色譜基本理論P(yáng)PT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1 色譜基本理論色譜基本理論 第1頁(yè)/共79頁(yè) . 色譜峰(Peak): . 峰底(Peak Base): . 峰高 h (Peak Height): . 峰(底)寬 W (Peak Width): . 半(高)峰寬 W1/2 (Peak Width at Half Height): 第2頁(yè)/共79頁(yè) .峰面積(Peak Area): .標(biāo)準(zhǔn)偏差()(Standard Error): .拖尾峰(Tailing Peak): .前伸峰(Leading Peak): .鬼峰,假峰(Ghost Peak): 第3頁(yè)/共79頁(yè) . 基線(Baseline): . 基線飄移(Baseline Dr

2、ift): . 基線噪聲(N) (Baseline Noise): . 譜帶擴(kuò)展(Band Broadening): 第4頁(yè)/共79頁(yè) 保留時(shí)間(tR)(Retention time): 死時(shí)間(tM)(Dead time): 調(diào)整保留時(shí)間(tR) tR= tR- tM, 校正保留時(shí)間（tR0） tR0=j tR, 凈保留時(shí)間(tN) tN=j tR, 第5頁(yè)/共79頁(yè) 校正保留體積（VR0） :VR0=j VR 凈保留體積 (VN) : VN=j VR 比保留體積(Vg): Vg=(273/Tc)(VN/ML) 第6頁(yè)/共79頁(yè) 一 相對(duì)保留值 又叫選擇性系數(shù)或選擇性因子 =1時(shí)兩個(gè)組分分不

3、開(kāi)，改變的途徑是： 改變固定相， 改變流動(dòng)相， 改變樣品本身的性質(zhì)（如衍生化法） , 1 , 2 1 2 k k tt tt MR MR 1 R 第7頁(yè)/共79頁(yè) （1）標(biāo)準(zhǔn)偏差 （2） 半峰寬 W1/2 （3） 峰底寬度W 從色譜圖中，可得許多信息： 1 色譜峰的個(gè)數(shù)，可判斷所含組分的最少個(gè)數(shù)； 2 根據(jù)色譜峰的保留值，可以進(jìn)行定性分析； 3 根據(jù)色譜峰的面積或峰高，可以進(jìn)行定量分析； 4 色譜峰的保留值及其區(qū)域?qū)挾?，評(píng)價(jià)柱效依據(jù)； 5 色譜峰兩峰間的距離 第8頁(yè)/共79頁(yè) 三 分配系數(shù)K與分配比(容量因子)K : 1 分配系數(shù)K 平衡狀態(tài)時(shí)組分在固定相（CL）與流動(dòng)相（CG）中的濃度 之比

4、。 2 分配比(容量因子)K: 平衡狀態(tài)時(shí)組分在固定相(P)與流動(dòng)相(q)中的質(zhì)量之比。 GL CCK/ MRMR GLGGGL ttttt VKVVCVCK M / )( / , , 第9頁(yè)/共79頁(yè) 討論： K=0 則 tR = tM 組分無(wú)保留行為 K=1 則 tR = 2tM K tR很大 組分峰出不來(lái) 所以K=1-5 最好 如何控制K？ 主要選擇合適的固定液 色譜測(cè)K容易（只測(cè)tR tM ）所以常用K 第10頁(yè)/共79頁(yè) 四四 分配系數(shù)分配系數(shù)K K與分配比與分配比K K的關(guān)系于的關(guān)系于 第11頁(yè)/共79頁(yè) 五五 分配系數(shù)分配系數(shù)K,K,分配比分配比K K與選擇性因子的關(guān)系與選擇性因

5、子的關(guān)系 , 1 , 2 1 2 k k K K 第12頁(yè)/共79頁(yè) tR(x)-待測(cè)物X的調(diào)整保留時(shí)間 tR(z)-碳原子數(shù)為Z的正構(gòu)烷烴的調(diào)整保留時(shí)間 tR(z+n)-碳原子數(shù)為z+n的正構(gòu)烷烴的調(diào)整保留時(shí) 間 tR(z) tR(x) tR(z+n) （通常 n=1） 規(guī)定正構(gòu)烷烴的I 值是其他原子數(shù)的100倍， 如：正庚烷I=700 ) lglg lglg (100 , )( , )( , )( , )( ZRnZR zRXR tt tt nZ 第13頁(yè)/共79頁(yè) 柱效：也叫柱效能 。 理論塔板數(shù)n 有效理論塔板數(shù)neff 理論塔板高度H H=L/n 22 2/1 )(16)(54. 5

6、 W t W t n RR 2 , 2 2/1 , )(16)(54. 5 W t W t n RR eff 第14頁(yè)/共79頁(yè) 一氣體 H2 N2 Air 也可用CO2 Ne Ar 純度要求大于99.99 % 氣體控制系統(tǒng) 第15頁(yè)/共79頁(yè) 檢測(cè)器 常用凈化劑 作用 TCD ；FID 變色硅膠： 除H2O TCD ；FID 分子篩 ： 除H2O FID ；ECD 活性碳： 除有機(jī)物 FID ；ECD 脫氧劑 ： 除O2 氣體的壓力與流量的測(cè)量 常用皂膜流量計(jì)，用時(shí)先將皂膜流量計(jì) 管子內(nèi)壁潤(rùn)濕 第16頁(yè)/共79頁(yè) 第17頁(yè)/共79頁(yè) 第18頁(yè)/共79頁(yè) 載氣流量的校正 溫度校正 0 0 P

7、PP F W 皂 r CW T T P PP jF 0 0 皂 PW -室溫下的的水飽 和蒸汽壓 P0-柱出口處壓力 Pi -柱入口處壓力 1)/(2 1)/( 3 3 0 2 0 PP PP j i i 第19頁(yè)/共79頁(yè) 3，溫度校正 r CW C T T P PP jFF 0 0 皂 皂 jF T T P PP M tt T V r CW L R C g M 0 0 16.273 LC N g MT V V 16.273 皂 jF P PP M tt T V W L R r g M 0 0 16.273 第20頁(yè)/共79頁(yè) 空心柱的載氣流速通常不用皂膜流量計(jì)測(cè)量。而是由tM計(jì)算得到 載氣

8、的平均線速U=L/ tM 例題“實(shí)驗(yàn)與習(xí)題”例4 （P125） 作業(yè)：P131 41；42（思考）；43； 第21頁(yè)/共79頁(yè) GC是一種分離技術(shù),組分先分離才 可定性定量. 如何選擇最佳分離條 件,這需要色譜理論的指導(dǎo). 第22頁(yè)/共79頁(yè) 一 塔板理論的假設(shè) 1 在理論板高H內(nèi)，組分在氣液相內(nèi)快速平衡 2 載氣以脈沖式進(jìn)入色譜柱 3 無(wú)縱向擴(kuò)散（柱向擴(kuò)散） 4 分配系數(shù)K是常數(shù) 第23頁(yè)/共79頁(yè) 根據(jù)對(duì)色譜柱模擬蒸餾塔的假設(shè)條件，具體展開(kāi)討論組分在色譜柱中移動(dòng)分配過(guò)程如下： 動(dòng)畫(huà) 第24頁(yè)/共79頁(yè) 二、色譜流出曲線方程 -基本關(guān)系式概率推導(dǎo) 設(shè)樣品分子開(kāi)始全部位于第0號(hào)塔板上，當(dāng)色譜柱

9、中通過(guò)N體積載氣后，計(jì)算在第n塊塔板上出現(xiàn)某組分分子的概率。這個(gè)概率應(yīng)該是考慮在塔板上某組分的一個(gè)分子出現(xiàn)在流動(dòng)相中的概率(Mp) 等于在該塔板上流動(dòng)相中組分分子的個(gè)數(shù)與 整個(gè)塔板上組分分子個(gè)數(shù)之比。 第25頁(yè)/共79頁(yè) 第26頁(yè)/共79頁(yè) 第27頁(yè)/共79頁(yè) 可用二項(xiàng)式準(zhǔn)確表示出來(lái)(P+ q)N 第28頁(yè)/共79頁(yè) 01234柱出口 N=0100000 10.50.50000 20.250.50.25000 30.1250.3750.3750.12500 40.0630.250.3750.1250.0630 50.0320.1570.3130.3130.1570.032 60.0160.09

10、50.2350.3130.2350.079 70.0080.0560.1160.2750.2750.118 80.0040.0320.0860.1960.2750.138 90.0020.0180.0590.1410.2460.138 100.0010.1010.0380.1000.1890.118 第29頁(yè)/共79頁(yè) 得出色譜流出曲線方程： 2 )( 2 2 R R V VVN R R e V NW C 2 max R R V NW C 2 )( 2 max R R V VVN eCC 第30頁(yè)/共79頁(yè) 塔板理論成功之處 1 較好地解析了色譜曲線形狀 2 濃度極大點(diǎn)Cmax的位置是tR (

11、即VR) 3 可用N評(píng)價(jià)柱效 第31頁(yè)/共79頁(yè) V=VR時(shí)流出曲線達(dá)濃度極大值Cmax 2 )( 2 max R R V VVN eCC 2 )( 2 2 R R V VVN R R e V NW C 2 max R R V NW C 第32頁(yè)/共79頁(yè) Cmax的影響因素 (1)進(jìn)樣量W愈大,則Cmax愈大. W與Cmax 成正比。這是色譜峰高定量的依據(jù)。 （2）H值愈小，柱效愈高，Cmax/W比值愈大。即H越小，柱效N越高 (3)色譜柱內(nèi)徑愈小，填充愈緊密，Cmax/W比值也愈大。即柱愈細(xì)填充愈緊密，柱效N越高。 第33頁(yè)/共79頁(yè) （4） 色譜柱愈短，Cmax值愈大。 （5）先流出柱子

12、的組分容量因子小，所以Cmax/W比值愈大，反之提高色譜柱的溫度（對(duì)GC），增加流動(dòng)相中強(qiáng)洗脫溶劑的濃度（對(duì)HPLC），都可以使容量因子下降，比而使Cmax/W比值愈大，提高色譜檢測(cè)靈敏度。 第34頁(yè)/共79頁(yè) (一)塔扳理論在色譜法中的地位與作用： 1從塔板理論方程式的形式看它描述的色 譜信號(hào)軌跡應(yīng)該是正態(tài)分布函數(shù)，與實(shí)際記 錄的色譜流出曲線相符合，說(shuō)明此方程是準(zhǔn) 確的，且對(duì)色譜分配系統(tǒng)有理論指導(dǎo)意義。 2由塔板理論據(jù)導(dǎo)出來(lái)計(jì)算往效率的理論 塔板數(shù)(N)公式，是行之有效的。長(zhǎng)期以來(lái) 用N值的大小評(píng)價(jià)色譜柱柱效是成功的，是 色譜工作者不可缺少的計(jì)算公式。 第35頁(yè)/共79頁(yè) 3. 塔板理論方程

13、式描述色譜峰極高點(diǎn)的 Cmax數(shù)值是符合公式要求的，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明 Cmax 與N，W，VR之間的關(guān)系是正確的。各 參數(shù)對(duì)Cmax之影響都是客觀的。 4按塔板理論模型所建立起來(lái)的一些方程 式討論了某些色譜參數(shù)對(duì)組分色譜峰區(qū)域半 峰寬公式均符臺(tái)流出曲線半高峰寬變化的實(shí) 際。特別應(yīng)指出的是，塔板理論也提出了理 論塔板高度對(duì)色譜峰區(qū)域?qū)挾葦U(kuò)張的影響， 這一點(diǎn)過(guò)去往往被忽視。 第36頁(yè)/共79頁(yè) (二) 塔扳理論存在的不足： 1.塔板理論是模擬在一些假設(shè)條件下而提出的，假設(shè)同實(shí)際情況有差距，所以他描述的色譜分配過(guò)程定量關(guān)系合有不準(zhǔn)確的地方。 2.對(duì)于塔板高度H這個(gè)抽象的物理量究竟由哪些參變量決定的？H又

14、將怎樣影響色譜峰擴(kuò)張等一些實(shí)質(zhì)性的較深入的問(wèn)題，塔板理論卻不能回答。 第37頁(yè)/共79頁(yè) 3.為什么流動(dòng)相線速度(U)不同，柱效率(n)不同；而有時(shí)當(dāng)U值由很小一下變得很大時(shí)，則柱效能（n）指標(biāo)并未變化許多，但峰寬各異，這些現(xiàn)象塔板理論也無(wú)能為力 4.塔報(bào)理論忽略了組分分子在柱中塔板間的縱向擴(kuò)散作用，特別當(dāng)傳質(zhì)速率很快時(shí)，其縱向擴(kuò)散作用為主導(dǎo)方面，這一關(guān)鍵問(wèn)題并未闡述。 第38頁(yè)/共79頁(yè) 第39頁(yè)/共79頁(yè) 第40頁(yè)/共79頁(yè) 第41頁(yè)/共79頁(yè) van Deemter方程的數(shù)學(xué)式為 第42頁(yè)/共79頁(yè) 速率理論討論 1、渦流擴(kuò)散項(xiàng)A=2d 為反應(yīng)柱填充狀態(tài)的常數(shù) dp為填料垃徑 第43頁(yè)/

15、共79頁(yè) 2、 分子擴(kuò)散項(xiàng) B / u （縱向擴(kuò)散項(xiàng)） B = 2K0 Dg 縱向分子擴(kuò)散是由濃度梯度造成的。組分 從柱入口加入，其濃度分布的構(gòu)型呈“塞子 ”狀。它隨著流動(dòng)相向前推進(jìn)，由于存在濃 度梯度，“塞子”必然自發(fā)的向前和向后擴(kuò) 散，造成譜帶展寬。分子擴(kuò)散項(xiàng)系數(shù)為 K0為阻滯常數(shù)即彎曲因子，它反映了固定相 顆粒的幾何形狀對(duì)自由分子擴(kuò)散的阻礙情況 。 Dg 第44頁(yè)/共79頁(yè) 色譜柱中的渦流擴(kuò)散示意圖 色譜柱中的渦流擴(kuò)散示意圖 色譜柱中的渦流擴(kuò)散示意圖 第45頁(yè)/共79頁(yè) 3、傳質(zhì)阻力項(xiàng) CCg+ CL 第46頁(yè)/共79頁(yè) 氣相傳質(zhì)阻力 系數(shù)Cg為： 液相傳質(zhì)阻力 系數(shù) CL： 2 2 2

16、 0.01 (1) p g g d k C kD 2 2 2 3 (1) f l l d k C kD 第47頁(yè)/共79頁(yè) 范氏方程 H=A+B/U+CsU+CmU 令C=Cs+Cm 則 H=A+B/U+CU 作HU圖(見(jiàn)下頁(yè)): 第48頁(yè)/共79頁(yè) 方程討論 第49頁(yè)/共79頁(yè) 討論 1.曲線有一最低點(diǎn)Uopt(即Hmin) 將方程微分: 2.對(duì)開(kāi)管柱(毛細(xì)柱) A=0 得Golay方程 H=B/U+CU 對(duì)填充柱A項(xiàng)與U無(wú)關(guān),決定與柱的填充情況 0 2 C U B dU dH CBAH/2 min CBHopt/ 第50頁(yè)/共79頁(yè) 3. U很小時(shí):CU項(xiàng)可忽略,方程簡(jiǎn)化為: H=A+B/

17、U 作H1/U直線,斜率為B 4. U很大時(shí): B/U項(xiàng)可忽略,方程簡(jiǎn)化為 : H=A+CU 作HU直線,斜率為C,截距A 5. K/ 對(duì)板高H的影響(比較復(fù)雜): N隨K/的變化而變化 第51頁(yè)/共79頁(yè) 綜合考慮: U實(shí)際稍高于Uopt 因?yàn)?1.右側(cè)曲線斜率小,U稍變 不會(huì)引起H的大變化 2. 為提高分析速度 因?yàn)閁 則tR 第52頁(yè)/共79頁(yè) 第五節(jié)第五節(jié) 分離條件的優(yōu)分離條件的優(yōu) 化化 n要求1.兩峰間有一定距離tR不同 n要求2.峰寬要窄W1/2要小 第53頁(yè)/共79頁(yè) 提問(wèn):怎樣制備一根好的色譜柱? 怎樣評(píng)價(jià)? 怎樣選色譜條件? 一般:1. 選擇性(相對(duì)保留值 或保留指數(shù)I) 評(píng)

18、價(jià)固定液對(duì)物質(zhì)的保留作用 2. 柱效能(n.neff) 評(píng)價(jià)柱分離效能 3. 分離度R(總分離效能指數(shù)) 分離度是將以上二者綜合考慮 既反映柱效能,又反映選擇性 第54頁(yè)/共79頁(yè) 一一.分離參數(shù)分離參數(shù) n1. n與neff的關(guān)系 第55頁(yè)/共79頁(yè) 可見(jiàn)neffn都隨K/變化而變化 因?yàn)镵/不同，柱效不同, 所以評(píng)價(jià)柱效應(yīng)采用K/為一定值時(shí)的n , 2 , 1 () eff eff LK HH nK 22 12 16()5.54() RR tt n WW , 222 , 12 16()5.54()()() 1 RRR eff R tttK nnn WWtK 第56頁(yè)/共79頁(yè) W1/2 與

19、與 tR的關(guān)系的關(guān)系-半峰半峰 寬規(guī)律寬規(guī)律 nW1/2 =a+b tR 實(shí)驗(yàn)研究表明: 同系物組分的半峰寬線形 關(guān)系好 非同系物組分的半峰寬線形 關(guān)系差 所以我們稱之為準(zhǔn)線形關(guān)系. 第57頁(yè)/共79頁(yè) 半峰寬規(guī)律的應(yīng)用 有兩種情況 1 第二個(gè)峰可能不只一個(gè)組分 2 也許是第一針留下來(lái)未出峰的組分 第58頁(yè)/共79頁(yè) 選擇性系數(shù)(相對(duì)保留指數(shù)) 可見(jiàn)二組分沸點(diǎn)差大,柱溫低時(shí), is 大,易分離. , ( )( )( ) , ( )( )( ) R ig iN i is R Sg sN s tVV tVV C T TT T T C RT H V c sbib is C b C g )()( 5l

20、og 5 23. 0 log 第59頁(yè)/共79頁(yè) 分離度 分離條件的選擇主要是提高“難分離物質(zhì)對(duì)”的分離度 （1）峰寬分離度R 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分離度 當(dāng)兩峰高相差不大, 且峰型接近時(shí) 可以認(rèn)為W1=W2 =W W tt WW tt R RRRR12 21 12 )(2 第60頁(yè)/共79頁(yè) (2)半峰寬分離度 R1/2 R與R1/2關(guān)系,對(duì)于高斯 R1/2=1.7R 2/1 12 2/12/1 12 )(2 W tt WW tt R RRRR 第61頁(yè)/共79頁(yè) 二，分離基本關(guān)系式 此式用于計(jì)算達(dá)到一定R時(shí)所需的n必須 n表示柱效,難以說(shuō)明真實(shí)分離效果 1.2表示選擇性,表示固定液對(duì)組分保 留作用,不

21、說(shuō)明柱效 R 是總分離效能指標(biāo),只有1時(shí) ,二組分才有可能 分離 1.2 1 41 nk R k 第62頁(yè)/共79頁(yè) 討論： R=1 分離程度達(dá)98% R=1.5 完全分離,達(dá)=99.7 也叫基線分離 R5,R變化就很小了 GC分析:最好k=25 一般不超過(guò)10 否則大大延長(zhǎng)分析時(shí)間 如何改變k a.降低柱溫Tc,使k上升 b.降低流速U,使k上升 R tR 2 4 6 k k對(duì)R,tR的影響 第72頁(yè)/共79頁(yè) 3. 改變 1.2 R1.2 是準(zhǔn)熱力學(xué)常數(shù),在流動(dòng)相,固定相一定時(shí),只與Tc相關(guān) 當(dāng) 1.2 =1時(shí),改變H,k 都無(wú)法使1和2兩個(gè)組分分離 應(yīng)當(dāng)保持 k =210的前提下,設(shè)法改變1.2 方法是:a.改變柱溫Tc b.更換色譜柱 c.衍生化法(即利用化學(xué)反應(yīng)改變待測(cè)物結(jié)構(gòu)) 4. 程序升溫 程序升溫可使待測(cè)物在適當(dāng)溫度下流出,以保證每個(gè)組分有 合適的K/值,同時(shí)改變分離度 程序升溫是分離復(fù)雜多組分沸程寬的混合物的有效方法 第73頁(yè)/共79頁(yè) 5. 進(jìn)樣 i0.204 i 進(jìn)樣峰標(biāo)準(zhǔn)偏差 實(shí)際峰標(biāo)準(zhǔn)偏差 進(jìn)樣快 防止縱向擴(kuò)散 進(jìn)樣量小 使峰對(duì)稱,一般進(jìn)樣0.110l 固定液含量低時(shí)(毛細(xì)柱)進(jìn)樣量要少 進(jìn)樣技術(shù)之優(yōu)劣,可以從空氣峰,甲