第四章環(huán)境分析中的色譜法上演示文稿

第四章環(huán)境分析中的色譜法上演示文稿目前一頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)優(yōu)選第四章環(huán)境分析中的色譜法上目前二頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)第一節(jié)色譜(chromatography)一、色譜法茨維特：俄國(guó)植物學(xué)家，主要從事植物色素的研究工作，在1906年發(fā)表的文章中，首次提出了色譜的概念。

目前三頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)茨維特的實(shí)驗(yàn)

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。目前四頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)色譜法是一種分離方法?！奶攸c(diǎn)是：有兩相，一是固定相，一是流動(dòng)相，兩相作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。將色譜法用于分析中，則稱為色譜分析?！V分析是一種分離、分析法。目前五頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)二、色譜法的分離原理

當(dāng)流動(dòng)相中攜帶的混合物流過固定相時(shí),就會(huì)與固定相發(fā)生作用（力的作用）。由于混合物種各組分在性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上有差異，與固定相發(fā)生作用的大小也有差異。因此在同一推動(dòng)力作用下,不同組分在固定相中滯留的時(shí)間有長(zhǎng)有短,按先后不同次序從固定相中流出。與適當(dāng)?shù)闹髾z測(cè)方法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)混合物中各組分的分離與檢測(cè)。目前六頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)三、色譜法的發(fā)展1906年，俄國(guó)植物學(xué)家T.swett命名自己發(fā)明的分離植物色素的新方法為色譜法。1931年，德國(guó)的Kuhn和Lederer重復(fù)了T.swett的實(shí)驗(yàn)，得到很好的結(jié)果，色譜法因此得到很大的推廣。1940年，Martin和Synge提出了液液分配色譜法，又把塔板的概念引入色譜法中，初步建立了塔板理論。1941年，他們提出了用氣體代替流體做流動(dòng)相的可能性，發(fā)展了完整的氣液色譜法之后，得到了1952年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。目前七頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)1957年，Golay發(fā)展了開管柱氣相色譜。上個(gè)世紀(jì)六十年代末，高壓泵和鍵合相固定相結(jié)合，出現(xiàn)了高效液相色譜。接著，出現(xiàn)了色譜法和其他檢測(cè)技術(shù)的聯(lián)用，例如GC-MS、GC-IR等。上個(gè)世紀(jì)八十年代，毛細(xì)管電泳出現(xiàn)，此后得到長(zhǎng)足的發(fā)展，并不斷出現(xiàn)新的模式。目前八頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)四、色譜法的分類1、按流動(dòng)相狀態(tài)分類流動(dòng)相為氣體：

固定相為固體：Gas–solidChromatography

固定相為液體：Gas–liquidChromatography流動(dòng)相為液體：固定相為固體：Liquid–solidChromatography

固定相為液體：Liquid–liquidChromatography流動(dòng)相為超臨界流體：SupercriticalFluidChromatography目前九頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)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(duì)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(duì)試樣中各組分的溶解能力的不同。氣固(液固)色譜的分離機(jī)理:

吸附與脫附的不斷重復(fù)過程；氣液(液液)色譜的分離機(jī)理：兩相間的反復(fù)多次分配過程。目前十頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)2、按固定相形式分類柱色譜（ColumnChromatography)

將固定相裝在色譜柱內(nèi)紙色譜（PaperChromatography)

用濾紙做固定相或固定相載體的色譜薄層色譜（ThinLayChromatography)

固定相均勻涂在玻璃板或塑料板上

目前十一頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)3、按分離原理分類吸附色譜（adsorptionchromatography)

吸附劑對(duì)被分離物質(zhì)的吸附能力不同分配色譜(partitionchromatography)

被分離物質(zhì)在兩相中分配系數(shù)不同離子交換色譜(ion-exchangechromatography)

被分離物質(zhì)在離子交換樹脂上的離子交換勢(shì)不同尺寸排阻色譜（sizeexclusionchromatography）被分離物質(zhì)分子量大小的不同和在填料上滲透程度的不同親和色譜(affinitychromatography)

生物大分子和固定相表面存在特異性親和力不同目前十二頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)4、按色譜動(dòng)力學(xué)過程分類淋洗法(elutionmethod)

流動(dòng)相與固定相的結(jié)合比樣品與固定相的結(jié)合弱，分為等度淋洗和梯度淋洗。是目前色譜中最普遍的方法。置換法(displacementmethod)

流動(dòng)相與固定相的結(jié)合比樣品與固定相的結(jié)合強(qiáng)。前沿法(frontalmethod）樣品本身就是流動(dòng)相，固定相上吸附或者溶解力最弱的最先流出，后面的就是混合物了。目前十三頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)五、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(cè)出μg.g-1(10-6)級(jí)甚至ng.g-1(10-9)級(jí)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。目前十四頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)六、色譜相關(guān)術(shù)語1、關(guān)于色譜峰2、關(guān)于保留值3、關(guān)于分配平衡目前十五頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)1、關(guān)于色譜峰目前十六頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)色譜圖和色譜峰：若干物質(zhì)通過色譜柱的流出曲線，在不同時(shí)間上的濃度或響應(yīng)的大小。基線：在色譜操作條件下，沒有被測(cè)組分通過鑒定器時(shí)，記錄器所記錄的檢測(cè)器噪聲隨時(shí)間變化圖線稱為基線。峰面積：流出曲線（色譜峰）與基線構(gòu)成之面積稱峰面積。峰高：由色譜峰的濃度極大點(diǎn)向時(shí)間座標(biāo)引垂線與基線相交點(diǎn)間的高度稱為峰高。色譜峰底寬W：由色譜峰的兩邊拐點(diǎn)做切線，與基線交點(diǎn)的距離半峰高寬度W?

：色譜峰高一半處的峰寬。也稱為色譜峰半高寬度標(biāo)準(zhǔn)偏差：0.607倍峰高處色譜峰寬度的一半。峰底寬、半峰寬及標(biāo)準(zhǔn)偏差的關(guān)系：W=4σ，Wh/2=2.354σ目前十七頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)拖尾峰：前沿陡峭，后沿較平緩的不對(duì)稱峰。伸舌峰：前沿平緩，后沿較陡峭的不對(duì)稱峰。鬼峰、假峰：在譜圖中出現(xiàn)的一種有規(guī)律的峰，規(guī)律性強(qiáng)，間隔均勻，不易消除，并非由試樣所產(chǎn)生的峰?；€噪聲：由于各種因素所引起的基線波動(dòng)?；€漂移：?jiǎn)畏较虻?，固定斜率的基線變化。正漂移、負(fù)漂移。

譜帶擴(kuò)張：指試樣組分在色譜柱內(nèi)移動(dòng)過程中譜帶寬度增加的現(xiàn)象。目前十八頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)2、關(guān)于保留值保留值：表示試樣中各組分在色譜柱中的停留時(shí)間的數(shù)值，通常用時(shí)間或用將組分帶出色譜柱所需流動(dòng)相的體積來表示。死時(shí)間（tM）：不被保留的樣品通過色譜柱的時(shí)間。保留時(shí)間（tR）：樣品注入到色譜峰頂出現(xiàn)的時(shí)間。調(diào)整保留時(shí)間（t’R）：保留時(shí)間減去死時(shí)間等于調(diào)整保留時(shí)間死體積（VM）：不被保留的樣品通過色譜柱所消耗的流動(dòng)相的體積。死時(shí)間與流動(dòng)相線速度的乘積。保留體積（VR）：從注射樣品到色譜峰值出現(xiàn)時(shí)，通過色譜系統(tǒng)的流動(dòng)相的體積。用保留時(shí)間乘流動(dòng)相線速度得到。調(diào)整保留體積（V’R）：用調(diào)整保留時(shí)間乘流動(dòng)相線速度得到。目前十九頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)相對(duì)保留值（ri,s）：以一種物質(zhì)作為標(biāo)準(zhǔn)，而求出其他物質(zhì)的保留值對(duì)此標(biāo)準(zhǔn)物的比值，稱為相對(duì)保留值。該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(duì)這兩種組分的選擇性。保留指數(shù)（I）：表示物質(zhì)在固定相上的保留值行為。規(guī)定正構(gòu)烷烴的保留指數(shù)是其碳數(shù)的100倍，其它物質(zhì)的保留指數(shù)在實(shí)際色譜條件下測(cè)定。選取與被測(cè)物相鄰的兩種正構(gòu)烷烴做參照系，其中一種碳數(shù)為Z，另一種為Z+1，被測(cè)物的保留指數(shù)由下式計(jì)算目前二十頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)3、關(guān)于分配平衡分配系數(shù)K：一定溫度和壓力下，在平衡狀態(tài)下，組分在固定液與流動(dòng)相中的濃度之比。

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；某組分的K=0時(shí)，即不被固定相保留，最先流出。目前二十一頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)分配比k：又稱為容量因子、容量比、分配容量，是指在一定溫度和壓力下，平衡狀態(tài)時(shí)組分在固定相中的量與在流動(dòng)相中的量之比值。相比β：色譜柱內(nèi)流動(dòng)相和固定相體積之比，是柱型及結(jié)構(gòu)的重要特性。分配系數(shù)、分配比都與組分及固定相的熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，隨柱溫及柱壓的變化而變化。分配比還與相比有關(guān)。目前二十二頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)滯留因子：

Rs=us/uus:組分在柱內(nèi)的線速度

u:流動(dòng)相在柱內(nèi)的線速度滯留因子也可以用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示目前二十三頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)假設(shè)色譜長(zhǎng)度為L(zhǎng)則組分和流動(dòng)相通過色譜所需要的時(shí)間分別為：由上各式可知故k可有實(shí)驗(yàn)測(cè)得。目前二十四頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)七、色譜分析法基本理論研究理論的目的解決色譜峰的分離問題三個(gè)色譜基本理論問題色譜熱力學(xué)問題——發(fā)展高選擇性色譜色譜動(dòng)力學(xué)問題——發(fā)展高效能色譜分離條件的最優(yōu)化問題——分離條件優(yōu)化目前二十五頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)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(píng)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）目前二十六頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)1、色譜動(dòng)力學(xué)理論研究流出曲線展寬的本質(zhì)及曲線形狀變化的影響因素（1）塔板理論將色譜柱比作精餾塔，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)，通過概率理論的到流出曲線方程當(dāng)t=tR，C=Cmax，峰高正比與進(jìn)樣C0，是峰高定量的理論基礎(chǔ)n越大，σ越小，Cmax越大，即保留時(shí)間一定時(shí)，塔板數(shù)越多，峰越高。n一定，Cmax反比于tR，tR越小，Cmax越大，保留時(shí)間小的組分高且窄。tR越大，Cmax越小，保留時(shí)間大的組分峰低且寬。目前二十七頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)柱效參數(shù)：由流出曲線方程導(dǎo)出n是峰相對(duì)展寬的量度n是柱效的量度,單位柱長(zhǎng)的塔板數(shù)越多，表明柱效越高。n是常數(shù)時(shí)，Y與tR成正比n越大，表明組分在柱中達(dá)到的分配平衡次數(shù)越多，對(duì)分離越有利，但還不能預(yù)言各組分有被分離的可能性。目前二十八頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)有效塔板數(shù)和有效塔板高度保留時(shí)間包含死時(shí)間，組分在死時(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：用不同物質(zhì)計(jì)算可得到不同的塔板數(shù)。目前二十九頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)塔板理論的貢獻(xiàn)：有助于形象的理論色譜的分離過程。導(dǎo)出色譜流出曲線方程，符合高斯分布與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相吻合導(dǎo)出理論塔板數(shù)的計(jì)算公式，作為柱效的評(píng)價(jià)指標(biāo)。當(dāng)色譜柱長(zhǎng)度一定時(shí)，塔板數(shù)n越大(塔板高度H越小)，被測(cè)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。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(cè)定物質(zhì)。目前三十頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)塔板理論的局限：塔板高度H是一個(gè)抽象的物理量，對(duì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)意義有限。有些假設(shè)不合理，沒有考慮縱向擴(kuò)散對(duì)色譜分離的影響。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。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。目前三十一頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)（2）速率理論運(yùn)用流體分子規(guī)律研究色譜過程中產(chǎn)生色譜峰展寬的因素，導(dǎo)出理論塔板高度與流動(dòng)相線速度的關(guān)系，揭示了影響塔板高度的動(dòng)力學(xué)因素。

H=A+B/u+CuH：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)？目前三十二頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)①A-渦流擴(kuò)散項(xiàng)

A=2λdp

λ:固定相的填充不均勻因子；

dp:固定相的平均顆粒直徑由不等路徑造成的色譜峰展寬。由于柱填料粒徑大小不同，粒徑分布范圍不一致及填充的不均勻，形成寬窄、長(zhǎng)短不同的路徑，因此流動(dòng)相沿柱內(nèi)各路徑形成紊亂的渦流運(yùn)動(dòng)，有些溶質(zhì)分子沿較窄且直的粒徑運(yùn)行，以較快的速度通過色譜柱，發(fā)生分子超前，反之，有些分子發(fā)生滯后，從而使色譜峰發(fā)生擴(kuò)散。

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。目前三十三頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)②B/u—分子擴(kuò)散項(xiàng)

B=2γdg

γ:彎曲因子，填充柱色譜,γ<1。；

dg:試樣組分分子在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)（cm2·s-1）由于分子的縱向擴(kuò)散造成的色譜峰展寬。由于試樣組分被載氣帶入色譜柱后，是以塞子的形式存在于色譜柱的很小的一段空間中，由于在塞子前后存在濃度梯度，因此使運(yùn)動(dòng)著的分子產(chǎn)生縱向擴(kuò)散，引起色譜峰擴(kuò)展。

(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↓。目前三十四頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)③C·u—傳質(zhì)阻力項(xiàng)氣液色譜由氣相傳質(zhì)阻力和液相傳質(zhì)阻力兩相組成。

C=（Cg+CL）k:容量因子；Dg

、DL:擴(kuò)散系數(shù)。目前三十五頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)氣相傳質(zhì)阻力Cg

試樣組分從氣相移動(dòng)到固定相表面的過程中，由于質(zhì)量交換過程需要一定時(shí)間（即傳質(zhì)阻力）而使分子有滯留傾向。在此過程中，部分組分分子隨流動(dòng)相向前運(yùn)動(dòng)，發(fā)生分子超前，引起色譜峰擴(kuò)展。液相傳質(zhì)阻力CL

試樣組分從固定相表面移動(dòng)到固定相內(nèi)部的過程中，由于質(zhì)量交換過程需要一定時(shí)間（即傳質(zhì)阻力）而使分子有滯留傾向。在此過程中，部分組分分子先離開固定相表面，發(fā)生分子超前，引起色譜峰擴(kuò)展。

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。目前三十六頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)速率方程的作用為柱型的研究和發(fā)展提供理論依據(jù)為操作條件的選擇提供理論指導(dǎo)為色譜柱的填充提供理論指導(dǎo)目前三十七頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)目前三十八頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)目前三十九頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)目前四十頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)目前四十一頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)目前四十二頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)目前四十三頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)目前四十四頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)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(duì)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。目前四十五頁\總數(shù)五十六頁\編于十八點(diǎn)2、色譜分離基本方程對(duì)于常規(guī)分析工作，一般選用：選擇性系數(shù)α與保留指數(shù)I來評(píng)價(jià)固定