仪器分析色谱法课件.ppt
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1、色谱分析法Chromatography2标题添加点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容前言点击此处输入相关文本内容标题添加点击此处输入相关文本内容第一章 色谱法引论一、概述问题1 1:什么是色谱法?问题2 2:为什么色谱法能将混合物分开?问题3 3:色谱法的分类?问题4 4:各种色谱法的应用范围?1、什么是色谱法?茨维特的实验茨维特:俄国植物学家,主要从事植物色素的研究工作,在1906 年发表的文章中,首次提出了色谱的概念。茨维特的实验碳酸钙石油醚什么是色谱法?vChromatographyChromatographyv色谱法是一种分离方法。特点:有两相,一是固定相(stationa
2、ry stationary phasephase),一是流动相(mobile phasemobile phase),两相作相向运动。v将色谱法用于分析中,则称为色谱分析。因此色谱分析是一种分离、分析法。2、色谱法分离原理v当流动相中所携带的混合物流过固定相时,就会和固定相发生作用(力的作用)。由于混合物中各组分在性质和结构上有差异,与固定相发生作用的大小也有差异。因此在同一推动力作用下,不同组分在固定相中的滞留时间有长有短,从而按先后不同的次序从固定相中流出。83.色谱分析仪器的基本流程v流动相携带进样装置引入的混合试样进入色谱柱v混合试样在色谱柱中进行分离v各组分依次进入检测器检测v检测响应
3、信号导入计算机v得到色谱图流动相输送系统进样装置色谱柱检测器数据记录与处理min05101520253035mAU020406080100 DAD1 C,Sig=270,16 Ref=360,100(HUPINGDSLS-A21.D)例如:气相色谱仪(动画)4、色谱法的分类按流动相状态的不同,可分为以下三类:气相色谱法 (Gas Chromatography,GC)液相色谱法 (Liquid Chromatography,LC)超临界流体色谱 (Supercritical Fluid Chromatography,SFC)什么是气相色谱法?v 以气体为流动相的色谱法v Gas Chromato
4、gaphy,简称GCv按固定相状态的不同可分为:气固色谱(GSC)气液色谱(GLC)11v应用范围:用于分离分析易汽化(在-190-500范围内有0.2-10mmHg的蒸气压的)稳定、不易分解、不易反应的样品,特别适合用于同系物、同分异构体的分离。1213什么是液相色谱法?v 以液体为流动相的色谱法v Liquid Chromatography,简称LCv 应用范围:用于分离分析高沸点、热不稳定、离子型的样品。14其他分类方式按固定相使用的形式可分为v柱色谱(column chromatographycolumn chromatography)将固定相装在色谱柱内v纸色谱(Paper Chro
5、matographyPaper Chromatography)用滤纸做固定相或固定相载体的色谱v薄层色谱(Thin Lay Thin Lay ChromatographyChromatography)固定相均匀涂在玻璃板或塑料板上16应用举例 TLC 1 2 3 4 5 6 7 8 9Bands Description 1 Pseudoginsenoside F11 2 American Ginseng 3 Ginsenoside Rg1 4 Ginsenoside Rf 5 Ginseng 6 Ginsenoside Rc 7 Ginsenoside Rb1 8 Notoginseng 9
6、Notoginsenoside R1Identification of Ginseng,America ginseng and Notoginseng二、色谱法基本理论v拟解决的问题色谱相关术语色谱法理论的概况色谱中的动力学理论色谱分离情况的评价方法影响色谱分离的主要因素及条件选择(从理论的角度加以判断)1、色谱相关术语v关于色谱峰v关于保留值v关于分配平衡 0ootMtRtRA2 CIJABEGFHDW Wh/2 关于色谱峰的术语峰峰高基线峰宽半峰宽峰面积标准偏差色谱流出曲线v峰底宽、半峰宽及标准偏差三者的关系为:Y=4,Y1/2=2.354v拖尾峰v伸舌峰v鬼峰、假峰v畸峰v基线漂移v基线
7、噪声v谱带扩张 关于保留值的术语v死时间(t0,tM):无保留组分出峰时间v保留时间(tR):v调整保留时间(tR):0tttRRv死体积(V V0 0,V VM M):v保留体积(V VR R):v调整保留体积(V VR R):FctV00FctVRRFcttFctVRRR)(0v相对保留值(r ri,si,s):相对保留值又称为选择性因子()在气相色谱中,相对保留值的大小仅与固定相种类和柱温有关。在液相色谱中,相对保留值的大小不仅与固定相种类和柱温有关,还与流动相种类及配比有关。,RsRiRsRisiVVttr24 关于分配平衡的术语v分配系数K(distribution coeffici
8、ent)smKcc每毫升固定相上溶解(或吸附)溶质的量每毫升流动相上溶质的量v 分配比k 又称为容量因子、容量比、分配容量,是指在一定温度和压力下,平衡状态时组分在固定相中的量与在流动相中的量之比值。是衡量柱子对组分保留能力的重要参数。0ttVVKkRMSsmmkmtR:组分在固定相中停留的时间,和组分在固定相中的质量ms成正比t0:组分在流动相中停留的时间,和组分在流动相中的质量mm成正比v相比:色谱柱内固定相和流动相体积之比是柱型及结构的重要特征。kKVVSM282、色谱分析法动力学理论v研究理论的目的解决色谱峰的分离问题v三个色谱基本理论问题色谱热力学问题发展高选择性色谱柱色谱动力学问题
9、发展高效能色谱柱分离条件的最优化问题分离条件优化29v色谱动力学理论研究流出曲线展宽的本质及曲线形状变化的影响因素 塔板理论 速率理论30(1)塔板理论 塔板理论将色谱柱比作精馏塔,通过概率理论得到流出曲线方程(推导自学)31vt t=t tR R时,C C=C Cmaxmax,峰高正比于浓度C C0 0,是峰高定量的基础。v当n n越大,柱效越大,C Cmaxmax/C C0 0越大。即保留时间一定时,塔板数越多,峰越高。vC Cmaxmax反比于t tR R,t tR R小,C Cmaxmax大,保留时间小的组分峰高且窄。t tR R大,C Cmaxmax小,保留时间大的组分峰低且宽。对色
10、谱流出曲线方程的讨论22()022RttRCCetn32 柱效n(n(塔板数)的定义 由流出曲线方程导出:v H=L/nH=L/n n n是峰相对展宽的量度 n n是柱效的量度 n n是常数时,Y Y与t tR R 成正比 n n越大,h h越小,表明组分在柱中达到的分配平衡次数越多,对分离越有利,但还不能预言各组分有被分离的可能性。222/122/1)(16)(54.5)(2ln8YtYtYtnRRR33 塔板理论的贡献v塔板理论有助于我们形象的理解色谱的分离过程。v导出色谱流出曲线方程,它符合高斯分布,与实验现象相吻合。v导出理论塔板数的计算公式,作为柱效的评价指标。34 塔板理论的局限v
11、塔板高度H是一个抽象的物理量,它的色谱本质是什么?它与哪些参变量有关,又怎样影响峰的扩张?对实验的指导意义有限。v不能解释流速对理论塔板数的影响。v有些假设不合理,如没有考虑纵向扩散对色谱分离的影响等。35(2 2)速率理论v速率理论是1956年荷兰学者Van Deemter等提出,因此又称作范第姆特方程v运用流体分子规律研究色谱过程中产生色谱峰扩展的因素,导出了理论塔板高度与流动相线速度的关系,揭示了影响塔板高度的动力学因素 36v根据塔板计算公式:n=5.54(tR/Y1/2)2v速率理论讨论的是色谱峰展宽原因,即影响塔板数n的因素,也就是影响塔板高度H的因素。vH=A+B/u+Cu37
12、涡流扩散项A=2dp涡流扩散项均匀性因子粒径38v涡流扩散项A A:由不等路径造成的色谱峰扩展。由于柱填料粒径大小不同,粒度分布范围不一致及填充的不均匀,形成宽窄、长短不同的路径,因此流动相沿柱内各路径形成紊乱的涡流运动,有些溶质分子沿较窄且直的路径运行,以较快的速度通过色谱柱,发生分子超前,反之,有些分子发生滞后,从而使色谱峰产生扩散。39 分子扩散项vB/uvB=2Dg弯曲因子扩散系数 Z (ttt)13 240v分子扩散项:由于分子的纵向扩散造成的色谱峰扩展。即由于试样组分被载气带入色谱柱后,是以塞子的形式存在于色谱柱的很小一段空间中,由于在塞子前后存在浓度梯度,因此使运动着的分子产生纵
13、向扩散,引起色谱峰扩展。41 传质阻力项由气相传质阻力和液相传质阻力两项构成 平衡浓度固定相传质阻力引起非平衡过程示意图实际浓度分界面流动相42i)i)气相传质阻力项v气相传质阻力项:试样组分从气相移动到固定相表面的过程中,由于质量交换过程需要一定时间(即传质阻力)而使分子有滞留倾向。在此过程中,部分组分分子随流动相向前运动,发生分子超前,引起色谱峰扩展。43气相传质阻力项表达式vCguvCg=容量因子44ii)ii)液相传质阻力项v液相传质阻力项:试样组分从固定相表面移动到固定相内部的过程中,由于质量交换过程需要一定时间(即传质阻力)而使分子有滞留倾向。在此过程中,部分组分分子先离开固定相表
14、面,发生分子超前,引起色谱峰扩展。45液相传质阻力相表达式vCL uvCL=液膜厚度液相扩散系数46 气相色谱中的速率方程uDdkkDgdkkuDgdpHLfp22222)1(32)1(01.02247 速率方程给我们的什么启示v为柱型的研究和发展提供理论依据v为操作条件的选择提供理论指导v为色谱柱的填充提供理论指导48i)对柱型研究和发展的影响vA A=0?=0?vGolay1957Golay1957年提出毛细管柱的概念(opentubeopentube)v毛细管柱A A=0=0,H H=B B/u+/u+C Cu uvH H,N N,分离能力大大提高49对柱型研究和发展的影响vB=0?v溶
15、质在液体中的扩散系数DL10-5cm2/sv溶质在气体中的扩散系数Dg10-1cm2/svDL Dgv当采用液体作流动相时 B0v液体作流动相时可用更细的固定相,A vHPLC柱效比GC要高23个数量级50ii)操作条件对柱效的影响 u/cm.s-1 51载气线速度(流速)的影响v最佳流速:u=(B/C)1/2v实用最佳流速:比最佳流速更快vA与流速无关vB/u:当流速小时,对H的大小起主导作用vCu:当流速大时,对H的大小起主导作用52容量因子k的影响v不同组分k不同,测出的柱效不同v在气相传质阻力相中,k,Cg 理论上说k越小柱效越高,实际不可取v在液相传质阻力相中,k ,Cl先,后当k=
16、1时,最大。v希望k在一个合适的范围内,通过改变柱温,固定相,柱型参数等可实现。53柱温的影响v间接影响、十分复杂v对k k影响,对扩散系数影响,从而对柱效产生影响,但影响情况难以判断54iii)对色谱柱的填充提供理论指导v固定相粒径dp:根据速率方程,粒径减小,A项减小,C项减小,柱效增加。但粒径太小,不易填充,同时A项增大。v柱长L:柱长增加,总塔板数增加,但柱长增加,分离时间将增加。v柱径:柱径越小,柱效越高,但柱径越小,固定相越难填充均匀。55v液膜厚度df:从柱效角度考虑,液膜越薄,柱效越高(根据速率方程),但允许的进样量减小。固定液与担体的配比一般在5:100-25:100之间,但
17、现在更低配比的固定相也应用广泛。更重要的是:不同沸点的物质,应采用不同配比的固定相。563.色谱分离基本方程对于常规分析工作,一般选用:v选择性系数(相对保留值)与保留指数I来评价固定液v有效塔板数N有效来评价色谱柱与分离条件v以分离度R R 作为柱的总分离效能指标57(1)几个概念选择性系数v定义与相对保留值(ri,s)基本相同v不同之处在于:选择性系数是两个相邻峰的 调 整 保 留 值 之 比(后 峰 比 前 峰,1),而不是被测物与标准物质的调整保留值之比(可小于1)v它是评价固定液选择性的指标。选择性系数越大,该柱对此相邻峰的分离越好。58几个概念有效塔板数N有效v在气相色谱中,通常用
18、有效塔板数N N有效和有效塔板高度H有效来评价柱子的分离效能,它扣除了死体积对分离的影响,更好地反映了柱子的实际分离效能。v柱效越高,该柱的分离能力越好。22/122/154.554.5YtYttRMRN有效59几个概念分离度R)(2121)1()2(YYttRRR)(21)2(2/1)1(2/1)1()2(2/1YYttRRR60(2)色谱分离基本方程(Purnell方程)kttkmmmRuuttuLtuLtMRMSMSSRMMSR111,n 公式推导61)1)(1(41/114114141161)2()2()1()2()1()2(21212kknRtttttknRttktnRRkkkYYY
19、tnYYtnkttRMRRRRRMRRMR理论的定义中带入,设62(3)色谱分离基本方程的启示要改善物质对的分离(提高R R),即提高两相邻物质的分离度,可以采取以下措施:提高柱效N N提高选择性系数增大容量因子k kkknR11463N的影响,如何提高N?v分离度R与理论塔板数N的平方根成正比关系,增加塔板数,有利于提高分离度。v增加柱长可增加N,改善分离,但分析时间将大大延长,峰产生扩展。v减小塔板高度H:根据速率方程的启示制备一根性能优良的色谱柱是十分重要的。根据速率方程选择合适的色谱条件同样有效。64K的影响,如何改变k?v分离度与容量因子有关,容量因子大,分离好 k 1 3 5 7
20、9 11 13 k/k+1 0.50 0.75 0.83 0.88 0.90 0.92 0.93 1.00v但当容量因子大于10,k/(k+1)的改变不大,而分析时间将大大延长。因此,k k的最佳范围是1k300 300 低于bp100-200 1-3%bp100-200 1-3%200-300 200-300 低于bp100 5-10%bp100 5-10%100-200 100-200 平均bpbp的2/3 10-15%2/3 10-15%气体 室温 15-25%15-25%吸附剂沸程范围100 100 程序升温具体的189汽化温度v一般进样方法下,汽化温度比柱温高30-70。v进样量大时
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