临床第十二章色谱分析法概论-仪器分析课件.pptx

1、Introduction to Chromatography第一节色谱法简介 色谱法（chromatography），又称层析法作用：分离、分析目的：定性分析或定量分析特点：分离能力强；定量分析灵敏度高 一、色谱法的基本概念白酒分析v 色谱法在什么时间由谁发明？v 案例：1906年俄国植物学家茨维特（M.Tswtt）发表了“一种新型吸附现象及其在生化分析上的应用”研究论文，在分离提取植物色素过程中发现了色谱法。Tsweet发现的色谱分离现象分离基础差 速 迁 移植物色素分离图示色谱法的实质是一种分离技术分离的基本条件分离的基本条件：必须有互不相溶的两相（流动相、固定相）u其中的一相固定不动，称

2、为固定相（stationary phase）;u 另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体（气体或液体），称为流动相（mobile phase）。（chromatography）图谱 现在的色谱法早已不局限于色素的分离，也可用于无色物质的分离，但其分离的原理仍然是一样的。我们仍然叫它色谱分析。二、色谱法的分类气相色谱法 GCgas chromatography 气-固色谱法（GSC)气-液色谱法（GLC)液相色谱法 LC liquid chromatography液-固色谱法（LSC)液-液色谱法（LLC)1按的物理状态分类操作形式分类柱色谱平面色谱2.按操作形式分类柱色谱 二、色谱法的分类二

3、、色谱法的分类 3按分离原理分类 利用分配系数的不同 利用物理吸附性能的差异 利用离子交换原理 利用排阻作用力的不同空间排阻色谱法(steric exclusion chromatography;SEC)三、色谱法的发展概况n 1906年：n 由俄国植物学家茨维特（M.Tswtt）提出色谱概念n20多年里没有人关注这一伟大的发明n1931年德国的库恩Kuhn和莱德勒Lederer重复了Tswett的某些实验，用氧化铝和碳酸钙分离了-、-、-胡萝卜素，此后用这种方法分离了60多种色素，色谱法逐步受到重视。n 1938年库恩Kuhn和莱德勒Lederer因发明液固吸附色谱法获得诺贝尔化学奖三、色谱

4、法的发展概况n1941年英国Martin马丁和Synge辛格在提出液液分配色谱法n固定相是吸附在硅胶上的水，流动相是某种有机溶剂。n之后Martin和Syngee提出用气体代替液体作流动相的可能性，提出色谱塔板理论，预言了气相色谱法。n1952年Martin和Syngee因发明气液分配色谱法获得了的诺贝尔化学奖。n1955年第一台商品GC问世，使色谱具备分离和在线分析功能。三、色谱法的发展概况n1956年荷兰科学家范第姆特Van Deemter等在前人研究的基础上发展了速率理论，提高了液相色谱的分离效果。n1968年第一台高效液相色谱仪建立n80年代，超临界流体色谱法、毛细管电泳法、毛细管电色

5、谱法四、色谱法的发展趋势色谱的智能化1联用技术2多维色谱法3高效能固定相、色谱柱、检测器4GC-MS四、色谱法的发展趋势HPLC-MS五、色谱法的特点1.与化学分析比较高选择性、高灵敏度、高分离效能、快速高选择性可将性质相似的组分分开(有机同系物、异构体)高效能反复多次利用组分性质的差异产生很好分离效果高灵敏度g.gg.g-1-1(10(10-6-6)-ng.g)-ng.g-1-1(10(10-9-9)级的物质量，适于适于痕量分析分析速度快几-几十分钟完成分离,一次可以测多种样品五、色谱法的特点2.与光谱、质谱分析法比较强强联手，取长补短3.与精密分馏法比较4.与萃取分离法比较不足之处：被分离

6、组分的定性较为困难。第二节色谱法基本过程和术语一、色谱法的基本过程基本步骤：（1）根据试样分析目的选择合适的固定相；（2）进样（3）洗脱或展开（4）分别收集分离的各组分，进行定性或定量分析色谱法的实质是一种分离技术分离的过程分离的过程：1.必须有互不相溶的两相（流动相、固定相）2.被分离组分在两相之间作相对运动3.各组分在两相之间作用力不同(吸附能力、分配系数、离子交换能力、空间排阻能力、其他亲合作用)4.各组分差速迁移分离碳酸钙碳酸钙菊根粉菊根粉石油醚石油醚 样品样品一、色谱法的基本过程碳酸钙碳酸钙菊根粉菊根粉石油醚石油醚 样品样品一、色谱法的基本过程由于ABC组分性质上的差异，对两相的作用

7、力（分配系数）不同与固定相分子作用力较大的组分，易进入固定相，向前迁移的速度慢与流动相分子作用力较大的组分，易进入流动相，向前迁移速度快经过一定的柱长，由于在两相间反复多次的分配，即使待测组分ABC性质差异微小，也可以达到很好的分离效果分配系数(distribution coefficient；K)一定温度和压力下，组分在两相间分配达到平衡时，组分在固定相(s)中的浓度 与流动相(m)中的浓度 之比。分配系数与组分、固定相和流动相的性质及温度（和压力）有关。K值越大，说明组分在固定相中停留时间越长，移动速度越慢，出峰越晚K值越小，说明组分在流动相中停留时间越长，移动速度越快，出峰越早两组分分配

8、系数相差越大，越容易分离 smccK 溶质在固定相中的浓度溶质在流动相中的浓度分配系数和分配比 分配比（partition ratio）k 一定温度和压力下，组分在两相分配达平衡时，组分在固定相和流动相中的质量之比。Ms:固定相中组分的质量 Mm:流动相中组分的质量 Vs：固定相体积 Vm：流动相体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积smmmssmmc Vkc V组分在固定相中的质量组分在流动相中的质量容量因子与分配系数的关系 式中为相比(相比率)。它是反映色谱柱柱型特点的参数。填充柱相比：635；毛细管柱的相比：501500。1.分配系数K与固定相流动相体积无关，而分配比k随两相体积变化而变化。

9、2.分配系数与分配比都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值越大，该组分的保留时间越长。KVVKVVccMMkmSmSmsmS二、色谱图及常用基本术语保留时间基线色谱峰峰高二、色谱图及常用基本术语样品经色谱柱分离-进入检测器-检测器将样品浓度转换成电信号-记录仪记录所产生的电信号 纵坐标-电信号 横坐标-时间二、色谱图及常用基本术语 （一）基线（base line）没有待测试样，只有流动相通过检测器时，检测到的信号即为基线。基线波动程度可反映系统的噪声大小稳定的理想基线应该是一条水平直线基线漂移:基线在一段时间内朝某一个方向变化.二、色谱图及常用基本术语（二）色谱峰 是组分从色谱柱流出进入检测

10、器后，由检测器输出的信号大小随时间变化所形成的曲线。色谱峰保留值定性参数峰面积,峰高定量参数拖尾峰？前伸峰？二、色谱图及常用基本术语 峰高h(peak height)色谱峰顶到峰底（基线）的垂直距离 定量常用峰面积A。峰面积A（peak area）色谱峰轮廓下的积分面积二、色谱图及常用基本术语色谱峰宽色谱柱效参数标准偏差：0.607倍峰高处峰宽的一半小，峰越窄，柱效（1）基线宽度Wb：峰底宽度，色谱曲线两拐点切线与基线相交的截距（2）半峰宽Wh/2：峰高一半处所对应的峰宽（易测量，常用）二、色谱图及常用基本术语 三者之间的关系：4Wb 2.354W2h h/2b 1.699WW 二、色谱图及常

11、用基本术语（三）保留值定性参数 1.用时间表示的保留值：（1）保留时间tR（retention time）组分从进样开始到色谱峰最大值所需的时间。二、色谱图及常用基本术语（三）保留值定性参数（2）死时间（dead time)tM 不被固定相滞留的组分从进样到出峰最大值所需时间。即流动相经过色谱柱所需要的时间 试样中各组分的死时间是相同的uLtM二、色谱图及常用基本术语 保留时间与死时间之差。代表组分被固定相滞留所需时间。关系式：RtRRMttt=-（3）调整保留时间 （adjusted retention time）二、色谱图及常用基本术语 2.用体积表示的保留值：（4）保留体积VR（rete

12、ntion volume）：组分从进样开始到出现色谱峰最大值所消耗的流动相的体积 （5）死体积VM（dead volume）：不被固定相保留的组分通过色谱柱所消耗的流动相的体积 即色谱柱内流动相的体积 （6）调整保留体积VR（adjusted retention volume）：保留体积减去死体积二、色谱图及常用基本术语 2.保留体积与保留时间的关系u流动相的平均线速度（ml/min)二、色谱图及常用基本术语3.相对保留值r2,1（relative retention time)相同操作条件下两组分的调整保留值之比。2211RR2,1RRtVrtV=作用：表示色谱柱对两组分的选择性。r2,1=

13、1，两峰重合，无选择性；r2,1 1，两峰顶分开，有选择性。也叫选择性因子色谱保留值方程式作用：1.组分的保留时间随其在两相中的分配系数K或分配比k的增加而增加2.两组分的分配系数K或k差别越大，保留时间差值越大，越容易分离分配系数、分配比与保留时间关系)1(kttMR)1(msMRVVKtt一个组分的色谱峰可用三个参数来表示：1.峰的位置（保留时间），用于定性；2.峰高（h）或峰面积（A），用于定量；3.区域宽度，用来衡量色谱柱的分离效果二、色谱图及常用基本术语第三节色谱法基本理论1.组分的保留时间随其在两相中的分配系数K或分配比k的增加而增加2.两组分的分配系数K或k差别越大，保留时间差值

14、越大，越容易分离-色谱分离的热力学因素-塔板理论（plate theory）色谱峰宽与组分在两相中的扩散和传质速率有关-色谱分离的动力学因素-速率理论（rate theory）在色谱发展初期，Martin马丁等人借用化工中分馏塔的概念，提出了塔板理论，将连续的色谱分离过程人为分割成多次的平衡过程的重复，用以解释组分在色谱柱中的分离行为。这种半经验的理论沿用至今。一、塔板理论plate theory 一、塔板理论plate theory 将一根色谱柱分为许多小段，每一小段称为一个理论塔板（H）每块塔板内，一部分空间固定相占据，另一部分空间则充满流动相。G L H 1.塔板理论的基本假设 L=色谱

15、柱的长度 H=理论板高 n=理论塔板数一、塔板理论plate theory 基本假设：（1）组分在每一个塔板内，能迅速在两相间达到一次分配平衡；（2）流动相是脉动式进入色谱柱，每次进入量充满一个板体积；（3）进样都加入到第一块塔板（0），纵向扩散忽略（沿色谱柱方向）；（4）整个色谱分离过程中，组分在所有塔板上的分配系数恒定。一、塔板理论plate theory 用塔板模型和基本假设讨论分配过程：设n=5，k=1，m=1（g）进样进样 1.000ugN=0 平衡平衡 0.500 0.500 进气进气 0.500N=1 0.500 平衡平衡 0.250 0.250 0.250 0.250 进气进气

16、 0.250 0.250N=2 0.250 0.250 平衡平衡 0.125 0.250 0.125 0.125 0.250 0.125一、塔板理论plate theory N r 0 1 2 3 4 N r 0 1 2 3 4 柱出口柱出口 0 1 0 0 0 0 00 1 0 0 0 0 0 1 0.5 0.5 0 0 0 0 1 0.5 0.5 0 0 0 0 2 0.25 0.5 0.25 0 0 0 2 0.25 0.5 0.25 0 0 0 3 0.125 0.375 0.375 0.125 0 0 3 0.125 0.375 0.375 0.125 0 0 4 0.063 0.2

17、50 0.375 0.250 0.063 0 4 0.063 0.250 0.375 0.250 0.063 0 5 5 0.0320.032 0.157 0.313 0.313 0.157 0.157 0.313 0.313 0.157 0.0320.032 6 0.016 0.095 0.235 0.313 0.235 0.079 6 0.016 0.095 0.235 0.313 0.235 0.079 7 0.008 0.056 0.116 0.274 0.274 0.118 7 0.008 0.056 0.116 0.274 0.274 0.118 8 8 0.004 0.032 0

18、.086 0.196 0.275 0.004 0.032 0.086 0.196 0.275 0.1330.133 9 9 0.002 0.018 0.059 0.141 0.236 0.002 0.018 0.059 0.141 0.236 0.1380.138 10 0.001 0.010 0.038 0.100 0.189 0.118 10 0.001 0.010 0.038 0.100 0.189 0.118 组分A(kA=1)在n=5的色谱柱内分配情况和出口的分布一、塔板理论plate theory 结果：得到不对称峰色谱峰 图图 色谱流出曲线（色谱流出曲线（n=5,k=1）若设n5

19、0，可得对称流出曲线。实际色谱分析中，n=103106，流出曲线为正态分布曲线（n，正态分布曲线）。理论塔板数：有效塔板数：理论塔板高度：有效塔板高度：2.、评价色谱柱效参数-塔板数222/)(16)(54.5b bR Rh hR RW Wt tW Wt tn n 2b22/)(16)(54.5W Wt tW Wt tn nR Rh hR Re ef ff f nLH柱长柱长 effeffnLH 一、塔板理论plate theory 一、塔板理论plate theory 1.用GC 法分析苯、甲苯混合物。苯 tR=1.25min 甲苯 tR=3.64min W1/2=0.10min W1/2=

20、0.18min tM=0.36min L=2m 求：n有效、H有效一、塔板理论plate theory 1840)0.180.363.64(5.54n2 eff 甲苯 mm09.118402000eff 甲甲苯苯H H甲苯：438)0.100.361.25(5.54)Wt5.54(n2221Reff苯 mm4.564382000nLHeffeff 苯苯苯：一、塔板理论plate theory 讨论：，但分析时间 一定，；，柱效 一定，）（理理理理nLHnHL3（2）用neff能真实反映柱效能高低。neff，分配平衡的次数，柱效（1）同一柱子不同组分 n(neff)、H(Heff)不相同。（4）

21、tR一定，峰越窄（W、Wh/2 ），柱效 HLn柱长柱长 一、塔板理论plate theory 塔板理论的贡献：解释了色谱峰形状符合正态分布；提出了柱效能指标n，H。一、塔板理论plate theory v 基本假设不符合色谱的实际情况v 没有指出影响塔板高度H的因素？v 塔板理论不能指导实验如何提高柱效（H）塔板理论不足：二、速率理论（Rate theory）1956年荷兰化学工程师van Deemter提出了色谱过程动力学理论速率理论。uCuBAH/ABC分别代表影响塔板高度H的三个动力学因素，当流速u一定时，只有ABC较小，H才能较小，柱效较高。u流动相的平均线速度（ml/min)二、速

22、率理论（Rate theory）以气-液分配色谱为例，讨论各项的意义。二、速率理论（Rate theory）填充柱中固定相颗粒大小、形状及填充不均匀 同一组分的不同分子运行路线及长短不同流出时间不同峰形展宽。图 涡流扩散造成的峰展宽1.涡流扩散项A二、速率理论（Rate theory）涡流扩散系数：A=2 dp 减小A项:固定相颗粒小，均匀；填充均匀 空心毛细管柱，无涡流扩散，即A=0。A：涡流扩散系数 ：填充不均匀性因子dp：固定相颗粒的平均直径（mm)，dp小，A小二、速率理论（Rate theory）组分随载气前进的同时，从高浓度向低浓度扩散,使谱峰展宽。2.纵向扩散项(B/u)（分子扩

23、散项）二、速率理论（Rate theory）A.柱内谱带构型二、速率理论（Rate theory）纵向扩散项 B/u影响因素：u，B=2 DgqB：纵向扩散系数；q：弯曲因子，固定相颗粒使分子自由扩散的受阻碍。q 空心毛细管柱：=1；填充柱：1 qu 越小，纵向扩散大（组分在柱中停留时间越长）qu足够大时，纵向扩散项B/u可忽略二、速率理论（Rate theory）q载气分子量，Dg，B；q Dg 随柱温降低而减小；减小B/u项:大分子质量载气（氮气）；适当降低柱温；适当增加载气流速。M MD Dg g1 qDg：组分在载气中的扩散系数二、速率理论（Rate theory）u uC CC CC

24、 Cu ul lg g 传质阻力系数C包括：气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数Cl3.传质阻力项(Mass-transfer term,Cu)二、速率理论（Rate theory）气相传质阻力系数：颗粒平均直径 组分在气相扩散系数 gpgDdkkC222)1(01.0 讨论：柱效，nH，Cg3.传质阻力项(Mass-transfer term,Cu)二、速率理论（Rate theory）lfDTd 柱效，nH，Cl液相传质阻力系数:lflDdkkC22)1(32 固定液液膜厚度组分在液相扩散系数 减小Cu项：F 固定相颗粒直径小，dp ，Cg；F 采用分子量小的载气，使Dg ,Cg；F 减

25、小液膜厚度df，Cl F适当提高柱温，Cl ；uDdkkDdkkuClfgp)1(32)1(01.022222 二、速率理论（Rate theory）三、色谱分离方程式 tRtR1tR2W1W2信信号号时间时间图图 分离度示意图分离度示意图 分离度（resolution R）定量描述两组分的分离程度色谱柱总的分离效能指标 三、色谱分离方程 由上式：R=1时，分离达98%。R=1 5，分离达99 7%，分离完全。R=1 5两组分完全分离的标志 2112h12bbRR2212hRRWWtt2WWttR （峰相对位置），热力学因素-反映色谱选择性好坏 （峰底宽窄），动力学因素-反映柱效高低三、色谱分

26、离方程 R 越大，相邻组分分离越好。当R=1.5 时，分离程度可达99.7%，因此R=1.5 通常用作是否分开的判据。R=1.5R=0.75R=1.0响应信号响应信号三、色谱分离度公式 R与柱效能n，柱选择性r21及柱容量k的关系:222121114kkrrnR 21122112bbRRbbRRWWtt2/2WWttR 四、色谱分离条件选择 分离效果差，柱效低，选择性低 完全分离，柱效高，峰窄，选择性低；完全分离，选择性增加，柱效低，峰宽 完全分离，柱效高，峰窄，选择性好四、色谱分离条件选择 3)提高n （柱效能）n ,R 有效途径：选择合适操作条件，使H，n 讨论：讨论：1)提高r21 （柱

27、选择性）r21 ，R 选择合适的固定相，使分配系数不同，r21 2)适当提高k （柱容量）k，R 气相：适当增加固定液用量和降低柱温；液相：改变流动相极性 若k太大，传质阻力大，tR ，峰扩散。四、色谱分离条件选择色谱分离中的问题 由于分析物组成复杂，以某一组成的流动相可能使部分待测物得到好的分离，但同时又使其它待测物的分离不令人满意！实际工作中采用程序升温（GC）和梯度洗脱（LC）来解决这个问题。定性分析定量分析第四节定性定量分析法一、定性分析（qualitative analysis）定性依据 在一定操作条件下，各组分保留值（tR，ris）是一定值。定性方法 利用保留值定性 联用技术定性一

28、、定性分析（qualitative analysis）1.已知物对照法 同一根柱子，相同条件，测已知物和未知试样，比较保留时间。tR样，tR标 对照 2.峰高增加法 3.相对保留值定性 实测r21与文献r21 对照注意：柱子、操作条件、参考物质和文献完全一致一、定性分析（qualitative analysis）3.相对保留值定性 实测r21与文献r21 对照注意：柱子、操作条件、参考物质和文献完全一致4.色谱联用分析定性 GCMS联用仪，GCIR联用仪 MS有强的识别、定性能力（必须用纯品）（一）定量依据 A m，h m mi=fi Ai （fi 比例系数）fi =mi/Ai 不同物质单位峰

29、面积所代表的物质量不同。二、定量分析（quantitative analysis）二、定量分析（quantitative analysis）（二）定量校正因子 v1.绝对校正因子：v单位峰面积（或峰高）所代表的物质的质量。v fi=mi/Aiv其值随实验条件而变化。二、定量分析（quantitative analysis）二、定量分析（quantitative analysis）2.相对校正因子：fis某 物质i和基准物质s的绝对校正因子之比。iiiisissssismfAm AfmfmAA=v 基准物质:苯、正庚烷vf is 与待测物、基准物质和检测器有关，与操作条件无关 v 测定法：（可查

30、文献）（三）定量计算v定量分析 归一化法 外标法 单点校正法 内标法 内标标准曲线法 二、定量分析（quantitative analysis）前提：试样中所有组分都出峰设：试样中各组分的含量总和为100%100%fAfAfAfA%Xnnii11iii 1.归一化法二、定量分析（quantitative analysis）二、定量分析（quantitative analysis）优点：简便，准确；色谱条件变化影响小；进样准确性不影响结果。缺点：所有组分必须都出峰 已知所有组分的校正因子不适合微量组分的测定二、定量分析（quantitative analysis）2.外标法 （1）外标标准曲线法

31、：步骤：绘制标准曲线 配标准系列 依次进样 Ai Ai 对C 或 m作图或求回归方程 y=a +bx 试样分析：相同条件下测试样 Ax Cx 或mx 二、定量分析（quantitative analysis）（2）单点外标法（外标一点法）：用一个浓度标准溶液（浓度与试样相近）优点：简便，不用校正因子，不加内标物，只需待测组分出峰。缺点：结果准确度与进样准确性和操作条件稳定性有关。ssiisisiXAAXAAXX 二、定量分析（quantitative analysis）试样m（含mi）+内标物 ms混合进样Ai，Asiiisssf Ammf A=iiisssmAfmAf=3.内标法：将已知量的

32、内标物加到准确称取的试样中，测定组分含量的方法。二、定量分析（quantitative analysis）优点：准确；只需内标物及待测组分出峰；适合测定复杂试样和微量组分。缺点：麻烦，需fis，需选内标物 内标物的选择：a）和试样结构、极性相近，和待测物峰邻近；b）试样中不含有，并和各组分完全分离；c）纯；d）与样品互溶、不反应。二、定量分析（quantitative analysis）当m，ms一定时，则 fis msm为常数：由内标法公式：mmAAfXssiisi 常数常数 siiAAXsiiAAX 二、定量分析（quantitative analysis）试样分析 试样(m)+同量的内标

33、物(ms)进样 得：AixAsXix 优点：不需fis，且具备内标法的优点，比外标法准确。Ai/AsAix/As 得：A1/As,A2/As,A3/As 以Ai/As 对 Xi 作图：（1）内标标准曲线法（简化内标法）方法：绘制内标标准曲线 标准系列各管+同量的内标物（ms）进样二、定量分析（quantitative analysis）（2）内标对比法（内标一点法）：一个浓度标准溶液（Xi%)标准对照内标物（ms）进样 试样（Xi%)试样与同量的内标（ms）进样i(%)()%)()isiisXA AXA A=试样试样标准对照标准对照（求学问 需学问 只学答 非学问课堂习题1.色谱按照流动相和固

34、定相的物态进行分类。2.一根3米长的色谱柱上，分析某试样时，得到两个组分的调整保留时间分别为13和16 min，后者的基线宽度为1 min，计算：（1）该色谱柱对第二个组分的有效塔板数（n有效）；（2）两个组分的相对保留值r2,1；（3）如若使两组分的分离度R=1.5，需要有效塔板数为多少？此时应使用多长的色谱柱？掌握色谱分离的基本原理、基本概念（流出曲线、保留值、分配系数和分配比、分离度等）、色谱保留值的方程式、分离度方程式；熟悉塔板理论、速率理论、色谱定性定量方法及有关计算正确理解分离度方程式；熟悉色谱分离条件选择的基本原则，以及系统适应性试验的主要指标；教教学学目目的的 1.塔板理论，包括流出曲线方程、理论塔板数(n)及有效理论塔板数(neff)和塔板高度(H)及有效塔板高度(Heff)的计算2.速率理论方程3.分离度和基本分离方程 重点与难点