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2-3色谱分析导论-2学时-√分离度及分离条件选择-09-9-22

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色谱分离过程课件最终版

色谱分离过程课件最终版



分配色谱 原理：被分离成分在固定相和流动相之间的
分配系数不同。 正相分配色谱：流动相极性< 固定相极性
反相分配色谱：流动相极性>固定相极性 HPLC、MPLC、LPLC
4.色谱分离过程理论基础

随着色谱技术的发展，为了解释色谱分离现 象，指导色谱技术的发展，许多研究者对色谱基 础理论进行了不懈的研究，提出了多种色谱过程 的理论。主要有速率方程理论、平衡色谱理论、 塔板理论、轴向扩散理论。

硫酸 硫酸-水；硫酸-甲醇/乙醇； 0.5%碘的氯仿溶液 对很多化合物显黄棕色 中性0.05%高锰酸钾溶液 易还原性化合物在淡


红色背景上显黄色 碱性高锰酸钾试剂 上显黄色 还原性化合物在淡红色背景

优点： 设备简单、操作方便、运行费用低； 分离时间短，工作效率高； 展开剂选择范围广，展开方式多样； 显色方便，检测手段丰富； 既可分析，又可制备； 试样一般不需要经过严格预处理即可分离。 缺点：


间的作用，所以可通过改变固定相来改变 GC的选择性。
气相色谱仪流程（图）
气路系统 进样系统
分离系统（色谱柱系统） 检测系统
数据处理和控制系统（含温控系统）
样品 进样汽化 色谱柱分离 检测器 信号记录 载气
进样系统

由进样器和气化室构成。 液体样品—微量注射器 气体样品—六通阀、微量注射器 气化室温度：要保证样品瞬间、完全气化， 一般高于沸点50℃以上，但也不宜太高， 以防分解

常用的固定相（色谱柱填料）

硅胶 活性炭 离子交换树脂

凝胶 纤维素衍生物 环糊精





大孔吸附树脂 氧化铝

气相色谱分析法--分离条件的选择与优化

气相色谱分析法--分离条件的选择与优化

色谱热力学因素（3）
常用固定液 固定相液的选择
分离非极性物质，一般选 用非极性固定液。 分离极性物质，一般按极 性强弱来选择相应极性的固 定液。 分离非极性和极性混合物 时，一般选用极性固定液。 能形成氢键的试样，一般 选用氢键型固定液。 对于复杂组分，一般可选 用两种或两种以上的固定液 配合使用。
动情况；
与各组分在两相间的传质阻力有关。
色谱热力学因素（1）
分配系数K：平衡状态时，组分在固定相与流动相中的浓度比 。
两组分分配系数不同，则在色谱柱中有不同的保留值，因而就以
不同的速度先后流出色谱柱，从而达到分离。 组分分子结构不同，组分性质不同，则相应的分配系数也不同， 这是色谱分离的基础。
1 M 载气
；
M载气↑，B值↓。
色谱动力学因素（4）
传质阻力
传质阻力包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力CL即： C =（Cg + CL）
2 0.01k d f Cg 2 (1 k ) Dg
d2 2 k f CL 3 (1 k ) 2 DL
k为容量因子； Dg /DL为扩散系数。 减小担体粒度，选择小分子量的气 体作载气，可降低传质阻力。
分离操作条件的选择（1）
载气流速的选择
较高 载气 流速 较低 传质阻力项是影响柱效的主 要因素，流速，柱效。 分子扩散项成为影响柱效的 主要因素，流速,柱效。 u有一 最佳值
H＝A
B Cu u
H~u曲线的绘制 最佳载气流速的获取 实际载气流速的选择
分离操作条件的选择（2）
气相色谱分析法
分离条件的选择与优化
吴朝华
问题引入
请仔细观察右面的4个色谱分离图，

色谱分析法概论

色谱分析法概论

差速迁移 色谱分离。
1. 气相色谱分离过程
当试样由载气携带进入色 谱柱与固定相接触时，被固定 相溶解或吸附; 随着载气的不断通入，被 溶解或吸附的组分又从固定相 中挥发或脱附; 挥发或脱附下的组分随着 载气向前移动时又再次被固定 相溶解或吸附; 随着载气的流动，溶解、 挥发，或吸附、脱附的过程反 复地进行。
第二节 色谱过程
一、色谱过程
实现色谱操作的基本条件是必须具备相对 运动的两相，固定相(stationary phase)和流 动相(mobile phase)。
色谱过程是组分的分子在流动相和固定相 间多次“分配”的过程。
色谱过程
• 组分的结构和性质微小差异
与固定
相作用差异 随流动相移动的速度不
等
• 设正常峰，W1≈W2= 4σ ， • 则R=1.5时，99.7%面积(tR ±3σ)被分开，
∆ tR =6 σ ，称 6 σ分离 。
R＜1, 峰重叠，未分开
R = 1, 认为基本分开，4σ分 离
R = 1.5, 两峰完全分离，6σ分 离
三、分配系数与色谱分离
(一) 分配系数和容量因子
• 分配系数 (distribution coefficient；K) 是在 一定温度和压力下，达到分配平衡时，组分 在固定相 (s) 与流动相 (m) 中的浓度 (C) 之比。
(2)不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔 板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定 物质。
(3)柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分
的分配系数K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分
离。
(4)塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱 效不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效 的途径。

色谱分离条件的选择

色谱分离条件的选择

分离度R作为色谱柱的分离效能指标，其定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与两个组分色谱峰峰底宽度总和之半的比值一、分离度两个组分怎样才算达到完全分离？首先是两组分的色谱峰之间的距离必须相差足够大，若两峰间仅有一定距离，而每一个峰却很宽，致使彼此重叠，则两组分仍无法完全分离；第二是峰必须窄。

只有同时满足这两个条件时，两组分才能完全分离。

判断相邻两组分在色谱柱中的分离情况，可用分离度R作为色谱柱的分离效能指标。

其定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与两个组分色谱峰峰底宽度总和之半的比值R值越大，就意味着相邻两组分分离得越好。

因此，分离度是柱效能、选择性影响因素的总和，故可用其作为色谱柱的总分离效能指标。

从理论上可以证明，若峰形对称且满足于正态分布，则当R=1时，分离程度可达98%；当R=1.5时，分离程度可达99.7%因而可用R=1.5来作为相邻两峰已完全分开的标志。

当两组分的色谱峰分离较差，峰底宽度难于测量时，可用半峰宽代替峰底宽度，并用下式表示分离度：二、色谱分离基本方程式：值，亦可使分析时间在不至于过长。

使峰的扩展不会太严重对检测发生影响。

当流速较小时，分子扩散(B项)就成为色谱峰扩张的主要因素，此时应采用相对分子质量较大的载气(N2，Ar )，使组分在载气中有较小的扩散系数。

而当流速较大时，传质项(C项)为控制因素，宜采用相对分子质量较小的载气(H2,He )，此时组分在载气中有较大的扩散系数，可减小气相传质阻力，提高柱效。

2．柱温的选择柱温直接影响分离效能和分析速度。

首先要考虑到每种固定液都有一定的使用温度。

柱温不能高于固定液的最高使用温度，否则固定液挥发流失。

3．固定液的性质和用量固定液对分离是起决定作用的。

一般来说，担体的表面积越大，固定液用量可以越高，允许的进样量也就越多。

为了改善液相传质，应使液膜薄一些。

固定液液膜薄，柱效能提高，并可缩短分析时间。

固定液的配比一般用5：100到25：100，也有低于5：100的。

色谱分离理论

色谱分离理论
胶质在硅胶柱上强烈保留。采用腈基键合柱 串联硅胶柱，键合相柱降低了胶质的强保留 作用，利用反冲技术洗脱胶质。 l填充毛细管液相色谱-高温毛细管气相色谱 在 线 联 用 分 析 润 滑 油 （ 关 亚 风 ， 色 谱 ， 16 ：
469（1998））
28
分离速度
分析速度决定分析时间。简单地讲，分析时间不少 于最后一个样品峰的保留时间：
21
柱温 T℃ 或 Org.%流相 强溶剂A%
5 2 1
time
程序升温和梯度洗拖曲线
22
改变k的特殊方法： ⑴ 程序升温：在分离过程中, 柱温按预定速率, 随时间呈线性
或非线性增加, 以使各组分在最佳柱温下流出色谱柱。程序升 温用于气相色谱。
23
对于宽沸程的多组分混合物，可采用程序升温法，即在分析过程中按一定速度提高柱 温，在程序开始时，柱温较低，低沸点的组分得到分离，中等沸点的组分移动很慢，高 沸点的组分还停留于柱口附近；随着温度上升，组分由低沸点到高沸点依次分离出来。
减少至2左右, 得到良好分离。最后, 将条件从（b）改
到（c）, 使组分5和6良好分离。
在一般分离过程中 , 峰宽连续增加, 特别在分离后阶
段, 峰容量变小。采用（d）这种特殊技术后, 谱带宽
度在分离过程中维持不变, 因而在色谱图的有限空间内,
可容纳更多的峰。由于峰变窄, 有利于痕量组分的检测,
而且使分析时间减少。
● 分离度一定, 如R = 1.5, k越大, 达到该分离度所 需的N值越小, 即所需柱子越短。但是k不是越大越 有利。观察以下数据：
k 0.5 1.0 3.0 5.0 8.0 10 30 50 k/(1+k) 0.33 0.50 0.75 0.83 0.89 0.91 0.97 0.98

仪器分析色谱导论

仪器分析色谱导论

§3-3 色谱法的基本理论
色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离， 色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组分要达 到完全分离，两峰间的距离必须足够远， 到完全分离，两峰间的距离必须足够远，两峰间的距离是由 组分在两相间的分配系数决定的， 组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱过程的热力学性 质有关。 质有关。 但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽， 但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼 此重叠，还是不能分开。 此重叠，还是不能分开。这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱 传质和扩散行为决定的 即与色谱过程的动力学性质有关。 决定的， 中传质和扩散行为决定的，即与色谱过程的动力学性质有关。 因此，要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。 因此，要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。 热力学和动力学两方面来研究色谱行为
塔板理论的假设： 塔板理论的假设：
• 在每一个平衡过程间隔内 ， 平衡可 在每一个平衡过程间隔内， 以迅速达到； 以迅速达到； • 将载气看作成脉动（间歇）过程； 将载气看作成脉动（间歇）过程； • 试样沿色谱柱方向的扩散可忽略； 试样沿色谱柱方向的扩散可忽略； • 每次分配的分配系数相同。 每次分配的分配系数相同。
3、色谱峰的宽度 • 标准偏差 σ —峰高0 . 607 倍处的色谱峰宽的一半 。 标准偏差σ 峰高 607倍处的色谱峰宽的一半 峰高0 倍处的色谱峰宽的一半。 • 半峰宽Y1/2—峰高一半处对应的峰宽。 半峰宽Y 峰高一半处对应的峰宽。 峰高一半处对应的峰宽 354σ Y1/2 =2.354σ • 基线宽度Y—色谱峰两侧拐点所作切线在基线上 基线宽度 Y 色谱峰两侧拐点所作切线在基线上 的距离。 的距离。 Y =4σ 色谱峰与峰底所围的面积。 4、色谱峰面积A—色谱峰与峰底所围的面积。 色谱峰面积A 色谱峰与峰底所围的面积 峰面积

第五节分离条件的选择

第五节分离条件的选择
✓ 外标法特点：
1）不需要校正因子，不需要所有组分出峰 2）结果受进样量、进样重复性和操作条件影响大
→每次进样量应一致，否则产生误差
图示 back
3．内标法：无待测物纯品，加入样品中不含对照物， 以待测组分和对照物的响应信号对比定量
过程：ms m（含mi） 混匀进样 测Ai和As
mi Ai fi ms As fs
1 k k 时 对R的影响，
tR ，峰扩张
k 5 时，k R 变慢
k 10 时，k R 很少，tR
续前
➢ 讨论： ✓ 综合考虑分离度、分离时间和峰检测几项因素
控制k的最佳范围 2~5 ✓ GC中，增加固定液用量和降低柱温可以增加 k
图示
k 影响峰位 n 影响峰宽窄
α影响两峰间距
练习 如何根据具体情况改进分离度？
W1 W2
W1 2(1) W1 2(2)
讨论：
R R
1.0 1.5
tR tR
4 6
基本分离 完全分离
R 1.0 完全未分开
2．影响分离的因素（计算式）
R n 1 k2 4 1 k2
柱效项
柱容量项
柱选择项
n理
L H理
H AB/uCu
K2
k2
t
' R2
K1
k1
t
' R1
前提——定义式基础上，相邻两组分的n一致（假设）
续前
➢ 讨论：
❖ 增大柱选择性是改善分离度的最有力手段 ❖ 气相色谱中，柱选择性取决于固定相性质和柱温 ✓ 选择合适的固定相使与不同组分的作用产生差别
才能实现分离 ✓ 一般说，降低柱温可以增大柱的选择性
c．柱容量项及其影响因素：

【VIP专享】3分离操作条件的选择

【VIP专享】3分离操作条件的选择

R
n 4
r21 1
r21
k2
1 k2
R
Q
k2
1 k2
k=2~10
2020/6/8
例题1：
在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为85秒和 100秒，要达到完全分离，即R=1.5 。计算需要多少块有效 塔板。若填充柱的塔板高度为0.1 cm，柱长是多少？ 解： r21= 100 / 85 = 1.18
2020/6/8
四、 其它操作条件的选择
choice of other operating condition
1.进样方式和进样量的选择
液体试样采用色谱微量进样器进样，规格有1μL， 5μL，10μL等。
进样量应控制在柱容量允许范围及检测器线性检测 范围之内。进样要求动作快、时间短。
一般液体进样量为0.1~10μL； 气体进样量为0.1~10ml
柱温升高，色谱峰变窄变高，分离度下降。柱温↑，被测 组分的挥发度↑，即被测组分在气相中的浓度↑，K↓，tR↓，低 沸点组份峰易产生重叠。
柱温↓，分离度↑，分析时间↑。对于难分离物质对，降低 柱温虽然可在一定程度内使分离得到改善，但是不可能使之 完全分离，这是由于两组分的相对保留值增大的同时，两组 分的峰宽也在增加，当后者的增加速度大于前者时，两峰的 交叠更为严重。
增加柱长对提高分离度有利（分离度R正比于柱 长L2），但组分的保留时间tR ↑ ，且柱阻力↑，不便 操作。 柱长的选用原则是在能满足分离目的的前提下 ，尽可能选用较短的柱，有利于缩短分析时间。 填充色谱柱的柱长通常为1~3米。 可根据要求的分离度通过计算确定合适的柱长 或实验确定。 柱内径一般为3~4mm。
2020/6/8
3. 固定液配比（涂渍量）的选择

色谱分析方法导论

色谱分析方法导论
第14页，共105页。
第15页，共105页。
（三）按分离原理分类：可分为：
吸附色谱法：利用吸附剂（固定相 一般是固体）表面对不同组分吸附能 力的差别进行分离的方法；
第16页，共105页。
分配色谱法：利用不同组分在 两相间的分配系数的差别进行分 离的方法。
第17页，共105页。
离子交换色谱：利用溶液中不 同离子与离子交换剂间的交换能力 的不同而进行分离的方法。
第6页，共105页。
一、色谱分离基本原理：
由以上方法可知，在色谱法中存 在两相，一相是固定不动的，我们把 它叫做固定相；另一相则不断流过固 定相，我们把它叫做流动相。
第7页，共105页。
色谱法的分离原理就是利用待 分离的各种物质在两相中的分配系 数、吸附能力等亲和能力的不同来 进行分离的。
第8页，共105页。
谱柱柱型特点的参数。对填充柱，
=6~35；对毛细管柱， =60~600
。
第46页，共105页。
4. 选择因子 ：色谱柱对A、B两组分的选择因子
定义如下：
tr' (B) tr' ( A)
kB kA
KB KA
A为先流出的组分，B 为后流出的组分。
第47页，共105页。
注意：K 或 k 反映的是某一组分在两相间的
分配；而 是反映两组分间的分离情况！当两组分
K 或 k 相同时， =1 时，两组分不能分开；当两组 分 K 或 k 相差越大时， 越大，分离得越好。也就
是说，两组分在两相间的分配系数不同，是色谱分离的 先决条件。
和 k 是计算色谱柱分离效能的重要参
数！
第48页，共105页。
二、 塔板理论
塔板理论是描述色谱柱中组分在两相间的分配状况及 评价色谱柱的分离效能的一种半经验式的理论。塔板理论将 一根色谱柱当作一个由许多塔板组成的精馏塔，用塔板概念 来描述组分在柱中的分配行为。塔板是从精馏中借用的，是 一种半经验理论，但它成功地解释了色谱流出曲线呈正态分 布。

第三节 分离条件的选择

第三节 分离条件的选择
解：来自Y1 4t R (1)
4t R ( 2) 4 12.8 4 12.2 0.8133 Y2 0.8533 n 3600 n 3600
[12.8 12.2] R 1 1 0.72 ) 1 Y2 ) 1 0.8133 2 (Y 2 (0.8533
R2 L2 L1 4.34m R1
二、色谱分离基本方程
• 对于难分离的混合物，在选择合适的实验条件 时，合理认为Y1=Y2=Y,k1 ≈ k2=k 2 • 由 t 得： 1 n 1
n 16 R Y
Y 4 tR
• 代入
t R(2) t R(1) R 1 (Y1 Y2 ) 2
取决于两组分的热力学性质
取决于两组分的动力学因素
★ R 越大，表明两组分分离效果越好 ★ 保留值之差取决于固定液的热力学性质 ★ 色谱峰宽窄反映色谱过程动力学因素 及柱效能高低
对于峰形对称且满足正态分布的色谱峰： R=1, 分离程度为98%； R=1.5，分离程度可达 99.7%。 所以R=1.5时可认为色谱峰已完全分开。
tR 2 n 16( ) Y
4t R (1)
4t R Y n
由于两峰及其接近，保留时间只差10 s，即AB的n值可视作一致
4 90 Y1 9s n 1600 4t R ( 2) 4 100 Y2 10s n 1600
注意： Rs＜1.5，即两峰不能完全分离。
《例二》
在某色谱柱上，组分AB的保留时间分别为90s和100s， 要达到完全分离(Rs=1.5),理论塔板数最少应为多少？ 解：
R
(Y1 Y2 )
(t R ( 2) t R (1) )

气相色谱法分离条件的选择1

气相色谱法分离条件的选择1
毛细管柱进行。
2.载气的选择
常用的载气： N2,H2,He.
根据Golay曲线，多 用氢气作载气。
3.液膜厚度
H

2Dg u

r2 (1 6k 11k2 ) 24Dg (1 k)2
u

2kd2f 3(1 k)2 Dl
u
液膜厚度增加会使塔板高度增加，柱 效下降。
为了快速分析，常用小柱内径和薄液 膜柱，为了增大柱容量，采用大口 径和厚液膜柱。
五、其它条件
气化室温度：
• 气化室温度应等于或稍高于样 品的沸点，以保证迅速气化。 通常高于柱温30～50℃，否则 色谱峰展宽，峰高下降。
• 汽化室温度过高，会导致样品 分解
检测器温度：
• 高于柱温30-50℃或等于气化室温度
• TCD：高于柱温，温度升高灵敏度下 降，温度应稳定
• FID：100℃以上，对温度要求不高
• 通过引入参比物质，计算相对保留值， 克服色谱条件变化导致的定性错误
• r1,2的数值决定于组分的性质、柱温与 固定液的性质，与固定液的用量、柱 长、流速及填充情况等无关。
• 方法：
查手册 根据手册的实验条件及
所用的标准物进行实验
取规
定的标准物加入被测样品中混匀，
进样，求r1,2 性
与手册数据对比定
(二)毛细管色谱操作条件的选择
1.毛细管柱的直径 2.载气的选择 3.液膜厚度
1.毛细管柱的直径
H 2Dg r2 (1 6k 11k2 ) u
2kd
2 f
u
u
24Dg (1 k)2
3(1 k)2 Dl
H径与成柱反内比径。平方r2成正比，uopt与柱内
内径以100～300μm为宜。 快速分析采用细内径、短

第八章色谱分析导论

第八章色谱分析导论
CO2超临界流体色谱 4 化学键合相色谱：通过化学反应，将固定液键合到载体 表面。
2019/8/19
（二）按固定相的外形及性质分类：
1 柱色谱： （1）填充柱色谱：将固定相装入玻璃或金属管内 （2）毛细管色谱：将固定液直接涂渍在毛细管内壁或采用 交联引发剂，在高温处理下将固定液交联到毛细管内壁。 2 纸色谱：以多孔滤纸为载体，以吸附在滤纸上的水为固 定相，各组分在纸上经展开而分离。 3 薄层色谱：以涂渍在玻璃板 或塑胶板上的吸附剂薄层为固 定相。
2019/8/19
第八章
第四节 色谱定性和 定量的方法
一 色谱定性方法 二 色谱定量方法
2019/8/19
一 色谱定性方法
1 与标样对照的方法：
（1）在相同色谱条件下，分别将标样和试样进行色 谱分析，比较两者的保留值，如果保留值相同， 可能是同一种物质。
（2）如果样品中组分较多，各峰距离较近，则可在 样品中加入标样后混合进样，对比混合前后的谱 图，如果某色谱峰明显增高，则样品中含有此标 样成分。
第八章 色谱分析导论
第一节 色谱分析法及 其基本概念
一 概述 二 色谱法简介 三 色谱法的特点 四 色谱法的分类 五 色谱分离过程及有 关术语
2019/8/19
一 概述
分离分析法：先分离后分析的仪器分析方法。
二 色谱法简介
1 概述：
色谱法是一种分离技术。 俄国植物学家茨维特（Tswett)在1906年使用的装 置：色谱原型装置。 固定相：装填在玻璃或金属管内固定不动的物质 流动相：在管内自上而下连续流动的液体或气体 色谱柱：装填有固定相的玻璃管或金属管 色谱法：以物质在两相（流动相和固定相）中分 配比的差异而进行分离分析的方法。
2019/8/19

§2-3 色谱分离条件的选择

§2-3 色谱分离条件的选择

• ③R与k的关系： 的关系： k影响峰位 增加， 出峰晚， 不大于10 10。 k增加，tR大，出峰晚，但k不大于10。 最佳k范围：1<k<10，可得到大的R 最佳k范围：1<k<10，可得到大的R。 降低柱温能增加k 降低柱温能增加k值。
分离度的最佳化
• 在色谱分析中， 在色谱分析中，希望在较短时间内获得 较高的分离度。 较高的分离度。 究竟需要多大的分离度： 究竟需要多大的分离度： 定性分析时：R=0.8（需测t 定性分析时：R=0.8（需测tR ） 定量分析时：R=1.0（测峰高时） 定量分析时：R=1.0（测峰高时） R=1.25（测峰面积时） R=1.25（测峰面积时）
例如：要求R=1时 例如：要求R=1时，α＝1.25 R=1
• 可见，把α增加至1.5时，不改变柱子，分离 可见， 增加至1.5时 不改变柱子， 1.5 就可以增加到1.5以上，达到完全分离。 1.5以上 度R就可以增加到1.5以上，达到完全分离。
计算： 1.15，R=1.5， =0.1cm， 计算： α＝1.15，R=1.5，Hef=0.1cm，L=?
程序升温与恒温对分离的影响比较
恒温： 恒温：45oC
温度低，分离效果较好，但分析时间长 温度低，分离效果较好，
恒温： 恒温：145oC
温度高，分析时间短，但分离效果差 温度高，分析时间短，
程序升温： 程序升温：30~180oC
程序升温，分离效果好，且分析时间短 程序升温，分离重载气， 低线速时，用N2（重载气，减少纵向扩 ）；高线速时 高线速时， 散）；高线速时，用H2。 柱较长时，柱压大， 因为H 柱较长时，柱压大，用H2 ，因为H2粘度 压力降低。 小，压力降低。 最佳线速度：15～ H2最佳线速度：15～20cm/s 最佳线速度：10～ N2最佳线速度：10～12cm/s • 线速度u=L/tM 线速度u=L/t

2023年卫生化学之色谱分析方法导论解析

2023年卫生化学之色谱分析方法导论解析

球状颗粒； 大分子量流动相； 适当增加流速； 短柱； 低温。
3）传质阻力项(Mass-transfer term, Cu)
因传质阻力的存在，使分配不能“瞬间”达至平衡，因此产生峰形展宽。
4. 选择因子 ：色谱柱对A、B两组分的选择因子 定义如下：
t'r ( B ) t'r ( A )
kB kA
KB KA
A为先流出的组分，B为后流出的组分。
注意：K 或 k 反映的是某一组分在两相间的分配；而 是反映两组分间的分
离情况！当两组分 K 或 k 相同时， =1 时，两组分不能分开；当两组分 K
色谱流出曲线的意义： ✓ 色谱峰数=样品中单组份的最少个数； ✓ 色谱保留值——定性依据； ✓ 色谱峰高或面积——定量依据； ✓ 色谱保留值或区域宽度——色谱柱分离效能评价指标； ✓ 色谱峰间距——固定相或流动相选择是否合适的依据。
15.3 色谱法基本原理 两组份峰间距足够远：由各组份在两相间的分配系数决定，即由色谱过程的
塔板理论假定： 1）塔板之间不连续； 2）塔板之间无分子扩散； 3）组分在各塔板内两相间的分配瞬间达至平衡，达一次平衡所需柱长为理论
塔板高度H； 4）某组分在所有塔板上的分配系数相同； 5）流动相以不连续方式加入，即以一个一个的塔板体积加入。
当塔板数n较少时，组分在柱内达分配平衡的次数较少，流出曲线呈峰形， 但不对称；当塔板数n>50时，峰形接近正态分布。
2023年卫生化学之色谱分析方法导 论解析
目录
15.1 概述 历史、色谱分离过程、分类
15.2 色谱流出曲线 色谱图及相关术语
15.3 色谱法基本原理 描述分配过程参数、峰间距、峰形状和峰宽的理论描述(塔板理论及速率 理论)

色谱分析导论(3)

色谱分析导论(3)
好。因此两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先决条件。
2021/4/18
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（4）基本保留方程
基本保留方程可表示为： tR = t0(1+k)
若载气流量F0恒定，也可用保留体积表示，则 VR=Vm+KVs
这就是色谱基本保留方程。 上式说明，色谱柱确定后，Vm和Vs即为定值。由此可见
，分配系数不同的各组分具有不同的保留值，因而在色谱图 上有不同位置的色谱峰。
分配系数是色谱分离的依据。
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分配系数 K 的讨论
组分在固定相中的浓度 K 组分在流动相中的浓度
一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢； 试样一定时，K主要取决于固定相性质； 同一个组份在不同的固定相上的分配系数K不同； 选择适宜的固定相可改善分离效果； 试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础； 某组分的K = 0时，即不被固定相保留，最先流出。
少个数。 （2）根据色谱峰的保留值进行定性分析。 （3）依据色谱峰的面积或峰高进行定量分析。 （4）依据色谱峰的保留值以及峰宽评价色谱柱的分离效
能。
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选择内容：
第一节 色谱法概述
generalization of chromatograph analysis
第二节 色谱理论基础
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（2） 分配比与保留时间的关系
某组分的k值可由实验测得，等于该组分的调整保留时间
与死时间的比值：
k
tR
t0
tR'
t0
t0
（3）分配系数K及分配比k与选择因子r2,1的关系
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①分离非极性组分，通常选用非极性固定相。各组分按 沸点顺序 出峰，低沸点组分先出峰。
② 分离极性组分，一般选用极性固定液。各组分按极性大小顺序 流出色谱柱，极性小的先出峰。
③分离非极性和极性（或易被极化的）混合物，一般选用极性固 定液。此时，非极性组分先出峰，极性的(或易被极化的)组分后出 峰。
④分离醇、胺、水等强极性和能形成氢键的化合物，通常选择极 性或氢键性的固定液。
四、气化温度的选择：
色谱仪进样口下端有一气化器，液体试样进样后，在此瞬间气化; 气化温度一般较柱温高30~70℃防止气化温度太高造成试样分解。
五、检测器选择
检测器 灵敏度、适用范围、操作难易、稳定性等各不相同。 根据分析对象和分析要求合理选择。
2.4.2、分离条件选择
一. 固定相的选择：
对气－固色谱一般根据样品性质，参照常用固体吸附剂的使用 范围选择；对气－液色谱，则根据“相似相溶”的原则进行选择：
∴R =
n ×(
k2
α -1 )×( )
4 1+k2 α
n
=
16R
2 s
×(
α )2 α -1
1 ×(
+ k2 k2
)2
n = 1+k 2 k
n eff
∴ n 有效
=
16R
2 s
•( α )2 α -1
∴R =
n eff
α -1 ×( )
4α
∴R =
n α -1 k
•( )•(
) 色谱分离方程式
4 α 1+k
可合理地假设 k1 ≈k2 =k， Y1≈Y2 =Y。
由n = 16( tR )2 Y
Y=
16t
2 R
= 4tR
n
n
另 t′R = tR - tM = k tM tM
tR = tM(1+ k)
t′R 2 t′R1
=
tR2 - tM tR1 - tM
=
k2 k1
= r2,1
=α
( ) 公式推倒 R = 2 tR2 - tR1 Y1 + Y2
一、分配理论（K——k——β ）
复习
A、分配系数K（又称平衡常数）
在一定温度和压力下，组分在两间达到分配平衡时，组分在固定
相中的浓度CS与在流动相中的浓度KCM=比c值S，=用mKs表vM示= k ×β cM mMvs
B、分配比k （容量因子或容量比）
在一定温度和压力下，组份在两相间的分配达平衡时，
板数较小，也可以实现分离。
1.试述色谱分离基本方程式的含义,它对色谱分离有什么指导意义?
答:色谱分离基本方程式如下:
1 α -1 k
R = n( )( )
4
α 1+k
它表明分离度随体系的热力学性质(和k的变化而变化,同时与 色谱柱条件(n改变)有关。
(1)当体系的热力学性质一定时(即组分和两相性质确定),分离度与n 的平方根成正比,对于选择柱长有一定的指导意义,增加柱长可改进分 离度。但过分增加柱长会显著增长保留时间,引起色谱峰扩张.
⑤分离组成复杂的难分离试样，通常使用特殊择
配比：固定液在担体上的涂渍量，一般指的是固定液与 担体的百分比，配比通常在5%～25%之间。配比低，担体 上形成的液膜薄，传质阻力越小，柱效高，分析速度也 越快。但固定相的负载量低，允许进样量较小。通常使 用较低的配比。
三、速率理论
复习
B H = A + + Cu
u
A-涡流扩散项；B/u-分子扩散项；C u-传质阻力项； 式中：A、B、C为常数，
u 为载气线速度，单位为cm/s。
气-液(固)色谱速率理论公式可写为:
复习
B H = A + + Cu
u
=
2λd p
+
2γDg u
+
0.01k 2 (1+ k)2
液-液(固)色谱速率理论公式可写为:
L2
=
R2 R1
2
×L1
=
1.5 2 ×1 =
0.72
4.34
m
塔板数增加一倍，分离度增加多少？
例4 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。 试计算：
R ∝ -1
增大α的最有效方法是:
选择合适的固定液
α是柱选择性的量度,α越大,柱选择性越好,分离效果越好。 α的微小增大，都会使分离度得到较大的改善，
当α＞2时，在很短的时间内组分就会完全分离。 α =1（K1=K2）时，则 R=0，无法分离 如果两个相邻峰的选择因子足够大，则即使色谱柱的理论塔
复习
n = 5.54( tR )2 = 16( tR )2
Y1/ 2
Y
H = L = L ( Y )2 n 16 tR
②有效塔板数neff和有效塔板高度Heff计算公式
n eff
= 5.54( t′R )2 Y1/ 2
= 16( t′R )2 Y
Heff
L =
n eff
=
L 16
(
Y t′R )
2
L一定，H↘ n↗ 分配平衡的次数↗ 柱效↗ tR一定，峰宽↘ 则n↗ 柱效↗
(2)方程式说明,k值增大也对分离有利,但k值太大会延长分离时间,增 加分析成本.
(3)提高柱选择性,可以提高分离度,分离效果越好,因此可以通过选择 合适的固定相,增大不同组分的分配系数差异,从而实现分离.
例题1：设有一对物质，其r2,1(=α)=1.15,要求在Heff=0.1cm
的某填充柱上得到完全分离，试计算至少需要多长的色谱 柱？ 解：要实现完全分离，R≈1.5,故所需有效理论塔板数为：
R1 / R2 = ( n1 / n2 )1/2 n2 = 3445 (1.5 / 1.06)2 = 6898 L = nH = 6898(300 /3445) = 60 cm
§2-4 色谱条件选择（分离条件和操作条件）
分离条件: 指色谱柱。 操作条件: 指载气流速、柱温、进样条件及检测器等。
2.4.1、操作条件选择
使用性能优良的色谱柱 并选择最佳分离条件 设法降低板高H，才是增 大n的最好办法。
R
② 分离度与容量比的关系(容量因子)
R∝ k k 1
k值增大，有利于分离，但k >10时，对R的增加不 明显，同时会显著增加分析时间
通常k值选在1～10，适宜的k一般为2～7。
③分离度与柱选择性的关系(选择因子α)
三.柱长和柱内径的选择 增加柱长利于提高分离度，但柱阻力增加，组分的保
留时间tR 增加 ，不便操作。 选择原则：在能满足分离目的的前提下，尽可能选用较短
的色谱柱，可缩短分析时间。 填充色谱柱的柱长通常为2~4米，内径3~4厘米。
四.柱温的选择
柱温应控制在固定液的最高使用温度（超过该温度固定液易 流失）和最低使用温度（低于此温度固定液以固体形式存在） 之间。
（1）柱的分离度； （2）柱的平均塔板数； （3）达到1.5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
nA = 16 (16.40 /1.11)2 = 3493 nB = 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
d
2 p
Dg
+
2kd
2 f
3(1+ k)2 DI
B H = A + + Cu
u
= 2λdp
+ CdDm u
+
Cm
d
2 p
Dm
+
Csmd
2 p
+
Dm
Cs
d
2 f
Ds
u
H最小 A 2 BC
复习
u最佳
B C
图３-１
四、分离度理论
塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实 际分离程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全 分离。
选择载气时还必须考虑与检测器相适应
二、载气流速的选择（与分析时间、柱效有关）
理论上应采用最佳流速。实际流速通常稍大于最佳流速以缩短分析时间
三、进样方式和进样量的选择：
液体试样采用色谱微量进样器进样，规格有1μL、5μL、10μL等 进样量应控制在柱容量允许范围及检测器线性检测范围之内。进样要 求动作快、时间短。进样方法包括注射深度、位置、速度几方面 。 气体试样应采用气体进样阀（六通阀）进样。
使用普通色谱柱，有效塔板高度为0.1cm, 故所需柱长应为：
L = 2112×0.1cm≈2m
例题2：在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为85 秒和100秒，要达到完全分离，即R=1.5 。计算需要多少块 有效塔板。若填充柱的塔板高度为0.1 cm，柱长是多少？ 解：r21= 100 / 85 = 1.18
2、检测器要求：对热导检测器使用热导系数较大的氢气 有利于提高检测灵敏度。对氢焰检测器，氮气仍是首选。
3、载气性质：应综合考虑载气的安全性、经济性及来源 是否广泛等因素。
在最佳流速时，柱效率高，但分析时间过长,分析速 度与柱效哪一个为主。
流速较小时：分子扩散项B/u是峰扩展的主要因素应采用 N2，Ar等相对分子量较大的载气 流速较大时：传质阻力项cu的影响大，采用相对分子质 量较小的 载气如H2，He等