第2章色谱基本理论

第2章色谱法基础第一节色谱图流出曲线及有关术语一、色谱流出曲线及色谱峰（一）色谱流出曲线－色谱图（chromatogram）是样品被流动相冲洗，通过色谱柱，流经检测器，所形成的浓度信号随洗脱时间变化而形成的曲线．称为色谱流出曲线(简称流出曲线)，即浓度—时间曲线。（二）基线（baseline）1、基线（baseline）在正常操作条件下，仅有流动相通过时响应信号－时间曲线。2、基线噪声（baselinenoise）由各种因素所引起的基线波动。(一般计算峰前后1-2min内的噪声）3、基线漂移（baselinedrift）基线随时间定向的缓慢移动（三）色谱峰（chromatographicpeak）1、正常色谱峰：呈正态分布2.拖尾峰（tailingpeak）：前沿陡峭，后沿拖尾的不对称色谱峰3、前伸峰（leadingpeak）:前沿平缓，后沿陡峭的不对称色谱峰4.不对称度（As）或拖尾因子(T)（tailingfactor）As(不对称因子)=B/A（x=0.10h）T(拖尾因子)=（A+B）/2A（x=0.05h）AsymmetryAfactordescribingtheshapeofachromatographicpeak.TheoryassumesaGaussianshapepeakthatissymmetrical.Thepeakasymmetryfactoristheratio(at10percentofthepeakheight)ofthedistancebetweenthepeakapexandthebacksideofthechromatographiccurvetothedistancebetweenthepeakapexandthefrontsideofthechromatographiccurve.Avalue1isatailingpeak,whileavalue1isafrontingpeak5.假峰（ghostpeak）又称鬼峰：由于仪器条件的变化等原因而在谱图上出现的色谱峰，即并非由试样所产生的峰。色谱峰：1个样品组分的色谱峰可用3个参数来描述，即峰高(或峰面积)、峰位和峰宽。峰高(或峰面积)用于定量；峰位用于定性；峰宽可用于衡量柱效。若描述一组色谱峰，还需用分离参数表述相邻峰的重叠程度。二、保留值－定性参数（一）保留时间(retentiontime)（1）死时间(deadtime):tM（2）保留时间(retentiontime)（tR）（3）调整保留时间(adjustedretentiontime)（tR＇）：tR＇=tR－tM（二）保留体积(retentionvolume)（1）死体积（VM）：VM=tM×Fc（2）保留体积（VR）：VR=tR×Fc（3）调整保留体积(VR＇)：VR＇=VR－VMFc：载气流速（mL/min)（1）死时间tM一些不被固定相吸收或吸附的气体通过色谱柱时，从进样到出现峰极大值所需的时间（它正比于色谱柱的空隙体积）。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）保留时间(tR)•试样（某一组分）从进样开始到柱后出现峰极大点时所经历的时间为试样中某一组分的保留时间。以s或min为单位表示。（3）调整保留时间保留时间减去死时间即为调整保留时间:)(R't)('MRtttR（4）死体积指色谱柱中不被固定相占据的空间及进样系统和到检测系统的总体积.当色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测系统的空间的总体积很小而可忽略不计时，等于死时间乘以载气的流速。0MFtVM（5）保留体积从注射样品到经过柱后色谱峰顶出现时，通过色谱系统流动相的体积，一般可用保留时间乘载气流速求得，以mL为单位表示。0RFtVR（6）调整保留体积保留体积减去死体积即为调整保留体积(VR－VM)。'RV0R'F'tVR（三）相对保留值(r21)在一定色谱条件下被测组份2和组份1调整保留值之比。r21=α＝t’R2/t’R1=V´R2/V´R1式中t’R2——组份2的调整保留时间;t‘R1——组份1的调整保留时间。它与流动相的流速和色谱柱的物理指标无关；仅与柱温和固定相的性质有关（四）保留指数(retentionindex）t’R(x)---待测物X的调整保留时间t’R(z)---碳原子数为Z的正构烷烃的调整保留时间t’R(z+n)---碳原子数为z+n的正构烷烃的调整保留时间t’R(z)≤t’R(x)≤t’R(z+n)（通常n=1）规定正构烷烃的I值是其原子数的100倍，如：正庚烷I=700)]lglglglg([100,)(,)(,)(,)(ZRnZRzRXRttttnZ－)lglglglg(')(')(')(')(')(')(')(ZttttItttZRZRZRXRXZRXRZR11100保留指数差•化合物x在某一固定液s上测得的保留指数减去在角鲨烷（异三十烷）固定液上得到的保留指数。（一）.区域宽度用来衡量色谱峰宽度的参数，有三种表示方法：（1）标准偏差()：即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。（2）半峰宽(W1/2)：色谱峰高一半处的宽度W1/2=2.354（3）峰底宽(W)：W=4三、柱效参数从色谱图中，可得许多信息：(i)根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组分的最少个数；(ii)根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析；(iii)根据色谱峰的面积或峰高，可以进行定量分析；(iv)色谱峰的保留值及其区域宽度，是评价色谱柱分离效能的依据；(v)色谱峰两峰间的距离，是评价固定相（或流动相）选择是否合适的依据。第2节色谱学基础理论•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。•但是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。它包括三个基本理论问题：•①色谱过程热力学：色谱分离的第一个条件是两相邻组分保留值存在一定差别，洗出两个色谱峰具有足够远的距离。溶质、流动相、固定相的分子结构和溶质与固定相、流动相之间的分子作用力及分布平衡常数与色谱保留值的关系，即分子结构与保留值关系及溶质在各种色谱条件下保留值的变化规律是色谱热力学研究的主要课题；它是发展高选择性色谱体系，探讨色谱分离机理、评价色谱固定相、流动相，建立色谱定性方法的理论基础。•2色谱过程动力学：色谱分离的第二个条件是色谱峰区域宽度要窄。色谱峰的宽窄与溶质在流动相和固定相的连续重复分配过程中流体分子扩散、传质等有关，色谱分离过程流体分子运动规律是色谱动力学的研究课题。它是发展高效色谱柱和色谱方法的理论基础。•③色谱分离理论：色谱实际分离既要求各组分保留值差别足够大，也要求色谱峰窄；而改变色谱条件两者均发生变化，即分离度随色谱条件变化．在解决多元混合物分离问题时，不仅要求各组分间达到一定分离度，还要求分离速度快，分离的组分多。这是一个与色谱热力学和动力学有关的综合性理论问题。它是研制和设计高效、高速、高选择性、高峰容量色谱柱材料、色谱体系和选择分离操作条件的理论基础。3-1分布平衡(distributionequilibrium)Ka称为吸附平衡常数(adsoptionequilibriumconstant)描述溶质在固定相和流动相中分布的另一个重要参数是分配容量k(partitioncapacity),也称为容量因子capacityfactor)或容量比(capacityratio),定义为溶质在固定相和流动相中分配量(重量、摩尔数)之比，用下式表示：分配容量是描述溶质在两相中分布的简便形式。它将溶质在色谱系统中的分布与其热力学性质联系起来，是选择控制色谱条件的一个最重要的参数.k不仅与固定相、流动相性质及温度有关，还与色谱柱床的结构有关，但与流动相流速及柱长无关。分配系数是由组分和固定相的热力学性质决定的，它是每一个溶质的特征值，与固定相和温度有关。它与两相体积、柱管的特性以及所使用的仪器无关。2.分配比k分配比又称容量因子，它是指在一定温度和压力下，组分在两相间分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比。即k=组分在固定相中的质量/组分在流动相中的质量=ms/mmk值越大，说明组分在固定相中的量越多，相当于柱的容量大。它是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要参数。k值也决定于组分及固定相热力学性质。它不仅随柱温、柱压变化而变化，而且还与流动相及固定相的体积有关。k=ms/mm=CsVS/CmVm式中cs,cm分别为组分在固定相和流动相的浓度；Vm为柱中流动相的体积，近似等于死体积。Vs为柱中固定相的体积，在各种不同的类型的色谱中有不同的含义。例如：在分配色谱中，Vs表示固定液的体积；在尺寸排阻色谱中，则表示固定相的孔体积。分配比k值可直接从色谱图中测得k=(tr–t0)/t0=tr/t0=Vr/V03.分配系数K与分配比k的关系K=k.其中β称为相比率，它是反映各种色谱柱柱型特点的又一个参数。例如，对填充气相柱，其β值一般为5~35；对毛细管气相柱，其β值为50~200。4.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(A)/tr(B)=k（A）/k（B）=K（A）/K（B）通过选择因子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浓度沿柱移动距离LABABKAKB图中KAKB，因此，A组分在移动过程中滞后。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。作为一个色谱理论，它不仅应说明组分在色谱柱中移动的速率，而且应说明组分在移动过程中引起区域扩宽的各种因素。塔板理论和速率理论均以色谱过程中分配系数恒定为前提，故称为线性色谱理论。讨论：如何使A、B组分完全分离ABAB组分A、B在沿柱移动时不同位置的浓度轮廓浓度1.两组分的分配系数必须有差异2.区域宽度的扩展速度应小于区域分离的速度3.在保证快速分离的前提下，提供足够长的色谱柱练习题1.混合样品a,b,c,d,e在柱上的分配系数分别为105，85，310，50，205，则各个组分流出柱的先后顺序为（）Ad，b，a，e，cB.c，d，a，b，eC.c，e，a，b，dD.a，b，c，d，e下列参数改变时，会引起分配系数变化的是…………………………（）A柱长增加B.固定相改变C.相比减少D.流动相流速增加下列参数改变时，会引起分配比变大的是…………………………（）A柱长增加B.固定相改变C.相比减少D.流动相流速增加色谱理论需要解决的问题：色谱分离过程的热力学和动力学问题。影响分离及柱效的因素与提高柱效的途径，柱效与分离度的评价指标及其关系。组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？组分保留时间：色谱过程的热力学因素控制；（组分和固定液的结构和性质）色谱峰变宽：色谱过程的动力学因素控制；（两相中的运动阻力，扩散）两种色谱理论：塔板理论和速率理论；塔板理论的假设：(1)在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达到；(2)将载气看作成脉动（间歇）过程；(3)试样沿色谱柱方向的扩散可忽略；(4)