第二章--色谱基本理论

第一章输入标题0第二章色谱基本理论赵龙山分析化学教研室第一章输入标题1色谱理论动力学理论热力学理论相平衡观点塔板理论动力学观点VanDeemter动力学因素对色谱峰扩展的影响色谱流出曲线的形状及其影响的因素第一章输入标题2一、色谱流出曲线和有关概念1．色谱流出曲线是由检测器输出的电信号强度对时间作图所绘制的曲线，又称为色谱图。2．基线是在操作条件下，没有组分流出时的流出曲线。第一章输入标题3一、色谱流出曲线和有关概念3．色谱峰是流出曲线上的突起部分。正常色谱峰为对称形正态分布曲线。不正常色谱峰有两种：拖尾峰和前延峰色谱峰的对称与否：对称因子（拖尾因子）。对称因子在0.95～1.05之间的色谱峰为对称峰；小于0.95者为前延峰大于1.05者为拖尾峰第一章输入标题4一、色谱流出曲线和有关概念前延峰：可能原因为进样体积太大或样品浓度太高（样品过载），平衡破坏，对于流动相来说样品溶剂非极性太强（对于反相柱），柱或保护柱被污染，柱性能下降，保护柱失效；前延峰最常见的原因是样品溶液的离子强度大于缓冲溶液的。影响峰前延的因素很多，包括柱子，柱温，进样浓度，流动相等因素。（1）进样量太大，可以适当降低样品的进样浓度。（2）柱温低，升高柱温。（3）被测物有明显的酸碱性，主要考虑是不是要换流动相体系。（4）样品在溶剂中溶解的不合适，可以使用流动相作为样品溶剂;（5）柱子坏了，检查色谱柱是否塌陷。第一章输入标题5一、色谱流出曲线和有关概念拖尾峰：使得数据系统难以准确确定峰的终点，从而影响结果的准确度和精密度。（1）溶解样品的溶剂极性强于流动相而引起的拖尾：第一种就是先流出的峰的拖尾较后流出的峰拖尾严重；第二种迹象就是进样量减少或者是样品经流动相稀释后进样峰拖尾减轻。（2）样品过载，峰的前端会变得尖锐，后端拖尾，保留时间会稍微提前。如果峰形看上去有点像直角三角形，那么可能就是过载了。第一章输入标题6一、色谱流出曲线和有关概念拖尾峰：（3）固定相中的硅醇基与胺类相互作用引起的拖尾：在反相HPLC：带正电荷的溶液（胺类）与固定相颗粒表面上的酸性硅醇发生了离子交换而引起的二次保留，而且中性pH（6～8）条件下比在酸性pH（3）更易发生。在pH3的条件下操作，可使硅胶固定相上的硅醇基质子化，减少了溶质与硅醇反应的几率。还可以在流动相中加入竞争性的胺类，如三乙胺（TEA），TEA可以与硅醇发生强的反应，并抑制样品中的胺类与硅醇反应。酸性和中性的化合物一般不受影响，碱性化合物更易受到影响。第一章输入标题7一、色谱流出曲线和有关概念拖尾峰：（4）酸性化合物在硅胶上吸附引起的拖尾：酸类物质有时候引起峰的展宽和拖尾主要由于硅胶固定相的吸附。应提高流动相中盐的浓度来抑制二次反应，降低流动相的pH使硅醇和溶质质子化，必要时可以向流动相中加入竞争性的酸。举例：布洛芬，酸性化合物，严重拖尾，向流动相中加入乙酸可以改善。乙酸优先和硅胶固定相表面的酸性硅醇基反应，抑制了与硅醇基的反应，减低了拖尾。8色谱参数定性参数定量参数柱效参数分离参数相平衡参数保留值、相对保留值、保留指数理论塔板数、有效理论塔板数理论塔板数、有效理论塔板数分离度、分离值、分离数峰高、峰面积第一章输入标题9一、相平衡参数(一)分配系数1.分配系数与线性色谱的关系组分在固定相(s)与流动相(m)中的浓度(c)之比。smcKc分配系数与组分浓度大小无关，其色谱峰呈正态分布----线性色谱。非线性色谱体系的K不是常数，K随浓度而变化。分配系数由组分和固定相的热力学性质决定，随柱温而变化，与两相体积无关。在液相色谱法中，还取决于流动相的性质。第一章输入标题10一、相平衡参数2.分配系数与柱温的关系0lnCGKRT△G0------相对于标准状态的组分自由能R---------气体常数Tc--------柱温一般，温度上升20℃，K值约下降一半。第一章输入标题11达到分配平衡后组分在固定相和流动相中的质量(m)之比，也称质量分配系数。c=sssmmmmVkmcVVm-----色谱柱中流动相的体积，近似等于死体积V0Vs-----柱中固定相的体积。一、相平衡参数(二)容量因子(capacityfactor；k)分配系数和保留因子的关系：/smVkKKVmsVV（相比）第一章输入标题12(三)分配系数和保留因子与保留时间的关系设流动相的线速度为u，组分的速度为v，将二者之比称为保留比：'vRu在定距展开如柱色谱中，v=L/tR，u=L/t00'mmmmRmsmsmmssttNcVRtttNNcVcV11'11RVskKVm000(1)(1)'RLLLtktkttkvRuu000'RRtttktt一、相平衡参数第一章输入标题13（四）分配系数与保留体积的关系0(1)sRmVVVKV（五）分配系数与比移值的关系f00LvtRLut定时展开（TLC）：t=t0，所以：R=R’f11Rk一、相平衡参数第一章输入标题14（六）色谱分离的前提0(1)sRAAmVttKV0(1)sRBBmVttKV0()sRRARBABmVttttKKV0()RABttkk分离的前提：ABABKKkk一、相平衡参数第一章输入标题15一个色谱峰可用峰面积、保留时间和峰宽来进行定量、定性和评价柱效。二、定性参数1．保留时间(tR)是从进样到某组分在柱后出现浓度极大时的时间间隔，即从进样开始到某个组分的色谱峰顶点的时间间隔。2．死时间(t0)是分配系数为零的组分，即不被固定相吸附或溶解的组分的保留时间。3．调整保留时间(tR')第一章输入标题16保留时间与分配系数的关系0'RtVsKtVm假设，单位时间内，一个分子在流动相中出现的概率为R’，若R’=1/3,则这个分子有三分之一时间在流动相，三分之二在固定相中。在流动相和固定相中溶质的质量分别用cmVm及CsVs表示：1''RCsVsVsKRCmVmVmVs色谱柱中固定相所占有的体积；Vm色谱柱中流动相所占有的体积，K分配系数组分的K越大，在色谱柱中的保留时间越长，t‘R取决于K，而K取决于流动相、固定相以及样品本身的性质。GC中，K的主要影响因素是柱温，LC中，K的主要影响因素是流动相性质。第一章输入标题17保留时间与容量因子的关系smVkKV0'Rttkk表明一个组分在色谱柱固定相中被吸附而多停留的时间是不被吸附组分的保留时间的倍数，倍数越大，说明色谱柱对此组分的保留能力越强，柱容量越大。K取决于组分、固定相、流动相的性质和温度；而与体积Vs,Vm无关；k除了与物质性质及温度有关外，还与Vs、Vm有关。第一章输入标题184.保留体积(retentionvolume，VR)：从进样开始到某个组分流出色谱柱达到最高浓度时所需通过色谱柱的载气体积称为该组分的保留体积，样品组分二分之一量被流动相带出色谱柱所需的流动相体积。保留体积、保留时间和载气流速(Fc，ml/min)的关系如下：*RRcVtF二、定性参数第一章输入标题195.死体积（V0）：是由进样器至检测器的流路中未被固定相占有的空间。即为色谱柱中固定相颗粒间间隙（Vm）、进样器至色谱柱间导管的容积(Vit)、柱出口导管(V0t)及检测器内腔容积（Vd）的总和。死体积大，被分离组分扩散，色谱峰展宽，简而言之，死体积就是流动相的体积。死体积与死时间和流动相流速有如下关系：000*mittdcVVVVVtF二、定性参数第一章输入标题206.调整保留体积(adjustedretentionvolume，VR/)：是保留体积扣除死体积后的体积称为调整保留体积，即组分停留在固定相时所消耗的流动相体积，其表达式如下：''*RRcsVtFKV二、定性参数第一章输入标题21相对保留值是色谱分离系统的分离选择性指标。其不等于1是色谱分离的前提。7.相对保留值(relativeretention；r)指被测组分和参比组分的调整保留值之比。相对保留值的特点是只与温度和固定相的性质有关，与色谱柱及其它色谱操作条件无关。反映了色谱柱对待测组分间的选择性，是气相色谱法中最常使用的定性参数。221,211''''RRRRtVrtV二、定性参数第一章输入标题228．保留指数(retentionindex；I)保留值受色谱操作条件的影响严重，通用性差；相对保留值选取标准物质作为参照物，减少色谱条件影响，但分析多组分复杂混合物时，只用一种标准物质来测定其余组分的相对保留值，误差较大。1958年Kovats提出了保留指数，又称Kovats指数，组分的保留行为，换算成相当于含有几个碳的正构烷烃的保留行为来描述，就是以正构烷烃系列作为量度被测物质相对保留值的标准物，而不是以一种物质作为标准物。二、定性参数第一章输入标题23通常用两个保留时间相近的待测组分的标准物质来标定待测物的保留指数Ix，公式如下：lg'()lg'()100lg'(+n)lg'()tRXtRZIxZntRZtRZZ与Z+n分别代表含有Z与Z+n个碳原子的正构烷烃，n可以为1,2，通常为1.二、定性参数第一章输入标题24规定正己烷、正庚烷、正辛烷的保留指数分别为600、700、800，依次类推。同系物中，每增加1个CH2，保留指数增加100。样品t0tR未知物30s340s物质对正庚烷(Z)204s正辛烷(Z+n)403.4s二、定性参数第一章输入标题25说明该未知物的保留行为，相当于7.756个碳的正构烷烃的保留行为。通过气相色谱手册查得该未知物为乙酸正丁酯。二、定性参数第一章输入标题26色谱峰区域宽度1．标准差(standarddeviation；σ)是正态色谱流出曲线上两拐点间距离之半，物质的分散程度，σ小，分散程度小，峰顶点对应的浓度大，峰形窄，柱效高。标准差是峰高0.607倍处峰宽的一半。二、定性参数第一章输入标题27（一）色谱峰区域宽度2．半峰宽(peakwidthathalfheight；W1/2)是峰高一半处的峰宽。3．峰宽(peakwidth；W)是通过色谱峰两侧拐点作切线在基线上所截得的距离。二、定性参数1/2=2.355W1/2=4=1.699WWh0.882hw=10.607h0.50h0.344h0.134h0.044hw=2(拐点)w=2.354w=3w=4w=5Wb=4响应值或浓度时间或体积A=1.065(h)(W1/2)响应V0VR保留值进样hh1/2h1/2Wh/2WbhVRh1/2Wb/2Wb时间/流动相体积第一章输入标题30（二）塔板数和塔板高度1.理论塔板数理论塔板数取决于固定相种类、性质（粒度），填充情况，柱长，流动相的流速以及测定柱效所用物质的性质。组分的保留时间越长，σ、W1/2越小，理论塔板数越大，柱效越高。二、定性参数液相色谱中还与流动相的种类、性质有关。2221/2()16()5.54()RRRtttnWW第一章输入标题312.有效塔板数用调整保留时间计算的为有效理论塔板数。二、定性参数2221/2'''()16()5.54()RRRefftttnWW第一章输入标题323.理论塔板高度二、定性参数4.有效塔板高度LHneffeffLHn初始分离效果增加理论板数n增大相对保留值rRS=1RS=2(1)(2)理论板数与相对保留值的作用第一章输入标题34四、分离参数分离度（resolution，R）1.定义分离度又称分辨率,为了判断分离物质对色谱柱在色谱柱中的分离情况,常用分离度作为柱的总分离效能指标.用R表示.R等于相邻色谱峰保留时间之差与两色谱峰峰宽均值之比。21211212t2(t)=()/2()RRRRttR二、定性参数响应V0进样V’R3V’R2V’R14分离tR1tR2tR4446分离AB66633第一章输入标题38一般说当R1时，两峰有部分重叠；当R=1.0时，分离度可达98%；当R=1.5时，分离度可达99.7%。