能力的不同。氣液(液液)色譜的固定相：由 擔(dān)體和固定液所組成。 固定液對(duì)試樣中各組分的溶解能力的不同。

7、氣固色譜的分離機(jī)理： 吸附與脫附的不斷重復(fù)過(guò)程。氣液色譜的分離機(jī)理： 氣液(液液)兩相間的反復(fù)多次分配過(guò)程。第14頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二1. 氣相色譜分離過(guò)程 當(dāng)試樣由載氣攜帶進(jìn)入色譜柱與固定相接觸時(shí)，被固定相溶解或吸附； 隨著載氣的不斷通入，被溶解或吸附的組分又從固定相中揮發(fā)或脫附； 揮發(fā)或脫附下的組分隨著載氣向前移動(dòng)時(shí)又再次被固定相溶解或吸附； 隨著載氣的流動(dòng)，溶解、揮發(fā)，或吸附、脫附的過(guò)程反復(fù)地進(jìn)行。第15頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二2. 分配系數(shù)K 組分在固定相和流動(dòng)相間發(fā)生的吸附、脫附，或溶解、揮發(fā)的過(guò)程叫做分配過(guò)程。在一

8、定溫度下，組分在兩相間分配達(dá)到平衡時(shí)的濃度（單位：g / mL）比，稱(chēng)為分配系數(shù)，用K 表示：分配系數(shù)是色譜分離的依據(jù)。第16頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二分配系數(shù) K 的討論試樣中的各組分具有不同的K值是分離的基礎(chǔ)； 每個(gè)組份在各種固定相上的分配系數(shù)K不同；某組分的K = 0時(shí)，即不被固定相保留，最先流出。一定溫度下，組分的分配系數(shù)K越大，出峰越慢；選擇適宜的固定相可改善分離效果；試樣一定時(shí)，K主要取決于固定相性質(zhì)；第17頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二3.分配比 k (也稱(chēng)容量因子或容量比)一定溫度下，組分在兩相間分配達(dá)到平衡時(shí)的質(zhì)量比。

9、1. 分配系數(shù)K與分配比k都是與組分及固定相的熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，隨分離柱溫度、柱壓的改變而變化。 2. 分配系數(shù)K與分配比k都是衡量色譜柱對(duì)組分保留能力的參數(shù)，數(shù)值越大，該組分的保留時(shí)間越長(zhǎng)。 3. 分配比k可以由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。第18頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二4. 容量因子與分配系數(shù)的關(guān)系 式中為相比。 填充柱相比：635；毛細(xì)管柱的相比：501500。 容量因子越大，保留時(shí)間越長(zhǎng)。 VM為流動(dòng)相體積，即柱內(nèi)固定相顆粒間的空隙體積； VS為固定相體積，對(duì)不同類(lèi)型色譜柱， VS的含義不同； 氣-液色譜柱： VS為固定液體積； 氣-固色譜柱： VS為吸附劑表面容量。第

10、19頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二5. 分配比與保留時(shí)間的關(guān)系 us：組分在分離柱內(nèi)的線速率；u：流動(dòng)相在分離柱內(nèi)的線速度； 若組分和流動(dòng)相通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的分離柱，需要的時(shí)間分別為tR和tM，則tR = tM(1+k)第20頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二6. 分離因子 分離因子（也稱(chēng)為選擇性因子）也可用來(lái)衡量?jī)晌镔|(zhì)的分離程度，用表示。 第21頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二7. 色譜流出曲線的數(shù)學(xué)描述色譜峰為正態(tài)分布時(shí)，色譜流出曲線(濃度與時(shí)間的關(guān)系)： 當(dāng)色譜峰為非正態(tài)分布時(shí)，可按正態(tài)分布函數(shù)加指數(shù)衰減函數(shù)構(gòu)建關(guān)系式。

11、第22頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二兩種色譜理論：塔板理論和速率理論。第23頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二 塔板理論的假設(shè)： (1) 每一個(gè)平衡過(guò)程間隔內(nèi)，平衡可以迅速達(dá)到； (2) 將載氣看作成脈動(dòng)（間歇）過(guò)程； (3) 試樣沿色譜柱方向的擴(kuò)散可忽略； (4) 每次分配的分配系數(shù)相同。3.2.2 塔板理論柱分離效能指標(biāo) 1. 塔板理論 半經(jīng)驗(yàn)理論；將色譜分離過(guò)程比擬作蒸餾過(guò)程，將連續(xù)的色譜分離過(guò)程分割成多次的平衡過(guò)程的重復(fù)。（動(dòng)畫(huà)）第24頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二 色譜柱長(zhǎng)：L， 虛擬的塔板間距離：H，色譜柱的

12、理論塔板數(shù)：n，則三者的關(guān)系為保留時(shí)間包含死時(shí)間，在死時(shí)間內(nèi)不參與分配!理論塔板數(shù)與色譜參數(shù)之間的關(guān)系為 n = L / H色譜峰的方差 與柱長(zhǎng)或保留時(shí)間的關(guān)系為： 第25頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二2. 有效塔板數(shù)和有效塔板高度 單位柱長(zhǎng)的塔板數(shù)越多，表明柱效越高。 用不同物質(zhì)計(jì)算可得到不同的理論塔板數(shù)。 組分在tM時(shí)間內(nèi)不參與柱內(nèi)分配。需引入有效塔板數(shù)和有效塔板高度：第26頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二3. 塔板理論的特點(diǎn)和不足 (1)當(dāng)L一定時(shí)，n 越大(H 越小)，被測(cè)組分在柱內(nèi)被分配的次數(shù)越多，柱效能則越高，所得色譜峰越窄。 (2

13、)不同物質(zhì)在同一色譜柱上的 K 不同，用n有效和H有效作為衡量柱效能的指標(biāo)時(shí)，應(yīng)指明測(cè)定物質(zhì)。 (3)柱效的高低不能表示被分離組分的實(shí)際分離效果，當(dāng)兩組分的分配系數(shù)K相同時(shí)，無(wú)論該色譜柱的塔板數(shù)多大，都無(wú)法分離。 (4)塔板理論無(wú)法解釋同一色譜柱在不同的載氣流速下柱效不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也無(wú)法指出影響柱效的因素及提高柱效的途徑。第27頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二3.2.3 速率理論-影響柱效的因素1. 速率方程（也稱(chēng)范弟姆特方程式） H = A + B/u + Cu H：理論塔板高度， u：載氣的線速率(cm/s)。 減小A、B、C三項(xiàng)可提高柱效。 存在著最佳流速。 A

14、，B，C三項(xiàng)各與哪些因素有關(guān)？第28頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二A渦流擴(kuò)散項(xiàng) A = 2dp dp：固定相的平均顆粒直徑：固定相的填充不均勻因子固定相顆粒越小dp，填充的越均勻，A，H，柱效n表現(xiàn)在渦流擴(kuò)散所引起的色譜峰變寬現(xiàn)象減輕，色譜峰較窄。（動(dòng)畫(huà)）第29頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二B/u 分子擴(kuò)散項(xiàng) B = 2 Dg ：彎曲因子，填充柱色譜， 1。 Dg：試樣組分分子在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)（cm2s-1） (1) 存在著濃度差，產(chǎn)生縱向擴(kuò)散; (2) 擴(kuò)散導(dǎo)致色譜峰變寬，H(n)，分離變差; (3) B/u與流速有關(guān)，流速，滯留時(shí)間，擴(kuò)

15、散; (4) 擴(kuò)散系數(shù)：Dg (M載氣)-1/2 ， M載氣，B值。（動(dòng)畫(huà)）第30頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二 k為容量因子； Dg 、DL為擴(kuò)散系數(shù)。 減小擔(dān)體粒度，選擇相對(duì)分子質(zhì)量小的氣體作載氣，可降低傳質(zhì)阻力。C u 傳質(zhì)阻力項(xiàng)傳質(zhì)阻力包括氣相傳質(zhì)阻力Cg和液相傳質(zhì)阻力CL，即 C =（Cg + CL）（動(dòng)畫(huà)）第31頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二2. 載氣流速與柱效最佳流速載氣流速高時(shí)： 傳質(zhì)阻力項(xiàng)是影響柱效的主要因素，流速，柱效。載氣流速低時(shí)： 分子擴(kuò)散項(xiàng)成為影響柱效的主要因素，流速,柱效 。H - u曲線與最佳流速： 由于流速對(duì)這

16、兩項(xiàng)完全相反的作用，流速對(duì)柱效的總影響使得存在著一個(gè)最佳流速值，即速率方程式中塔板高度對(duì)流速的一階導(dǎo)數(shù)有一極小值。 以塔板高度H對(duì)應(yīng)載氣流速u(mài)作圖，曲線最低點(diǎn)的流速即為最佳流速。第32頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二3. 速率理論的要點(diǎn) (1) 組分分子在柱內(nèi)運(yùn)行的多路徑與渦流擴(kuò)散、濃度梯度所造成的分子擴(kuò)散、傳質(zhì)阻力使氣液兩相間的分配平衡不能瞬間達(dá)到等是造成色譜峰擴(kuò)展柱效下降的主要原因。 (2) 通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)墓潭ㄏ嗔６?、載氣種類(lèi)、液膜厚度及載氣流速可提高柱效。 (3) 為色譜分離和操作條件選擇提供了理論指導(dǎo)。闡明了流速和柱溫對(duì)柱效及分離的影響。 (4) 各種因素相互制

17、約：載氣流速增大，分子擴(kuò)散項(xiàng)的影響減小，使柱效提高，但同時(shí)傳質(zhì)阻力項(xiàng)的影響增大，又使柱效下降；柱溫升高，有利于傳質(zhì)，但又加劇了分子擴(kuò)散的影響，選擇最佳條件，才能使柱效達(dá)到最高。第33頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二3.2.4 分離度 塔板理論和速率理論都難以描述難分離物質(zhì)對(duì)的實(shí)際分離程度。即柱效為多大時(shí)，相鄰兩組分能夠被完全分離。 難分離物質(zhì)對(duì)的分離度大小受色譜過(guò)程中兩種因素的綜合影響：保留值之差色譜過(guò)程的熱力學(xué)因素； 區(qū)域?qū)挾壬V過(guò)程的動(dòng)力學(xué)因素。 色譜分離中的四種情況如圖所示：第34頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二討論： 色譜分離中的四種情況

18、： 柱效較高，K(分配系數(shù))較大，完全分離。 K不是很大，柱效較高，峰較窄，基本分離。柱效較低，K較大，但分離的不好。 K小，柱效低，分離效果更差。第35頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二分離度的表達(dá)式：R=0.8：兩峰的分離程度可達(dá)89%；R=1：分離程度98%；R=1.5：達(dá)99.7%（相鄰兩峰完全分離的標(biāo)準(zhǔn)）。第36頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二令Wb(2)=Wb(1)=Wb（相鄰兩峰的峰底寬近似相等），引入相對(duì)保留值和塔板數(shù)，可導(dǎo)出下式：第37頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，星期二分離度基本關(guān)系式：第38頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)26分，