第二章-色谱基本理论..ppt

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1、第二章第二章 色谱基本理论色谱基本理论第一节第一节 色谱图及基本参数色谱图及基本参数 色谱图色谱图:色谱柱流出物通过检测器时所产生的响应信号对时间的曲线图,其纵坐标为信号强度,横坐标为保留时间.色谱图示意图色谱图示意图色谱图相关术语色谱图相关术语.色谱峰色谱峰(Peak):Peak):.峰底峰底(Peak Base):Peak Base):.峰高峰高 h h(Peak Height):(Peak Height):.峰峰(底底)宽宽 W W(Peak Width):(Peak Width):.半半(高高)峰宽峰宽 W W1/2 1/2(Peak Width at(Peak Width at Ha

2、lf HeightHalf Height):.峰面积峰面积(Peak Area):Peak Area):.标准偏差标准偏差()(Standard Error):)(Standard Error):.拖尾峰拖尾峰(Tailing Peak):Tailing Peak):.前伸峰前伸峰(Leading Peak):Leading Peak):.鬼峰鬼峰,假峰假峰(Ghost PeakGhost Peak):色谱图相关术语.基线基线(Baseline):Baseline):.基线飘移基线飘移(Baseline Drift):Baseline Drift):.基线噪声基线噪声(N)(Baseline

3、Noise):N)(Baseline Noise):.谱带扩展谱带扩展(Band Broadening):Band Broadening):色谱图相关术语色谱图相关术语留值的基本参保数留值的基本参保数保留时间保留时间(t tR R)(Retention time):)(Retention time):死时间死时间(t tM M)(Dead time):)(Dead time):调整保留时间调整保留时间(t tR R)t tR R=t tR R-t tM M,校正保留时间（校正保留时间（t tR R0 0）t tR R0 0=j=j t tR R,净保留时间净保留时间(t tN N)t tN N

4、=j=j t tR R,校正保留体积校正保留体积（V VR R0 0）:V:VR R0 0=j V=j VR R净保留体积净保留体积(V VN N):V):VN N=j V=j VR R 比保留体积比保留体积(Vg):Vg):Vg=(273/Vg=(273/T Tc c)(V)(VN N/M/ML L)保留值的基本参数保留值的基本参数有关分离的参数有关分离的参数一 相对保留值又叫选择性系数或选择性因子=1=1时两个组分分不开，改变时两个组分分不开，改变的途径是的途径是：改变固定相，改变固定相，改变流动相，改变流动相，改变样品本身的性质（如衍生化法改变样品本身的性质（如衍生化法）二二 区域宽度区

5、域宽度（1 1）标准偏差）标准偏差 （2 2）半峰宽半峰宽 W W1/21/2（3 3）峰底宽度峰底宽度W W 从色谱图中，可得许多信息从色谱图中，可得许多信息：1 色谱峰的个数，可判断所含组分的最少个数；2 根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析；3 根据色谱峰的面积或峰高，可以进行定量分析；4 色谱峰的保留值及其区域宽度，评价柱效依据；5 色谱峰两峰间的距离 三三 分配系数分配系数K K与分配比与分配比(容量因子容量因子)KK:1 1 分配系数分配系数K K 平衡状态时组分在固定相（CL）与流动相（CG）中的浓度浓度之比。2 2 分配比分配比(容量因子容量因子)K:K:平衡状态时组分在固定相

6、(P)与流动相(q)中的质量质量之比。讨论讨论：K=0 则 tR=tM 组分无保留行为 K=1 则 tR=2tM K tR很大组分峰出不来所以K=1-5 最好如何控制K？主要选择合适的固定液色谱测K容易（只测tR tM）所以常用K四四 分配系数分配系数K K与分配比与分配比KK的关系的关系于于l K=KKl=VG/VL=K/K=VG/VL=K/K 五五 分配系数分配系数K,K,分配比分配比KK与选择与选择性因子的关系性因子的关系tR(x)-待测物X的调整保留时间tR(z)-碳原子数为Z的正构烷烃的调整保留时间tR(z+n)-碳原子数为z+n的正构烷烃的调整保留时间tR(z)tR(x)tR(z+

7、n)（通常 n=1）规定正构烷烃的I 值是其他原子数的100倍，如：正庚烷I=700保留指数保留指数 I I色谱柱效能的参数色谱柱效能的参数柱效：也叫柱效能柱效：也叫柱效能。理论塔板数理论塔板数n有效理论塔板数有效理论塔板数neff理论塔板高度理论塔板高度H H=L/n第二节第二节 气路系统气路系统 一气体气体 H H2 2 N N2 2 Air Air 也可用也可用COCO2 2 Ne Ar Ne Ar 纯度要求大于纯度要求大于99.99%99.99%气体控制系统气体控制系统 检测器检测器 常用净化剂常用净化剂 作用作用TCD TCD；FID FID 变色硅胶：变色硅胶：除除H H2 2O

8、OTCD TCD；FID FID 分子筛分子筛 ：除除H H2 2O OFID FID；ECD ECD 活性碳：活性碳：除有机物除有机物FID FID；ECD ECD 脱氧剂脱氧剂 ：除除O O2 2 气体的压力与流量的测量气体的压力与流量的测量常用皂膜流量计，用时先将皂膜流量计管常用皂膜流量计，用时先将皂膜流量计管子内壁润湿子内壁润湿 气体的纯化气体的纯化载气流量的校正载气流量的校正 用皂膜流量计测得的流量用皂膜流量计测得的流量用皂膜流量计测得的流量用皂膜流量计测得的流量F F皂（皂（皂（皂（mLmL/min)/min)是在柱后大是在柱后大是在柱后大是在柱后大气压下测得的，欲将其换算成色谱条

9、件下的流量气压下测得的，欲将其换算成色谱条件下的流量气压下测得的，欲将其换算成色谱条件下的流量气压下测得的，欲将其换算成色谱条件下的流量F FC C需作需作需作需作三种校正：湿度校正三种校正：湿度校正三种校正：湿度校正三种校正：湿度校正;压力校正压力校正压力校正压力校正;温度校正温度校正1 1，湿度校正，湿度校正，湿度校正，湿度校正2 2，压力校正，压力校正，压力校正，压力校正PW-室温下的的水饱和蒸汽压P0-柱出口处压力Pi-柱入口处压力 3，温度校正，温度校正空心柱的载气流速通常不用皂膜流皂膜流量计测量。而是由量计测量。而是由tM计算得到载气的平均线速U=L/tM 例题“实验与习题”例4（

10、P125）作业：P131 41；42（思考）；43；第三节第三节 色谱基本理论色谱基本理论塔板理论塔板理论 GCGC是一种分离技术是一种分离技术,组分先分离才组分先分离才可定性定量可定性定量.如何选择最佳分离条如何选择最佳分离条件件,这需要色谱理论的指导这需要色谱理论的指导.一一塔板理论的假设塔板理论的假设1 1 在理论板高在理论板高H H内，组分在气液相内快内，组分在气液相内快速平衡速平衡2 2 载气以脉冲式进入色谱柱载气以脉冲式进入色谱柱3 3 无纵向扩散（柱向扩散无纵向扩散（柱向扩散）4 4 分配系数分配系数K K是常数是常数 根据对色谱柱模拟蒸馏根据对色谱柱模拟蒸馏塔的假设条件，具体展

11、开讨塔的假设条件，具体展开讨论组分在色谱柱中移动分配论组分在色谱柱中移动分配过程如下：过程如下：动画 二、色谱流出曲线方程二、色谱流出曲线方程 -基本关系式概率推导基本关系式概率推导 设样品分子开始全部位于第设样品分子开始全部位于第0 0号塔板上，号塔板上，当色谱柱中通过当色谱柱中通过N N体积载气后，计算在第体积载气后，计算在第n n块塔板上出现某组分分子的概率。这个块塔板上出现某组分分子的概率。这个概率应该是考虑在塔板上某组分的一个概率应该是考虑在塔板上某组分的一个分子出现在流动相中的概率分子出现在流动相中的概率(Mp)Mp)等于等于在该塔板上流动相中组分分子的个数与在该塔板上流动相中组分

12、分子的个数与 整个塔板上组分分子个数之比。整个塔板上组分分子个数之比。l假设色谱柱由假设色谱柱由5 5块塔板组成：块塔板组成：l(0(0号板号板,1,1号号,2,2号号,4,4号板号板)l 令令N=5(NN=5(N表示进入柱中载气的脉冲次数表示进入柱中载气的脉冲次数l 令组分进样量为：令组分进样量为：W=1 W=1 l 组组分分在在柱柱内内的的分分配配过过程程是是以以气气液液色色谱谱分分配为例配为例,组分在气液两相中进行分配组分在气液两相中进行分配 l 表示进入气相的组分分子表示进入气相的组分分子 l 表示进入液相的组分分子表示进入液相的组分分子l此时若组分容量因子此时若组分容量因子K K，=

13、1,=1,即即p=q p=q l 组分中有组分中有p p量溶于液相量溶于液相 l 组分中有组分中有q q量溶于液相量溶于液相可用二项式准确表示出来可用二项式准确表示出来(P+P+q)q)N N组分在组分在n=5,kn=5,k,=1,w=1=1,w=1柱内任一板上分配表柱内任一板上分配表01234柱出口N=010000010.50.5000020.250.50.2500030.1250.3750.3750.1250040.0630.250.3750.1250.063050.0320.1570.3130.3130.1570.03260.0160.0950.2350.3130.2350.07970.

14、0080.0560.1160.2750.2750.11880.0040.0320.0860.1960.2750.13890.0020.0180.0590.1410.2460.138100.0010.1010.0380.1000.1890.118得出色谱流出曲线方程得出色谱流出曲线方程：三、三、塔板理论方程式的讨论塔板理论方程式的讨论 塔板理论成功之处塔板理论成功之处1 1较好地解析了色谱曲线形状较好地解析了色谱曲线形状2 2 浓度极大点浓度极大点CmaxCmax的位置是的位置是t tR R(即即V VR R)3 3 可用可用N N评价柱效评价柱效V=VV=VR R时流出曲线达浓度极大值时流出曲

15、线达浓度极大值C Cmaxmax CmaxCmax的影响因素的影响因素 (1)(1)进进样样量量W W愈愈大大,则则CmaxCmax愈愈大大.W W与与Cmax Cmax 成正比。这是色谱峰高定量的依据。成正比。这是色谱峰高定量的依据。（2 2）H H值值愈愈小小，柱柱效效愈愈高高，CmaxCmax/W/W比比值值愈大。即愈大。即H H越小，柱效越小，柱效N N越高越高 (3)(3)色色谱谱柱柱内内径径愈愈小小，填填充充愈愈紧紧密密，CmaxCmax/W/W比比值值也也愈愈大大。即即柱柱愈愈细细填填充充愈愈紧紧密，柱效密，柱效N N越高。越高。（4 4）色谱柱愈短，色谱柱愈短，CmaxCmax

16、值愈大。值愈大。（5 5）先先流流出出柱柱子子的的组组分分容容量量因因子子小小，所所以以CmaxCmax/W/W比比值值愈愈大大，反反之之提提高高色色谱谱柱柱的的温温度度（对对GCGC），增增加加流流动动相相中中强强洗洗脱脱溶溶剂剂的的浓浓度度（对对HPLCHPLC），都都可可以以使使容容量量因因子子下下降降，比比而而使使CmaxCmax/W/W比比值值愈愈大大，提提高色谱检测灵敏度。高色谱检测灵敏度。四、塔板理论的作用与不足四、塔板理论的作用与不足(一一)塔扳理论在色谱法中的地位与作用塔扳理论在色谱法中的地位与作用：1 1从塔板理论方程式的形式看它描述的色谱从塔板理论方程式的形式看它描述的色

17、谱信号轨迹应该是正态分布函数，与实际记录信号轨迹应该是正态分布函数，与实际记录的色谱流出曲线相符合，说明此方程是准确的色谱流出曲线相符合，说明此方程是准确的，且对色谱分配系统有理论指导意义。的，且对色谱分配系统有理论指导意义。2 2由塔板理论据导出来计算往效率的理论塔由塔板理论据导出来计算往效率的理论塔板数板数(N)N)公式，是行之有效的。长期以来用公式，是行之有效的。长期以来用N N值的大小评价色谱柱柱效是成功的，是色谱值的大小评价色谱柱柱效是成功的，是色谱工作者不可缺少的计算公式。工作者不可缺少的计算公式。3.3.塔塔板板理理论论方方程程式式描描述述色色谱谱峰峰极极高高点点的的CmaxCm

18、ax数数值值是是符符合合公公式式要要求求的的，实实验验数数据据证证明明Cmax Cmax 与与N N，W W，VRVR之之间间的的关关系系是是正正确确的的。各各参参数数对对CmaxCmax之影响都是客观的。之影响都是客观的。4 4按按塔塔板板理理论论模模型型所所建建立立起起来来的的一一些些方方程程式式讨讨论论了了某某些些色色谱谱参参数数对对组组分分色色谱谱峰峰区区域域半半峰峰宽宽公公式式均均符符台台流流出出曲曲线线半半高高峰峰宽宽变变化化的的实实际际。特特别别应应指指出出的的是是，塔塔板板理理论论也也提提出出了了理理论论塔塔板板高高度度对对色色谱谱峰峰区区域域宽宽度度扩扩张张的的影影响响，这一

19、点过去往往被忽视。这一点过去往往被忽视。(二二)塔扳理论存在的不足：塔扳理论存在的不足：1.1.塔塔板板理理论论是是模模拟拟在在一一些些假假设设条条件件下下而而提提出出的的，假假设设同同实实际际情情况况有有差差距距，所所以以他他描描述述的的色色谱谱分分配配过过程程定定量量关关系系合有不准确的地方。合有不准确的地方。2.2.对于塔板高度对于塔板高度H H这个抽象的物理量这个抽象的物理量究竟由哪些参变量决定的？究竟由哪些参变量决定的？H H又将怎又将怎样影响色谱峰扩张等一些实质性的较样影响色谱峰扩张等一些实质性的较深入的问题，塔板理论却不能回答。深入的问题，塔板理论却不能回答。3.3.为为什什么么

20、流流动动相相线线速速度度(U)U)不不同同，柱柱效效率率(n)n)不不同同；而而有有时时当当U U值值由由很很小小一一下下变变得得很很大大时时，则则柱柱效效能能（n n）指指标标并并未未变变化化许许多多，但但峰峰宽宽各各异异，这这些些现现象象塔塔板板理理论论也也无能为力无能为力4.4.塔塔报报理理论论忽忽略略了了组组分分分分子子在在柱柱中中塔塔板板间间的的纵纵向向扩扩散散作作用用，特特别别当当传传质质速速率率很很快快时时，其其纵纵向向扩扩散散作作用用为为主主导导方方面面，这这一关键问题并未阐述。一关键问题并未阐述。l5.5.塔板理论也未说明塔板理论也未说明变化对组变化对组分在柱内移动速率的影响

21、。实际分在柱内移动速率的影响。实际上上V VL L、VGVG在某些方面决定着组分分在某些方面决定着组分分子的扩散行为和扩散距离。子的扩散行为和扩散距离。l综综上上所所述述塔塔板板理理论论虽虽为为半半经经验验理理论论，但但在在色色谱谱学学发发展展中中起起到到了了率率先先作作用用和和对对实实际际工工作作的的指指导导作作用用，所所以以至至今今延延用不衰，为广大色谱工作者承认。用不衰，为广大色谱工作者承认。塔板理论不足之处塔板理论不足之处不能解析载气流速不能解析载气流速U对对N影响影响不能指出板高不能指出板高H受那些因素影响受那些因素影响第四节第四节 色谱理论色谱理论-速率理论基基于于无无规规行行走走

22、模模型型，定定义义H H为为单单位位柱柱长长的的离离散散度度H=H=2 2/L,/L,式式中中为为高高斯斯峰峰形形的的标标准准偏差，偏差，L L为柱长。并假设：为柱长。并假设：纵纵向向扩扩散散是是造造成成谱谱带带展展宽宽的的重重要要原原因因，必须予以考虑；必须予以考虑；传传质质阻阻力力是是造造成成谱谱带带展展宽宽的的主主要要原原因因，它使平衡成为不可能它使平衡成为不可能 对填充柱有涡流扩散的影响对填充柱有涡流扩散的影响 van van DeemterDeemter方程的数学式为方程的数学式为H=A+B/U+CUH=A+B/U+CU或或H=A+B/U+H=A+B/U+CsUCsU+CmUCmUA

23、 A、B B、C C、为常数，分别代表涡流为常数，分别代表涡流扩散系数、分子扩散项系数、传扩散系数、分子扩散项系数、传质阻力项系数。质阻力项系数。速率理论讨论速率理论讨论1 1、涡流扩散项、涡流扩散项A=2dA=2d 为反应柱填充状态的常数 dp为填料垃径2、分子扩散项分子扩散项 B/u（纵向扩散项）纵向扩散项）B=2K0 Dg 纵纵向向分分子子扩扩散散是是由由浓浓度度梯梯度度造造成成的的。组组分分从从柱柱入入口口加加入入，其其浓浓度度分分布布的的构构型型呈呈“塞塞子子”状状。它它随随着着流流动动相相向向前前推推进进，由由于于存存在在浓浓度度梯梯度度，“塞塞子子”必必然然自自发发的的向向前前和

24、和向向后后扩扩散，造成谱带展宽。分子扩散项系数为散，造成谱带展宽。分子扩散项系数为 K0为阻滞常数即为阻滞常数即弯曲因子，它反映了固定弯曲因子，它反映了固定相颗粒的几何形状对自由分子扩散的阻碍情相颗粒的几何形状对自由分子扩散的阻碍情况。况。Dg为组分在流动相中为组分在流动相中扩散系数扩散系数(cm2.s-1)色谱柱中的涡流扩散示意图 色谱柱中的涡流扩散示意图 色谱柱中的涡流扩散示意图 3 3、传质阻力项、传质阻力项 CU U=(=(Cg+CL)U)U传质过程分为：气相传质过程传质过程分为：气相传质过程 与液相传质过程与液相传质过程传质阻力系数传质阻力系数C C等于气相传质阻力系数等于气相传质阻

25、力系数CgCg和液相传质阻力系数和液相传质阻力系数C CL L之和：之和：（1 1）气液色谱）气液色谱 C=CC=Cg g+C+CL L 气相传质阻力气相传质阻力系数系数Cg为：液相传质阻力液相传质阻力系数系数 CL：范氏方程范氏方程 H=A+B/U+CsU+CmU 令令C=Cs+Cm 则则 H=A+B/U+CU 作作HU图图(见下页见下页):方程讨论讨论1.曲线有一最低点 Uopt(即Hmin)将方程微分:2.对开管柱(毛细柱)A=0 得Golay方程 H=B/U+CU 对填充柱A项与U无关,决定与柱的填充情况3.U很小时很小时:CU项可忽略项可忽略,方程简化为方程简化为:H=A+B/U 作

26、作H1/U直线直线,斜率为斜率为B4.U很大时很大时:B/U项可忽略项可忽略,方程简化方程简化为为:H=A+CU 作作HU直线直线,斜率为斜率为C,截距截距A5.K/对板高对板高H的影响的影响(比较复杂比较复杂):N随随K/的变化而变化的变化而变化综合考虑:U实际稍高于实际稍高于Uopt 因为:1.右侧曲线斜率小,U稍变 不会引起H的大变化 2.为提高分析速度 因为U 则tR 第五节 分离条件的优化n要求1.两峰间有一定距离tR不同n要求2.峰宽要窄W1/2要小提问提问:怎样制备一根好的色谱柱怎样制备一根好的色谱柱?怎样评价怎样评价?怎样选色谱条件怎样选色谱条件?一般:1.选择性选择性(相对保

27、留值 或保留指数I)评价固定液对物质的保留作用 2.柱效能柱效能(n.neff)评价柱分离效能 3.分离度分离度R(总分离效能指数)分离度是将以上二者综合考虑 既反映柱效能,又反映选择性 一一.分离参数分离参数n1.n与neff的关系可见neffn都随K/变化而变化因为K/不同，柱效不同,所以评价柱效应采用K/为一定值时的nW1/2与与tR的关系的关系-半峰宽规律半峰宽规律 nW1/2=a+b tR实验研究表明:同系物组分的半峰宽线形关系好非同系物组分的半峰宽线形关系差所以我们称之为准线形关系.半峰宽规律的应用有两种情况 1 第二个峰可能不只一个组分2 也许是第一针留下来未出峰的组分 选择性系

28、数(相对保留指数)可见二组分沸点差大,柱温低时,is 大,易分离.分离度分离条件的选择主要是提高分离条件的选择主要是提高“难分离物质对难分离物质对”的分离度的分离度（1）峰宽分离度峰宽分离度R 国家标准分离度国家标准分离度 当两峰高相差不大,且峰型接近时 可以认为W1=W2=W(2)半峰宽分离度半峰宽分离度 R1/2 R与R1/2关系,对于高斯 R1/2=1.7R二，分离基本关系式二，分离基本关系式此式用于计算达到一定R时所需的n必须 n表示柱效,难以说明真实分离效果1.2表示选择性,表示固定液对组分保留作用,不说明柱效R 是总分离效能指标,只有1时,二组分才有可能 分离1.2讨论：讨论：R=

29、1 分离程度达98%R=1.5 完全分离,达=99.7 也叫基线分离 R5,R变化就很小了GC分析:最好k=25 一般不超过10 否则大大延长分析时间如何改变k a.降低柱温Tc,使k上升 b.降低流速U,使k上升RtR2 4 6kk对R,tR的影响3.改变 1.2 R1.2 是准热力学常数,在流动相,固定相一定时,只与Tc相关当 1.2=1时,改变H,k 都无法使1和2两个组分分离 应当保持 k=210的前提下,设法改变1.2 方法是:a.改变柱温Tc b.更换色谱柱 c.衍生化法(即利用化学反应改变待测物结构)4.程序升温 程序升温可使待测物在适当温度下流出,以保证每个组分有 合适的K/值

30、,同时改变分离度 程序升温是分离复杂多组分沸程宽的混合物的有效方法5.进样 i0.204 i 进样峰标准偏差 实际峰标准偏差进样快 防止纵向扩散进样量小 使峰对称,一般进样0.110l 固定液含量低时(毛细柱)进样量要少进样技术之优劣,可以从空气峰,甲烷峰形宽度反映出来柱温柱温Tc 如何选择如何选择?最佳柱温:最难分离物质对所需柱温恒温 Tc低 Tc高如何选Tc恒温分析:柱温大概是等于样品沸点的平均温度 如有两个组分混合样,沸点为70C,90C 则选Tc=80C 汽化室温度要高于80C,高2050C 检测器温度要高于80C,高2050C 程序升温用与:多组分,宽沸程样品的毛细柱分析,一般配FI

31、D综上所述:GC的分离优化就是要在保证分离度和 灵敏度的条件下实现快速分析实际:提高分离度,往往牺牲分析速度 提高灵敏度,有时要制备分离样品就降低分离效率 一般一般:先满足分离度要求先满足分离度要求,再提高分析灵敏度再提高分析灵敏度,最后考虑缩短时间最后考虑缩短时间 .分离度灵敏度分析速度GC测验题测验题已知物质A和B在一根30.00 cm长的柱上的保留时间分别为16.40 min和17.63 min。不被保留组分通过该柱的时间为1.30 min。峰底宽度分别为1.11 min和1.21 min，计算：（1 1）柱的分离度；）柱的分离度；（2 2）柱的平均塔板数；）柱的平均塔板数；（3 3）达到）达到1.51.5分离度所需的柱长度。分离度所需的柱长度。解（1）柱的分离度R=2（17.63-16.40）/（1.11+1.21）=1.06（2）柱的平均塔板数 n=16(16.40/1.11)2=3493 n=16(17.63/1.21)2=3397 n平均=（3493+3397）/2=3445（3）达到1.5分离度所需的柱长度 R1/R2=(n1/n2)1/2 n2=3445(1.5/1.06)2=6898 L=nH=6898(300/3445)=60 cm