色譜法基本原理

1、關(guān)于色譜法的基本原理第一張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月2.1 色譜法概述 2.1.1 色譜法的起源和發(fā)展 胡蘿卜素(黃色)石油醚+植物色素石油醚CaCO3固定相葉綠素(綠色)葉黃素(黃色)第二張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月液液分配色譜硅膠水乙醇氯仿(流動相) 各種氨基酸硅膠為載體水為固定相第三張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月年代發(fā)明者發(fā)明的色譜方法或重要應(yīng)用1906Tswett用碳酸鈣作吸附劑分離植物色素。最先提出色譜概念。1931Kuhn, Lederer用氧化鋁和碳酸鈣分離a-、b-和g-胡蘿卜素。使色譜法開始為人們所重視。1938Izmailov, Shrai

2、ber最先使用薄層色譜法。1938Taylor, Uray用離子交換色譜法分離了鋰和鉀的同位素。1941Martin, Synge提出色譜塔板理論；發(fā)明液-液分配色譜；預(yù)言了氣體可作為流動相（即氣相色譜）。1944Consden等發(fā)明了紙色譜。1949Macllean在氧化鋁中加入淀粉黏合劑制作薄層板使薄層色譜進入實用階段。1952Martin, James從理論和實踐方面完善了氣-液分配色譜法。1956Van Deemter等提出色譜速率理論，并應(yīng)用于氣相色譜。1957基于離子交換色譜的氨基酸分析專用儀器問世。1958Golay發(fā)明毛細管柱氣相色譜。1959Porath, Flodin發(fā)表凝

3、膠過濾色譜的報告。1964Moore發(fā)明凝膠滲透色譜。1965Giddings發(fā)展了色譜理論，為色譜學(xué)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。1975Small發(fā)明了以離子交換劑為固定相、強電解質(zhì)為流動相，采用抑制型電導(dǎo)檢測的新型離子色譜法。1981Jorgenson等創(chuàng)立了毛細管電泳法。第四張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月一、色譜法的定義2.1.2 色譜法定義和分類定義：利用不同溶質(zhì)（樣品）與固定相和流動相之間的作用力（分配、吸附、離子交換等）的差別，當(dāng)兩相做相對移動時，各溶質(zhì)在兩相間進行多次平衡，使各溶質(zhì)達到相互分離。特點： 高超的分離能力，是一種物理化學(xué)分析方法第五張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于202

4、2年6月具體優(yōu)點：（1）分離效率高。（2）應(yīng)用范圍廣。（3）分析速度快。（4）樣品用量少。（5）靈敏度高。（6）分離和測定一次完成。（7）易于自動化，可在工業(yè)流程中使用。 定性能力較差。 色譜法的缺點第六張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月二、色譜法的重要概念固定相流動相色譜柱 第七張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月1、按流動相所處的狀態(tài)分類 氣相色譜 - 用氣體作流動相 液相色譜 - 用液體作流動相氣固色譜氣液色譜液固色譜液液色譜三、色譜法的分類超臨界流體色譜第八張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月2、按固定相使用的形狀分類柱色譜：固定相裝在柱管內(nèi)。紙色譜薄層色譜(紙色譜和薄層

5、色譜又統(tǒng)稱作平板色譜)第九張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月第十張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月第十一張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月3、按分離過程的物理化學(xué)原理分類 吸附色譜 (LS，GS) 分配色譜 (LL，GL) 離子交換色譜 (LS) 空間排阻色譜 (LS)第十二張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月吸附色譜 (LS，GS)第十三張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月分配色譜 (LL，GL)Conditioned sorbentGood transport between sampleand sorbent硅膠水第十四張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月離

6、子交換色譜 (LS)OHElectrostatic attractionSilica baseCO2HCO2-OCON(CH3)2+NNH3+SO3- 第十五張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月空間排阻色譜 (LS)第十六張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月2.2 色譜分離原理1. 分配系數(shù)（K）Cs： 被測組分在固定相中的濃度Cm： 被測組分在流動相中的濃度2.2.1 分配系數(shù)和分配比 第十七張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月分配系數(shù)意義：K是熱力學(xué)常數(shù)，K值除了與溫度、壓力有關(guān)外，還與被測物、固定相和流動相的性質(zhì)有關(guān)。K值大Cs大tR長移動速度慢。若兩組分的K值相等兩個組分分

7、離開。 第十八張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 分配比（k）：相比 第十九張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月分配比的意義：k隨K和的變化而變化；k值越大ms越多柱的容量大 k又稱作容量因子。 k是表征色譜柱對被測組分保留能力的主要參數(shù)。 第二十張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月2.2.2 色譜法分離原理第二十一張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月色譜分離過程的特點：不同組分在通過色譜柱時移動速度不等。流動相 BBA空氣B A+B A檢測和記錄A+B+空氣進樣固定相流動相第二十二張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月10020030040050.0310.00160

8、.0780.00470.1180.00880.1380.01490.1380.021100.1250.03110.1050.04120.0830.045130.0630.05第二十三張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月2.3 色譜流出曲線 五種磺胺的色譜圖第二十四張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月氣相色譜分離多環(huán)芳烴色譜圖第二十五張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月一、色譜流出曲線或色譜圖 以檢測器對組分的響應(yīng)信號為縱坐標(biāo)，流出時間(或流出體積)為橫坐標(biāo)作圖所得的曲線。 Rf (t, V)二、色譜流出曲線構(gòu)成： 由基線和色譜峰組成?；€：指僅有流動相通過而沒有待測物，檢測器響應(yīng)信

9、號隨流出時間的變化。色譜峰：在基線上突起的部分，它是由引入流動相中被測物引起的。第二十六張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月色譜圖或色譜流出曲線第二十七張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月描述色譜峰三種參數(shù)峰高(或峰面積) 峰的大小區(qū)域?qū)挾?峰的形狀保留值(時間t、體積v) 峰的位置2.3.1 色譜峰高斯分布曲線第二十八張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月1峰高h2標(biāo)準(zhǔn)偏差，0.607h處，拐點處，峰寬正好為23峰面積A A1.065hY1/24半峰寬Y1/2 Y1/2=2.3545峰底寬Y=4，拐點作切線與基線相交，相交兩點間距離為峰底寬Y。Y1/2、Y統(tǒng)稱為區(qū)域?qū)挾鹊诙艔垼?/p>

10、PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月 通常用將各組分帶出色譜柱所需的載氣體積或時間表示。2.3.2 保留值定義： 在一定的固定相和操作條件下，任何一種物質(zhì)都有一個固定的保留值，故組分的保留值可用于該組分的定性鑒定。 特點：第三十張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月1死時間tM說明：實際上就是流動相通過色譜柱所需要的時間。或是組分在流動相中所消耗的時間。 tM由色譜柱中流動相體積Vm與流動相流速決定，與被測組分和固定相無關(guān)。 第三十一張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 保留時間tR 定義：從進樣開始到柱后, 組分出現(xiàn)響應(yīng)信號極大值 時所需時間。說明：組分的保留時間就是組分通過色譜柱

11、所需的時間。即組分在色譜柱內(nèi)運行的時間。影響因素：流 動 相性質(zhì)、在色譜柱中的體積Vm和流速固 定 相性質(zhì)、在色譜柱中的體積Vs；被測組分性質(zhì) 第三十二張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 調(diào)整保留時間（ ）定義：扣除死時間后的保留時間。說明：組分在固定相中停留的時間。= 注意：第三十三張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月4. 流動相的流速 定義：單位時間流動相所通過的距離-線流速，u單位時間通過流動相的體積-體積流速，F(xiàn)單位時間通過流動相的量-質(zhì)量流速，F(xiàn)m和摩爾流速，F(xiàn)n)F、Fm和Fn常稱作流量。第三十四張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月線流速 l/t (m/min)體

12、積流速v/t (ml/min)質(zhì)量流速m/t (g/min)F說明： 在流路的任何一點， 質(zhì)量流速或摩爾流速相等。 Fm=Fn 對于氣相色譜，線流速和體積流速可能各處不同； 對于液相色譜，線流速可能不一樣，但體積流速可視為各處相同。 氣體狀態(tài)方程不同位置處，線流速不同第三十五張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月氣相色譜中柱內(nèi)平均體積流速的確定c點處的平均體積流速 為柱內(nèi)氣體的平均摩爾流速 為流量計內(nèi)r處氣體的摩爾流速 Fc很難測，且為柱內(nèi)平均值，F(xiàn)r易測，求Fr與Fc的關(guān)系即可。第三十六張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十七張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十八張，PP

13、T共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月柱內(nèi)平均壓力 Pcr點處載氣的壓力Pr Pr = PoPw 第三十九張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月壓力校正項濕度校正項溫度校正項第四十張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月5. 死體積VM定義：不被固定相保留的組分，通過色譜柱時所需流動相的體積。 計算：VM = tM 第四十一張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月6. 保留體積VR 定義：從進樣開始到柱后出現(xiàn)待測組分響應(yīng)信號極大值時所通過的載氣體積。計算： VR = tR 注意：各種保留時間受流動相流速的影響，各種保留體積與流動相流速無關(guān)。第四十二張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月7. 調(diào)整

14、保留體積定義： 保留體積扣除死體積后的體積計算公式： = = VR VM 計算公式：第四十三張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月8. 相對保留值 r2,1 （選擇性因子 ）定義：相對保留值 r2,1是指組分2的調(diào)整保留值與組分1的調(diào)整保留值之比公式：越大兩組分容易分離； = 1時兩組分不能分開。 說明： 只與柱溫和固定相性質(zhì)有關(guān) 第四十四張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月9. 保留值與分配比的關(guān)系被測物在色譜柱內(nèi)的平均線流速x為 流動相在色譜柱內(nèi)的平均線流速為 L為色譜柱長被測物出現(xiàn)在流動相中的幾率為 x 與 的關(guān)系為 第四十五張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月色譜柱長是一定的

15、，所以 第四十六張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月色譜過程方程：表達了保留時間與分配系數(shù)或容量因子兩個重要參數(shù)的關(guān)系。 容量因子越大，溶質(zhì)的保留時間也越長。 對于混合物，分配系數(shù)不等是分離的前提。第四十七張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月例2.1 已知Vs = 2.0 mL，F(xiàn)c = 50 mLmin-1，tR = 5 min，tM = 1 min。求VM，VR， ，k，K。 第四十八張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十九張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月 色譜流出曲線可以解決的問題1樣品所含最少組分個數(shù) 2可以進行定性分析3可以進行定量分析4可對色譜柱效能進行評價

16、5. 色譜過程的熱力學(xué)問題6. 色譜過程的動力學(xué)問題總結(jié)第五十張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月色譜理論 色譜理論需要解決的問題： 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 色譜分離過程的熱力學(xué)和動力學(xué)問題。第五十一張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月2.4 塔板理論 第五十二張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月2.4.1 塔板理論的假設(shè)1. 柱分成n段，n為理論塔板數(shù)，每段高為H，H為塔板高度，柱長為L，則n=L/H2. 所有組分開始都加在第零號塔板上。3. 在每塊塔板上被測物在兩相間平衡是瞬間建立的。4. 流動相是以脈沖式(塞子式)進入色譜柱進行沖

17、洗的，每次恰好為一個塔板體積V。5. 在所有塔板上，同一組分的分配系數(shù)為常數(shù)，即和組分的量無關(guān)。6. 沿色譜柱方向不存在塔板與塔板間被測物的縱向擴散。第五十三張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十四張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月假定：K=1 Vs/Vm=1 k=1 n=5 進樣量 m=1mg 板體積數(shù)（V）0123400.50.51V0.250.250.250.252V0.1250.250.1250.1250.250.1253V0.06250.1880.1880.06250.06250.1880.1880.06254V0.03120.1250.1880.1250.03120.

18、03120.1250.1880.1250.0312檢測器第五十五張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月這一理論得到結(jié)果1分布有一最大，兩邊逐漸減小2色譜流出曲線的形狀類似于數(shù)學(xué)上的正態(tài)分布曲線正態(tài)分布方程為：第五十六張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月C：不同流出體積時的組分濃度m：進樣量 VR：保留體積n：塔板數(shù) V ：流出體積將正態(tài)分布方程用于色譜流出曲線方程的數(shù)學(xué)表達式，也稱塔板理論方程 ： 第五十七張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月令：為標(biāo)準(zhǔn)偏差 令：m = 1 當(dāng)VVR時， 當(dāng)則則：第五十八張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月將代入第五十九張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2

19、022年6月由Y1/2 = 2.354 和 Y = 4 可證明Y1/2=0.5885Y第六十張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月為了準(zhǔn)確評價色譜柱效能，宜采用有效塔板數(shù)neff和有效塔板高度Heff第六十一張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月理論塔板數(shù)和有效塔板數(shù)關(guān)系說明：對于n和neff以及H和Heff，用同一色譜柱時對不同物質(zhì)是不一樣的；同一物質(zhì)，對不同柱子也不一樣。第六十二張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月塔板理論的成功與不足成功：1、導(dǎo)出了色譜流出曲線的數(shù)學(xué)表達式；2、說明了色譜峰的形狀呈正態(tài)分布；3、解釋了濃度極大點；4、提出了評價柱效的參數(shù)(n)及其計算式 不足：1、

20、僅考慮了熱力學(xué)因素，沒有考慮動力學(xué)因素；2、不能說明影響柱效的因素及譜帶擴張的原因；3、不能說明流動相流速對柱效的影響，而實驗事實是流速不同時測得的n (或H)不同 第六十三張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月2.5 速率理論2.5.1 氣相色譜法色譜過程的動力學(xué)理論塔板高度H 與載氣線速度的關(guān)系第六十四張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月A 為渦流擴散項，B 為分子擴散項系數(shù)，C 為傳質(zhì)阻力項系數(shù)， 為載氣的平均線流速范弟姆特方程第六十五張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月1渦流擴散項AA = 2dP：填充不規(guī)則因子dP：填充物顆粒的平均直徑第六十六張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于20

21、22年6月第六十七張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月影響： 填充物顆粒的大小、分布以及填充均勻的程度；不受影響：載氣性質(zhì)、線速度和組分無關(guān)。減小渦流擴散提高柱效的有效途徑： 使用適當(dāng)小的顆粒，且顆粒均勻的填充物，并盡量填充均勻。對于空心毛細管柱，A = 0。 A = 2dP第六十八張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月12與顆粒的均勻程度有關(guān)及填充的均勻程度有關(guān)第六十九張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月2分子擴散項分子擴散項的系數(shù)B ： B = 2Dg ： 彎曲因子Dg：組分在氣相中的擴散系數(shù)(cm2s-1)第七十張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月第七十一張，PPT共九十頁

22、，創(chuàng)作于2022年6月與填充物有關(guān)： 對于填充柱， = 0.50.7； 對于毛細管柱， = 1.0。 Dg與組分的性質(zhì)、載氣的性質(zhì)、柱溫和柱壓等因素有關(guān)： 分子量大的組分Dg??； Dg反比于載氣分子量的平方根, 故采用分子量較大的載氣可使B項降低； Dg隨柱溫升高而增大，而隨柱壓增大而減小。B = 2Dg第七十二張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月3傳質(zhì)阻力項 C傳質(zhì)：物質(zhì)因濃度不均勻而發(fā)生的遷移過程稱為傳質(zhì) 傳質(zhì)阻力：影響此遷移過程速度的阻力稱為傳質(zhì)阻力 傳質(zhì)阻力種類：包括氣相和液相傳質(zhì)阻力，而傳質(zhì)阻力系數(shù)也包括氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cg和液相傳質(zhì)阻力系數(shù)ClC = Cg + Cl 第七十三張

23、，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月氣相傳質(zhì)過程氣相傳質(zhì)過程是待測組分從氣液界面移動到氣相內(nèi)部而后又移動到液相表面的過程。第七十四張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月影 響：Cg與填充物粒度dp的平方成正比，與組分在載氣流中的擴散系數(shù)Dg成反比。解決方法：因此采用粒度小的填充物和分子量小的氣體作載氣可使Cg減小,從而提高柱效。對于填充柱：氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)第七十五張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月液相傳質(zhì)過程液相傳質(zhì)過程是指待測組分從氣液界面移動到液相內(nèi)部，發(fā)生質(zhì)量交換以達到分配平衡，然后又返回氣液界面的傳質(zhì)過程。第七十六張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月影 響：固定相液膜厚度

24、（df） 和組分在液相中的擴散系數(shù)（Dl ）。解決方法：減小液膜厚度df，增大組分在液相中的擴散系數(shù)Dl，均可提高柱效。 液相傳質(zhì)阻力系數(shù)第七十七張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月速率理論方程填料性質(zhì)：填料顆粒均勻程度、填料顆粒大小填充情況：填料在色譜柱中填充均勻程度流動相：流動相種類和流速固定相：固定液厚度公式說明影響n或H的因素結(jié)論：范弟姆特方程對色譜分離條件的選擇具有指導(dǎo)意義第七十八張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月2.6 分離度(Rs)2.6.1 定義Rs是相鄰兩組分色譜峰保留值 和 之差與兩個組分色譜峰峰底寬Y1和Y2總和的一半的比值 衡量色譜圖中相鄰兩峰分離程度意義第七十九張，PPT共九十頁，創(chuàng)作于2022年6月熱力學(xué)因素（兩峰離開距離）動力學(xué)因素（兩峰寬