第 二 章色谱分离技术的理论基础 现代分离技术课件.ppt

1、Modern Separation Technique现代分离技术现代分离技术郑州大学化学系郑州大学化学系 张书胜张书胜2006年2月19日重点讲解色谱分离和毛细管电泳技术的基础理论；全面介绍现代分离技术在科学研究中的作用；强调实际实验技术，使学生能够比较熟练地运用所学 的基础理论知识解决自己科研和工作中的实际问题。 授授 课课 对对 象：象：硕士研究生学学 时：时： 40 学时 内容与目的内容与目的现代分离技术概论色谱理论气相色谱液相色谱毛细管电泳制备色谱现代色谱仪器新技术主要讲授内容主要讲授内容 第一节第一节 色谱法色谱法简介简介 211 色谱法的历史色谱法的历史 212 分类分类 213

2、 色谱学文献色谱学文献 第二节第二节 色谱法的重要参数色谱法的重要参数 221 重要名词重要名词 222 色谱过程基本方程式色谱过程基本方程式 223 分辨率分辨率 第三节第三节 平衡塔板理论平衡塔板理论 231 色谱分离的塔板理论色谱分离的塔板理论 232 塔板理论的基本假设与方程塔板理论的基本假设与方程 第四节第四节 速率理论速率理论 241 涡流扩散涡流扩散 242 纵向分子扩散纵向分子扩散 243 传质阻力传质阻力 244 速率理论方程速率理论方程 第五节第五节 色谱过程的热力学基础色谱过程的热力学基础 251 气相色谱分配平衡气相色谱分配平衡 252 液相色谱中的热力学基础液相色谱中

3、的热力学基础 第六节第六节 分子间的作用力分子间的作用力 第七节第七节 分辨率方程分辨率方程 第第 二二 章章 色谱分离技术的理论基础色谱分离技术的理论基础19011901年，俄国植物学家茨维特（年，俄国植物学家茨维特（TswettTswett）将植物色素提取液加）将植物色素提取液加到装有碳酸钙微粒的玻璃柱子上部，继而以石油醚淋洗柱子，到装有碳酸钙微粒的玻璃柱子上部，继而以石油醚淋洗柱子，结果使不同的色素在柱中得到分离而形成不同颜色的谱带。混结果使不同的色素在柱中得到分离而形成不同颜色的谱带。混合色素通过碳酸钙微粒被分离成不同色带的现象，象一束光线合色素通过碳酸钙微粒被分离成不同色带的现象，象

4、一束光线通过棱镜时通过棱镜时被分成不同色带的光谱现象一样。被分成不同色带的光谱现象一样。19061906年在一篇论文中正式将这种方法命名为年在一篇论文中正式将这种方法命名为色谱法色谱法（ChromatographyChromatography），色谱法由此得名。），色谱法由此得名。 色谱法（色谱法（chromatographychromatography）又称层析法或色层法，是一类重要）又称层析法或色层法，是一类重要的物理化学分离分析方法。这种方法与适当的检测手段相结合，的物理化学分离分析方法。这种方法与适当的检测手段相结合，已应用于分析化学各个领域。已应用于分析化学各个领域。 第一节第一节

5、色谱法简介色谱法简介111 色谱法的历史色谱法的历史色谱法是一种以分配平衡为基础的分离方法。色谱分离体系包色谱法是一种以分配平衡为基础的分离方法。色谱分离体系包括两个相，一个是固定的，一个是流动的，当两相作相对运动括两个相，一个是固定的，一个是流动的，当两相作相对运动时，反复多次地利用混合物中所有组分分配平衡性质的差异使时，反复多次地利用混合物中所有组分分配平衡性质的差异使彼此得到分离。彼此得到分离。(1) (1) 按流动相的物理状态分类：气相色谱按流动相的物理状态分类：气相色谱(GC)(GC)、液相色谱、液相色谱 (LC)(LC)和超临界流体色谱和超临界流体色谱(SFC)(SFC)。(2)

6、(2) 按固定相的形状分类：柱色谱、纸色谱和薄层色谱。按固定相的形状分类：柱色谱、纸色谱和薄层色谱。(3) (3) 按分离过程的物理化学现象分类：吸附色谱、分配色按分离过程的物理化学现象分类：吸附色谱、分配色 谱、离子交换色谱和排阻色谱。谱、离子交换色谱和排阻色谱。(4) (4) 按固定相和流动相的极性分类：正相色谱、反相色谱按固定相和流动相的极性分类：正相色谱、反相色谱212 分类分类期刊杂志期刊杂志 J. Chromatography A, J. Chromatography A, 新理论、方法新理论、方法 J. Chromatography B, J. Chromatography B,

7、 生物医学生物医学 Chromatographic Science Chromatographic Science 理论理论 High Resolution Chromatography High Resolution Chromatography 理论理论 Liquid Chromatography Liquid Chromatography 综合综合 Biomedical Chromatography Biomedical Chromatography 生物医学生物医学 J Capillary Electophoresis J Capillary Electophoresis 综合综合 E

8、lectrophoresis Electrophoresis 综合综合色谱色谱， 大连化物所，中国化学会；大连化物所，中国化学会；其他分析化学、药学、生物医学杂志均有报道。其他分析化学、药学、生物医学杂志均有报道。213 色谱学文献色谱学文献国际上有:International symposium on preparative chromatography International Ion Chromatography Symposium International Symposium on ChromatographyInternational Symposium on Capillary

9、 Electroseparation TechniquesInternational Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques. Symposium on Handling of Environmental and Biological Samples in Chromatography International Symposium on Hyphenated Techniques in Chromatography and Hyphenated Chromatographic

10、Analyzers, Symposium on the Separation and Analysis of Proteins, Peptides and Polynucleotides 返回学术会议学术会议学术会议学术会议国内有：国内有： 北京国际分析测试及仪器展览会北京国际分析测试及仪器展览会 全国色谱学术报告会全国色谱学术报告会 全国毛细管电泳及相关微分离学术报告会全国毛细管电泳及相关微分离学术报告会 地区色谱会议地区色谱会议 全国分析化学会议全国分析化学会议 有机及微量分析学术会议等有机及微量分析学术会议等固定相固定相柱内的填充物。柱内的填充物。流动相流动相沿柱流动的液体。沿柱流动的液

11、体。保留值保留值表示试样中各组分在色谱柱中停留的时间或将组分带出色谱柱所需流动表示试样中各组分在色谱柱中停留的时间或将组分带出色谱柱所需流动 相体积的数值称为保留值，保留值可用作定性分析的参数。相体积的数值称为保留值，保留值可用作定性分析的参数。保留时间保留时间t tR R指某一组分自进入色谱柱开始至色谱峰最高点时所用的时间指某一组分自进入色谱柱开始至色谱峰最高点时所用的时间 保留体积保留体积V VR R指从色谱柱上洗脱某组分所需的流动相的体积，如果流动相的流速为指从色谱柱上洗脱某组分所需的流动相的体积，如果流动相的流速为F F， 则 V VR R=F=Ft tR R 第二节第二节 色谱法的重

12、要参数色谱法的重要参数121 重要名词重要名词死时间死时间t to o非保留组分的出峰时间。 死体积死体积V Vo o非保留组分的保留体积，即Fto o。分配系数分配系数K K亦称平衡常数，是组分在固定相和流动相中平衡浓度之比， 即 K=CS /CM 容量因子容量因子kk在平衡时，组分在固定相和流动相中的质量比。根据K和k的 定义 k=KVS / VM 其中，VS和VM色谱柱中固定相和流动相的体积。色色谱法通常利用各组分在两相间分配系数的差异来谱法通常利用各组分在两相间分配系数的差异来进行分离。分配系数（进行分离。分配系数（K）是指在一定温度和压力）是指在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相

13、之间分配达到平衡时的下，组分在固定相和流动相之间分配达到平衡时的浓度浓度比，即比，即 Cs K Cm 分配系数分配系数K决定于组分及固定液的热力学性质，决定于组分及固定液的热力学性质，并随柱温、柱压的变化而变化，与柱中气相、液相并随柱温、柱压的变化而变化，与柱中气相、液相体积无关。它是分配色谱中的重要参数。体积无关。它是分配色谱中的重要参数。分配系数分配系数容量因子（容量因子（k）是指在一定温度和压力下，组分在两相是指在一定温度和压力下，组分在两相之间分配达到平衡时，分配在之间分配达到平衡时，分配在固定相和流动相中的固定相和流动相中的质量质量比，也称为分配比比，也称为分配比 。 ms k =

14、mm k值决定于组分及固定相热力学性质，它不仅随柱温、值决定于组分及固定相热力学性质，它不仅随柱温、柱压的变化而变化，而且还与流动相及固定相的体积有柱压的变化而变化，而且还与流动相及固定相的体积有关。关。 容量因子容量因子 从统计的结果来看，溶质分子在固定相和流动相中停留的时间分数可用溶质在每一相中的量与总量的比值表示，即， 溶质分子在固定相中停留的时间分数=qs /（qm+ qs ）= k/（1+ k）； 溶质分子在流动相中停留的时间分数=qm/（qm+ qs ）= 1 /（1+ k）。 我们知道，在色谱分离柱内，溶质只有被转移到流动相（溶剂）中，溶质才会沿着流动相流动的方向在柱内向前移动，

15、所以溶质的谱带运动速度U谱带总是小于流动相的速度U，U谱带实际上等于流动相的速度U与溶质在流动相中停留的时间分数之乘积， U谱带 = U / （1+ k）对于长度为L的分离柱，溶质的保留时间tR为， tR = L/ U谱带 =（1+ k） L /UL/U 表示流动相的流经分离柱的时间，也表示不被保留溶质的保留值即死时间to ，所以， tR = t0（1+ k）222 色谱过程基本方程式色谱过程基本方程式 保留时间方程 tR = t0（1+ k）保留体积方程 VR = V0（1+ k） 显然，k反映了色谱柱对组分的保留能力，k值越大，表示固定相对溶质分子的滞留能力越强，在柱内停留的时间越长，保留

16、保留时间越大。 在色谱操作条件一定时，在色谱操作条件一定时，K或或k值越大，则组分的保值越大，则组分的保留值也越大。如果两个组分的留值也越大。如果两个组分的K或或k值相等，则两个组分的值相等，则两个组分的色谱峰必将重合。反之，两组分的色谱峰必将重合。反之，两组分的K或或k是值差别越大，则是值差别越大，则相应的两色谱峰相距就越远，因此两组分的相应的两色谱峰相距就越远，因此两组分的K或或k值不等是值不等是色谱分离的先决条件。色谱分离的先决条件。 -定性依据定性依据tR与与K、k的关系的关系 tR2 tR1R = 2() 1+分离度作为色谱柱的总分离效能指标，以判断难分离物质分离度作为色谱柱的总分离

17、效能指标，以判断难分离物质对在色谱柱中的分离情况。对在色谱柱中的分离情况。分离度（分离度（R）定义为：）定义为：相邻两峰的保留时间之差与两组相邻两峰的保留时间之差与两组分峰宽平均值之比值，分峰宽平均值之比值，R 1时，两峰有时，两峰有 98 以以 上的分离；上的分离； R= 1.5时，分离程度可达时，分离程度可达 99 7 。一般用一般用 R=1.5为相邻两峰完为相邻两峰完全分离的标志。全分离的标志。返回223 分辨率分辨率231 色谱分离的塔板理论色谱分离的塔板理论 232 塔板理论的基本假设与方程塔板理论的基本假设与方程当柱长为L时，理论塔板数为n， n=L/H色谱的理论塔板数n的经验式为

18、 n=5.54(tR / W 0.5)2=16(tR / W)2 色谱柱有效塔板数俞大（有效塔板高度俞小），对组分分离俞有利。但不能预言并确定各组分有无分离的可能，因为分离的可能性不取决于分配次数的多少，而取决于组分在两相间的分配系数的差异。 返回第三节第三节 平衡塔板理论平衡塔板理论 范氏方程范氏方程 H=A+B/u +C u 241 涡流扩散 A=2dp 242 纵向分子扩散 B=2DM 243 传质阻力 C=qk(1+k)-2df2DS-1+dp2DM-1第四节第四节 速率理论速率理论高效液相色谱法高效液相色谱法 高效液相色谱法（高效液相色谱法（HPLC）是在）是在 20世纪世纪 60年

19、代末，年代末，以经典液相色谱为基础，引入了气相色谱的理论与实以经典液相色谱为基础，引入了气相色谱的理论与实验方法，流动相改为高压输送，采用高效固定相及高验方法，流动相改为高压输送，采用高效固定相及高灵敏度检测器，发展而成的分离分析方法。灵敏度检测器，发展而成的分离分析方法。H= 2 dp + 2 DM /u + qk(1+k)-2df2DS-1+ dp2DM-1 u u一定时，A，B，C越小，H越小，柱效越高，色谱峰越窄；颗粒越小，H越小，柱效越高。 塔板高度H是表示质点在柱内一个小单元的离散程度。H越大，即单位柱长离散程度越大，色谱峰就越宽，柱效率就越差。因此，根据色谱柱内组分的运动速率，可

20、以说明塔板高度、色谱峰扩张的各种因素。返回244 速率理论方程251 气相色谱分配平衡气相色谱分配平衡第五节第五节 色谱过程的热力学基础色谱过程的热力学基础返回252 液相色谱中的热力学基础液相色谱中的热力学基础分配分配过程过程 吸附吸附过程过程 离子离子交换交换（1）定向力 （2）诱导力 （3）色散力 （4）氢键力 （5）超分子作用 第六节第六节 分子间的作用力分子间的作用力返回定向力定向力诱导力诱导力色散力色散力氢键力氢键力 超分子作用超分子作用 GG 要判断两相邻组分的分离情况，常用分辨率RS作为总分离效能指标。 RS=(n-0.5 /4)(-1)/k/(1+k)式中 是分离因子，其表达式为， = tR2 / tR1 =K2 / K1 分辨率不仅与n有关，而且与k有关，即与动力学过程和平衡热力学过程都有密切的关系，这正是我们要研究动力学和热力学过程的原因。要获得一次理想的分离，不仅要使各组分相互分离，而且色谱峰要尽可能的窄，分析时间要短。第七节第七节 分辨率方程分辨率方程返回