色譜分離原理

色譜分離原理一、色譜分析法概論色譜法的由來：1906年由俄國植物學(xué)家Tsweet創(chuàng)立，植物色素分離固定相——CaCO3顆粒流動相——石油醚

色帶18-1概述第2頁,共71頁，2024年2月25日，星期天1901年俄國植物學(xué)家Tswett發(fā)現(xiàn)，利用吸附原理分離植物色素1903年發(fā)表文章：Onanewcategoryofadsorptionphenomenaandtheirapplicationtobiochemicalanalysis1906年Tswett創(chuàng)立“chromatography”—“色譜法”新名詞1907年在德國生物會議上第一次向世界公開展示顯現(xiàn)彩色環(huán)帶的柱管1930年R.Kuhn用色譜柱分離出胡蘿卜素1935年AdamsandHolmes發(fā)明了苯酚-甲醛型離子交換樹脂，進一步發(fā)明了離子色譜1938年Izmailov發(fā)明薄層色譜1941年Martin&Synge發(fā)明了液-液分配色譜第3頁,共71頁，2024年2月25日，星期天1944年Consden,Gordon&Martin發(fā)明紙色譜1952年Martin&Synge發(fā)明氣-液色譜1953年Janak發(fā)明氣-固色譜1954年Ray發(fā)明熱導(dǎo)檢測器1957年Martin&Golay發(fā)明毛細管色譜1959年P(guān)orath&Flodin發(fā)明凝膠色譜1960年代末出現(xiàn)高效液相色譜法1980年代超臨界流體色譜得到發(fā)展1980年代Jorgeson發(fā)展了高效毛細管電泳1990年代后期毛細管電色譜得到重視和發(fā)展第4頁,共71頁，2024年2月25日，星期天樣品制備檢測GC,HPLC,CE,CEC,micro-TAS……SP(M)E等分離氣相色譜和高效液相色譜發(fā)展最好超臨界流體色譜處于失利地位毛細管電泳與毛細管電色譜處于研究階段，進入部分應(yīng)用領(lǐng)域

色譜法的現(xiàn)狀和未來

色譜法的重要作用第5頁,共71頁，2024年2月25日，星期天二、色譜法的定義與分類色譜法是一種物理化學(xué)分析方法，它利用混合物中各物質(zhì)在兩相（固定相和流動相）間的分配系數(shù)的差別，當(dāng)兩相作相對運動時，各物質(zhì)隨流動相運動，并在兩相間進行多次分配，從而使各組分得到分離。第6頁,共71頁，2024年2月25日，星期天三、色譜法的分類1．按固定相的固定方式分：2．按分離機制分：平面色譜

紙色譜薄層色譜高分子薄膜色譜柱色譜

填充柱色譜毛細管柱色譜

分配色譜：利用分配系數(shù)的不同吸附色譜：利用物理吸附性能的差異離子交換色譜：利用離子交換原理空間排阻色譜：利用排阻作用力的不同第7頁,共71頁，2024年2月25日，星期天5.色譜操作方式迎頭色譜頂替色譜洗脫色譜4.流動相和固定相的極性正相色譜（流動相極性小于固定相）反相色譜（流動相極性大于固定相）6.用途分析型色譜制備型色譜流程色譜3.流動相物理狀態(tài)

氣相色譜氣固色譜氣液色譜液相色譜液液色譜液固色譜超臨界流體色譜第8頁,共71頁，2024年2月25日，星期天洗脫色譜（沖洗）這是色譜過程最常用的方法。將試樣加入色譜柱的入口端，然后用流動相沖洗柱子，由于各組分在固定相上的吸附（或溶解）能力不同，于是被流動相帶出的時間不同。第9頁,共71頁，2024年2月25日，星期天18-2色譜分離原理多環(huán)芳烴HPLC色譜圖一、色譜分離過程第10頁,共71頁，2024年2月25日，星期天色譜分離與逛街第11頁,共71頁，2024年2月25日，星期天1.分配系數(shù)（partionfactor）K

組分在固定相和流動相間發(fā)生的吸附、脫附，或溶解、揮發(fā)的過程叫做分配過程。在一定溫度下，組分在兩相間分配達到平衡時的濃度（單位：g/mL）比，稱為分配系數(shù)，用K表示，即：分配系數(shù)是色譜分離的依據(jù)。mobilephasestationaryphase基本概念：固定相（s）；流動相（m）第12頁,共71頁，2024年2月25日，星期天分配系數(shù)K的討論

一定溫度下，組分的分配系數(shù)K越大，出峰越慢；試樣一定時，K主要取決于固定相性質(zhì)；每個組份在各種固定相上的分配系數(shù)K不同；選擇適宜的固定相可改善分離效果；試樣中的各組分具有不同的K值是分離的基礎(chǔ)；某組分的K=0時，即不被固定相保留，最先流出。第13頁,共71頁，2024年2月25日，星期天2.分配比（partionratio）k

在實際工作中，也常用分配比來表征色譜分配平衡過程。分配比是指，在一定溫度下，組分在兩相間分配達到平衡時的質(zhì)量比：

1.分配系數(shù)與分配比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)與分配比都是衡量色譜柱對組分保留能力的參數(shù)，數(shù)值越大，該組分的保留時間越長。

3.分配比可以由實驗測得。分配比也稱：

保留因子，容量因子(capacityfactor)；容量比(capacityfactor)；第14頁,共71頁，2024年2月25日，星期天3.分配比(k)與分配系數(shù)(K)的關(guān)系

式中β=Vs/Vm為相比。填充柱相比：6～35；毛細管柱的相比：50～1500。容量因子越大，保留時間越長。

VM為流動相體積，即柱內(nèi)固定相顆粒間的空隙體積；

VS為固定相體積，對不同類型色譜柱，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15頁,共71頁，2024年2月25日，星期天分配系數(shù)、分配比與相比

分配系數(shù)、分配比和相比：固定相/流動相分配系數(shù)：濃度比分配比（容量因子）：質(zhì)量比相比：體積比同一種物質(zhì)在兩相中的質(zhì)量比第16頁,共71頁，2024年2月25日，星期天二、色譜流出曲線與術(shù)語1.基線

無試樣通過檢測器時，檢測到的信號即為基線。

（1）時間表示的保留值

保留時間（tR）：組分從進樣到柱后出現(xiàn)濃度極大值時所需的時間；

死時間（tM）：不與固定相作用的氣體（如空氣）的保留時間；

調(diào)整保留時間（tR

＇）：tR＇=tR－tM

2.保留值溶質(zhì)在固定相中停留的總時間三個時間及其含義很重要第17頁,共71頁，2024年2月25日，星期天

（2）用體積表示的保留值

保留體積（VR）：

VR=tR×F0F0為柱出口處的載氣流量，單位：mL/min。

死體積（VM）：

VM=tM×F0

調(diào)整保留體積(VR＇)：

V

R＇=VR

－VM

第18頁,共71頁，2024年2月25日，星期天3.相對保留值r2,1

組分2的保留值或K一般大于組分1，因此相對保留值總是大于1，只與柱溫和固定相性質(zhì)有關(guān)，與其他色譜操作條件無關(guān)，它表示了固定相對這兩種組分的選擇性。相對保留值(r2,1)relativeretention在一定色譜條件下兩種組分（如被測化合物和標(biāo)準(zhǔn)化合物）調(diào)整保留時間之比。r2,1=t’R2/t’R1=K2/K1=k2/k1分離因子()separationfactor=t’R2/t’R1

很重要，它描述兩種物質(zhì)的分離能力第19頁,共71頁，2024年2月25日，星期天4.分配比與保留時間的關(guān)系

滯留因子/比移值（retardationfactor）：ux：組分在分離柱內(nèi)的線速度；u：流動相在分離柱內(nèi)的線速度；LxL薄板層析柱層析分配比越大，保留時間越長樣品遷移的距離或位置樣品通過層析柱的速度或時間第20頁,共71頁，2024年2月25日，星期天LxL色譜分離原理：(1)溶質(zhì)不是在流動相就是在固定相；(2)溶質(zhì)只有在流動相才遷移。溶質(zhì)分子在流動相中平均消耗的時間分數(shù)應(yīng)等于溶質(zhì)分子在流動相中分布的分子分數(shù)。tM∝nmtR∝ns+nmtR’∝ns柱層析第21頁,共71頁，2024年2月25日，星期天由以上各式，可得：tR=tM(1+k)溶質(zhì)保留方程kt因此，滯留因子Rf也可以用質(zhì)量分數(shù)ω表示：第22頁,共71頁，2024年2月25日，星期天5.區(qū)域?qū)挾?/p>

用來衡量色譜峰寬度的參數(shù)，有三種表示方法：（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23頁,共71頁，2024年2月25日，星期天假如一個溶質(zhì)的分配比為0.2，則它在色譜柱的流動相中的百分率是多少？∵k=ns/nm=0.2∴nm=5ns

nm/n×100%=nm/(nm+ns)×100%=83.3%

習(xí)題

第24頁,共71頁，2024年2月25日，星期天在某色譜條件下，組分A的保留時間為18min，組分B的保留時間為25.0min，其死時間為2min，試計算：

（1）組分B對A的相對保留值；

（2）組分A,B的分配比；

（3）組分B通過色譜柱在流動相、固定相中保留的時間是多少？各占保留時間分數(shù)為多少？解：（1）組分B對A的相對保留值

γB/A=tB’/tA’=(25-2)/(18-2)＝1.44（2）組分A,B的分配比

kA=(18-2)/2=8.0

kB=(25-2)/2=11.5（3）組分B通過色譜柱在流動相保留的時間是tM=2min；在固定相保留的時間tB’=25-2=23min。各占保留時間分數(shù)的8％和92％。第25頁,共71頁，2024年2月25日，星期天18-3色譜法基本理論

色譜理論需要解決的問題：色譜分離過程的熱力學(xué)和動力學(xué)問題。影響分離及柱效的因素與提高柱效的途徑，柱效與分離度的評價指標(biāo)及其關(guān)系。組分保留時間為何不同？色譜峰為何變寬？組分保留時間：色譜過程的熱力學(xué)因素控制；（組分和固定液的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)）色譜峰變寬：色譜過程的動力學(xué)因素控制；（兩相中的運動阻力，擴散）兩種色譜理論：塔板理論和速率理論；第26頁,共71頁，2024年2月25日，星期天

塔板理論的假設(shè)：

(1)在每一個平衡過程間隔內(nèi)，平衡可以迅速達到；

(2)將載氣看作成脈動（間歇）過程；

(3)試樣沿色譜柱方向的擴散可忽略；

(4)每次分配的分配系數(shù)相同。一、塔板理論-柱分離效能指標(biāo)1.塔板理論（platetheory）半經(jīng)驗理論；將色譜分離過程比擬作蒸餾過程，將連續(xù)的色譜分離過程分割成多次的平衡過程的重復(fù)（類似于蒸餾塔塔板上的平衡過程）；第27頁,共71頁，2024年2月25日，星期天

色譜柱長：L，虛擬的塔板間距離：H，色譜柱的理論塔板數(shù)：n，則三者的關(guān)系為：

n=L/H理論塔板數(shù)與色譜參數(shù)之間的關(guān)系為：保留時間包含死時間，在死時間內(nèi)不參與分配!重要公式第28頁,共71頁，2024年2月25日，星期天2.有效塔板數(shù)和有效塔板高度

單位柱長的塔板數(shù)越多，表明柱效越高。用不同物質(zhì)計算可得到不同的理論塔板數(shù)。組分在tM時間內(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：重要公式第29頁,共71頁，2024年2月25日，星期天(1)當(dāng)色譜柱長度一定時，塔板數(shù)n

越大(塔板高度H越小)，被測組分在柱內(nèi)被分配的次數(shù)越多，柱效能則越高，所得色譜峰越窄。(2)不同物質(zhì)在同一色譜柱上的分配系數(shù)不同，用有效塔板數(shù)和有效塔板高度作為衡量柱效能的指標(biāo)時，應(yīng)指明測定物質(zhì)。(3)柱效不能表示被分離組分的實際分離效果，當(dāng)兩組分的分配系數(shù)K相同時，無論該色譜柱的塔板數(shù)多大，都無法分離。3.塔板理論的特點、成功和不足特點：第30頁,共71頁，2024年2月25日，星期天成功點：流出曲線的形狀濃度極大點的位置計算和評價柱效能的指標(biāo)（n,H)不足：無法回答的問題實驗參數(shù)如填料的大小、分子結(jié)構(gòu)、溫度等對色譜峰形以及塔板數(shù)和塔板高度的影響理論塔板高度與流速有關(guān)第31頁,共71頁，2024年2月25日，星期天二、速率理論-影響柱效的因素1.速率方程（也稱范.弟姆特方程式）

H=A+B/u+C·u

H：理論塔板高度，

u：載氣的線速度(cm/s)

減小A、B、C三項可提高柱效；存在著最佳流速；

A、B、C三項各與哪些因素有關(guān)？第32頁,共71頁，2024年2月25日，星期天A─渦流擴散項

A=2λdp

dp：固定相的平均顆粒直徑λ：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)在渦流擴散所引起的色譜峰變寬現(xiàn)象減輕，色譜峰較窄。第33頁,共71頁，2024年2月25日，星期天B/u—分子擴散項

B=2νDgν

：彎曲因子，填充柱色譜，ν<1。

Dg：試樣組分分子在氣相中的擴散系數(shù)（cm2·s-1）

(1)存在著濃度差，產(chǎn)生縱向擴散;(2)擴散導(dǎo)致色譜峰變寬，H↑(n↓)，分離變差;(3)分子擴散項與流速有關(guān)，流速↓，滯留時間↑，擴散↑;(4)擴散系數(shù)：Dg

∝(M載氣)-1/2；M載氣↑，B值↓。第34頁,共71頁，2024年2月25日，星期天

k為容量因子；Dg

、DL為擴散系數(shù)。

減小擔(dān)體粒度，選擇小分子量的氣體作載氣，可降低傳質(zhì)阻力。C·u—傳質(zhì)阻力項

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）第35頁,共71頁，2024年2月25日，星期天2.載氣流速與柱效——最佳流速載氣流速高時：

傳質(zhì)阻力項是影響柱效的主要因素，流速

，柱效

。載氣流速低時：

分子擴散項成為影響柱效的主要因素，流速

,柱效

。H-u曲線與最佳流速：

由于流速對這兩項完全相反的作用，流速對柱效的總影響使得存在著一個最佳流速值，即速率方程式中塔板高度對流速的一階導(dǎo)數(shù)有一極小值。以塔板高度H對應(yīng)載氣流速u作圖，曲線最低點的流速即為最佳流速。第36頁,共71頁，2024年2月25日，星期天3.速率理論的要點(1)組分分子在柱內(nèi)運行的多路徑與渦流擴散、濃度梯度所造成的分子擴散及傳質(zhì)阻力使氣液兩相間的分配平衡不能瞬間達到等因素是造成色譜峰擴展柱效下降的主要原因。(2)通過選擇適當(dāng)?shù)墓潭ㄏ嗔６取⑤d氣種類、液膜厚度及載氣流速可提高柱效。(3)速率理論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柱效及分離的影響。(4)各種因素相互制約，如載氣流速增大，分子擴散項的影響減小，使柱效提高，但同時傳質(zhì)阻力項的影響增大，又使柱效下降；柱溫升高，有利于傳質(zhì)，但又加劇了分子擴散的影響，選擇最佳條件，才能使柱效達到最高。第37頁,共71頁，2024年2月25日，星期天

塔板理論和速率理論都難以描述難分離物質(zhì)對的實際分離程度。即柱效為多大時，相鄰兩組份能夠被完全分離。難分離物質(zhì)對的分離度大小受色譜過程中兩種因素的綜合影響：保留值之差──色譜過程的熱力學(xué)因素；

區(qū)域?qū)挾醛ぉどV過程的動力學(xué)因素。色譜分離中的四種情況如圖所示：18-4分離度第38頁,共71頁，2024年2月25日，星期天討論：

色譜分離中的四種情況的討論：①柱效較高，△K(分配系數(shù))較大，完全分離；②△K不是很大，柱效較高，峰較窄，基本上完全分離；③柱效較低，△K較大，但分離的不好；④△K小，柱效低，分離效果更差。第39頁,共71頁，2024年2月25日，星期天分離度的表達式：R=0.8：兩峰的分離程度可達89%；R=1：分離程度98%；R=1.5：達99.7%（相鄰兩峰完全分離的標(biāo)準(zhǔn)）。重要公式第40頁,共71頁，2024年2月25日，星期天不同分離度時色譜峰的分離程度第41頁,共71頁，2024年2月25日，星期天色譜分離基本方程式的推導(dǎo)由溶質(zhì)保留方程得分離因子為：

=k2/k1tR=ktM+tM第42頁,共71頁，2024年2月25日，星期天令Wb2=Wb1=Wb（相鄰兩峰的峰底寬近似相等），引入相對保留值和塔板數(shù)，可導(dǎo)出下式：由于α

＝tR2’/tR1’≠tR2/tR1因此，此處只能用neff不能用n此處的neff應(yīng)為組分2（后出來組分）的有效塔板數(shù)第43頁,共71頁，2024年2月25日，星期天第44頁,共71頁，2024年2月25日，星期天R、n與neff之間的關(guān)系？此兩公式的成立前提是Wb1=Wb2第45頁,共71頁，2024年2月25日，星期天影響分離度的因素色譜分離基本方程式I柱效因子項；II分離因子項；III容量因子項第46頁,共71頁，2024年2月25日，星期天I柱效因子項分離度與柱效的關(guān)系R

n1/2增加柱長可提高分離度（分析時間增加，柱壓降增大）減小色譜柱的H值，可提高分離度（有效途徑）第47頁,共71頁，2024年2月25日，星期天II分離因子項分離度與色譜柱選擇性的關(guān)系

=1，R=0不能分離越大，分離度越大，分離效果越好R確定且已知，可由色譜分離基本方程式計算所需理論塔板數(shù)第48頁,共71頁，2024年2月25日，星期天II分離因子項第49頁,共71頁，2024年2月25日，星期天III保留因子項第50頁,共71頁，2024年2月25日，星期天討論：（1）分離度R與柱效n

分離度與柱效的平方根成正比，α一定時，增加柱效，可以提高分離度，但是組分保留時間增加并且峰擴展，分析時間長。（2）分離度R與分離因子α

增大α是提高分離度的最有效方法，計算可知，在相同分離度下，當(dāng)α增加一倍，需要的neff減小10000倍。

增大α的最有效方法是選擇合適的固定液。第51頁,共71頁，2024年2月25日，星期天色譜分離過程第52頁,共71頁，2024年2月25日，星期天改進分離的兩種途徑第53頁,共71頁，2024年2月25日，星期天色譜分離效果色譜峰的位置------色譜熱力學(xué)色譜峰的寬窄------色譜動力學(xué)柱效和選擇性對分離的影響改變選擇性因子提高柱效第54頁,共71頁，2024年2月25日，星期天液相色譜流動相對分離的影響第55頁,共71頁，2024年2月25日，星期天重要公式匯總分配系數(shù)K分配比/容量因子/容量比/保留因子k相比β分離因子/選擇因子/相對保留值α保留時間tR調(diào)整保留時間tR’死時間tM比移值/滯留因子Rf分離度R峰底寬(半峰高寬)W(Y1/2)柱效（有效）n(neff)塔板高度（有效）H(Heff)單一組分兩個組分第56頁,共71頁，2024年2月25日，星期天例題1：

在一定條件下，兩個組分的調(diào)整保留時間分別為85秒和100秒，要達到完全分離，即R=1.5。計算需要多少塊有效塔板。若填充柱的塔板高度為0.1cm，柱長是多少？解：α

=100/85=1.18

n有效=16R2[α/(α—1)]2=16×1.52×(1.18/0.18)2

=1547（塊）

L有效=n有效·H有效=1547×0.1=155cm

即柱長為1.55米時，兩組分可以得到完全分離?；痉蛛x方程的應(yīng)用例第57頁,共71頁，2024年2月25日，星期天例題2：

在一定條件下，如果兩個組分的柱效均為n=3600塊/m，柱長為1m，而兩個組分的保留時間分別為12.2s和12.8s，計算分離度。要達到完全分離，即R=1.5，所需要的柱長。解：分離度：塔板數(shù)增加一倍，分離度增加多少？第58頁,共71頁，2024年2月25日，星期天有一根1m長的色譜柱，分離組分1和2，得到下列色譜圖。圖中橫坐標(biāo)l為記錄紙走紙距離。若欲得到Rs=1.2的分離度，有效塔板數(shù)應(yīng)為多少？色譜柱應(yīng)加到多長？例題3：第59頁,共71頁，2024年2月25日，星期天解先求分離因子：

=t’R2/t’R1=(49-5)/(45-5)=1.1求分離度：Rs=2(tR2-tR1)/(Y1+Y2)=(49-45)/5=0.8求有效塔板數(shù)：n有效=16(t’R/Y)2=16((49-5)/5)2=1239若要使R=1.2,所需有效塔板數(shù)為：n有效=16Rs2(/(-1))2n有效=161.22

（1.1/0.1)2=2788所需柱長為：L=2788/1239=2.25m第60頁,共71頁，2024年2月25日，星期天色譜分離檢測的特點：（1）檢測器多為通用型，所有物質(zhì)產(chǎn)生相同類型的信號；（2）相同分離及檢測條件下，不同物質(zhì)的檢測靈敏