色譜分析基礎(chǔ)劉志廣版

第八章

色譜分析基礎(chǔ)第一節(jié)色譜法概述一、色譜法的特點(diǎn)、分類和作用characteristic,classificationactuationofchromatograph

二、氣相色譜分離過程separationprocessofgaschromatograph

fundamentalofchromatographanalysis

generalizationofchromatographanalysis

2023/2/1一、色譜法的特點(diǎn)、分類和作用

1.概述混合物最有效的分離、分析方法。俄國植物學(xué)家茨維特在1906年使用的裝置：色譜原型裝置，如圖。

色譜法是一種分離技術(shù)，試樣混合物的分離過程也就是試樣中各組分在稱之為色譜分離柱中的兩相間不斷進(jìn)行著的分配過程。其中的一相固定不動(dòng)，稱為固定相；另一相是攜帶試樣混合物流過此固定相的流體（氣體或液體），稱為流動(dòng)相。（動(dòng)畫）2023/2/1色譜法

當(dāng)流動(dòng)相中攜帶的混合物流經(jīng)固定相時(shí)，其與固定相發(fā)生相互作用。由于混合物中各組分在性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的差異，與固定相之間產(chǎn)生的作用力的大小、強(qiáng)弱不同，隨著流動(dòng)相的移動(dòng)，混合物在兩相間經(jīng)過反復(fù)多次的分配平衡，使得各組分被固定相保留的時(shí)間不同，從而按一定次序由固定相中流出。（動(dòng)畫）與適當(dāng)?shù)闹髾z測方法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)混合物中各組分的分離與檢測。

兩相及兩相的相對運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了色譜法的基礎(chǔ)2023/2/12.色譜法分類

(1)氣相色譜：流動(dòng)相為氣體（稱為載氣）。按分離柱不同可分為：填充柱色譜和毛細(xì)管柱色譜；按固定相的不同又分為：氣固色譜和氣液色譜2023/2/1液相色譜(2)液相色譜：流動(dòng)相為液體（也稱為淋洗液）。按固定相的不同分為：液固色譜和液液色譜。

離子色譜：液相色譜的一種，以特制的離子交換樹脂為固定相，不同pH值的水溶液為流動(dòng)相。2023/2/1(3)其他色譜方法薄層色譜和紙色譜：比較簡單的色譜方法凝膠色譜法：測聚合物分子量分布。超臨界色譜:CO2流動(dòng)相。高效毛細(xì)管電泳:九十年代快速發(fā)展、特別適合生物試樣分析分離的高效分析儀器。2023/2/13.色譜法的特點(diǎn)（1）分離效率高

復(fù)雜混合物，有機(jī)同系物、異構(gòu)體。手性異構(gòu)體。（2）靈敏度高

可以檢測出μg.g-1(10-6)級甚至ng.g-1(10-9)級的物質(zhì)量。（3）分析速度快

一般在幾分鐘或幾十分鐘內(nèi)可以完成一個(gè)試樣的分析。（4）應(yīng)用范圍廣

氣相色譜：沸點(diǎn)低于400℃的各種有機(jī)或無機(jī)試樣的分析。液相色譜：高沸點(diǎn)、熱不穩(wěn)定、生物試樣的分離分析。

不足之處：

被分離組分的定性較為困難。2023/2/1二、色譜分離過程色譜分離過程是在色譜柱內(nèi)完成的。填充柱色譜:氣固(液固)色譜和氣液(液液)色譜，兩者的分離機(jī)理不同。氣固(液固)色譜的固定相:多孔性的固體吸附劑顆粒。

固體吸附劑對試樣中各組分的吸附能力的不同。氣液(液液)色譜的固定相:由擔(dān)體和固定液所組成。

固定液對試樣中各組分的溶解能力的不同。氣固色譜的分離機(jī)理:

吸附與脫附的不斷重復(fù)過程；氣液色譜的分離機(jī)理：

氣液(液液)兩相間的反復(fù)多次分配過程。2023/2/11.氣相色譜分離過程當(dāng)試樣由載氣攜帶進(jìn)入色譜柱與固定相接觸時(shí)，被固定相溶解或吸附;隨著載氣的不斷通入，被溶解或吸附的組分又從固定相中揮發(fā)或脫附;揮發(fā)或脫附下的組分隨著載氣向前移動(dòng)時(shí)又再次被固定相溶解或吸附;隨著載氣的流動(dòng)，溶解、揮發(fā)，或吸附、脫附的過程反復(fù)地進(jìn)行。（動(dòng)畫）2023/2/12.分配系數(shù)（partionfactor）K

組分在固定相和流動(dòng)相間發(fā)生的吸附、脫附，或溶解、揮發(fā)的過程叫做分配過程。在一定溫度下，組分在兩相間分配達(dá)到平衡時(shí)的濃度（單位：g/mL）比，稱為分配系數(shù)，用K表示，即：分配系數(shù)是色譜分離的依據(jù)。2023/2/1分配系數(shù)K的討論

一定溫度下，組分的分配系數(shù)K越大，出峰越慢；試樣一定時(shí)，K主要取決于固定相性質(zhì)；每個(gè)組份在各種固定相上的分配系數(shù)K不同；選擇適宜的固定相可改善分離效果；試樣中的各組分具有不同的K值是分離的基礎(chǔ)；某組分的K=0時(shí)，即不被固定相保留，最先流出。2023/2/13.分配比（partionradio）k

在實(shí)際工作中，也常用分配比來表征色譜分配平衡過程。分配比是指，在一定溫度下，組分在兩相間分配達(dá)到平衡時(shí)的質(zhì)量比：

1.分配系數(shù)與分配比都是與組分及固定相的熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，隨分離柱溫度、柱壓的改變而變化。2.分配系數(shù)與分配比都是衡量色譜柱對組分保留能力的參數(shù)，數(shù)值越大，該組分的保留時(shí)間越長。3.分配比可以由實(shí)驗(yàn)測得。分配比也稱：

容量因子(capacityfactor)；容量比(capacityfactor)；2023/2/14.容量因子與分配系數(shù)的關(guān)系

式中β為相比。填充柱相比：6～35；毛細(xì)管柱的相比：50～1500。容量因子越大，保留時(shí)間越長。

VM為流動(dòng)相體積，即柱內(nèi)固定相顆粒間的空隙體積；

VS為固定相體積，對不同類型色譜柱，VS的含義不同；

氣-液色譜柱：VS為固定液體積；

氣-固色譜柱：VS為吸附劑表面容量；2023/2/15.分配比與保留時(shí)間的關(guān)系

滯留因子（retardationfactor）：us：組分在分離柱內(nèi)的線速度；u：流動(dòng)相在分離柱內(nèi)的線速度；滯留因子RS也可以用質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω表示：若組分和流動(dòng)相通過長度為L的分離柱，需要的時(shí)間分別為tR和tM，則：由以上各式，可得：tR=tM(1+k)2023/2/1三、色譜流出曲線與術(shù)語1.基線

無試樣通過檢測器時(shí)，檢測到的信號即為基線。2.保留值

（1）時(shí)間表示的保留值

保留時(shí)間（tR）：組分從進(jìn)樣到柱后出現(xiàn)濃度極大值時(shí)所需的時(shí)間；（動(dòng)畫）死時(shí)間（tM）：不與固定相作用的氣體（如空氣）的保留時(shí)間；

調(diào)整保留時(shí)間（tR

＇）：tR＇=

tR－tM

2023/2/1（2）用體積表示的保留值

保留體積（VR）：

VR=tR×F0F0為柱出口處的載氣流量，單位：mL/min。

死體積（VM）：

VM=

tM×F0

調(diào)整保留體積(VR＇)：

V

R＇=VR－VM

（動(dòng)畫）2023/2/13.相對保留值r21組分2與組分1調(diào)整保留值之比：

r21=t′R2

/t′R1=V′R2/V′R1相對保留值只與柱溫和固定相性質(zhì)有關(guān)，與其他色譜操作條件無關(guān)，它表示了固定相對這兩種組分的選擇性。2023/2/14.區(qū)域?qū)挾?/p>

用來衡量色譜峰寬度的參數(shù)，有三種表示方法：（1）標(biāo)準(zhǔn)偏差()：即0.607倍峰高處色譜峰寬度的一半。（2）半峰寬(Y1/2)：色譜峰高一半處的寬度Y1/2=2.354（3）峰底寬(Wb)：Wb=42023/2/15.色譜流出曲線的數(shù)學(xué)描述

色譜峰為正態(tài)分布時(shí)，色譜流出曲線上的濃度與時(shí)間的關(guān)系為：

當(dāng)色譜峰為非正態(tài)分布時(shí)，可按正態(tài)分布函數(shù)加指數(shù)衰減函數(shù)構(gòu)建關(guān)系式。2023/2/1選擇內(nèi)容：第一節(jié)色譜法概述generalizationofchromatographanalysis第二節(jié)色譜理論基礎(chǔ)fundamentalofchromatographtheory第三節(jié)色譜定性、定量方法qualitativeandquantitativeanalysisinchromatograph結(jié)束2023/2/1第八章

色譜分析基礎(chǔ)第二節(jié)色譜理論基礎(chǔ)一、塔板理論platetheory二、速率理論ratetheory三、分離度resolution

fundamentalofchromatographanalysis

fundamentalofchromatographtheory

2023/2/1色譜理論

色譜理論需要解決的問題：色譜分離過程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題。影響分離及柱效的因素與提高柱效的途徑，柱效與分離度的評價(jià)指標(biāo)及其關(guān)系。組分保留時(shí)間為何不同？色譜峰為何變寬？組分保留時(shí)間：色譜過程的熱力學(xué)因素控制；（組分和固定液的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)）色譜峰變寬：色譜過程的動(dòng)力學(xué)因素控制；（兩相中的運(yùn)動(dòng)阻力，擴(kuò)散）兩種色譜理論：塔板理論和速率理論；2023/2/1

塔板理論的假設(shè)：(1)在每一個(gè)平衡過程間隔內(nèi)，平衡可以迅速達(dá)到；(2)將載氣看作成脈動(dòng)（間歇）過程；(3)試樣沿色譜柱方向的擴(kuò)散可忽略；(4)每次分配的分配系數(shù)相同。一、塔板理論-柱分離效能指標(biāo)

1.塔板理論（platetheory）半經(jīng)驗(yàn)理論；將色譜分離過程比擬作蒸餾過程，將連續(xù)的色譜分離過程分割成多次的平衡過程的重復(fù)（類似于蒸餾塔塔板上的平衡過程）；（動(dòng)畫）2023/2/1

色譜柱長：L，

虛擬的塔板間距離：H，色譜柱的理論塔板數(shù)：n，則三者的關(guān)系為：

n=L/H理論塔板數(shù)與色譜參數(shù)之間的關(guān)系為：保留時(shí)間包含死時(shí)間，在死時(shí)間內(nèi)不參與分配!2023/2/12.有效塔板數(shù)和有效塔板高度

單位柱長的塔板數(shù)越多，表明柱效越高。用不同物質(zhì)計(jì)算可得到不同的理論塔板數(shù)。組分在tM時(shí)間內(nèi)不參與柱內(nèi)分配。需引入有效塔板數(shù)和有效塔板高度：2023/2/13.塔板理論的特點(diǎn)和不足(1)當(dāng)色譜柱長度一定時(shí)，塔板數(shù)n

越大(塔板高度H越小)，被測組分在柱內(nèi)被分配的次數(shù)越多，柱效能則越高，所得色譜峰越窄。

(2)不同物質(zhì)在同一色譜柱上的分配系數(shù)不同，用有效塔板數(shù)和有效塔板高度作為衡量柱效能的指標(biāo)時(shí)，應(yīng)指明測定物質(zhì)。(3)柱效不能表示被分離組分的實(shí)際分離效果，當(dāng)兩組分的分配系數(shù)K相同時(shí)，無論該色譜柱的塔板數(shù)多大，都無法分離。(4)塔板理論無法解釋同一色譜柱在不同的載氣流速下柱效不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也無法指出影響柱效的因素及提高柱效的途徑。2023/2/1二、速率理論-影響柱效的因素1.速率方程（也稱范.弟姆特方程式）

H=A+B/u+C·u

H：理論塔板高度，u：載氣的線速度(cm/s)減小A、B、C三項(xiàng)可提高柱效；存在著最佳流速；

A、B、C三項(xiàng)各與哪些因素有關(guān)？2023/2/1A─渦流擴(kuò)散項(xiàng)

A=2λdp

dp：固定相的平均顆粒直徑λ：固定相的填充不均勻因子

固定相顆粒越小dp↓，填充的越均勻，A↓，H↓，柱效n↑。表現(xiàn)在渦流擴(kuò)散所引起的色譜峰變寬現(xiàn)象減輕，色譜峰較窄。（動(dòng)畫）2023/2/1B/u—分子擴(kuò)散項(xiàng)

B=2νDgν

：彎曲因子，填充柱色譜，ν<1。Dg：試樣組分分子在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)（cm2·s-1）

(1)存在著濃度差，產(chǎn)生縱向擴(kuò)散;

(2)擴(kuò)散導(dǎo)致色譜峰變寬，H↑(n↓)，分離變差;

(3)分子擴(kuò)散項(xiàng)與流速有關(guān)，流速↓，滯留時(shí)間↑，擴(kuò)散↑;(4)擴(kuò)散系數(shù)：Dg

∝(M載氣)-1/2；M載氣↑，B值↓。（動(dòng)畫）2023/2/1

k為容量因子；Dg、DL為擴(kuò)散系數(shù)。

減小擔(dān)體粒度，選擇小分子量的氣體作載氣，可降低傳質(zhì)阻力。B·u—傳質(zhì)阻力項(xiàng)

傳質(zhì)阻力包括氣相傳質(zhì)阻力Cg和液相傳質(zhì)阻力CL即：

C=（Cg+CL）（動(dòng)畫）2023/2/12.載氣流速與柱效——最佳流速載氣流速高時(shí)：

傳質(zhì)阻力項(xiàng)是影響柱效的主要因素，流速，柱效。載氣流速低時(shí)：

分子擴(kuò)散項(xiàng)成為影響柱效的主要因素，流速,柱效。H-u曲線與最佳流速：

由于流速對這兩項(xiàng)完全相反的作用，流速對柱效的總影響使得存在著一個(gè)最佳流速值，即速率方程式中塔板高度對流速的一階導(dǎo)數(shù)有一極小值。以塔板高度H對應(yīng)載氣流速u作圖，曲線最低點(diǎn)的流速即為最佳流速。2023/2/13.速率理論的要點(diǎn)(1)組分分子在柱內(nèi)運(yùn)行的多路徑與渦流擴(kuò)散、濃度梯度所造成的分子擴(kuò)散及傳質(zhì)阻力使氣液兩相間的分配平衡不能瞬間達(dá)到等因素是造成色譜峰擴(kuò)展柱效下降的主要原因。(2)通過選擇適當(dāng)?shù)墓潭ㄏ嗔６?、載氣種類、液膜厚度及載氣流速可提高柱效。(3)速率理論為色譜分離和操作條件選擇提供了理論指導(dǎo)。闡明了流速和柱溫對柱效及分離的影響。(4)各種因素相互制約，如載氣流速增大，分子擴(kuò)散項(xiàng)的影響減小，使柱效提高，但同時(shí)傳質(zhì)阻力項(xiàng)的影響增大，又使柱效下降；柱溫升高，有利于傳質(zhì)，但又加劇了分子擴(kuò)散的影響，選擇最佳條件，才能使柱效達(dá)到最高。2023/2/1三、分離度

塔板理論和速率理論都難以描述難分離物質(zhì)對的實(shí)際分離程度。即柱效為多大時(shí)，相鄰兩組份能夠被完全分離。難分離物質(zhì)對的分離度大小受色譜過程中兩種因素的綜合影響：保留值之差──色譜過程的熱力學(xué)因素；

區(qū)域?qū)挾醛ぉどV過程的動(dòng)力學(xué)因素。色譜分離中的四種情況如圖所示：2023/2/1討論：色譜分離中的四種情況的討論：①柱效較高，△K(分配系數(shù))較大,完全分離；②△K不是很大，柱效較高，峰較窄，基本上完全分離；③柱效較低，，△K較大,但分離的不好；④△K小，柱效低，分離效果更差。2023/2/1分離度的表達(dá)式：R=0.8：兩峰的分離程度可達(dá)89%；R=1：分離程度98%；R=1.5：達(dá)99.7%（相鄰兩峰完全分離的標(biāo)準(zhǔn)）。2023/2/1令Wb(2)=Wb(1)=Wb（相鄰兩峰的峰底寬近似相等），引入相對保留值和塔板數(shù)，可導(dǎo)出下式：2023/2/1討論：（1）分離度與柱效

分離度與柱效的平方根成正比，r21一定時(shí)，增加柱效，可提高分離度，但組分保留時(shí)間增加且峰擴(kuò)展，分析時(shí)間長。（2）分離度與r21

增大r21是提高分離度的最有效方法，計(jì)算可知，在相同分離度下，當(dāng)r21增加一倍，需要的n有效減小10000倍。

增大r21的最有效方法是選擇合適的固定液。2023/2/1例題1：

在一定條件下，兩個(gè)組分的調(diào)整保留時(shí)間分別為85秒和100秒，要達(dá)到完全分離，即R=1.5。計(jì)算需要多少塊有效塔板。若填充柱的塔板高度為0.1cm，柱長是多少？解：r21=100/85=1.18

n有效=16R2[r21/(r21—1)]2=16×1.52×(1.18/0.18)2

=1547（塊）

L有效=n有效·H有效=1547×0.1=155cm

即柱長為1.55米時(shí)，兩組分可以得到完全分離。2023/2/1例題2：

在一定條件下，兩個(gè)組分的保留時(shí)間分別為12.2s和12.8s，計(jì)算分離度。要達(dá)到完全分離，即R=1.5，所需要的柱長。解：分離度：塔板數(shù)增加一倍，分離度增加多少？2023/2/1請選擇內(nèi)容：第一節(jié)色譜法概述generalizationofchromatographanalysis第二節(jié)色譜理論基礎(chǔ)fundamentalofchromatographtheory第三節(jié)色譜定性、定量方法qualitativeandquantitativeanalysisinchromatograph結(jié)束2023/2/1第八章

色譜分析基礎(chǔ)一、色譜定性分析qualitativeanalysisinchromatograph二、色譜定量分析quantitativeanalysisinchromatograph

第三節(jié)

色譜定性、定量分析fundamentalofchromatographanalysis

qualitativeandquantitativeanalysisinchromatograph2023/2/1一、色譜定性鑒定方法1.利用純物質(zhì)定性的方法

利用保留值定性：通過對比試樣中具有與純物質(zhì)相同保留值的色譜峰，來確定試樣中是否含有該物質(zhì)及在色譜圖中的位置。不適用于不同儀器上獲得的數(shù)據(jù)之間的對比。

利用加入法定性：將純物質(zhì)加入到試樣中，觀察各組分色譜峰的相對變化。2023/2/1

2.利用文獻(xiàn)保留值定性

利用相對保留值r21定性

相對保留值r21僅與柱溫和固定液性質(zhì)有關(guān)。在色譜手冊中都列有各種物質(zhì)在不同固定液上的保留數(shù)據(jù)，可以用來進(jìn)行定性鑒定。2023/2/13.保留指數(shù)

又稱Kovats指數(shù)(Ⅰ)，是一種重現(xiàn)性較好的定性參數(shù)。測定方法：將正構(gòu)烷烴作為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定其保留指數(shù)為分子中碳原子個(gè)數(shù)乘以100（如正己烷的保留指數(shù)為600）。其它物質(zhì)的保留指數(shù)（IX）是通過選定兩個(gè)相鄰的正構(gòu)烷烴，其分別具有Z和Z＋1個(gè)碳原子。被測物質(zhì)X的調(diào)整保留時(shí)間應(yīng)在相鄰兩個(gè)正構(gòu)烷烴的調(diào)整保留值之間如圖所示：2023/2/1保留指數(shù)計(jì)算方法2023/2/14.與其他分析儀器聯(lián)用的定性方法小型化的臺(tái)式色質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS；LC-MS）

色譜-紅外光譜儀聯(lián)用儀；組分的結(jié)構(gòu)鑒定SampleSample

58901.0DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMassSelectiveDetectorDCBA

ABCDGasChromatograph(GC)MassSpectrometer(MS)SeparationIdentificationBACD2023/2/1二、色譜定量分析方法1.峰面積的測量

（1）峰高（h）乘半峰寬（Y1/2）法：近似將色譜峰當(dāng)作等腰三角形。此法算出的面積是實(shí)際峰面積的0.94倍：

A=1.064h·Y1/2

（2）峰高乘平均峰寬法：當(dāng)峰形不對稱時(shí)，可在峰高0.15和0.85處分別測定峰寬，由下式計(jì)算峰面積：

A=h·（Y

0.15+Y

0.85）/2

（3）峰高乘保留時(shí)間法：在一定操作條件下，同系物的半峰寬與保留時(shí)間成正比，對于難于測量半峰寬的窄峰、重疊峰（未完全重疊），可用此法測定峰面積：

A=h·b·tR

（4）自動(dòng)積分和微機(jī)處理法2023/2/12.定量校正因子試樣中各組分質(zhì)量與其色譜峰面積成正比，即：

mi=

fi·Ai

絕對校正因子：比例系數(shù)f

i

，單位面積對應(yīng)的物質(zhì)量：

f

i=mi/Ai

定量校正因子與檢測器響應(yīng)值成倒數(shù)關(guān)系：

f

i=1/Si

相對校正因子f

’i

：即組分的絕對校正因子與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的絕對校正因子之比。

當(dāng)mi、mS以摩爾為單位時(shí)，所得相對校正因子稱為相對摩爾校正因子（f’M）,用表示；當(dāng)mi、mS用質(zhì)量單位時(shí),以（f’W）,表示。2023/2/13.常用的幾種定量方法

（1）歸一化法：

特點(diǎn)及要求：

歸一化法簡便、準(zhǔn)確；進(jìn)樣量的準(zhǔn)確性和操作條件的變動(dòng)對測定結(jié)果影響不大；僅適用于試樣中所有組分全出峰的情況。2023/2/1（2）外標(biāo)法外標(biāo)法也稱為標(biāo)準(zhǔn)曲線法。特點(diǎn)及要求：外標(biāo)法不使用校正因子，準(zhǔn)確性較高，操作條件變化對結(jié)果準(zhǔn)確性影響較大。對進(jìn)樣量的準(zhǔn)確性控制要求較高，適用于大批量試樣的快速分析。2023/2/1（3）內(nèi)標(biāo)法內(nèi)標(biāo)物要滿足以下要求：（a）試樣中不含有該物質(zhì)；（b）與被測組分性質(zhì)比較接近；（c）不與試樣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；（d）出峰位置應(yīng)位于被測組分附近，且無組分峰影響。試樣配制：準(zhǔn)確稱取一定量的試樣W，加入一定量內(nèi)標(biāo)物mS計(jì)算式：2023/2/1內(nèi)標(biāo)法特點(diǎn)(a)內(nèi)標(biāo)法的準(zhǔn)確性較高，操作條件和進(jìn)樣量的稍許變動(dòng)對定量結(jié)果的影響不大。(b)每個(gè)試樣的分析，都要進(jìn)行兩次稱量，不適合大批量試樣的快速分析。(c)若將內(nèi)標(biāo)法中的試樣取樣量和內(nèi)標(biāo)物加入量固定，則：2023/2/1請選擇內(nèi)容第一節(jié)色譜法概述generalizationofchromatographanalysis第二節(jié)色譜理論基礎(chǔ)fundamentalofchromatographtheory第三節(jié)色譜定性、定量方法qualitativeandquantitativeanalysisinchromatograph結(jié)束2023/2/1

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室大多常見的分離方法和技術(shù)，主要解決單元分離或二組分分離（二個(gè)元素，二個(gè)化合物，二組物質(zhì)等）。☆

分離性質(zhì)差異越大，分離越容易進(jìn)行☆

分離和分析分開進(jìn)行的

對于分離性質(zhì)差異小或多組分混合物分離怎么辦？能否利用分離提供的信息直接進(jìn)行分析呢？多級結(jié)晶；craig

萃?。浑娪?；色譜2023/2/1色譜法：采用多級化、層析化的高效分離技術(shù)。它不僅是復(fù)雜混合物的多組分分離技術(shù)，而且是色譜分析的基礎(chǔ)。色譜法與色譜分析色譜分析：采用分離分析一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多組分測定的現(xiàn)代儀器分析方法。對于色譜法與色譜分析，你了解多少？2023/2/1色譜文獻(xiàn)●分析化學(xué)手冊（2nd）第五分冊，李浩春：氣相色譜分析第六分冊，張玉奎：液相色譜分析●色譜，分析化學(xué)，藥物分析雜志。。。●JofChromatography●Chromatographia●JofLiquidChromatography&relatedtechniques●Anal.Chem.Etc●儀器廠商的技術(shù)資料2023/2/11）什么是色譜技術(shù)？它哪幾種形式？2）色譜分離過程中，柱內(nèi)樣品組分分子運(yùn)動(dòng)具有那些基本特征？3）試比較色譜分離與萃取、蒸餾等分離之間的區(qū)別？4）根據(jù)你所掌握的分析化學(xué)知識(shí)，比較色譜分析法與其他分析方法（化學(xué)分析、電分析、光譜分析等）的區(qū)別，說明色譜分析法在分析化學(xué)中的地位和作用。5）從分離效率、分離速度、靈敏度、樣品容量、操作技術(shù)等方面，列表比較經(jīng)典液體柱色譜、氣相色譜、高效液相色譜的異同點(diǎn)。2023/2/19色譜緒論

★色譜歷史★色譜與色譜分析★色譜圖與色譜參數(shù)★色譜法分類★色譜應(yīng)用與局限★色譜文獻(xiàn)2023/2/1色譜歷史古羅馬人分析混合染料（類似輻射紙色譜）1903（1906）年，MichaelTswett提出色譜法1931年，Kuhn采用柱色譜分離了類胡蘿卜素1941年，Martin和Synge提出分配色譜法1944年，Martin等又提出紙色譜法1952年，Martin和James發(fā)明了氣液色譜法1955年，第一臺(tái)商品氣相色譜問世，標(biāo)志著現(xiàn)代色譜分析的建立1956年，Stahl系統(tǒng)研究了薄層色譜法2023/2/11958年，Stein和Moore研制出氨基酸分析儀，確定了核糖核酸的分子結(jié)構(gòu)1967年，Horvvath和Huber等研制了高效液相色譜儀1975年，Small等提出離子色譜

20世紀(jì)80年代，超臨界色譜20世紀(jì)90年代，毛細(xì)管電泳（1809年Re?ss第一次電泳實(shí)驗(yàn)）21世紀(jì)，聯(lián)用技術(shù)、大分子色譜分離、制備色譜可望取得更大的發(fā)展2023/2/1把菊根粉或白堊粉（CaCO3）裝在玻璃管中，將植物葉子的石油醚提取液倒入管中，然后加入石油醚淋洗。隨著淋洗進(jìn)行，樣品中各種色素向下移動(dòng)的速度不同，逐漸形成一圈圈的連續(xù)色帶。茨維特在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)中觀察到6個(gè)色帶，它們分別是胡蘿卜素、葉黃素和葉綠素A和B。提取液色帶ChromatographiccolumnStationaryphaseMobilephaseoreluent

2023/2/1

1903年3月21日俄國植物學(xué)家茨維特（MichaelTswett，1872-1919）在華沙自然科學(xué)學(xué)會(huì)生物學(xué)會(huì)議上發(fā)表了“一種新型吸附現(xiàn)象及其在生化分析上的應(yīng)用”研究論文，介紹了一種應(yīng)用吸附原理分離植物色素的新方法，并首先認(rèn)識(shí)到這種層析現(xiàn)象在分離分析方面有重大價(jià)值。1906年他在德國植物學(xué)雜志發(fā)表文章，首次命名上述分離后色帶為色譜圖，稱此方法為色譜法（Chromatography）。1907年在德國生物學(xué)會(huì)年會(huì)上，展示過帶有色帶的分離柱管和純化過的植物色素溶液。茨維特被世人公認(rèn)為色譜創(chuàng)始人。2023/2/1茨維特工作的主要貢獻(xiàn)◆（采用吸附色譜）成功分離了葉綠素a和葉綠素b◆提出/發(fā)明了色譜法

1931年，Kuhn采用柱色譜分離了類胡蘿卜素，進(jìn)一步確定了α-和β-胡蘿卜素的同分異構(gòu)體，以及分別從植物葉片和蛋黃中分離得到葉黃素，才使色譜法引起科學(xué)界的重視。Kuhn實(shí)驗(yàn)不僅證明了蛋黃葉黃素是氧化類胡蘿卜素的混合物，而且證實(shí)了色譜法可以用來進(jìn)行制備分離。2023/2/1獲得1952年度的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)Martin和Synge的主要工作：采用水分飽和的硅膠作固定相，以含有乙醇的氯仿作流動(dòng)相，甲基橙作顯色劑（指示氨基酸的位置）分離苯丙氨酸、亮氨酸、異-亮氨酸和脯氨酸-纈氨酸-蛋氨酸等三組氨基酸。☆首次提出分離過程的塔板理論，這是在色譜柱操作參數(shù)基礎(chǔ)上模擬蒸餾理論，以理論塔板來表示分離效率，定量地描述、評價(jià)分離過程；2023/2/1☆在色譜過程中最早引入分配平衡取代吸附平衡，即采用分配色譜進(jìn)行分離。該方法是針對逆流液-液萃取難題而發(fā)明的。即將一種液體固定在適當(dāng)?shù)妮d體上，使第二種液體流過前者而實(shí)現(xiàn)分離，這也是一個(gè)很重要的成就?！钐岢隽松V法進(jìn)一步發(fā)展最有遠(yuǎn)見的預(yù)言：一是“流動(dòng)相可用氣體來代替，對分離更有好處”；二是“使用非常細(xì)顆粒的填料和柱兩端施加較大的壓差，應(yīng)能得到最小的理論塔板”。2023/2/1

1952年，Martin和James發(fā)表第一篇?dú)庖荷V論文，首次用氣體作流動(dòng)相，配合微量酸堿滴定，發(fā)明了氣相色譜，它給揮發(fā)性化合物的分離測定帶來了劃時(shí)代的革命。VanDeeter、Giddings等人對色譜理論的研究極大地促使色譜技術(shù)的發(fā)展。

1955年，第一臺(tái)商品氣相色譜問世，標(biāo)志著現(xiàn)代色譜分析的建立。

1957年戈雷(Golay)發(fā)表“涂壁毛細(xì)管氣液分配色譜理論和實(shí)踐”論文，首先提出毛細(xì)管速率方程，并第一次實(shí)現(xiàn)了毛細(xì)管氣相色譜分離。

1979年彈性石英毛細(xì)管應(yīng)用于氣相色譜,將毛細(xì)管氣相色譜推上高潮。80年代將固定液固載化是毛細(xì)管色譜技術(shù)的又一個(gè)重要發(fā)展。它大大提高了色譜柱的穩(wěn)定性,延長了柱壽命,并使液膜進(jìn)一步增厚,提高了色譜性能(如可在高溫下使用)。

2023/2/1

Horvvath(1967)、Huber(1967)、Kirkland(1969)分別研制高效液相色譜儀，他們的主要貢獻(xiàn)主要是技術(shù)上的突破：▲高效填料：細(xì)顆粒、耐壓；特別是鍵合固定相▲高壓泵:克服細(xì)填料帶來的流速慢的缺點(diǎn)，加快了傳質(zhì)過程▲儀器檢測：高靈敏度連續(xù)檢測高效液相色譜的重要特征是由“開放柱液相色譜”向“密閉柱液相色譜”方向發(fā)展。

1975年，Small,Stevens和Baumen發(fā)表“NovelIonExchangeChromatographicMethodUsingConductimetricDetection”一文，采用離子抑制柱-電導(dǎo)檢測器檢測，標(biāo)志著離子色譜法的誕生。2023/2/1色譜與色譜分析

色譜法是一種分離方法，它利用物質(zhì)在兩相中分配系數(shù)的微小差異，當(dāng)兩相作相對移動(dòng)時(shí)，使被測物質(zhì)在兩相之間進(jìn)行反復(fù)多次分配，這樣原來微小的分配差異產(chǎn)生了很大的效果，使各組分分離，以達(dá)到分離、分析及測定一些物理化學(xué)常數(shù)的目的。●分離性質(zhì)差異：在兩相間的分配差異●多次反復(fù)分配：分離效果被擴(kuò)大2023/2/1▲分配系數(shù)是廣義的，包括溶解、吸附、離子交換、親和力和分子體積等分離特性。▲物質(zhì)能否分離取決于它們之間是否存在分配差異，這是一切分離的必要條件，色譜也不能例外。▲與其它分離法相比，色譜法的高效率在于獨(dú)特的“動(dòng)態(tài)分離過程”，即反復(fù)多次分配，它大大擴(kuò)大了原來分配系數(shù)的差異，從而實(shí)現(xiàn)混合物的分離。2023/2/1

由于色譜（包括電泳）分離的宏觀特征之一是“差速遷移”，即樣品同時(shí)進(jìn)入色譜柱或在同一起始位置，經(jīng)過“一定時(shí)空”的分離：◆內(nèi)色譜：固定分離時(shí)間，各組分處在色譜或電泳分離通道上不同位置（如TLC的斑點(diǎn)位置）。◆外色譜：固定分離路程，各組分以不同時(shí)間流出色譜柱或到達(dá)檢測器（色譜圖）。

距離和時(shí)間的測定是簡便的和準(zhǔn)確的。2023/2/1色譜分析法是一種十分重要和應(yīng)用廣泛的儀器分析方法。它采用色譜分離和連續(xù)測定方式相結(jié)合方式，實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜體系中的多組分（包括價(jià)態(tài)、性質(zhì)相盡的元素或化合物）分析?？梢姡V分析的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)分離分析系統(tǒng)化/一體化。

現(xiàn)代色譜分析包括GC、HPLC、SFC、HPTLC、CE及聯(lián)用技術(shù)。色譜分析屬于化學(xué)分析，還是物理分析？為什么？2023/2/1色譜圖與色譜參數(shù)色譜圖（色譜流出曲線）是柱后流出物通過檢測器產(chǎn)生的響應(yīng)信號對時(shí)間或流動(dòng)相流出體積的關(guān)系曲線圖。它反映分離的各組分從色譜柱洗出濃度隨時(shí)間的變化，從一個(gè)側(cè)面記錄組分在柱內(nèi)運(yùn)行的情況。分離過程研究或分離制備，關(guān)注被分離物在柱上的位置；“譜帶，Band”

分析測定關(guān)注分離信號；“色譜峰，Peak”

2023/2/1色譜峰的個(gè)數(shù)、位置、大小和形狀？2023/2/1l

色譜峰個(gè)數(shù)：與樣品組分?jǐn)?shù)有關(guān)l

色譜峰大?。骸岸俊?/p>

峰高和峰面積l

色譜峰形狀：“高斯峰”，峰寬“柱效”：標(biāo)準(zhǔn)偏差、半峰高寬度、峰（底）寬

W0.607h=2Wh/2=2.354W=4l

色譜峰位置：“定性”

保留時(shí)間或保留體積；死時(shí)間或死體積；計(jì)算容量因子等參數(shù)2023/2/1

保留值定性的依據(jù)：兩個(gè)相同的物質(zhì)在相同的色譜條件下應(yīng)該有相同的保留值。但相反的結(jié)論不一定成立，即在相同的色譜條件下，具有相同的保留值的兩個(gè)物質(zhì)不一定是同一物質(zhì)。這就使得使用保留值定性時(shí)必須十分慎重。實(shí)驗(yàn)方法：在相同的色譜條件(色譜柱、流動(dòng)相組成、柱溫、流速等不變)下分別測定被測化合物與標(biāo)準(zhǔn)樣的保留值，如果保留值相等,就可初步認(rèn)為被測化合物為標(biāo)準(zhǔn)樣化合物。2023/2/1利用保留值定性方法簡便,除了要求提供標(biāo)準(zhǔn)化合物（對照品）、控制相同色譜條件外，更重要的是要對樣品組分要有足夠的了解,同時(shí)相關(guān)組分的分辨率要足夠高。由于某些組分的保留值可能相同或非常接近,可采用不同(特別是性質(zhì)相差較大)的色譜體系,如多次改變流動(dòng)相組成后,若被測化合物的保留值與標(biāo)準(zhǔn)物的保留值均保持一致,則能進(jìn)一步證明被測化合物與標(biāo)準(zhǔn)物一致。其他色譜定性方法（自學(xué)）。如何提高保留值定性方法的可靠性？2023/2/1色譜峰形狀與峰寬

在等溫線性的色譜條件下，色譜峰一般呈對稱的正態(tài)分布（高斯，Gaussian）曲線。色譜流出曲線方程為：3a）為什么大多數(shù)色譜圖不是對稱的高斯峰？3b）增大進(jìn)樣量，色譜峰增大，半高峰寬會(huì)變大嗎？為什么？3c）峰寬與柱效的關(guān)系2023/2/1

色譜峰的區(qū)域?qū)挾扰c組分的保留時(shí)間一般呈線性關(guān)系，即峰半高寬度或峰低寬度隨組分保留時(shí)間呈線性增加。2023/2/14）影響色譜峰大小的因素4a）峰高可以定量嗎？為什么？4b)對于同一樣品中的A和B兩個(gè)組分，能否直接用峰大小判斷它們的含量大小？4c)為什么高效液相色譜分析中，較少采用歸一化定量法？●進(jìn)樣量:m=CV●檢測器靈敏度，如波長選擇、燈能量●流速●記錄儀參數(shù)（紙速、靈敏度）2023/2/1（1）色譜定量分析的基本公式與其他儀器分析一樣，色譜定量分析是一種相對定量方法。任何色譜分析的定量基礎(chǔ)是：

Ai=fiCi0V0

或

hi=fiCi0V0

建立定量分析方法都必須驗(yàn)證A（h）

m（C）的線性范圍。（2）定量校正因子的測定l

同一種物質(zhì)在不同類型檢測器上有不同的響應(yīng)靈敏度l

同一種檢測器對不同類型物質(zhì)有不同的響應(yīng)值2023/2/1色譜圖是色譜分析的主要技術(shù)資料。色譜圖除了樣品（化合物）名稱，還應(yīng)注明色譜柱（固定相）、流動(dòng)相（載氣）、操作條件（柱溫等）、檢測器的類型和操作參數(shù)，樣品類型及有關(guān)說明等。色譜圖提供的分析信息l

直觀分離情況

l

混合試樣中的最低組分?jǐn)?shù)

l

柱效

l

定性

l

定量2023/2/1色譜法分類

按兩相物理狀態(tài)分類l

流動(dòng)相：GC、LC、SFCl固定相與流動(dòng)相組合：GSC、GLC、LSC、LLC按固定相形態(tài)分類

l

柱色譜

l

平板色譜：*紙色譜*薄層色譜2023/2/1按色譜過程的機(jī)理分類●吸附色譜：利用各組分在吸附劑與洗脫劑之間的吸附和溶解（解吸）能力的差異而達(dá)到分離的。●分配色譜：利用各組分在兩種互不混溶溶劑間的溶解度差異來達(dá)到分離的。●離子交換色譜：利用不同組分對離子交換劑親和力的不同而達(dá)到分離的一種色譜方法。●空間排阻色譜：利用惰性多孔物，如凝膠，對不同組分分子的大小而產(chǎn)生不同的滯留作用，以達(dá)到分離的色譜方法?！裼H和色譜：利用生物大分子和固定相表面存在某種特異親和力，進(jìn)行選擇性分離的一種方法。2023/2/1其他分類方式●按色譜動(dòng)力學(xué)過程分類迎頭法、頂替法和洗脫法●按應(yīng)用目的分類分析型色譜和制備型色譜●按色譜過程的特殊物理化學(xué)原理或特殊的操作方式分類，如：*化學(xué)鍵合相色譜*裂解色譜*二維色譜等等*手性色譜2023/2/1色譜應(yīng)用與局限●色譜法與經(jīng)典化學(xué)分析的比較●色譜法與光譜、質(zhì)譜分析法的比較●色譜分析的特點(diǎn)●色譜分析的局限性：

定性能力？（未知樣品）色譜數(shù)據(jù)的“漂移”？（對比光譜數(shù)據(jù)）

2023/2/1◆色譜法與經(jīng)典化學(xué)分析的比較化學(xué)分析根據(jù)物質(zhì)具有某種獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)來進(jìn)行測定,而色譜分析能使許多化學(xué)性質(zhì)相同/相似的復(fù)雜組分相互分離后測定。◆色譜法與光譜、質(zhì)譜分析法*的比較光譜、質(zhì)譜主要是定性分析工具,色譜是分離分析的工具。色譜法的最大優(yōu)越性在于它最擅長分離分析多組分的復(fù)雜體系。*從分離科學(xué)角度分析，色譜法、電泳法和質(zhì)譜法有哪些異同點(diǎn)？2023/2/1◆色譜法與分餾法的比較色譜分離比分餾快，得到的物質(zhì)純度比分離法高。石油化學(xué)家采用分餾法花了20多年才鑒別出石油中的200余種組分，而當(dāng)今采用毛細(xì)管GC僅需數(shù)小時(shí)即可完成。苯和環(huán)己烷的bp僅差0.6℃，如用分離柱進(jìn)行分離是不可能的。（？）051015202530

tR/sec苯環(huán)己烷圖苯和環(huán)己烷氣相色譜圖50cm×0.5cm(id)，5%丁二酸乙二醇聚酯/Celite載體（100-120目），柱溫90℃2023/2/1色譜分析的特點(diǎn)(1)

高選擇性對于那些性質(zhì)極為相似的組分,如同位素、同分異構(gòu)體,采用高選擇性固定相，使它們之間的分配系數(shù)產(chǎn)生足夠大的差異,從而實(shí)現(xiàn)良好分離。（色譜的熱力學(xué)性質(zhì)）

(2)

高柱效在良好的操作條件下，色譜柱能使復(fù)雜或相似的多組分樣品,在兩相間進(jìn)行多次的分配(103--106)而實(shí)現(xiàn)分離。2023/2/1(3)高靈敏度：多種高靈敏檢測器，痕量雜質(zhì)分析的有力工具。(4)分析速度快：復(fù)雜多組分樣品分析僅幾~幾十分鐘(5)定量準(zhǔn)確：分離檢測一體化，儀器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、微機(jī)化，保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。(6)

應(yīng)用范圍廣（7）試樣用量少與檢測原理一樣同類儀器方法相比，色譜分析法的靈敏度是高還是低？為什么？2023/2/1色譜分析的應(yīng)用面廣,但它不是萬能的。這要求色譜分析者必須根據(jù)分析對象和要求選擇色譜方法(色譜系統(tǒng)、檢測器等)。（2）試液是否處理得當(dāng)，是色譜分析又一個(gè)關(guān)鍵因素。試液含有不溶物、強(qiáng)酸或強(qiáng)堿性等存在，不僅可能影響分析結(jié)果，而且損壞儀器部件。

學(xué)習(xí)色譜分析時(shí)，應(yīng)注意如下幾個(gè)問題：（1）色譜儀并不是色譜柱和檢測器的簡單堆積，柱外效應(yīng)是決定峰展寬的另一重要因素，是決定整個(gè)色譜系統(tǒng)連接的合理性的依據(jù)。2023/2/1（3）現(xiàn)有色譜資料大多討論分子量低于2000的小分子化合物的分析。特殊的分離問題，如球烯化合物、生物大分子等分離不能簡單地套用小分子化合物的色譜方法。（4）為了達(dá)到選擇良好的分析條件,取得良好數(shù)據(jù),要求色譜工作者應(yīng)完全了解色譜法理論,從邏輯上探討錯(cuò)誤的原因(或理性分析譜圖),并不斷地積累有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)。

2023/2/1色譜分析的局限性●對分析對象的鑒定功能較差●單次分析周期可能較長？●濃度檢測靈敏度可能較低？●儀器及費(fèi)用也許較貴●實(shí)驗(yàn)影響因素較多，需要有較高的專業(yè)知識(shí)2023/2/110色譜理論基礎(chǔ)

(1)色譜過程熱力學(xué)——高選擇性色譜分離的理論基礎(chǔ)；⑵色譜過程動(dòng)力學(xué)——高效色譜分離的理論基礎(chǔ)；⑶色譜分離條件的選擇——多元混合物分離最優(yōu)化理論。色譜理論研究色譜過程中分子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，探討微觀分子運(yùn)動(dòng)與色譜分離的內(nèi)在聯(lián)系。它包括三個(gè)基本理論問題：2023/2/1一、色譜過程

色譜柱檢測器色譜圖組分在色譜柱內(nèi)運(yùn)動(dòng)溶質(zhì)濃度分布

柱內(nèi)：譜帶柱后：色譜峰色譜儀2023/2/1色譜過程指多組分混合物樣品在流動(dòng)相帶動(dòng)下通過色譜柱/床，實(shí)現(xiàn)各組分分離的過程。

▲樣品組分是被洗脫分離▲樣品帶是以不連續(xù)的形式分布的樣品分子在色譜柱內(nèi)運(yùn)行的兩個(gè)基本特征l混合物中不同組分分子在柱內(nèi)的差速遷移(differantialmigration)l混合物中同種組分分子在色譜體系遷移過程中的分布離散(spreading)2023/2/1差速遷移指不同組分通過色譜柱時(shí)的移動(dòng)速度不同。樣品注入色譜柱時(shí)，由于流動(dòng)相以一定速度通過固定相，使樣品中各組分在兩相之間進(jìn)行連續(xù)多次的分配。由于組分與固定相和流動(dòng)相作用力的差別，在兩相中的分配系數(shù)不同。

在固定相溶解或吸附大的，即分配系數(shù)大的組分，遷移速度？

慢；

在固定相溶解或吸附小，即分配系數(shù)小的組分，遷移速度？快。2023/2/1結(jié)果是樣品各組分同時(shí)進(jìn)入色譜柱，而以不同的速度在色譜柱內(nèi)遷移，導(dǎo)致各組分分離。組分通過色譜柱的速度，取決于各組分在色譜體系中的平衡分布。因此，影響平衡分布的因素，即流動(dòng)相和固定相的性質(zhì)、色譜柱柱溫等影響組分的遷移速度。2023/2/1分配系數(shù)(KD)與保留時(shí)間(tR)FigIllustractionoftheideaofchromatographyasextraction固定相流定相對應(yīng)塔板界面VsCsVmCm進(jìn)樣ABTimeorvolume分子A的平均速度=A在流動(dòng)相的時(shí)間分?jǐn)?shù)×流動(dòng)相流速+A在固定相的時(shí)間分?jǐn)?shù)×固定相流速0（為什么？）分子A的平均速度=A在流動(dòng)相的時(shí)間分?jǐn)?shù)×流動(dòng)相流速2023/2/1分子的平均速度=流速×分子在流動(dòng)相的時(shí)間分?jǐn)?shù)單個(gè)A分子在流動(dòng)相的時(shí)間分?jǐn)?shù)

=總體A分子在流動(dòng)相中的摩爾分?jǐn)?shù)溶質(zhì)的遷移速度為色譜過程的差速遷移的本質(zhì)是熱力學(xué)性質(zhì)（分配系數(shù)）差異?？梢?，任何改變分配平衡的因素都將影響色譜分離。2023/2/1色譜過程的分子離散指同一化合物分子沿色譜柱遷移過程中發(fā)生分子分布擴(kuò)展或分子離散。同一組分分子在色譜柱入口處分布在一個(gè)狹窄的區(qū)帶內(nèi)，隨著分子在色譜柱內(nèi)遷移，分布區(qū)帶不斷展寬，同種組分分子的移動(dòng)速度不同。這種差別不是由于平衡分布不同，而是來源于流體分子運(yùn)動(dòng)的速率差異。A+BABAA起始運(yùn)行后起始運(yùn)行后2023/2/1造成色譜過程分子離散的原因●縱向分子擴(kuò)散：布朗運(yùn)動(dòng)形成擴(kuò)散●吸附和解吸：分子吸附和解吸是隨機(jī)的●流動(dòng)相的移動(dòng)和擴(kuò)散：色譜柱內(nèi)“微流路徑”會(huì)在速度和方向上頻繁地發(fā)生變化但色譜過程帶的遷移是許多分子運(yùn)動(dòng)的平均行為，表現(xiàn)為一個(gè)平滑的連續(xù)過程。2023/2/1二、色譜過程熱力學(xué)●色譜保留作用●分布平衡●分配系數(shù)與柱溫的關(guān)系●分配系數(shù)與保留體積的關(guān)系●分布等溫線和等溫線方程●容量因子和分離因子2023/2/1在色譜分離過程中，不同溶質(zhì)在色譜柱內(nèi)不同位置上的濃度分布是不斷變化的。組分在柱內(nèi)的濃度分布形狀叫做譜帶（band)。從色譜分離過程不難理解，只有分布在流動(dòng)相中的溶質(zhì)才能（隨流動(dòng)相）移動(dòng)通過色譜柱；溶質(zhì)流過色譜柱的速度是由任一時(shí)刻該分子存在于流動(dòng)相的分子分?jǐn)?shù)決定的。可見，uX依賴于X在流動(dòng)相的分?jǐn)?shù)(R)和流動(dòng)相速度：

流動(dòng)相溶劑分子在柱內(nèi)的平均流速為u(cm/s)；溶質(zhì)(X)譜帶平均遷移速度為uX

。

2023/2/1如果R=0，即X在流動(dòng)相的分?jǐn)?shù)為零,uX

=0，即X譜帶不會(huì)發(fā)生遷移；如果R=1，即所有X均在流動(dòng)相中,uX

=u，即X譜帶的遷移速度與流動(dòng)相分子通過色譜柱的速度一樣。1+k’=tR

/tm

k’=(

tR

/tm)-1注意：t0和tm的區(qū)別?2023/2/1容量因子(新定義為保留因子，Retentionfactor)

在色譜法中，保留值是表示組分在色譜柱內(nèi)滯留狀況的一個(gè)指標(biāo)。而容量因子（k）是一個(gè)具有普遍意義的色譜保留值，它指在一定柱溫下,溶質(zhì)在兩相間達(dá)到分配平衡時(shí),分配在固定相和流動(dòng)相中的總量之比。

k=ws/wm=K·Vs/Vm=K/

可見，k與組分的分配系數(shù)K和相比有關(guān)，但與流動(dòng)相流速無關(guān)。k值大小可直接從色譜圖上測量。有關(guān)計(jì)算式如下：

tr=t0(1＋k)Vr=Ftr

基本保留方程分離因子恒流速t0

的測定2023/2/1色譜分離的特征之一是組分在色譜柱上有不同程度上的滯留。由于色譜固定相面積很大、液膜很薄,組分通過色譜柱時(shí),它們在兩相間的分配被認(rèn)為是達(dá)到平衡的。優(yōu)先分配在固定相的組分在柱上的保留時(shí)間最長,而分配系數(shù)小的組分保留時(shí)間短。換句話說，溶質(zhì)的保留行為是其平衡分配性質(zhì)的函數(shù)。組分之間平衡分配性質(zhì)的差異給色譜分離提供了可能性。

從本質(zhì)上講，溶質(zhì)在色譜柱上的分離，是由于它們與固定相或流動(dòng)相分子間相互作用力差異造成的。如吸附色譜，溶質(zhì)、溶劑和吸附劑間的相互作用涉及到靜電力、誘導(dǎo)力、色散力和氫鍵等，它們分別和偶極距、極化率、電離能、和分子間距離等微觀因素有關(guān)。

2023/2/1色譜分配平衡的研究方法一、用統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)方法處理組分在兩相間的分配；二、通過分子結(jié)構(gòu)及分子間的相互作用來解釋組分間分配系數(shù)的差異。前一種方法以其嚴(yán)格和普遍性為特征，而后一種方法則將化合物結(jié)構(gòu)性質(zhì)與其色譜行為有機(jī)地聯(lián)系起來。更多的色譜學(xué)家就是在討論分子間的相互作用與分離結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立色譜分離機(jī)理或理論模型的。由統(tǒng)計(jì)力學(xué)可知：分子間相互作用的位能場不同，體系中各種分布狀態(tài)也就不同。分配系數(shù)與分子的一系列微觀參量有著明顯的定量關(guān)系。2023/2/1分配系數(shù)K

化學(xué)勢μ

等溫等容自由能F

配分函數(shù)Z分子構(gòu)型及其相互作用分配系數(shù)是連接色譜過程中分子微觀量和宏觀可測量之間的一個(gè)橋梁。容量因子

k’保留時(shí)間

tR色譜宏觀可測量和微觀量的關(guān)系示意圖

2023/2/1色譜過程分類

線性色譜與非線性色譜：分布等溫線

理想色譜與非理想色譜

色譜過程熱力學(xué)可逆，傳質(zhì)速率很高、平衡瞬間實(shí)現(xiàn)，分子擴(kuò)散可以忽略。通常，在理論上把色譜類型分為：線性理想色譜非線性理想色譜

線性非理想色譜

非線性理想色譜2023/2/1凹形凸形Cm線形CsSigtR峰形tRm圖8.分布等溫線類型及對色譜峰形和保留時(shí)間的影響

2023/2/1分配系數(shù)與柱溫的關(guān)系

當(dāng)色譜體系和分離對象確定以后,分配系數(shù)（K）只與柱溫（Tc）有關(guān)：

由于分配系數(shù)依賴于溫度,

在氣相色譜中柱溫就成了最重要的操作參數(shù)。通常,組分在固定相中的G為負(fù)值,則柱溫與分配系數(shù)成反比。一般溫度上升,K值下降,這導(dǎo)致組分移動(dòng)速度增加,保留值下降。對任何色譜過程,分配系數(shù)對溫度的變化率為：2023/2/1

在氣相色譜中,組分從氣相轉(zhuǎn)移到液相,其H值大,常用控制柱溫來調(diào)節(jié)分離；而在液相色譜中,組分從液相轉(zhuǎn)移另一液相（固定相）,其H值要小得多。所以液相色譜對溫度變化不太敏感,一般在室溫下操作。問題：在色譜分析中，溫度除了對分離結(jié)果有影響外，還有其它影響嗎？

對于氣相色譜分析,柱溫上升20℃，K下降一半，低溫有利于分離，高溫有利于分析速度。同樣，柱溫的穩(wěn)定性嚴(yán)重影響GC的保留值，商品儀器的柱溫控制精度為±0.2℃。2023/2/1GC中的溫度控制

在氣相色譜測定中，溫度是重要的指標(biāo)，它直接影響色譜柱的選擇分離、檢測器的靈敏度和穩(wěn)定性。

控制溫度主要指對色譜柱爐，氣化室，檢測器三處的溫度控制。色譜柱的溫度控制方式有恒溫和程序升溫二種。控制柱溫的一般原則：在使最難分離的組分有盡可能好的分離前提下，采取適當(dāng)?shù)偷闹鶞兀员Ａ魰r(shí)間適宜，峰形不拖尾為度；注意柱溫的選擇不能高于固定液的最高使用溫度（為什么？）。

氣化室，檢測器溫控的依據(jù)又是什么？

液相色譜儀中溫控部位、作用？補(bǔ)充材料2023/2/1色譜動(dòng)力學(xué)色譜動(dòng)力學(xué)是研究物質(zhì)在色譜過程中運(yùn)動(dòng)的科學(xué)，其主要目的是解釋色譜流出曲線的形狀，探求影響色譜區(qū)帶（樣品帶）擴(kuò)張的原因，為高效能色譜柱系統(tǒng)提供理論上的指導(dǎo)以及為色譜分析、色譜專家系統(tǒng)譜圖庫的建立奠定理論基礎(chǔ)。對于溶質(zhì)在色譜柱內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程，嚴(yán)格的數(shù)學(xué)處理時(shí)應(yīng)根據(jù)柱內(nèi)溶質(zhì)遷移過程及各種影響因素，列出相應(yīng)的偏微分方程組，求出描寫色譜譜帶運(yùn)動(dòng)的方程式。由于這些偏微分方程組求解困難，實(shí)際色譜動(dòng)力學(xué)研究只采用較為簡單的假設(shè)和數(shù)學(xué)處理。2023/2/1注意●色譜動(dòng)力學(xué)側(cè)重研究溶質(zhì)在柱內(nèi)的擴(kuò)散與傳質(zhì)問題●化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究化學(xué)反應(yīng)速度問題2023/2/1平衡色譜理論

Wilson等人提出的平衡色譜理論的三個(gè)基本假設(shè)：l

溶質(zhì)在流動(dòng)相和固定相之間的分配平衡在整個(gè)色譜過程中都能瞬間實(shí)現(xiàn)；l

傳質(zhì)阻力，縱向擴(kuò)散對平衡的影響可以忽略；l

溶質(zhì)在色譜柱遷移過程中，在一定時(shí)間內(nèi)，色譜柱每一小段溶質(zhì)量的變化符合物料平衡原理。2023/2/1

流動(dòng)相固定相

平衡色譜理論物料平衡示意圖根據(jù)物料平衡：

溶質(zhì)在兩相間的分配或吸附平衡常數(shù)：2023/2/1

通過數(shù)學(xué)處理，組分的保留值為：

從平衡色譜理論導(dǎo)出的溶質(zhì)譜帶遷移速率方程及相應(yīng)的保留時(shí)間、保留體積表達(dá)式，初步揭示了物質(zhì)在色譜柱的差速遷移過程。非線性等溫線比較好地解釋了不對稱色譜峰，特別是拖尾峰的成因。但它未能闡明色譜流出曲線，實(shí)際應(yīng)用比較有限。

根據(jù)平衡色譜理論，當(dāng)分布等溫線呈線性時(shí)，溶質(zhì)的K為常數(shù)，譜帶遷移速率不變，不產(chǎn)生色譜譜帶擴(kuò)張。若分布等溫線為非線性，則K隨Cm變化溶質(zhì)遷移速度亦變化，引起色譜峰擴(kuò)張，形成不對稱色譜峰。2023/2/1塔板理論(theplatemodel)

1941年，Martin和Synge闡明了色譜、蒸餾和萃取之間的相似性，將色譜柱設(shè)想成由許多液液萃取單元或理論塔板組成；與精餾相似，色譜分離也是一個(gè)分配平衡過程。這就是Martin等人提出的塔板理論。掌握這一理論的要點(diǎn)是：假設(shè)→二項(xiàng)式分布（概率密度函數(shù)）→流出曲線→實(shí)驗(yàn)事實(shí)2023/2/1塔板理論基本假設(shè)固定相，流動(dòng)相，H,vm，v3l

色譜柱由一系列塔板組成l

塔板內(nèi)，組分在兩相間迅速達(dá)到平衡（理想色譜）l

組分的分配系數(shù)不隨它的濃度變化而變化（線性分布等溫線）l

組分的軸向擴(kuò)散為零l

流動(dòng)相的流動(dòng)是跳躍過程2023/2/1溶質(zhì)的二項(xiàng)式分布萃取多次萃取錯(cuò)流萃取合并萃取液單次操作類似萃取洗滌根據(jù)假設(shè)，將連續(xù)的色譜過程“人為地”分解成間歇過程。這樣色譜過程與Craig多次連續(xù)萃取過程十分相似，塔板內(nèi)一次平衡相當(dāng)于一次萃取。下面我們先看一個(gè)簡單例子。1）多次萃取與Craig多級萃取比較

轉(zhuǎn)移平衡2023/2/1

對于某一含量相同的A和B雙組分萃取體系，DA=32，DB=0.032，采用相同體積比萃取兩次后：

EA,t=97%＋3%×97%=99.9%“增加A的回收率”EB,t=3%＋97%×3%=5.9%“雜質(zhì)含量增大,SB/A增大？”

可見，由于含A有機(jī)相再和新鮮水相混合萃取一次，使有機(jī)相中A的純度進(jìn)一步提高。但A的濃度比前一次有機(jī)相的濃度降低。（聯(lián)系色譜過程中的稀釋效應(yīng)?。?/p>

按Craig萃取原理，將此含有97%A的有機(jī)相再與一新鮮水相接觸。平衡后，又有97%的A留在上層有機(jī)相中。此時(shí)有機(jī)相中A的實(shí)際分?jǐn)?shù)為(0.97)2=0.94，而B留在有機(jī)相中的分?jǐn)?shù)由3%減少到(0.03)2=9×10-4，此時(shí)有機(jī)相A的純度可達(dá)0.94/(0.94＋0.0009)=99.9%。2023/2/1流動(dòng)相固定相塔板號0123r-1r塔板理論示意圖

如果把上述錯(cuò)流萃取過程繼續(xù)下去，即“平衡→轉(zhuǎn)移→再平衡→再轉(zhuǎn)移→。。。”2023/2/1則每一個(gè)萃取單元（塔板）的溶質(zhì)分布呈現(xiàn)二項(xiàng)式分布，呈現(xiàn)為概率密度函數(shù)：

0加樣

0平衡流動(dòng)0101再平衡流動(dòng)012

塔板理論示意圖

q萃取率p萃余率2023/2/1

n\r01234501

1pq

2p22pqq2

3p33p2q3pq2q3

4p44p3q6p2q24pq3q4

5

譜帶位置分配次數(shù)溶質(zhì)在塔板上的分布2023/2/1

可見，每個(gè)塔板中溶質(zhì)分?jǐn)?shù)與分配系數(shù)、相比和轉(zhuǎn)移塔板數(shù)有關(guān)。從二項(xiàng)式展開成高斯分布可知：①Fr,n-r分布呈高斯峰；②高斯峰的位置隨轉(zhuǎn)移塔板數(shù)n增多而移動(dòng)。固定轉(zhuǎn)移次數(shù)，高斯峰的位置與溶質(zhì)性質(zhì)D有關(guān)；③轉(zhuǎn)移次數(shù)增多，F(xiàn)r,n變小，高斯峰展寬，分離度增大。2023/2/1

當(dāng)n足夠大時(shí)，溶質(zhì)隨流動(dòng)相流過色譜柱。溶質(zhì)的移動(dòng)速度取決于溶質(zhì)分配在流動(dòng)相中的分?jǐn)?shù)。如果溶質(zhì)較易分配在固定相,則它的移動(dòng)速度較慢。反之，如果溶質(zhì)較易分配在流動(dòng)相，則溶質(zhì)就容易從色譜柱中流出來。從數(shù)學(xué)上說，流動(dòng)速度取決于q（流動(dòng)相中的溶質(zhì)分?jǐn)?shù)）。

濃度最大的塔板號數(shù)rmax，即峰位置：

例如DA=3和DB=1/3，顯然它們的峰值位置不同，n不同，分離情況也不同。對于分配比相差小的化合物，增大n也可以將它們分開。2023/2/1

對于色譜過程而言，n和r均很大，進(jìn)一步采用數(shù)學(xué)上近似處理方法，可推導(dǎo)出溶質(zhì)組分的保留方程為：

二項(xiàng)式分布展開成高斯分布，得到色譜流出曲線方程：

最大組分濃度——峰高：

2023/2/1決定色譜峰最大濃度的因素：l

進(jìn)樣量越大，峰高越大l

相同保留時(shí)間，塔板數(shù)越大，峰高越大l固定進(jìn)樣量和塔板數(shù)，保留時(shí)間越小，峰高越大，即色譜峰高且窄；反之，保留時(shí)間長的組分色譜峰低且寬。色譜峰半高寬度：

2023/2/1決定色譜峰的區(qū)域?qū)挾鹊囊蛩兀?/p>

l

保留值越大，峰寬越大

l

峰寬與柱結(jié)構(gòu)有關(guān)

l

柱長越大，峰寬越大

l

塔板數(shù)越大，峰寬越小

塔板數(shù)的計(jì)算公式

N=16(tr/wb)2

N=5.54(tr/w1/2)2

塔板高度的計(jì)算公式

H=L/N

Martin引入理論塔板數(shù)作為衡量柱效率的指標(biāo)！2023/2/1

基于塔板理論，組分在色譜分離過程中的分布開始時(shí)，若有單位質(zhì)量，即m=1（例1mg或1μg）的某組分加到第0號塔板上，分配平衡后，由于k=1，即ns=nm故nm=ns=0.5。當(dāng)一個(gè)板體積（lΔV）的載氣以脈動(dòng)形式進(jìn)入0號板時(shí)，就將氣相中含有nm部分組分的載氣頂?shù)?號板上，此時(shí)0號板液相中ns部分組分及1號板氣相中的nm部分組分，將各自在兩相間重新分配。故0號板上所含組分總量為0.5，其中氣液兩相各為0.25而1號板上所含總量同樣為0.5．氣液相亦各為0.25。以后每當(dāng)一個(gè)新的板體積載氣以脈動(dòng)式進(jìn)入色譜柱時(shí)，上述過程就重復(fù)一次(見下表)。補(bǔ)充材料2023/2/1補(bǔ)充材料2023/2/1塔板理論的優(yōu)缺點(diǎn)

塔板理論是一種半經(jīng)驗(yàn)理論，它初步揭示了色譜分離過程。塔板理論在色譜中的意義在于：l

高斯峰分布與色譜流出曲線基本相符l

塔板數(shù)作為衡量柱效指標(biāo)是有效的l

峰高Cmax與W、H、VR的關(guān)系符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果

塔板理論的缺陷：l

在氣相色譜中，忽略分子軸向擴(kuò)散l

流動(dòng)相的運(yùn)動(dòng)是跳躍式的、不連續(xù)的假設(shè)顯然違背了實(shí)際色譜過程2023/2/1

l

實(shí)際色譜過程難于達(dá)到真正的平衡狀態(tài)

l

分配系數(shù)與濃度無關(guān)只在一定的范圍內(nèi)成立

塔板理論的最大缺點(diǎn)是說明不了色譜流出曲線峰展寬的本質(zhì)及曲線形狀變化的影響因素，也說明不了各種實(shí)驗(yàn)操作條件變化所引起的色譜峰峰寬變化的原因。它無法把各種色譜參數(shù)與塔板高度定量地關(guān)聯(lián)起來，特別是不能解釋流速對柱效率的影響。2023/2/1速率理論

塔板理論把色譜過程分成單個(gè)不連續(xù)步驟，每步中體系都達(dá)到平衡?？梢姡@是一種“平衡過程研究方法”。速率理論認(rèn)為色譜分離是一個(gè)連續(xù)的流動(dòng)過程，每個(gè)組分以一定的速率通過色譜柱，體系沒有達(dá)到平衡，這是一種“非平衡過程研究方法”或“速率”模型。擴(kuò)散和傳質(zhì)是譜帶展寬的本質(zhì)。速率理論可以較好地描述色譜過程，速率理論方程物理意義明確，能有效解釋了影響色譜峰展寬的各種因素，為高效色譜提供了理論指導(dǎo)。2023/2/1◆1956年，VanDeemter研究擴(kuò)散、傳質(zhì)等與色譜過程物料平衡或質(zhì)量平衡的關(guān)系（偏微分方程），考察溶質(zhì)通過色譜體系總的濃度變化，導(dǎo)出速率理論方程。

H=A＋B/u＋Cu

渦流擴(kuò)散；縱向分子擴(kuò)散；傳質(zhì)◆1958年，Giddings用隨機(jī)行走模型描述色譜過程，并導(dǎo)出速率理論方程。

H=HL＋HS＋HM＋HSM2023/2/1速率理論學(xué)習(xí)要點(diǎn)色譜動(dòng)力學(xué)過程的本質(zhì)擴(kuò)散與傳質(zhì)隨機(jī)行走模型（theoryofrandomwalkmodel）高斯分布；獨(dú)立隨機(jī)過程的加和性2023/2/1脈沖濃度樣品帶的遷移規(guī)律Time0

當(dāng)樣品液從柱入口瞬間導(dǎo)入，它應(yīng)該是一個(gè)塞狀（“圓柱形”）的樣品流。隨著色譜過程的進(jìn)行，這一塞狀的樣品帶會(huì)因擴(kuò)散和傳質(zhì)的影響而不斷加寬擴(kuò)展。。t1t2t3●樣品帶是不連續(xù)的●樣品帶的遷移是均一性的機(jī)械運(yùn)動(dòng)與分子的無規(guī)運(yùn)動(dòng)相疊加●引起樣品帶的根本原因分子無規(guī)運(yùn)動(dòng)的固有特性，它形成高斯帶，是時(shí)間和距離的函數(shù)2023/2/1色區(qū)擴(kuò)張(區(qū)帶展寬）

譜帶展寬色譜峰展寬

色區(qū)的形成及其加寬效應(yīng)是許多分離方法的共同現(xiàn)象?？刹捎媒y(tǒng)計(jì)力學(xué)方法——把色區(qū)變寬過程視為無規(guī)過程處理。分離過程中濃度脈沖帶的離散性：色譜和電泳等分離過程中，溶質(zhì)是以不連續(xù)帶的形式分布的，同時(shí)溶質(zhì)帶一直是在連續(xù)不斷地向外擴(kuò)展。抑制溶質(zhì)帶的擴(kuò)展是控制分離過程的重要目標(biāo)。2023/2/1平板擴(kuò)散的濃度分布

2=2Dt,σ為x沿方向的均方位移

C0xCFick

第二擴(kuò)散定律：濃度脈沖隨時(shí)間變化規(guī)律帶的遷移規(guī)律：

vm：體相液體流動(dòng)速度