色谱分析法导论

第九章_色谱分析法导论现代仪器分析的四大波谱:光谱法、核磁共振波谱法、色谱法、质法、

光谱法: 利用光(电磁辐射)作为“探针”来探测物质性质、含量和结构的光学分析法.

核磁共振波谱法:利用磁性核在外磁场作用下,核自旋能及跃迁原理来研究有机物的结构与组成的一种化学物理分析法. 质谱法:是将待测样品在离子源中转化为离子,然后利用离子在电磁场中运动的性质,将离子按质荷比(m/e)分开,记录并分析离子按质荷比大小排列质谱图,通过对质谱图的解析进行定性,定量分析.

色谱法:利用样品中各组分在固定相与流动相中受到的作用力不同，而将待分析样品中的各组分依次分离，然后顺序检测各组分含量的分离分析方法。

色谱法是一种分离技术,把这种分离技术应用到分析领域.并与适当的检测手段结合起来,就是色谱分析法.

由于色谱法的分离效率比常用分离方法(如重结晶、蒸馏、萃取等)高效.又有非常灵敏的检测手段.因此应用范围极其广泛,已成为生产、科研等各部门不可缺少的分离分析手段.

色谱法也叫层析法，它是一种高效能的物理化学分离技术，将它用于分析化学并配合适当的检测手段，就成为色谱分析法。色谱法的最早应用是用于分离植物色素，其方法是这样的：在一玻璃管中放入碳酸钙，将含有植物色素（植物叶的提取液）的石油醚倒入管中。

一.色谱定义:：利用物质(样品)中组分在固定相与流动相中受到作用力不同,而将待测样品分离,然后顺序检测各组分含量的一种物理化学分析方法.

四.色谱的分类:1. 按流动相状态分:2、按固定相状态分: 按固定相的形式分类可分为按分离机理分类

5. 按照展开程序分类

6. 按仪器分类：

1.按流动相状态分: 液相色谱气相色谱液相色谱: 流动相为液体的色谱. 气相色谱: 流动相为气体的色谱.

2、按固定相状态分:

气-固色谱: 流动相为气体,固定相为固体的气相色谱. 气-液色谱: 流动相为气体,固定相为流动的气相色谱.

液-固色谱: 流动相为液体,固定相为固体的液相色谱. 液-液色谱: 流动相为液体,固定相为液体的液相色谱.

3 按固定相的形式分类可分为：柱色谱：固定相装在色谱柱中；纸色谱：利用滤纸作载体，吸附在纸上的水作固定相；薄层色谱：将固体吸附剂在玻璃板或塑料板上制成薄层作固定相。

吸附色谱: 利用组分在吸附剂上的吸附能力

强弱不同而得以分离的方法。

分配色谱: 利用组分在固定液（固定相）

溶解度不同而达到分离的方法。

离子交换色谱:利用组分在离子交换剂（固定相）上的亲和力大

小不同而达到分离的方法。

凝胶色谱利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透而

达到分离，称排阻色谱法。

电色谱利用带电物质在电场下移动速度不同进行分离的

色谱。

亲和色谱利用不同组分与固定相（固定化分子）的高专属性亲

和力进行分离的色谱

色谱分离的过程迁移扩散迁移----分离色谱过程的热力学性质有关

扩散---峰宽色谱过程的动力学性质有关。

如图所示为一色谱流出曲线：

（一）色谱流出曲线和色谱峰

由检测器输出的电信号强度对时间作图,所得曲线称

为色谱流出曲线.曲线上突起部分就是色谱峰。

如果进样量很小,浓度很低,在吸附等温线或分配等温线的

线性范围内,则色谱峰是对称的.

（二）基线：在实验操作条件下，色谱柱后没有样品组分流出时

的流出曲线称为基线，稳定的基线应该是一条水平直线。

（三）峰高：色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以（h）表示。

四) 色谱峰宽Y：色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参

数之一，衡量色谱柱的柱效及反映色谱操作条件下的动力学因

素。宽度越窄，其效率越高，分离的效果也越好。

表示色谱峰区域宽度的三种方法

1.标准偏差σ：即0.607倍峰高处色谱峰宽的一半。

2. 半峰宽Y1/2：即峰高一半处对应的峰宽。它与标准偏差的关系为 Y1/2=2.354σ

3. 峰底宽度Y ：即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上截距的距离.它与标准偏差σ的关系是 Y= 4 σ （五）保留值

1. 死时间 tm ：不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时，到出现峰极大值所需的时间称为死时间.它正比于色谱柱的空隙体积，因为这种物质不被固定相吸附或溶解.

2.保留时间tr ：试样从进样到柱后出现峰极大点时所经过的时间，称为保留时间。

3.调整保留时间tr ′：某组分的保留时间扣除死时间后，称为该组分的调整保留时间，即 tr ′= tr -tm

由于组分在色谱柱中的保留时间tr 包含了组分随流动相通过柱子所须的时间和组分在固定相中滞留所须的时间，所以tr 实际上是组分在固定相中保留的总时间。 保留时间是色谱法定性的基本依据，但同一组分的保留时间常受到流动相流速的影响，因此色谱工作者有时用保留体积来表示保留值。

4 死体积V0：：色谱柱管内固定相颗粒间空隙、色谱仪管路和连接头间空隙和检测器间隙的总和。忽略后两项可得到：

5 保留体积Vr ：指从进样到待测物在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积。Vr=t r ×F0 6. 调整保留体积 Vr ′： 某组份的保留体积扣除死体积后的体积。 三. 色谱流出曲线的意义：

1 色谱峰数=样品中单组份的个数；

2 色谱保留值——定性依据；

3 色谱峰高或面积——定量依据；

4 色谱保留值或区域宽度——色谱柱分离效 能评价指标；

5 色谱峰间距——固定相或流动相选择是否 合适的依据。 四 描述分配过程的参数

1、分配系数(K)： 2. 分配比： k

3. K 与 k 的关系：

4. 选择因子α

5 分配系数 K 及分配比 k 与选择因子α 的关 系

6 分离度 R

1、分配系数(K)：它是指在一定温度和压力下，组分在固定和流动相之间分配达平衡时的浓度之比值，即

2. 分配比： k ：在一定温度和压力下，组份在两相间的分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比，称为分配比 k 也等于组分的校正保留时间与死时间的比值 k 也等于组分的校正保留时间与死时间的比值 k 越大，停留时间也就越长

3. K 与 k 的关系：

β 称为相比率，它也是反映色谱柱柱型特点的参数。对填充柱，β=6~35；对毛细管柱， β=60~600。

4. 选择因子α ：

色谱柱对A 、B 两组分的选择因子α 定义如下：

A 为先流出的组分，

B 为后流出的组分。

注意：

K 或 k 反映的是某一组分在两相间的分配 α 是反映两组分间的分离情况！

当两组分 K 或 k 相同时，α =1 时，两组分不能分开。

当两组分 K 或 k 相差越大时，α 越大，分离得越好。也就是说，两组分在两相间的分配系数不同，是色谱分离的先决条件α 和 k 是计算色谱柱分离效能的重要参数！

5 分配系数 K 及分配比 k 与选择因子α的关系 对A 、B 两组分的选择因子，用下式表示： α= t 'r (B) / t 'r (A) = k （A ） / k （B ） =K （A ） / K （B ） 通过选择因子(相对保留值）α把实验测量值k 与热力学性质的分配系数K 直接联系起来. α对固定相的选择具有实际意义。如果两组分的K 或k 值相等，则α=1,两个组分的色谱峰必将重合，说明分不开。两组分的K 或k 值相差越大，则分离得越好。因此 两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先决条件。 下图是 A 、B 两组分沿色谱柱移动时，不同位置处的浓度轮廓。 溶质A 和B 在沿柱移动时不同位置处的浓度轮廓

图中KA>KB ， 因此，A 组分在移动过程中滞后。

c

V t F =0r r r co

V V V t F =-=?K =

=

溶质在固定相中的浓度

溶质在流动相中的浓度

m m

m s s

m m

c V k c V =

==组分在固定相中的质量组分在流动相中的质量0R t k t =/s s s m

m m m s

c m V V K k c m V V ===?

'()()r B r A

t B k t A k α==

=

随着两组分在色谱柱中移动距离的增加，两峰间的距离逐渐变大，

同时，每一组分的浓度轮廓（即区域宽度）也慢慢变宽显然，区域扩宽对分离是不利的，但又是不可避免的。若要使A、B组分完全分离，必须满足以下三点：

第一，两组分的分配系数必须有差异；第二，区域扩宽的速率应小于区域分离的速度；第三，在保证快速分离的前提下，提供足够长的色谱柱。第一、二点是完全分离的必要条件。

6 分离度R 分离度R 是一个综合性指标。它是既能反映柱效率又能反映选择性的指标，称总分离效能指标。

分离度又叫分辨率，它定义相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽总和之半的比值，即R = 2 (tr2 - tr1) / Y1 +Y2 R = (tr2 - tr1) / Y21/2+Y11/2R值越大，表明相邻两组分分离越好。

一般说，当R<1时，两峰有部分重叠；当R=1时，分离程度可达98%；当R=1.5时，分离程度可达99.7%。

§9.3 色谱法基本原理

色谱分析的目的是将样

品中各组分彼此分离.

组分要达到完全分离，两峰间的

距离必须足够远，两峰间的距离

是由组分在两相间的分配系数

决定的，即与色谱过程的热力学

性质有关。

但当两峰间虽有一定距

离，如果每个峰都很宽，以致彼

此重叠，还是不能分开。

这些峰的宽或窄是由组

分在色谱柱中传质和扩

散行为决定的，即与色

谱过程的动力学性质有

关。

因此，要从热力学和动

力学两方面来研究色谱

行为。

一塔板理论最早由Martin等人提出塔板理论，把色谱柱比作一个精馏塔，沿用精馏塔中塔板的概念来描述组分在两相间的分配行为，同时引人理论塔板数作为衡量柱效率的指标。

塔板理论是描述色谱柱中组分在两相间的分配状况及评价色谱柱的分离效能的一种半经验式的理论

将一根色谱柱当作一个由许多塔板组成的精馏塔，用塔板概念来描述组分在柱中的分配行为。

(一)塔板理论假定：1 塔板之间不连续；2 塔板之间无分子扩散；3 组分在各塔板内两相间的分配瞬间达至平衡，

达一次平衡所需柱长为理论塔板高度H；4 某组分在所有塔板上的分配系数相同；5 流动相以不连续方式加入，即以一个一个的塔板体积加入。塔板理论是把色谱柱假想为一个精馏塔，塔内存在许多塔板.组分在每个塔板的气相和液相间进行分配，达成一次分配平衡。然后随着流动相按一个塔板、一个塔板的方式向前移动。

经过多次分配平衡后，分配系数小的组分，先离开蒸馏塔（色谱柱），分配系数大的组分后离开蒸馏塔（色谱柱）， 从而使分配系数不同的组分彼此得到分离。

下面我们再举一个例子说明组分在色谱柱中的分配情况。

为简单起见，设色谱柱由5决塔板（n=5n为柱子的塔板数）组成，并以塔板

编号r表示．r=0，1，2，3，4，5；某组分的分配比k=1。

根据上述假定．在色谱分离过程中。该组分的分布可计算如下：

开始时，将单位质量（即m=1）的该组分进入0号塔板上，

然后将流动相以一个板体积（△V）一个板体积的脉动形式进入色谱柱；

此时组分将安下表所示在固定相和流动相进行分配：

由表中可见，当n=5时，即5个塔板体积的流动相进入柱中时，组分就开始从柱口流出。并且呈现先小后大的情况。

以上是当塔板数为5时的情况，出现的峰形不对称，这是由于塔板数太少的原因。

所以色谱峰一般为正态分布。

当塔板数大于50时，峰形就是对称的。在实际色谱柱中，n值很大（约为106～109 ）。

（二）柱效能指标：

对于一个色谱柱来说，其分离能力（叫柱效能）的大小主要与塔板的数目有关，塔板数越多，柱效能越高。 色谱柱的塔板数可以用理论塔板数和有效塔板数来表示。

1．理论塔板数n ：对于一个柱子下说，其理论塔板数可由下式计算：

式中：tR 为某组分的保留时间； W1/2为某组分色谱峰的半宽度； W 为色谱

峰的峰底宽度。 由式可见，柱子的理论塔板数与峰宽和保留时间有关。 保留时间越大，峰越窄，理论塔板数就越多。柱效能也就越高。对于一个柱长固定为L 的柱子，其理论塔板高度H 为 每一个塔板的高度，即组分在柱内每一次分配平衡所需要的柱长叫理论塔板高度。它越小，也表示柱效能越高。 2．有效塔板数n 有效：

在以上计算理论塔板数的式子中使用的是保留时间，它包括了死时间，它与组分在柱内

的分配无关，因此不能真正反映色谱柱的柱效。为此，引入了有效塔板数的概念。

同理有效塔板高度为：

3.塔板理论的点：

(1) 当色谱柱长度一定时，塔板数 n 越大

塔板高度 H 越小，

被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效 能则越高，所得色谱峰越窄。

(2)不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物

质。

(3)柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数 K 相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法

分离。

(4)塔板理论无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。

二．速率理论——范弟姆特方程式：

塔板理论是一个半经验性的理论。它定性的给出了板高的概念，但不能指出影响板高的因素。速率理论就是在塔板

理论的基础上，给出了影响塔板高度的因素：

1）涡流扩散项(A) 在填充柱中，由于受到固定相颗粒的阻碍，组份在迁移过程中随流动相不断改变方向，形成紊乱的“涡流”：从图中可见，因填充物颗粒大小及填充的不均匀性——同一组分运行路线长短不同——流出时间不同——峰

形展宽。展宽程度以A 表示：A=2λdp

其中 dp —填充物平均直径；λ—填充不规则因子。可见，使用细粒的固定相并填充均匀可减小A ，提高柱效。对于空心毛细管柱，无涡流扩散，即A=0。 2）分子扩散项(B/u)

纵向分子扩散是由于浓度梯度引起的。

当样品被注入色谱柱时，它呈“塞子”状分布。随着流动相的推进， “塞子”因浓度梯度而向前后自发地扩散，使谱峰展宽。展宽程度以B 表示： B=2γD γ —称为弯曲因子，它表示固定相几何形状对自由分子扩散的阻碍情况； D —组分在流动相中的扩散系数。组份为气体或液体时，分别以Dg 或Dm 表示；

? 分子量大的组分，Dg 小，即B 小 ? Dg 随柱温升高而增加，随柱压 ? 降低而减小；

?

球状颗粒；大分子量流动相；适当增加流速；短柱；低温。

流动相分子量大，Dg 小，即 B 小； ? u 增加，组份停留时间短，纵向 ? 扩散小；（B/u ）

? 对于液相色谱，因Dm 较小，B ? 项可勿略。

涡流扩散项A 与流速u 无关；低流速区(u 小)，B/u 大，分子扩散项占主导，此时选择分子量大的气体如N2和Ar 为载气，可减小扩散，提高柱效；高流速区(u 大)，Cu 大，传质阻力项占主导，

此时选择分子量小的气体如H2和He 为载气，可增加扩散系数，提高柱效；

H = A + B/u + Cu 对上式求导数，当H 最小时，

一阶导数为零： dH/du= –B/u2 +C=0 u 最佳= (B/C) 1/2故H 最小 =A+2（BC ）1/2

1/2

5.54(

)1

R

t n w ==21/2

5.54()16(

R t n w ==H n

=

有效有效