華東理工大學(xué)儀器分析色譜法引論.ppt
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色譜分析法Chromatography,第一章色譜法引論,一、概述問題問題1:什么是色譜法?問題2:為什么色譜法能將混合物分開?問題3:色譜法的分類?問題4:各種色譜法的應(yīng)用范圍?,,1、什么是色譜法?,茨維特的實(shí)驗(yàn)茨維特:俄國植物學(xué)家,主要從事植物色素的研究工作,在1906年發(fā)表的文章中,首次提出了色譜的概念。,茨維特的實(shí)驗(yàn),碳酸鈣,石油醚,什么是色譜法?,Chromatography色譜法是一種分離方法。特點(diǎn):有兩相,一是固定相(stationaryphase),一是流動相(mobilephase),兩相作相向運(yùn)動。將色譜法用于分析中,則稱為色譜分析。因此色譜分析是一種分離、分析法。,2、色譜法分離原理,當(dāng)流動相中所攜帶的混合物流過固定相時,就會和固定相發(fā)生作用(力的作用)。由于混合物中各組分在性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上有差異,與固定相發(fā)生作用的大小也有差異。因此在同一推動力作用下,不同組分在固定相中的滯留時間有長有短,從而按先后不同的次序從固定相中流出。,3、色譜法的分類,按流動相狀態(tài)的不同,可分為以下三類:氣相色譜法(GasChromatography,GC)液相色譜法(LiquidChromatography,LC)超臨界流體色譜(SupercriticalFluidChromatography,SFC),色譜分析儀器流程,流動相攜帶進(jìn)樣裝置引入的混合試樣進(jìn)入色譜柱混合試樣在色譜柱中進(jìn)行分離各組分依次進(jìn)入檢測器檢測檢測響應(yīng)信號導(dǎo)入計(jì)算機(jī)得到色譜圖,什么是氣相色譜法?,以氣體為流動相的色譜法GasChromatogaphy,簡稱GC按固定相狀態(tài)的不同可分為:氣固色譜(GSC)氣液色譜(GLC),,應(yīng)用范圍:用于分離分析易汽化(在-190℃-500℃范圍內(nèi)有0.2-10mmHg的蒸氣壓的)穩(wěn)定、不易分解、不易反應(yīng)的樣品,特別適合用于同系物、同分異構(gòu)體的分離。,什么是液相色譜法?,以液體為流動相的色譜法LiquidChromatography,簡稱LC應(yīng)用范圍:用于分離分析高沸點(diǎn)、熱不穩(wěn)定、離子型的樣品。,其他分類方式,按固定相使用的形式可分為柱色譜(columnchromatography)將固定相裝在色譜柱內(nèi)紙色譜(PaperChromatography)用濾紙做固定相或固定相載體的色譜薄層色譜(ThinLayChromatography)固定相均勻涂在玻璃板或塑料板上,,應(yīng)用TLC:,123456789,BandsDescription1PseudoginsenosideF112AmericanGinseng3GinsenosideRg14GinsenosideRf5Ginseng6GinsenosideRc7GinsenosideRb18Notoginseng9NotoginsenosideR1,IdentificationofGinseng,AmericaginsengandNotoginseng,二、色譜法基本理論,擬解決的問題色譜相關(guān)術(shù)語色譜法理論的概況色譜中的動力學(xué)理論色譜分離情況的評價方法影響色譜分離的主要因素及條件選擇(從理論的角度加以判斷),1、色譜相關(guān)術(shù)語,關(guān)于色譜峰關(guān)于保留值關(guān)于分配平衡,關(guān)于色譜峰的術(shù)語,,峰,峰高,基線,峰寬,半峰寬,峰面積,標(biāo)準(zhǔn)偏差σ,關(guān)于色譜峰的術(shù)語,峰底寬、半峰寬及標(biāo)準(zhǔn)偏差三者的關(guān)系為:W=4σ,Wh/2=2.354σ拖尾峰伸舌峰鬼峰、假峰畸峰峰底基線漂移基線噪聲譜帶擴(kuò)張,關(guān)于保留值的術(shù)語,死時間(t0,tM):無保留組分出峰時間保留時間(tR):調(diào)整保留時間(t’R):,,,,,關(guān)于保留值的術(shù)語,死體積(V0,VM):保留體積(VR):調(diào)整保留體積(V’R):,關(guān)于保留值的術(shù)語,相對保留值(ri,s):——相對保留值又稱為選擇性因子(?)——在氣相色譜中,相對保留值的大小僅與固定相種類和柱溫有關(guān)。,,,關(guān)于保留值的術(shù)語,保留指數(shù)(I):又叫Kovats,它規(guī)定正構(gòu)烷烴的保留指數(shù)是其碳數(shù)的100倍,其它物質(zhì)的保留指數(shù)在實(shí)際色譜條件下測定。選取與被測物相鄰的兩種正構(gòu)烷烴做參照系,其中一種碳數(shù)為Z,另一種為Z+1,被測物的保留指數(shù)由下式計(jì)算:,,關(guān)于分配平衡,分配系數(shù)K(distributioncoefficient),,關(guān)于分配平衡,分配比k:又稱為容量因子、容量比、分配容量,是指在一定溫度和壓力下,平衡狀態(tài)時組分在固定相中的量與在流動相中的量之比值。是衡量柱子對組分保留能力的重要參數(shù)。,,關(guān)于分配平衡,相比β:色譜柱內(nèi)固定相和流動相體積之比是柱型及結(jié)構(gòu)的重要特征。,,2、色譜基本理論概述,研究理論的目的解決色譜峰的分離問題三個色譜基本理論問題色譜熱力學(xué)問題——發(fā)展高選擇性色譜柱色譜動力學(xué)問題——發(fā)展高效能色譜柱分離條件的最優(yōu)化問題——分離條件優(yōu)化,3、色譜動力學(xué)理論,研究流出曲線展寬的本質(zhì)及曲線形狀變化的影響因素塔板理論速率理論,塔板理論,塔板理論將色譜柱比作精餾塔,通過概率理論得到流出曲線方程:,塔板理論,當(dāng)t=tR時,C=Cmax,峰高正比于進(jìn)樣量W,是峰高定量的理論基礎(chǔ)。當(dāng)n越大,柱效越大,Cmax/W越大。即保留時間一定時,塔板數(shù)越多,峰越高。Cmax反比于tR,tR小,Cmax大,保留時間小的組分峰高且窄。tR大,Cmax小,保留時間大的組分峰低且寬。,柱效,由流出曲線方程導(dǎo)出:H=L/n,,柱效,n是峰相對展寬的量度n是柱效的量度n是常數(shù)時,Y與tR成正比n越大,h越小,表明組分在柱中達(dá)到的分配平衡次數(shù)越多,對分離越有利,但還不能預(yù)言各組分有被分離的可能性。,塔板理論的貢獻(xiàn),塔板理論有助于我們形象的理解色譜的分離過程。導(dǎo)出色譜流出曲線方程,它符合高斯分布,與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相吻合。導(dǎo)出理論塔板數(shù)的計(jì)算公式,作為柱效的評價指標(biāo)。,塔板理論的局限,塔板高度H是一個抽象的物理量,它的色譜本質(zhì)是什么?它與哪些參變量有關(guān),又怎樣影響峰的擴(kuò)張?對實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)意義有限。不能解釋流速對理論塔板數(shù)的影響。有些假設(shè)不合理,如沒有考慮縱向擴(kuò)散對色譜分離的影響等。,4.色譜相關(guān)術(shù)語,關(guān)于色譜峰關(guān)于保留值關(guān)于分配平衡,關(guān)于色譜峰的術(shù)語,峰,峰高,基線,峰寬,半峰寬,峰面積,標(biāo)準(zhǔn)偏差σ,峰底寬、半峰寬及標(biāo)準(zhǔn)偏差三者的關(guān)系為:W=4σ,Wh/2=2.354σ拖尾峰伸舌峰鬼峰、假峰畸峰峰底基線漂移基線噪聲譜帶擴(kuò)張,關(guān)于保留值的術(shù)語,死時間(tM):無保留組分出峰時間保留時間(tR):調(diào)整保留時間(t’R):死體積(VM):保留體積(VR):調(diào)整保留體積(V’R):,,,相對保留值(ri,s):保留指數(shù)(I):又叫Kovats,它規(guī)定正構(gòu)烷烴的保留指數(shù)是其碳數(shù)的100倍,其它物質(zhì)的保留指數(shù)在實(shí)際色譜條件下測定。選取與被測物相鄰的兩種正構(gòu)烷烴做參照系,其中一種碳數(shù)為Z,另一種為Z+1,被測物的保留指數(shù)由下式計(jì)算:,,關(guān)于分配平衡,分配系數(shù)K(distributioncoefficient)分配比k又稱為容量因子、容量比、分配容量,是指在一定溫度和壓力下,平衡狀態(tài)時組分在固定相中的量與在流動相中的量之比值。是衡量柱子對組分保留能力的重要參數(shù)。,,相比β色譜柱內(nèi)固定相和流動相體積之比是柱型及結(jié)構(gòu)的重要特征。,,二、色譜分析法基本理論,研究理論的目的解決色譜峰的分離問題三個色譜基本理論問題色譜熱力學(xué)問題——發(fā)展高選擇性色譜柱色譜動力學(xué)問題——發(fā)展高效能色譜柱分離條件的最優(yōu)化問題——分離條件優(yōu)化,1、色譜動力學(xué)理論,研究流出曲線展寬的本質(zhì)及曲線形狀變化的影響因素塔板理論速率理論,(1)塔板理論,推導(dǎo)塔板理論將色譜柱比作精餾塔,通過概率理論得到流出曲線方程:,?為標(biāo)準(zhǔn)偏差,當(dāng)t=tR時,C=Cmax,峰高正比于進(jìn)樣量C0,是峰高定量的理論基礎(chǔ)。當(dāng)n越大,柱效越大,Cmax/C0越大。即保留時間一定時,塔板數(shù)越多,峰越高。Cmax反比于tR,tR小,Cmax大,保留時間小的組分峰高且窄。tR大,Cmax小,保留時間大的組分峰低且寬。,對色譜流出曲線方程的討論,柱效,由流出曲線方程導(dǎo)出:H=L/nn是峰相對展寬的量度n是柱效的量度n是常數(shù)時,Y與tR成正比n越大,h越小,表明組分在柱中達(dá)到的分配平衡次數(shù)越多,對分離越有利,但還不能預(yù)言各組分有被分離的可能性。,,塔板理論的貢獻(xiàn),塔板理論有助于我們形象的理解色譜的分離過程。導(dǎo)出色譜流出曲線方程,它符合高斯分布,與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相吻合。導(dǎo)出理論塔板數(shù)的計(jì)算公式,作為柱效的評價指標(biāo)。,塔板理論的局限,塔板高度H是一個抽象的物理量,它的色譜本質(zhì)是什么?它與哪些參變量有關(guān),又怎樣影響峰的擴(kuò)張?對實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)意義有限。不能解釋流速對理論塔板數(shù)的影響。有些假設(shè)不合理,如沒有考慮縱向擴(kuò)散對色譜分離的影響等。,速率理論,速率理論是1956年荷蘭學(xué)者VanDeemter等提出,因此又稱作范第姆特方程運(yùn)用流體分子規(guī)律研究色譜過程中產(chǎn)生色譜峰擴(kuò)展的因素,導(dǎo)出了理論塔板高度與流動相線速度的關(guān)系,揭示了影響塔板高度的動力學(xué)因素,速率方程的導(dǎo)出,根據(jù)塔板計(jì)算公式:n=5.54(tR/Y1/2)2速率理論討論的是色譜峰展寬原因,即影響塔板數(shù)n的因素,也就是影響塔板高度H的因素。H=A+B/u+Cu,渦流擴(kuò)散項(xiàng),A=2λdp,渦流擴(kuò)散項(xiàng),均勻性因子,粒徑,渦流擴(kuò)散項(xiàng),渦流擴(kuò)散項(xiàng)A:由不等路徑造成的色譜峰擴(kuò)展。由于柱填料粒徑大小不同,粒度分布范圍不一致及填充的不均勻,形成寬窄、長短不同的路徑,因此流動相沿柱內(nèi)各路徑形成紊亂的渦流運(yùn)動,有些溶質(zhì)分子沿較窄且直的路徑運(yùn)行,以較快的速度通過色譜柱,發(fā)生分子超前,反之,有些分子發(fā)生滯后,從而使色譜峰產(chǎn)生擴(kuò)散。,分子擴(kuò)散項(xiàng),B/uB=2γDg,彎曲因子,擴(kuò)散系數(shù),分子擴(kuò)散項(xiàng),分子擴(kuò)散項(xiàng):由于分子的縱向擴(kuò)散造成的色譜峰擴(kuò)展。即由于試樣組分被載氣帶入色譜柱后,是以塞子的形式存在于色譜柱的很小一段空間中,由于在塞子前后存在濃度梯度,因此使運(yùn)動著的分子產(chǎn)生縱向擴(kuò)散,引起色譜峰擴(kuò)展,傳質(zhì)阻力項(xiàng),,氣相傳質(zhì)阻力項(xiàng),氣相傳質(zhì)阻力項(xiàng)Cg:試樣組分從氣相移動到固定相表面的過程中,由于質(zhì)量交換過程需要一定時間(即傳質(zhì)阻力)而使分子有滯留傾向。在此過程中,部分組分分子隨流動相向前運(yùn)動,發(fā)生分子超前,引起色譜峰擴(kuò)展。,氣相傳質(zhì)阻力項(xiàng)表達(dá)式,CguCg=,容量因子,液相傳質(zhì)阻力項(xiàng),液相傳質(zhì)阻力項(xiàng)CL:試樣組分從固定相表面移動到固定相內(nèi)部的過程中,由于質(zhì)量交換過程需要一定時間(即傳質(zhì)阻力)而使分子有滯留傾向。在此過程中,部分組分分子先離開固定相表面,發(fā)生分子超前,引起色譜峰擴(kuò)展。,液相傳質(zhì)阻力相表達(dá)式,CLuCL=,液膜厚度,液相擴(kuò)散系數(shù),氣相色譜中的速率方程,,,,速率方程給我們的什么啟示,為柱型的研究和發(fā)展提供理論依據(jù)為操作條件的選擇提供理論指導(dǎo)為色譜柱的填充提供理論指導(dǎo),對柱型研究和發(fā)展的影響,A=0?Golay1957年提出毛細(xì)管柱的概念(opentube)毛細(xì)管柱A=0,H=B/u+CuH↓,N↑,分離能力大大提高,對柱型研究和發(fā)展的影響,B=0?溶質(zhì)在液體中的擴(kuò)散系數(shù)DL≈10-5cm2/s溶質(zhì)在氣體中的擴(kuò)散系數(shù)Dg≈10-1cm2/sDL《Dg當(dāng)采用液體作流動相時B→0液體作流動相時可用更細(xì)的固定相,A↓HPLC柱效比GC要高2~3個數(shù)量級,操作條件對柱效的影響,,載氣線速度(流速)的影響,最佳流速:u=(B/C)1/2實(shí)用最佳流速:比最佳流速更快A與流速無關(guān)B/u:當(dāng)流速小時,對H的大小起主導(dǎo)作用Cu:當(dāng)流速大時,對H的大小起主導(dǎo)作用,容量因子k的影響,不同組分k不同,測出的柱效不同在氣相傳質(zhì)阻力相中,k↑,Cg↑理論上說k越小柱效越高,實(shí)際不可取在液相傳質(zhì)阻力相中,k↑,Cl先↑,后↓當(dāng)k=1時,最大。希望k在一個合適的范圍內(nèi),通過改變柱溫,固定相,柱型參數(shù)等可實(shí)現(xiàn)。,柱溫的影響,間接影響、十分復(fù)雜對k影響,對擴(kuò)散系數(shù)影響,從而對柱效產(chǎn)生影響,但影響情況難以判斷,對色譜柱的填充提供理論指導(dǎo),柱徑:根據(jù)速率方程,柱徑越小,柱效越高,但柱徑越小,固定相越難填充均勻。柱長L:柱長增加,總塔板數(shù)增加,但柱長增加,分離時間將增加。固定相粒徑dp:根據(jù)速率方程,粒徑減小,A項(xiàng)減小,C項(xiàng)減小,柱效增加。但粒徑太小,不易填充,同時A項(xiàng)增大。,對色譜柱的填充提供理論指導(dǎo),液膜厚度df:從柱效角度考慮,液膜越薄,柱效越高(根據(jù)速率方程),但允許的進(jìn)樣量減小。固定液與擔(dān)體的配比一般在5:100-25:100之間,但現(xiàn)在更低配比的固定相也應(yīng)用廣泛。更重要的是:不同沸點(diǎn)的物質(zhì),應(yīng)采用不同配比的固定相。,影響譜帶擴(kuò)張的其他因素,非線性分配色譜載體表面活性吸附中心造成的拖尾柱外效應(yīng)色譜柱外引起色譜峰擴(kuò)展的因素:如進(jìn)樣系統(tǒng)及進(jìn)樣方式、系統(tǒng)連接管、檢測器死體積,檢測器響應(yīng)時間常數(shù)等因素引起的譜帶寬展。,速率理論方程式的偶合式,H=(1/A+1/Cgu)-1+B/u+CluA’=(1/A+1/Cgu)-1為偶合項(xiàng)已被普遍接受,,,2.色譜分離基本方程,對于常規(guī)分析工作,一般選用:選擇性系數(shù)α(相對保留值)與保留指數(shù)I來評價固定液有效塔板數(shù)N有效來評價色譜柱與分離條件以分離度R作為柱的總分離效能指標(biāo),(1)幾個概念——選擇性系數(shù)α,定義與相對保留值(ri,s)基本相同不同之處在于選擇性系數(shù)是兩個相鄰峰的調(diào)整保留值之比(后峰比前峰,α≥1),而不是被測物與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的調(diào)整保留值之比(可小于1)它是評價固定液選擇性的指標(biāo)。選擇性系數(shù)越大,該柱對此相鄰峰的分離越好。,幾個概念——有效塔板數(shù)N有效,在氣相色譜中,通常用有效塔板數(shù)N有效和有效塔板高度H有效來評價柱子的分離效能,它扣除了死體積對分離的影響,更好地反映了柱子的實(shí)際分離效能。柱效越高,該柱的分離能力越好。,幾個概念——分離度R,,R越大,說明兩組分分離得越好。由于該定義綜合了色譜動力學(xué)和熱力學(xué)因素,可作為色譜柱的總分離效能指標(biāo)。,(2)色譜分離基本方程(Purnell方程),公式推導(dǎo),(3)色譜分離基本方程的啟示,要改善物質(zhì)對的分離(提高R),即提高兩相鄰物質(zhì)的分離度,可以采取以下措施:提高柱效N提高選擇性系數(shù)α增大容量因子k,,N的影響,如何提高N?,分離度R與理論塔板數(shù)N的平方根成正比關(guān)系,增加塔板數(shù),有利于提高分離度。增加柱長可增加N,改善分離,但分析時間將大大延長,峰產(chǎn)生擴(kuò)展。減小塔板高度H:根據(jù)速率方程的啟示制備一根性能優(yōu)良的色譜柱是十分重要的。根據(jù)速率方程選擇合適的色譜條件同樣有效。,K的影響,如何改變k?,分離度與容量因子有關(guān),容量因子越大,分離越好。k135791113∞k/k+10.500.750.830.880.900.920.931.00但當(dāng)容量因子大于10,k/(k+1)的改變不大,而分析時間將大大延長。因此,k的最佳范圍是1- 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