色谱分析概论6.

色谱分析概论贵州师范大学陈文生分析化学：是研究获取物质的组成、形态、结构等信息及其相关理论的科学。化学分析：利用化学反应及其计量关系进行分析的一类分析方法。仪器分析：采用特殊的仪器设备，通过测量物质的某些物理或物理化学性质的参数及其变化来获取物质的化学组成、成分含量及化学结构等信息的方法。仪器分析的分类方法分类主要分析方法被测物理性质光分析发射光谱分析，火焰光谱分析，分子发光分析，放射分析法辐射的发射紫外-可见分光光度法，原子吸收分光光度法，红外光谱法，核磁共振波谱法辐射的吸收比浊法，拉曼光谱法辐射的散射折射法，干涉法辐射的折射X-射线衍射法，电子衍射法辐射的衍射园二色谱法辐射偏振方向的旋转电化学分析电位法电极电位电导法电导极谱法，溶出伏安法电流-电压色谱分析气相色谱法，液相色谱法薄层色谱法两相中的分配热分析热导法，差热分析法热性质质量分析质谱法质荷比仪器分析应用领域社会生活化学生命科学环境科学药物外层空间探索仪器分析发展趋势引进当代新成就，开发新的分析方法分析仪器小型化、自动化、数字化、计算机化不同仪器分析方法联用各学科互相渗透，促进发展为新理论、新技术的研究提供强有力研究手段第一节色谱分析法概述一、色谱分析法的定义和用途二、色谱分析法的特点三、色谱分析法的起源四、色谱分析法的分类五、色谱分析法的发展一、色谱法的定义及用途定义：色谱分析法简称色谱法或层析法(chromatography)，是一种物理或物理化学分离分析方法。原理：利用物质在固定相和流动相中分配系数不同，使混合物中的各组分分离。沉淀法：利用物质溶解度的不同而进行分离。蒸馏法：利用有机物沸点的差异进行分离。萃取法：利用组分在水相和有机相中的分配系数不同进行分离。色谱法的应用（1）色谱分析广泛应用于极为复杂的混合物成分分析。（2）液相色谱法，在糖类、氨基酸、农药、染料、贵金属、有机金属化合物的分析等方面得到广泛的应用。（3）色谱分离技术是一种非常有效的提纯物质的技术，常用于制备分离，得到高纯度的样品。（4）色谱-质谱联用技术已成为研究分子结构的重要手段。二、色谱法的特点优点：“三高”、“一快”、“一广”高选择性、高效能、高灵敏度、分析速度快、应用范围广。缺点：（1）对未知物分析的定性专属性差（2）需要与其他分析方法联用三、色谱法的起源1901年发现：俄国植物学家Tswett利用吸附原理分离植物色素1903年：在华沙大学的一次学术会议上，正式提出“chromatography”（色谱）一词1930年：R.Kuhn用色谱柱分离出胡萝卜素1935年：Adams&Holmes发明了苯酚—甲醛型离子交换树脂，进而发明了离子色谱1938年：Izmailov发明薄层色谱1941年：Martin&Synge发明了液-液分配色谱1952年：Martin&Synge发明了气-液色谱1953年：Janak发明了气-固色谱1954年：Ray发明了热导检测器1957年：Martin&Golay发明了毛细管色谱1959年：Porath&Flodin发明凝胶色谱1960年：液相色谱技术完善1964年：我国第一台色谱仪研制成功1906年，Tsweet发现色谱分离现象石油醚(流动相）色谱柱色带碳酸钙（固定相）诺贝尔化学奖历史上曾有两次诺贝尔化学奖是授予色谱研究工作者的：1948年瑞典Tiselins电泳和吸附1952年英国Martin&Synge分配色谱1937-1972年12次诺贝尔奖的研究中，色谱法都起了关键的作用。四、色谱法的分类1.按物理状态分类根据流动相的物态：气相色谱法（GC）、液相色谱法（LC）、超临界流体色谱法（SFC)根据固定相的物态：气-固色谱法、气-液色谱法、液-固色谱法、液-液色谱法2.按操作形式分类：柱色谱、平板色谱、电泳法等。3.按分离机理分类：吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱、凝胶色谱色谱法简单分类表：五、色谱法的发展新型固定相和检测器的研究色谱新方法的研究色谱-光谱（或质谱）联用技术：常用的有：GC-MS、GC-FTIR、HPLC-MS等。色谱-色谱联用：二维或多维色谱法第二节色谱法的基本原理一、色谱过程、分离原理及特点二、色谱流出曲线和有关概念三、分配系数与色谱分离一、色谱过程色谱过程：是物质分子在相对运动的两相间分配“平衡”的过程。色谱分离原理：色谱分离基于各组分在两相之间平衡分配的差异；平衡分配可以用分配系数和分配比来衡量。色谱分离特点：①不同组分通过色谱柱时的迁移速度不等→提供了分离的可能性。②各组分沿柱子扩散分布→不利于不同组分分离。色谱分离过程（色谱图）二、色谱的流出曲线和有关概念色谱流出曲线：试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测器时，检测器就将流动相中各组分浓度变化转变为相应的电信号，由记录仪所记录下的信号----时间曲线，称为色谱流出曲线，或色谱图。与色谱有关的概念：色谱峰、基线、峰高、峰面积、保留时间、分离度等等。色谱的流出曲线和有关概念色谱峰：当组分随流动相进入检测器时，其响应信号大小随时间变化所形成的峰形曲线。正常的色谱峰呈正态分布。基线：在操作条件下，没有组分流出时的流出曲线为基线。峰高：色谱峰顶点与峰底之间的垂直距离称为峰高（peakheight).用h表示。峰面积：峰与峰底之间的面积称为峰面积（peakarea），通常用A表示。色谱的流出曲线和有关概念保留值：试样中各组分在色谱柱中停留时间值或将组分带出色谱柱所需流动相的体积称为保留值。保留时间：从进样至被测组分出现浓度最大值时所需时间tR。保留体积：从进样至被测组分出现最大浓度时流动相通过的体积VR。色谱的流出曲线和有关概念死时间tM：不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓度最大值时所需的时间称为死时间。死体积VM：不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓度最大值时流动相通过的体积为死体积。调整保留时间tR’：扣除死时间后的保留时间。相对保留值ris：在相同的操作条件下，组分与参比组分的调整保留值之比。分离度R：相邻的色谱峰保留时间之差与两个色谱峰峰宽均值之比。三、分配系数与色谱分离1.分配系数：在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相间达到分配平衡时的浓度比值，用K表示。cs、cm分别为组分在固定相和流动相的浓度K为热力学常数，与组分性质、固定相性质、流动相性质及温度有关，若实验条件固定，K仅与组分的性质有关。msccK溶质在流动相中的浓度溶质在固定相中的浓度分配系数与色谱分离2.容量因子：在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达到平衡时的质量比，称为容量因子，也称分配比，用k表示。cs、cm分别为组分在固定相和流动相的浓度；Vm为色谱柱中流动相的体积，近似等于死体积，Vs为色谱中固定相的体积。mmssmsVcVcmmk组分在流动相中的质量组分在固定相中的质量分配系数K与容量因子k的关系分配系数K与柱中固定相和流动相的体积无关，而取决于组分及两相的性质，并随柱温、柱压变化而变化。容量因子k决定于组分及固定相的热力学性质，随柱温、柱压的变化而变化，还与流动相及固定相的体积有关。kVVkV/mV/mccKsmmmssms分配系数K与容量因子k的关系（1）色谱条件一定时，K或k值越大，则组分的保留值也越大。（2）两个组分的K或k值相等，则两个组分的色谱峰必将重合。（3）两个组分的K或k值差别越大，则相应的两个色谱峰相距就越远。第三节色谱法的基本理论一、塔板理论二、速率理论1.塔板理论假设：将一根色谱柱视为一个精馏塔色谱柱是由一系列水平的塔板构成塔板之间无分子扩散每一块塔板的高度为H组分在每一块塔板上瞬间达到分配平衡分配系数在各塔板上是常数气体的纵向扩散可以忽略不计理论塔板数的计算公式：22''2/11654.5WtWteffRRn理论塔板高度H=L/n理论塔板数n越多，理论塔板高度H越小，色谱峰越窄，则柱效越高。二、速率理论范第姆特方程式（vanDeemtereqation)H=A+B/u+CuA----涡流扩散项B/u----分子扩散项Cu----传质阻力项U----流动相线速度，单位为cm/s第四节基本类型色谱法的分离机制根据色谱法的作用机制不同，有多种类型色谱方法，以下四种为基本类型：一、分配色谱法二、吸附色谱法三、离子交换色谱法四、空间排阻色谱法一、分配色谱法1.分离原理：将液体均匀地涂渍在惰性物质(载体)表面上作为固定相，利用被分离组分在固定相与流动相中的溶解度差别所造成的分配系数差别而被分离。分离机制：利用组分在流动相和固定相间溶解度差别实现分离。2.固定相和流动相要求：固定相→机械吸附在惰性载体上的液体,常用的固定液有水、稀硫酸、甲醇、甲酰胺等强极性溶剂载体→惰性物质，无吸附性性质稳定，不与固定相和流动相发生化学反应常用的有吸水硅胶、纤维素、多孔硅藻土等。流动相→必须与固定相不为互溶石油醚、醇类、酮类、酯类、卤代烷及苯等。3.洗脱顺序正相色谱：固定相极性大于流动相极性,主要分离极性样品.极性弱的组分先被洗脱，极性强的组分后被洗脱。反相色谱：固定相极性小于流动相极性,主要分离非极性样品和中等极性样品.极性强的组分先出柱，极性弱的组分后出柱。二、吸附色谱法分离原理：各组分与流动相分子争夺吸附剂表面活性中心,利用吸附剂对不同组分的吸附能力差异而实现分离.经过吸附、解吸、再吸附、再解吸……最后混合物得到分离.吸附系数注：Ka与吸附剂的活性、组分的性质和流动相的性质有关。mmaamaaVXSXXXK////a:吸附剂m:流动相Xm:流动相中的组分分子Xa:固定相中组分的分子Ym:流动相分子Ya:固定相中溶剂分子吸附过程是试样中组分分子与流动相分子争夺吸附剂表面活性中心的过程。2.固定相及其选择固定相是表面具有许多吸附中心的吸附剂，常用吸附剂硅胶表面的硅醇基为吸附中心。经典液相柱色谱和薄层色谱使用一般硅胶，高效液相色谱常用球型或无定型全多孔硅胶和堆积硅珠。（1）对吸附剂的要求①有大的表面积和足够的吸附能力；②对不同的化学成分有不同的吸附力，能较好地把混合物分开；③与流动相、溶剂及样品中各成分不起化学反应；④在所用的溶剂及流动相中不溶解；⑤颗粒均匀，操作过程中不会碎裂。（2）吸附剂的类别①有机类淀粉、葡萄糖、聚酰胺、纤维素等②无机类氧化铝、硅胶、活性炭、碳酸钙、硅藻土等（3）吸附剂的选择a硅胶：为首选吸附剂。本身具微酸性，适用于分离酸性及中性物质，如有机酸、氨基酸、甾体等。b氧化铝：氧化铝具有分离能力强、活性可以控制等优点。碱性氧化铝pH9～10适于分析碱性、中性物质中性氧化铝pH7.5适于分析酸性碱性和中性物质酸性氧化铝pH4～5适于分析酸性、中性物质C聚酰胺:氢键作用,氢键能力↑强，组分越后出柱分离极性小的物质，一般选用活性大些的吸附剂；反之，分离极性大的物质，选用活性小的吸附剂。3.流动相及其选择（1）要求①应使用较纯试剂，含杂质会影响洗脱能力②与样品或吸附剂不发生化学反应③能溶解样品中各成分，且各被分离组分有不同的K值④粘度小，易流动（2）流动相流动相的洗脱能力主要由其极性决定，极性强的流动相分子占据极性中心的能力强，洗脱能力就强。流动相的选择要依据样品的极性、吸附剂的活性而定。（3）常用溶剂的极性石油醚环己烷二硫化碳四氯化碳三氯乙烷苯甲苯二氯甲烷乙醚氯仿乙酸乙酯正丁醇丙酮乙醇甲醇吡啶酸水（4）流动相的选择用硅胶或氧化铝作色谱分离时，如被测成分极性较大，用活性较低的吸附剂，极性较大的冲洗剂；被测成分极性较小，选用活性较强的吸附剂，极性较小的冲洗剂4.洗脱顺序吸附弱的组分先被洗脱，吸附强的组分后被洗脱。吸附的强弱与组分的性质(极性、取代基的类型和数目、构型）有关。一般规律是：①非极性化合物，吸附弱。②基本母核相同，分子中取代基的极性越强，或极性基团越多，分子极性越强(但要