文档视界 最新最全的文档下载
当前位置:文档视界 > 色谱分析分离方法概述

色谱分析分离方法概述

色谱分析分离方法概述

本书是色谱世界《色谱技术丛书》的第一分册。全书共四章,主要说明了色谱法的发展及其在分析化学中的地位和作用,色谱法的特点、分类及性能比较,色谱法的原理,色谱模型理论等方面的内容。

第一章色谱法的发展及其在分析化学中的地位和作用

第一节色谱法发展简史

一、色谱法的出现

二、色谱法的发展

三、色谱法的现状和未来

第二节色谱法在工业生产和科学研究中的作用

一、色谱法在经济建设和科学研究中的作用

二、色谱法在分析化学中的地位和作用

第三节色谱法与其他方法的比较和配合

一、色谱法的特点和优点

二、色谱法和其他方法的配合

第二章色谱法的特点、分类及性能比较

第一节色谱法的定义与分类

一、按流动相和固定相的状态分类

二、按使用领域不同对色谱仪的分类

第二节现代色谱法的应用领域和性能比较

一、色谱法的应用领域

二、各种色谱方法的性能比较

第三章色谱法的原理

第一节色谱分析的基本原理

一、色谱分离的本质

二、色谱分离的塔板理论

第二节色谱法中常用的术语和参数

一、气相色谱中常用的术语和参数

二、液相色谱中常用的术语和参数

第三节色谱的速率理论

一、气相色谱速率理论

二、液相色谱速率理论

第四章色谱模型理论

第一节色谱模型概述

一、色谱模型理论的意义

二、色谱模型的建立

三、色谱模型的求解

第二节线性色谱

一、理想过程

二、反应色谱

三、扩散的影响

四、相间传质阻力的影响

五、同时含扩散与相同传质阻力的情形

第三节单组分理想非线性色谱

一、理想非线性色谱数学模型分析

二、谱带发展与流出曲线

三、理想非线性色谱间断解的数学意义———弱解

四、非线性反应色谱

第四节双组分理想非线性色谱

一、数学模型分析

二、情形

三、简单波的传播

四、激波

五、谱带的发展与保留值的计算

第一节色谱法发展简史

俄国植物学家茨维特于1903年在波兰华沙大学研究植物叶子的组成时,用碳酸钙作吸附剂,分离植物干燥叶子的石油醚萃取物。他把干燥的碳酸钙粉末装到一根细长的玻璃管中,然后把植物叶子的石油醚萃取液倒到管中的碳酸钙上,萃取液中的色素就吸附在管内上部的碳酸钙里,再用纯净的石油醚洗脱被吸附的色素,于是在管内的碳酸钙上形成三种颜色的6个色带。当时茨维特把这种色带叫作“色谱”.茨维特于1906年发表在德国植物学杂志上用此名,在这一方法中把玻璃管叫作“色谱柱”,碳酸钙叫作“固定相”,纯净的石油醚叫作“流动相”。把茨

维特开创的方法叫液固色谱法。

二、色谱法的发展

在茨维特提出色谱概念后的20多年里没有人关注这一伟大的发明。直到1931年德国的Kuhn和Lederer才重复了茨维特的某些实验,用氧化铝和碳酸钙分离了α-,β-,和γ-胡萝卜素,此后用这种方法分离了60多种这类色素。Martin 和Synge在1940年提出液液分配色谱法,即固定相是吸附在硅胶上的水,流动相是某种有机溶剂。1941年Martin和Synge提出用气体代替液体作流动相的可能性,11年之后James和Martin发表了从理论到实践比较完整的气液色谱方法,因而获得了1952年

的诺贝尔化学奖。在此基础上1956年Golay开创了开管柱气相色谱法,习惯上称为毛细管柱气相色谱法。1956年VanDeemter等在前人研究的基础上发展了描述色谱过程的速率理论,1965年Giddings总结和扩展了前人的色谱理论,为色谱的发展奠定了理论基础。另一方面早在1944年Gonsden等就发展了纸色谱,1949年Macllean等在氧化铝中加入淀粉粘合剂制作薄层板使薄层色谱法(TLC)得以实际应用,而在1956年Stahl开发出薄层色谱板涂布器之后,才使TLC得到广泛地应用。在60年代末把高压泵和化学键合固定相用于液相色谱,出现了高效液相色谱(HPLC)。80年代初毛细管超临界流体色谱(SFC)得到发展,但在90年代后未得到较广泛的应用。而在80年代初由Jorgenson等集前人经验而发展起来的毛细管电泳(CZE),在90年代得到广泛的发展和应用。同时集HPLC 和CZE优点的毛细管电色谱在90年代后期受到重视。到56世纪色谱科学将在生命科学等前沿科学领域发挥他不可代替的重要作用。

三、色谱法的现状和未来

色谱法经过近一个世纪的发展,各种方法发展不平衡。McNair认为气相色谱(GC)可能是世界上应用最广的分析技术,他仍处于上升的趋势,有报告估计GC仪器和备件在世界市场上高达10亿美元,并将以3%——4%逐年增长,其中软件35%,硬件65%。所以如此,是因为气相色谱的灵敏度高,分离度好,分析速度快,定量分析的精密度优于1%。将来的发展趋势是增强自动化,特别是计算机工作站的应用,以及专门的进样装置与气相色谱仪的一体化,包括顶空、吹扫捕集、固相萃取、超临界流体萃取和加速溶剂萃取。GC/MS将以5%——10%的速度增加,GC/FTIR会维持现状,GC/NMR会有商品仪器问世。

高效液相色谱(HPLC)近年以6%——8%的速度增长,其中活跃的领域是离子色谱(IC),疏水作用色谱(HIC),手性分离及普遍使用的反相色谱,HPLC 除具有GC的优点外,还有应用面广,可以进行制备分离,在生命科学中有很大的应用前景。HPLC的仪器市场尚未成熟,他将持续增长,主要在LC/MS系统以及开发更为简单便宜的系统。

G.Guiochon认为GC和HPLC在分离分析领域发展最好,是极为成功的范例,而超临界流体色谱(SFC)和场流分离(FFF)则处于失利的境地,毛细管区带电泳(CZE)和电色谱则处于前途未卜的状态。关于超临界流体色谱(SFC)是Giddings和Myers早在60年代就进行了先驱性的研究工作,在80年代初期掀起SFC的热潮,而且当时认为SFC将掀起分析方法的革命,但是目前各大公司却纷纷撤消SFC的推销,放弃进一步开发SFC的计划。毫无疑问SFC具有一些独特用途,但是他被挤在气相色谱和高效液相色谱之间,而GC和HPLC已成为广泛应用的技术,所以SFC命中注定处于被束之高阁的地位。

毛细管区带电泳(CZE)于80年代初引起分析化学家极大的兴趣,由于他具

有惊人的高柱效,使许多分析化学家趋之若鹜地奔向CZE,许多色谱学家也都转向CZE,希望他能解决一切分离问题。但是许多工业分析化学家现在沮丧了,因为虽然CZE具有很高的柱效,但是他失去了色谱方法灵活调节分离因子的机动性,他难以成为定量分析的手段,CZE分析结果的偏差要比HPLC整整大一个数量级,这是一个极大的障碍。仪器制造商们眼巴巴地看着销售额的下降。CZE只有他成为一个真正的定量分析方法之后才能获得广泛的应用。要解决这一困难的问题,需要付出十分艰辛的研究。

现在电色谱(EC)成为这一领域的新秀,很多人希望EC能获得成功,尽管要下一个结论还为时尚早,但是EC驱动流动相的方式和CZE相同,都是使用了电渗流,这种流动速度的波动造成CZE在定量分析中的误差来源,要克服这一困难是近期具有挑战性的研究任务。有许多理由说明SFC和场流分离(FFF)是不够成功的,他们不能成为分析方法的主流。而CZE和EC是在苦难地挣扎之中,要使之成功和普及并成为定量分析方法必须具备:①易于使用,操作费用低;②能够得到准确、可重复的定量结果;③要能够解决至少一个分析化学中的重要问题。在所有这三个问题中,他的功能必须超过其他技术。在20世纪60年代的GC和70年代的HPLC就是这样的。SFC,CZE和EC是很重要的分析分离方法,都有自己的某些特殊的优点,他们如能满足上述要求就会得到广泛的应用。不过CZE还是具有极大的机遇的,用他来分析生物大分子有非常突出的优点,只要把他的定量分析精度明显地提高,他会蓬勃发展,成为极其重要的分析方法。

第二节色谱法在工业生产和科学研究中的作用

一、色谱法在经济建设和科学研究中的作用

世界性的科学技术和生产的发展、进步,推动了分析化学的发展,而色谱分析是分析化学的重要组成部分,从一出现就对科学的进步和生产的发展起着重要的作用。在20世纪30--40年代他为揭开生物世界的奥秘,为分离复杂的生物组成发挥了独特的作用;年代为石油工业的研究和发展作出了贡献;60--70年代成为石油化工、化学工业等部门不可缺少的分析监测工具。目前色谱法是生命科学、材料科学、环境科学、医药科学、食品科学、法庭科学以及航天科学等研究领域的重要手段。各种色谱仪器已经成为各类研究室、实验室极为重要的仪器设备。

表1-1-1不同年代各种分析方法所占的比例

色谱分析分离方法概述

二、色谱法在分析化学中的地位和作用

色谱分析法的特点是他具有高超的分离能力,而各种分析对象又大都是混合物,为了分析鉴定他们是由什么物质组成和含量是多少,必须进行分离,所以色谱法成为许多分析方法的先决条件和必需的步骤。从表1-1-1 的数据可以看出色谱法在近年来各类分析化学方法中占有十分重要的地位。

第三节色谱法与其他方法的比较和配合

一、色谱法的特点和优点

1.色谱法的特点

色谱法是以其高超的分离能力为特点,他的分离效率远远高于其他分离技术如蒸馏、萃取、离心等方法。

2.色谱法的优点

色谱法有许多优点:

(1)分离效率高。例如毛细管气相色谱柱(0.1--0.25μm i.d )30--50m 其理论塔板数可以到7万--12万。而毛细管电泳柱一般都有几十万理论塔板数的柱效,至于凝胶毛细管电泳柱可达上千万理论塔板数的柱效。

(2)应用范围广。他几乎可用于所有化合物的分离和测定,无论是有机物、无机物、低分子或高分子化合物,甚至有生物活性的生物大分子也可以进行分离和测定。

(3)分析速度快。一般在几分钟到几十分钟就可以完成一次复杂样品的分离和分析。近来的小内径(0.1mm i.d)、薄液膜(0.2μm)、短毛细管柱(1--10m)比原来的方法提高速度5--10倍。

(4)样品用量少。用极少的样品就可以完成一次分离和测定。

(5)灵敏度高。例如可以分析几纳克的样品,FID可达 10^-12g/s,ECD达10^-13g/s;检测限为10^-9g/L和10^-12g/L的浓度。

(6)分离和测定一次完成。可以和多种波谱分析仪器联用。

(7)易于自动化,可在工业流程中使用。

二、色谱法和其他方法的配合

1.色谱分析法的缺点

任何分析方法都有他的优点,同时也存在某些缺点。色谱分析法的优点是突出的,但是也有缺点,即对所分析对象的鉴别功能较差,一般来说色谱的定性分析是靠保留值定性,但在一定的色谱条件下,一个保留值可能对应许多个化合物,所以色谱方法要和其他的方法配合才能发挥他更大的作用。

2.和其他方法的配合

为了分离和鉴定一个有机混合物,常常把色谱方法的高效分离能力和光谱方法的鉴别能力结合在一起,发展了各种各样的联用技术。如最常用的气相色谱质谱联用、气相色谱富利叶红外光谱联用,近年发展起来的高效液相色谱电喷雾质谱联用、毛细管电泳质谱联用、气相色谱等离子发射光谱联用等等。

第二章色谱法的特点、分类及性能比较

第一节色谱法的定义与分类

一、按流动相和固定相的状态分类

色谱法或色谱分析(chromatography)也称之为色层法或层析法,是一种物理化学分析方法,他利用混合物中各物质在两相间分配系数的差别,当溶质在两相间做相对移动时,各物质在两相间进行多次分配,从而使各组分得到分离。可完成这种分离的仪器即色谱仪(chromatograph)。

色谱法的分类可按两相的状态及应用领域的不同分为两大类。

二、按使用领域不同对色谱仪的分类

(1)分析用色谱仪又可分为实验室用色谱仪和便携式色谱仪。这类色谱仪主要用于各种样品的分析,其特点是色谱柱较细,分析的样品量少。

(2)制备用色谱仪又可分为实验室用制备型色谱仪和工业用大型制造纯物质的制备色谱仪。制备型色谱仪可以完成一般分离方法难以完成的纯物质制备任务,如纯化学试剂的制备,蛋白质的纯化。

(3)流程色谱仪在工业生产流程中为在线连续使用的色谱仪。目前主要是工业气相色谱仪,用于化肥、石油精炼、石油化工及冶金工业中。

第二节现代色谱法的应用领域和性能比较

一、色谱法的应用领域

自从色谱法问世以来快一个世纪了,但是最近20年是发展最快的时期,特别是20世纪80年到20世纪末,有许多崭新的色谱法方法出现。如在气相色谱中的毛细管柱工艺的发展;毛细管超临界流体色谱和超临界流体萃取的兴起;毛细管电泳的发展;电色谱加入色谱的行列;场流分离为生物大分子的分离提供了新的途径等等。21世纪将是生命科学、材料科学、信息科学的时代,而环境科学又是人们面临的重大课题,色谱法新方法的出现和发展正是服务于这些重要科学领域的新技术。

为了生物大分子的分离和纯化,推动了毛细管电泳和全新的高效液相色谱的发展;为了解决药物对映异构体的拆分,发展了各种各样的手性分离介质;为了极微量环境污染物的检测,发展了各种色谱高灵敏检测器;为了适应石油化工的需要,出现了各种高温毛细管气相色谱法方法;为了能高选择性地分离生化分子,发展了选择性极强的亲和色谱柱和方法为了有效快速地分离蛋白质和多肽发展了整体色谱柱。

另一方面,为了弥补色谱法定性功能较差的弱点,大力发展了色谱和其他仪器的联用技术,特别是液相色谱和毛细管电泳与电喷雾质谱的联用技术近年已

趋于成熟,他将对生物大分子的分离和鉴定发挥极大的作用,因此色谱仪和其他各种仪器的联合使用将成为分析化学的重要领域。

二、各种色谱方法的性能比较

我们这里涉及的色谱分析方法有:气相色谱(GC),高效液相色谱(HPLC),超临界流体色谱(SFC),薄层色谱(TLC)和毛细管电泳(CE),见表1-2-1。(色谱方法的性能比较)

色谱分析分离方法概述

第三章色谱法的原理

第一节色谱分析的基本原理

一、色谱分离的本质

为了从实际角度理解色谱的基本原理,我们从一个气相色谱分析的实例出发,研究色谱分离的基础和特点。

1.气相色谱分离的实例

为了阐明色谱分离的实质,我们举一个最简单的气相色谱分析的例子加以说明。(1)苯和环己烷的气相色谱分离条件

色谱柱50cm×0.5cm i.d不锈钢柱,在Celite载体(100--200目)上涂渍EGS (丁二酸乙二醇聚酯)5% 。

分离条件: 柱温90℃

载气氢气43mL/min

检测器热导池,桥电流200mA

柱温100℃

气化室温度200℃

(2)色谱图如图1-2-1所示

色谱分析分离方法概述

2.气相色谱分离的实质

从以上实例可以看出,苯和环己烷的沸点只差0.6℃,如用分馏柱进行分离是根本不可能的,可是用气相色谱法只用半米长的色谱柱就可以很容易地把二者分开。这是因为苯和环己烷在丁二酸乙二醇聚酯固定相上的分配系数有很大的差别。所以分配系数的差异是所有色谱分离的实质性的原因。分配系数是在一定温度下,溶质在互不混溶的两相间浓度之比。色谱的分配系数是被分离组分在固定相和流动相之间浓度之比,以K表示如下式:

色谱分析分离方法概述

式中 Cs----每1mL固定相中溶解溶质的质量;

Cm----每1mL流动相中含有溶质的质量。

表1-3-1中列出了在角鲨烷(异三十烷)固定液上,于105℃下几种烷烃的K 值。

色谱分析分离方法概述

二、色谱分离的塔板理论

色谱理论始于1941年Martin(马丁)和Synge(辛格)建立的“塔板理论”模型,他们是把色谱柱看作一个有若干层塔板的分馏塔,通过物质在每层塔板中进行平衡的物理模型过程,而导引出一个描述色谱流出曲线(图1-3-2)的数学表达式:

色谱分析分离方法概述

第二节色谱法中常用的术语和参数

一、气相色谱中常用的术语和参数

1.典型的色谱图

在用热导检测器时,往色谱仪中注入带有少量空气的单一样品时,得到图1-3-4的典型气相色谱图。在图1-3-4中当没有样品进入色谱仪检测器时0t是噪声随时间变化的曲线,一般是一条直线,叫作“基线” 。 h是峰高,其他符号将在后边解释。

色谱分析分离方法概述

2. 区域宽度

区域宽度是色谱流出曲线中很重要的参数,它的大小反映色谱柱或所选色谱条件的好坏。区域宽度有以下三种表示方法:

(1)半高峰宽(peak width at half height)(Wh/2)是在峰高一半处的色谱峰的宽度,即图 1-3--2中的CD ,单位可用时间或距离表示。

(2)峰宽(peak width)(W )是在流出曲线拐点处作切线,在图1-3-2中于基线上相交于

E,F 处,此两点间的距离叫峰宽,有些色谱书上叫做“基线宽度” 。(3)标准偏差(σ)在图 1-3-2中AB距离的一半叫标准偏差。

在这三种表示方法中以前两者使用较多,三者的关系是:

色谱分析分离方法概述

3. 保留值(retention value)保留值是总称,具体参数的名称有以下一些:(1)死时间(dead time)(tM) 一些不被固定相吸收或吸附的气体通过色谱柱的时间,如用热导池作检测器时,从注射空气样品到空气峰顶出现时的时间,以s或min为单位表示。

(2)死体积(dead volume)(Vm)指色谱柱中不被固定相占据的空间及进样系统管道和检

测系统的总体积,等于死时间乘以载气的流速。

(3)死区域(dead zone)( Vg)指色谱柱中不被固定相占据的空间。(4)保留时间(retention time)( tR)从注射样品到色谱峰顶出现时的时间,以s或min为单位表示。

(5)调整保留时间(adjusted retention time)保留时间减去死时间即为调整保留时间

(tR-tM)。

(6)保留体积(retention volume)( Vr)从注射样品到色谱峰顶出现时,通过色谱系统载气的体积,一般可用保留时间乘载气流速求得,以mL为单位表示。

(7)调整保留体积(adjusted retention volume)保留体积减去死体积即为调整保留体积(Vr-Vm)。

(8)净保留体积(net retention volume)(Vn)经压力修正的调整保留体积,

即:

色谱分析分离方法概述

式中 j—色谱柱进口和出口之间的压力梯度校正系数。

色谱分析分离方法概述

式中 Pj—色谱柱进口压力;

Po —色谱柱出口压力。

(8)比保留体积(specific retention volume)(Vg)把净保留体积进一步校正到单位质量固定液和273K时的保留体积,如下式:

色谱分析分离方法概述

式中 VL—固定液的体积;

ρL--固定液的密度;

VLρL—固定液的质量。

(10)相对保留值(reative retention)在一定色谱条件下被测化合物和标准化合物调整保留时间之比。

色谱分析分离方法概述

色谱分析分离方法概述

很多文献用分离因子(Spearation factor)α来表示相对保留值,

色谱分析分离方法概述

(11)保留指数(retention index)(I)保留指数是1958年克瓦茨(Kovats)提出来的,用以表示化合物在一定温度下在某种固定液上的相对保留值,具体说它是以一系列正构烷烃作标准的相对保留值,其定义如下:

色谱分析分离方法概述

色谱分析分离方法概述

【例】求在120℃下正丁醇在SE-30固定液上的保留指数差。

在SE-30固定液上测得正丁醇的保留指数为643;在角鲨烷固定液上测得正丁醇的保留指数为590。

色谱分析分离方法概述

4.容量因子(capacity factor),容量因子(也称为分配容量)的定义是在平衡状态下组分在固定相与流动相中质量之比,

式中 VL—色谱柱内固定相的体积;

VG—色谱柱内流动相的体积。

从上述定义可导引出下列的关系式: