化院 色譜法概述

化院色譜法概述2023/7/31第1頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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：俄國植物學(xué)家茨維特在1906年分離葉綠素

混合物分離過程：試樣中各組分在稱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)，稱為固定相。

另一相是攜帶試樣混合物流過固定相的流體(氣體或液體)，稱為流動(dòng)相。（動(dòng)畫）第2頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2色譜法的特點(diǎn)和分類當(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）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，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月2.色譜法分類

(1)氣相色譜：流動(dòng)相為氣體（稱為載氣）。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，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)液相色譜

流動(dòng)相為液體（也稱為淋洗液）。按固定相的不同分為：液固色譜和液液色譜。

第5頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月(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，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月色譜一般結(jié)構(gòu)流程色譜法分類圖示第7頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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μg·g-1(10-6)級(jí)甚至ng·g-1(10-9)級(jí)的物質(zhì)。（3）分析速度快

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，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.3色譜基本參數(shù)與流出曲線的表征1.基線

無試樣通過檢測(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＇=tR－tM

第9頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）用體積表示的保留值

保留體積（VR）：

VR=tR×qvqv為柱出口處的載氣流量，單位：mL/min。

死體積（VM）：

VM=tM×qv

調(diào)整保留體積(VR＇)：

V

R＇=VR－VM

（動(dòng)畫）第10頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.相對(duì)保留值r21

組分2與組分1調(diào)整保留值之比：

r21=t′R2

/t′R1=V′R2/V′R1

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關(guān)，它表示了固定相對(duì)這兩種組分的選擇性。第11頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月4.區(qū)域?qū)挾群饬可V峰寬度的參數(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，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)色譜理論基礎(chǔ)第13頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.1色譜分離過程中的基本關(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。氣固色譜的分離機(jī)理：

吸附與脫附的不斷重復(fù)過程。氣液色譜的分離機(jī)理：

氣液(液液)兩相間的反復(fù)多次分配過程。第14頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月1.氣相色譜分離過程

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、脫附的過程反復(fù)地進(jìn)行。第15頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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)的過程叫做分配過程。在一定溫度下，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，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月分配系數(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，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.分配比k(也稱容量因子或容量比)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。

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，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月4.容量因子與分配系數(shù)的關(guān)系

式中β為相比。填充柱相比：6～35；毛細(xì)管柱的相比：50～1500。

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19頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6.分離因子

分離因子（也稱為選擇性因子）也可用來衡量?jī)晌镔|(zhì)的分離程度，用α表示。

第21頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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。第22頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月兩種色譜理論：塔板理論和速率理論。第23頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

塔板理論的假設(shè)：

(1)每一個(gè)平衡過程間隔內(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)。（動(dòng)畫）第24頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

色譜柱長(zhǎng)：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，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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)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)，無論該色譜柱的塔板數(shù)多大，都無法分離。(4)塔板理論無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，也無法指出影響柱效的因素及提高柱效的途徑。第27頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.3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：載氣的線速率(cm/s)。

減小A、B、C三項(xiàng)可提高柱效。存在著最佳流速。

A，B，C三項(xiàng)各與哪些因素有關(guān)？第28頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月A─渦流擴(kuò)散項(xiàng)

A=2λdpdp：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(kuò)散所引起的色譜峰變寬現(xiàn)象減輕，色譜峰較窄。（動(dòng)畫）第29頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月B/u—分子擴(kuò)散項(xiàng)

B=2υDgυ：彎曲因子，填充柱色譜，υ

<1。Dg：試樣組分分子在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)（cm2·s-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)散↑;(4)擴(kuò)散系數(shù)：Dg

∝(M載氣)-1/2，M載氣↑，B值↓。（動(dòng)畫）第30頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

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）第31頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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作圖，曲線最低點(diǎn)的流速即為最佳流速。第32頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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)通過選擇適當(dāng)?shù)墓潭ㄏ嗔６?、載氣種類、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，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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(dòng)力學(xué)因素。色譜分離中的四種情況如圖所示：第34頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月討論：色譜分離中的四種情況：①柱效較高，ΔK(分配系數(shù))較大，完全分離。②ΔK不是很大，柱效較高，峰較窄，基本分離。③柱效較低，ΔK較大，但分離的不好。④ΔK小，柱效低，分離效果更差。第35頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月分離度的表達(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，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月令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，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月分離度基本關(guān)系式：第38頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月討論：（1）分離度與柱效

分離度與柱效(n)的平方根成正