第15章色谱导论

第15章色谱分析法导论15.1内容提要15.1.1基本概念分离分析法——利用样品中共存组分间的各种性能上的差异，先将它们分离然后进行分析测定的分析方法。色谱分析法——利用样品中各待测组分间的吸附、分配、交换等性能上的差异，在两相（流动相和固定相）中先将它们分离，然后按一定顺序检测各组分及其含量的方法。气相色谱——流动相是气体的色谱法称为气相色谱(GC)。其固定相是固体吸附剂的，称为气固色谱(GSC)；若固定相是涂在惰性载体(担体)上的液体，则称为气液色谱(GLC)。液相色谱——流动相是液体的色谱法称为液相色谱(LC)。其固定相是固体吸附剂的，称为液固色谱(LSC)；若固定相为液体，则称为液液色谱(LLC)。柱色谱(CC)——固定相装在柱管内的色谱法称为柱色谱。它可分为两类：一类是固定相填充于玻璃或金属管内叫填充柱色谱；另一类是固定相附着或键合在管的内壁上，中心是空的，叫空心毛细管柱色谱或毛细管柱色谱。纸色谱(PC)——固定相为滤纸的色谱法称为纸色谱。薄层色谱(TLC)——固定相压成或涂成薄层的色谱法，叫薄层色谱。吸附色谱——它是利用固体吸附剂(固定相)表面对各组分吸附能力强弱的不同进行分离的色谱法。分配色谱——它是利用固定液对各组分的溶解能力(分配系数)不同进行分离分析的色谱法。离子交换色谱法——利用离子交换剂(固定相)对各组分的亲和力不同进行分离分析的色谱法。凝胶色谱——也叫空间排阻色谱，它是利用某些凝胶(固定相)对分子大小、形状不同的组分所产生的阻滞作用不同而进行分离分析的色谱法。色谱图——组分在检测器上产生的信号强度对时间(t)所作的图，由于它记录了各组分流出色谱柱的情况，所以又叫色谱流出曲线。流出曲线的突起部分称为色谱峰。基线——在正常实验操作条件下，没有组分流出，仅有流动相通过检测器时，检测器所产生的响应值。稳定的基线是一条直线，若基线下斜或上斜，称为漂移，基线的上下波动，称为噪音。峰高h——从峰的最高点至峰底(峰的起点与终点之间的连接线)的距离。可以用纸的高度(mm)、电信号的大小(mV或mA)表示。标准偏差σ——峰高0.607辈出的色谱峰宽度的一半。峰底宽Y——色谱峰两个拐点处所作切线与基线相交点之间的距离。与σ的关系是：Y=4σ半峰宽Y1/2——峰高1/2处色谱峰宽度。与标准偏差σ的关系为1222ln22.355Y.峰面积A——色谱峰与峰底之间的面积。它是色谱定量的依据。色谱峰的面积可由色谱仪中的微机处理器或积分仪求得，也可以采用以下方法计算求得。对于对称色谱峰：121.065AhY对于非对称色谱峰：0.150.851.0652YYAh死时间tM——不能被固定相滞留的惰性组分从进样到出现峰最大值时所需的时间。若组分为空气，则用t0表示：若是甲烷，则用tM表示，单位为min.保留时间tR——组分从进样到出现峰最大值时所需的时间。调整保留时间tR'——扣除死时间后的保留时间，体现了待测组分真实地用于固定相溶解或吸附所需的时间。'RRMttt或'0RRttt死体积VM——不能被固定相滞留的(惰性)组分从进样到出现峰最大值时所消耗的流动相的体积。(F0为柱后出口处流动相的体积流速)。VM=tM×F0或000=VtF保留体积VR——组分从进样到出现峰最大值所需的流动相的体积。VR=tR×F0调整保留体积VR'——扣除死体积后的保留体积，是真实地将待测组分从固定相中携带出柱所需的流动相的体积。''0RRVtFor'0RRVVV相对保留值2.1或i.s——在相同操作条件下，组分2(或i)与参比组分1(或s)的调整保留值之比。γ2.1＝=分配系数K——组分在两相之间达到分配平衡时，该组分在两相中的浓度之比是一个常数，这一常数称为分配系数，用K表示。K=＝分配比'k——溶质在两相中物质的量之比。又称容量因子、容量比、分配容量。'ssssmmmmncVVkKncVV组分在固定相中物质的量组分在流动相中物质的量或'smmkm''sm=sssmmmmssmmcVmVVKkkmcmVVV分离度R——为相邻两色谱峰保留值之差与两峰宽度平均值之比。(2)(1)122()RRttRYY校正因子和相对校正因子——相同色谱条件下，某一组分i产生的色谱响应值——峰面积Ai或峰高hi与这一组分的质量mi成正比，即'iiimfA或iiimfh，式中，'if(或if)为组分i在该检测器上的响应斜率，也称为定量校正因子。它的物理含义是单位峰面积或峰高所代表的组分量。实际工作中是采用相对校正因子if，即用标准物质的校正因子'sf来校正其他物质的校正因子'if，于是''/iisfff。15.1.2基本内容1.色谱分析法的分离原理当混合物随流动相流经色谱柱时，就会与柱中固定相发生作用(溶解、吸附等)，由于混合物中各组分物理化学性质和结构上的差异，与固定相发生作用的大小、强弱不同，在同一推动力作用下，各组分在固定相中的滞留时间不同，从而使混合物中各组分按一定顺序从柱中流出。2.色谱分析的基本理论(1)塔板理论把色谱的分离过程比拟为分馏过程，直接引用分馏过程的概念、理论和方法来处理色谱分离过程的理论。如果色谱柱的总长度为L，每一块塔板高度为H，则色谱柱中的塔板数n为LnH22125.5416RRttnYYn和H可以作为描述柱效能的指标。22''125.5416RRttnYY有效LHn有效有效(2)速率理论(ratetheory)——范第姆特方程在塔板理论的基础上，结合了影响塔板高度的动力学因素，即综合考虑了组分分子的纵向分子扩散和组分分子在两相间的传质过程等因素，提出了速率理论。速率理论把塔板高度与流动相流速以及影响H的涡流扩散项A、分子扩散项B/u和传质阻力项Cu的关系，用速率方程式表示：H=A+B/u+Cu。3.分配比与保留值的关系''000RRtttktt或''000RRVVVkVV分配比反映了组分在某一柱子上的'Rt(或'RV)是0t(或0V)的多少倍。'k越大，说明组分在色谱柱中停留时间越长。4.气相色谱分离条件的选择(1)固定液的选择(包括液载比)；(2)检测器的选择；(3)柱长的选择；(4)柱温的选择；(5)载气种类及流速的选择。5.分离分析法的应用(1)定性分析与标样对照的方法定性、利用保留指数法定性、于其他方法结合定性等。(2)定量分析归一化法、内标法、外标法等。a.归一化法将样品中所有出峰组分的含量之和按100%计算的定量方法。设样品中含有n个组分，每个组分的含量分别为m1,m2......mn,各组分含量的总和为m，则组分i的质量分数wi为：wi=100%=100%=100%=100%式中，f1，f2，…，fn为各组分相应的相对质量校正因子。对于同系物中，沸点接近的组分，由于f值相近或相同。故可简化为：wi=100%对于狭窄的色谱峰，易可用峰高代替峰面积来计算（但必须操作条件一致且仪器稳定）。wi=100%b.内标法将准确称量的内标物(ms)加入到准确称量的试样(m)中，根据它们的质量和色谱峰面积求出某一组分的含量Wi=100%=·100%如果内标物就是相对校正因子的标准物质，则fs＝1，/isifff，Wi＝··fi100%c.外标法(标准曲线法)将待测组分的纯物质配制成系列标准溶液，在相同操作条件下测定系列标样的峰高或锋面积，将系列标准溶液的浓度c1，c2，…cn作为横坐标，相应的峰面积(或峰高)A1，A2，…An(h1，h2，…hn)作为纵坐标，作标准曲线。由测得的组分峰面积Ax(或峰高hx)在标准曲线上即可查得cx。15.2习题解答1.简要叙述GLC和GSC的分离原理。答：GLC的分离原理利用固定液对各组分的溶解能力(分配系数)不同进行分离；而GSC的分离原理是利用固体吸附剂(固定相)表面对各组分吸附能力强弱的不同进行分离的。2.塔板理论的主要内容是什么？它对色谱理论有什么贡献？它的不足之处在哪里？答：塔板理论的主要内容是：(1)对于长度L一定的色谱柱，塔板数n越大(即塔板高度H越小)则待测组分在柱内被分配的次数越多，柱效越高，色谱峰越窄。(2)用n有效和H有效来衡量柱效能时，应指明测定物质，因为不同物质在同一色谱柱上的分配系数K不同。当两组分在同一色谱柱上的分配系数相同时，无论该色谱柱的柱效能多高，两组分都无法分离。(3)用来计算n和H的基本关系式为LnH22125.5416RRttnYY22''125.5416RRttnYY有效LHn有效有效塔板理论对色谱理论的贡献是：在解释流出曲线的形状(呈正态分布)、浓度极大点的位置以及计算评价柱效能等方面取得了成功。塔板理论的不足：无法解释为什么同一色谱柱在不同的载气流速下的柱效不同；同时未能指出影响柱效的因素及提高柱效的途径和方法。3.速率理论的主要内容是什么？它对色谱理论有什么贡献？与塔板理论相比，有何进展？答：(1)造成色谱峰扩展及柱效降低的主要因素是涡流扩散、分子扩散及传质阻力，使得待测组分在气液两相间不能在瞬间达到分配平衡所造成的。(2)选择最佳的色谱条件(适当的固定相粒度、液膜厚度、载气种类及载气流速等)可提高柱效。(3)阐明了载气流速和柱温等因素对柱效及分离的影响，以及各种影响因素间的相互制约。如载气流速增大，分子扩散项影响降低，柱效提高，但此时传质阻力项影响增大，使柱效降低；又如升高柱温，有利于传质，但却加剧了分子扩散，因此选择最佳色谱条件才能使柱效达到最高。速率理论吸收了塔板理论的概念，并把影响塔板高度的动力学因素结合进来，导出了塔板高度与载气流速的关系，即VanDeemter方程式。4.何谓分离度，它的表达式是什么？应从哪些方面着手来提高分离度？答：为相邻两色谱峰保留值之差与两峰宽度平均值之比。(2)(1)122()RRttRYY两峰间的距离是由热力学性质决定的，反映二物质流出峰之间的距离的大小是与它们在固定相和流动相中的分配系数有关，因此应该选择合适的固定相和流动相才能提高分离度。5.色谱定性的主要方法有哪些？多机联用有什么优越性？答：(1)保留值定性(已知物对照定性、相对保留值定性、保留指数定性)；(2)经验规律定性(碳数规律、沸点规律)；(3)选择性检测器定性；(4)化学反应(官能团分类试剂)定性；(5)多机联用定性。多机联用的优越性在于发挥各个仪器的特点和优势，提高定性能力、定量分析精度、提高仪器功能实现分析自动化。6.色谱定量常用哪几种方法？它们的计算公式如何表达？简述它们的主要优缺点。答：色谱分析常用的有归一化法、内标法、外标法等三种定量方法。归一化法的公式为：wi=100%=100%=100%=100%归一化法的特点是：简便，准确，操作条件对结果影响较小。但某些不需要定量的组分也要测出其校正因子和峰面积，另外所有组分不能全部出峰时，不能用此法，因此归一化法在使用上受到一定的限制。内标法的公式为：Wi=100%=·100%内标法和归一化法一样，不要求准确的进样量，只要求待测组分与内标物产生信号即可。外标法(工作曲线法)，要有与被测组分一致的纯物质作标样，要求进样量准确，实验条件恒定一致，适合批量样品的测定和工业常规分析。7.下列的数据是由气液色谱在一根40cm长的填充柱上得到的:化合物tR/minY/min空气甲基环己烷，A甲基环己烯，B甲苯，C2.510.711.614.0—1.31.41.8求：(1)平均的理论塔板数；(2)平均塔板高度；(3)甲基环己烯与甲基环己烷的分离度；(4)甲苯与甲基环己烯的分离度。解：(1)22A16(/)16(10.7/1.3)1083.9RntY22A16(/)16(11.6/1.4)1098.4RntY22A16(/)16(14.0/1.8)967.9RntYABC()/3(1083.91098.4967.9)/31050nnnn平均(2