仪器分析(第三版魏培海)第六章色谱分析法导论

4. 一般来说色谱检测器比分子光谱法灵敏度更高，比 质谱灵敏度低。
18.2．色谱法基础知识、基本概念和术语
18.2.1． 色谱分离和相应 基础理论范畴
色谱基础理论是从微 观分子运动和宏观分布平 衡探讨最大限度提高分离 迁移和降低离散迁移的科 学原理，包括色谱热力学、 色谱动力学和色谱分离理 论。
各种色谱方法具有基 本相同的动力学理论，也 有相似的分离理论规律。
18.2.2． 分布平衡
色谱过程涉及溶质在两相中的分布平衡(distribution equilibrium)，平衡常数K称为分布系数或分配系数：
K Cs Cm
(G)T.P 0
s sRlTnas mmRlTn am
s RlT n a sm RlT n a m
K Cs exp( )
Cm
RT
18.2.3．分布等温线
18.1.5.色谱法与其他分离、分析方法比较
18.1.5.3.与光谱、质谱分析方法比较 1. 光谱、质谱主要是物质定性鉴定分析方法，色谱法
本质上不具备定性分析功能。
2. 色谱法最主要的特点是适用于多组分复杂混合物分 离分析。
3. 色谱仪器的价格相对比分子光谱、质谱仪器低得多， 适用范围和领域更广。
经典柱色谱、制备色谱、萃取、精馏、结晶 精馏、萃取、吸附、吸收、膜分离
18.1.3. 分离方法分类
18.1.3.1. 按相的类型分类
18.1.3. 分离方法分类
18.1.3.2. 按分离机理分类
18.1.3. 分离方法分类
18.1.3.3.按分离过程推动力分类
18.1.4.色谱法分类
18.1.4.1. 按固定相的形态分类 柱色谱：填充柱、整体柱、毛细管或开管柱 平面色谱：薄层色谱和纸色谱 18.1.4.2. 按色谱动力学过程分类 淋洗色谱法 置换色谱法 迎头色谱法

第二节 终了
第三节、色谱实际
一、塔板模型 二、塔板实际方程式 三、塔板实际的意义 四、速率实际 五、速率实际的意义
一、塔板模型
色谱分析的实际根底之一为塔板实际，由 Martin 和Snyge在1941年提出。
把色谱柱比作蒸馏塔，援用蒸馏塔实际和概 念，从而胜利的解释了色谱过程，经过该实际研 讨组分在色谱柱内迁移和分散的数学模型，从而 可准确的描画组分在色谱柱内运动的特征。
5、色谱分析的过程： 色谱法的共性
待分别的样品随流动相的挪动，流经色谱 柱，假设样品中各组分的分配系数有足够的差 别，那么各组分被别分开，然后依次流经检测 器，被检测。
在柱色谱中，色谱柱和检测器是色谱系统 的关键部分。混合物能否分别，除了取决于组 分的分配系数外，还取决于色谱柱。分别后的 组分能否检测出来，受检测器性能的影响。
组分的保管值
死时间(tM)是指流动相流过色谱系统所需的 时间，也称流动相保管时间。
死体积(Vm)是指流动相流过色谱系统所需的 体积，等于分别系统中除固定相以外(流动相所 占)的空间。
校正保管时间(tR’)是指扣除死时间后的 组分保管时间，表达式为：tR′= tR-tM 。
校正保管体积(VR’)是指扣除死体积的组 分保管体积，表达式为：VR′=VR-VM 。
色谱法的共性 4.影响色谱分别的要素
色谱系统中，某两种组分假设分配系 数不同，就有能够分别，但分别能否能实 现，以及分别效果的好坏与组分谱带的分 散程度有关。分散会呵斥不同组分的重叠 从而影响分别。分散的程度取决于组分分 子的微观运动，受动力学要素的影响，与 分别系统构造、性质有关，也与流动相的 流速等分别条件有关。
二、 塔板实际方程式
当塔板数N很大时，流出液中浓度C随淋洗体积V的变化 可用正态方程来描画，这就是色谱过程的流出方程。 C(V)= M/[√(2π)•σ]e-1/2*[(VR-V)/ σ]2，M为进样量， VR为保管体积，σ为规范差，σ＝VR/√N。当流出浓度最 大时，V=VR，C(VR)-Cmax＝(√N *M)/(√2π*VR)－ M/(√2π*σ)。 阐明色谱峰的高度正比于进样量与色谱柱实际板数的方根， 而反比于保管体积〔或保管时间〕与峰宽。 即：〔1〕色谱定量分析时，对于一定的色谱柱与保管体积 〔即一样的色谱条件〕可用峰高或峰面积作为定量的根据； 〔2〕当保管体积和进样量一定时，色谱柱的柱效越高〔实 际板数越高〕那么峰越高〔峰宽越小〕；〔3〕对一定的色 谱拄随着组分出峰时间的推迟，保管体积添加，峰变矮， 即先出的峰高而窄，后出的峰低而宽。

仪器分析
根据物质的物理或物理化 学性质、参数及变化规律 较复杂、特殊的仪器 多为开动仪器开关 、操作 简单易实现自动化 样量少、有的非破坏分 析，可现场或在线分析 微量、痕量的组分分析， 状态、结构等分析
试样
样量多、破坏性分析
应用
常量分析、定性、定量
仪器分析的分类
质谱分析法 电化学分析法 仪器分析 光分析法
做好仪器分析实验课； 注重在实习、实践中加以应用； 根据具体的分析对象，选择合适的 分析方法，进行正确仪器操作，获 得可信的分析结果。
4.要努力培养自己的自学能力。 做好课堂笔记； 及时总结并独立完成作业； 有问题及时与同学交流、与任课教 师沟通。 利用好网络资源。
测定溶液酸度
“十二五”职业教育国家规划教材
仪器分析
（第三版）
魏培海 曹国庆 主编
绪
论
“十二五”职业教育国家规划教材
仪器分析:采用比较复杂或特殊的仪 器，通过测量表征物质的某些物理的或 物理化学的性质参数及其变化规律来确 定物质的化学组成、状态及结构的方法。
化学分析与仪器分析的区别
化学分析
原理 仪器 操作 根据化学反应及计量关系 主要为简单玻璃仪器 多为手工光分析方法的分类
紫外可见法 原子吸收法 光分析法 核磁法 红外法
原子发射法
荧光法
电化学分析方法的分类
电导分析法
电位分析法
电化学分析法
电解分析法
电泳分析法
极谱与伏安分析法
库仑分析法
色谱分析方法的分类
超临界色谱法 气相色谱法 色谱分析法 薄层色谱法
液相色谱法
电色谱法
毛细管电泳法
学习向导
1.要与其它课程密切联系起来进行学习。

核磁共振波谱分析（NMR）
·有自旋现象才能进行 NMR 分析（质子+中子数=质量数=奇数）：1H1、13C6、15N7、17O8、19F9、 11B5 等，自旋量子数为半整数（1/2、3/2、5/2） ·磁场强度↑，磁旋比↑，照射频率↑，照射时间↓ ·测定化学位移时，常用标准物是四甲基硅烷（TMS） ·绝大部分有机物中的氢核或碳核的化学位移都是正值
电化学分析法导论（不需要基准物质和标准溶液）
·特点： 1.分析速度快，选择性好，灵敏度和准确度高 2.传递方便，易实现自动化和连续分析 3.仪器价廉，仪器种类多 4.用于成分分析、结构分析、形态和价态分析 5.测定浓度，也可以测定活度
电位分析和库伦分析法
·库仑分析法根据法拉第电解定律，根据电解过程所消耗的电量进行定量的方法
化合物 芳环 脂肪 含氮 醇/醚
几个主要化合物结构质荷比 质荷比 39、51、65、77、91 29、43、57、71 30、44、58、72 31、45、59、73
·相对分子质量的测定 从分子离子峰可以准确地测定该物质的相对分子质量，这是质谱分析的独特优点，它比经典 的相对分子质量测定方法快而准确，且所需试样量少。在判断分子离子峰适应注意一些问题 1.分子离子峰的质量数应该符合氮律 2.当化合物中含有 Cl 或 Br 是，可以利用 M 与 M+2 峰的比例来确认分子离子峰 3.设法提高分子离子峰的强度 4.对那些非挥发或热不稳定的化合物应采用软电离源离解方法，加大分子离子峰的强度
基团频率区及指纹区（单位：cm-1）
3650-3200 羟基伸缩振动（醇、 酚、有机酸）
胺和酰胺
3500-3100 胺基伸缩振动
3650-3580 游离羟基伸缩振动 （峰尖）
碳氢单键

（1）保留时间 tR
试样从进样开始到柱后出现峰极大点
时所经历的时间(O´B)
不（被2固）定死相时吸间附或t溶0 解的气体（如：空
气，甲烷）进入色谱柱时，从进样到出
现小极大峰所需的时间(O´A´)
流动相平均线速u： u L
t0
（3）调整保留时间 tR′
某组份的保留时间扣除死时间后称为 该组份的调整保留时间，即
吸附色谱: 利用各组分在吸附剂（固定相）上的吸附能力强弱 不同而得以分离的方法。气-固，液-固
离子交换色谱: 利用各组分在离子交换剂（固定相）上的亲和 力大小不同而达到分离的方法（属 LC一种）。
尺寸排阻色谱法: 利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择 (凝胶色谱法GPC) 渗透而达到分离的方法（属LC一种）。 亲和色谱法: 利用不同组分与固定相（固定化分子）的高专属
但是色谱过程不仅受热力学的因素影响，而且还与分子 的扩散、传质等动力学因素有关，塔板理论的某些基本 假设并不完全符合柱内实际发生的分离过程，只能定性 地给出板高的概念，却不能解释板高受哪些因素影响， 也不能说明为什么在不同的流速下，可以测得不同的理 论塔板数，因而限制了它的应用
（二）速率理论
1956年van Deemter等提出了色谱过程动力学理论 ——速率理论
* 相对保留值 r21 (也称 柱选择因子21) :
指组分2与组分1的调整保留值之比
r21

tR' 2 tR' 1

VR' 2 VR' 1
r21只与柱温及固定相的性质有关，而与操作条件如：柱径、 柱长、填充情况及流动相流速无关，它表示了色谱柱对这两组 分的选择性，是气相色谱中的重要定性参数．
必须注意:相对保留值不是两个组份保留时间或保留体积之比.

《仪器分析》色谱分析法导论
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚Biblioteka 进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非

10.上述试液若改为以恒电流进行电解氧化 能否根据在反应时 上述试液若改为以恒电流进行电解氧化,能否根据在反应时 上述试液若改为以恒电流进行电解氧化 所消耗的电量来进行测定?为什么 为什么? 所消耗的电量来进行测定 为什么 不行,难以维持电流效率为 原因参见教材第189页 解:不行 难以维持电流效率为 不行 难以维持电流效率为100%(原因参见教材第 页) 原因参见教材第
6.在库仑滴定中 在库仑滴定中,1mA.s-1相当于下列物质多少克 (1)OH-, (2) 相当于下列物质多少克? 在库仑滴定中 Sb(III到V价), (3) Cu(II到0价), (4)As2O3(III到V价). 到 价 到 价 到 价 根据法拉第电解定律, 解:根据法拉第电解定律 m = itM 根据法拉第电解定律
3. 电解分析和库仑分析在原理、装置上有何异同之处？ 电解分析和库仑分析在原理、装置上有何异同之处？ 解：电解分析与库仑分析在原理、装置上有许多共同之处， 电解分析与库仑分析在原理、装置上有许多共同之处， 都需要通过控制分解电压或阴极电位来实现不同金属离子 的分离，库仑分析也属于电解分析的范畴。 的分离，库仑分析也属于电解分析的范畴。不同的是通常 的电解分析是通过测量电解上析出的物质的质量来进行定 量分析， 量分析，而库仑分析是通过测量通过体系的电量来进行定 量测定。 量测定。 在测量装置上，二者也有共同之处， 在测量装置上，二者也有共同之处，均需要有阴极电位控 制装置， 制装置，不同之处在于库仑分析中需要在电解回路中串联 电量。 一个库仑计以测量通过体系的 电量。
96487n
得: (1) mOH-=1×10-3 ×1 × 17.01/(96487 ×2)=17.01 × 5.18 × ×10-9 = 8.8 ×10-8g (2)mSb= 121.75 × 5.18 × 10-9= 6.31 × 10-7g (3)mCu= 63.55 ×5.18 × 10-9= 3.29 × 10-7g (4)mAs2O3 = 197.84 ×5.18 ×10-9 /2 = 5.13 ×10-7g

色谱法的应用领域
01
02
03
04
化学分析
色谱法广泛应用于化学分析领 域，用于分离和测定复杂有机 化合物、无机离子和金属配合 物等。
生物医药
在生物医药领域，色谱法用于 分离和纯化生物分子、药物成 分以及检测药物残留等。
环境监测
在环境监测领域，色谱法用于 检测空气、水和土壤中的有害 物质，如有机污染物、重金属 等。
新型硅胶基质固定相
硅胶基质固定相具有良好的热稳定性和化学稳定性， 可用于分离各种极性化合物。
新型聚合物固定相
聚合物固定相具有高选择性、高柱效和良好的耐受性， 可用于分离复杂样品。
新型手性固定相
手性固定相可用于拆分光学异构体，为手性化合物的 分离提供了新的解决方案。
色谱仪器的发展
高效液相色谱仪
高效液相色谱仪具有高分离效能、高灵敏度和广 泛应用的特点，已成为色谱分析的重要手段。
食品成分分析
色谱法用于分析食品中的营养成分，如脂肪、蛋白 质、糖类等，以评估食品的质量和营养价值。
食品添加剂检测
色谱法用于检测食品中添加剂的含量，确保食品的 安全性和合规性。
食品污染物检测
色谱法用于检测食品中的污染物，如农药残留、重 金属等，保障食品安全和消费者健康。
在环境监测中的应用
01
空气污染物的分离 与测定
食品工业
在食品工业中，色谱法用于检 测食品中的添加剂、农药残留 和营养成分等。
02
色谱法的基本原理
分离原理
分离原理
色谱法通过流动相和固定相之 间的相互作用，使不同组分在 固定相和流动相之间的分配系 数不同，从而实现各组分的分 离。
分配系数
各组分在固定相和流动相之间 的分配系数决定了它们在色谱 分离中的行为。分配系数越大 ，组分在固定相上的保留越强 ，越难以被洗脱。

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（2）用体积表示的保留值
保留体积（VR）： Vr = tr×F0
F0为柱出口处的载气流速， 单位：m L / min。
死体积（V0）：
V0 = t0 ×F0 调整保留体积(VR＇)：
V r＇ = Vr －V0
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3. 相对保留值r21（选择因子）
组分2与组分1调整保留值之比：
（2） 灵敏度高 可以检测出μg.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量。
（3） 分析速度快 一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。
（4） 应用范围广 气相色谱：沸点低于400℃的各种有机或无机试样的分析 液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。
不足之处：
被分离组分的定性较为困难。
第六讲 色谱法引论
第一节 色谱法概述
generalization of chromatograph analysis
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一、 色谱法的特点、分类和作用
1.概述
分离、分析混合物最有效的方法。 俄国植物学家茨维特在1901年使用的装置： 色谱原型装置，如图。
◆ 色谱法首先是一种分离技术，同时也是一种
分析技术。 试样混合物的分离过程也就是试样中各组分 在色谱分离柱中两相间不断进行着的分配过程 其中的一相固定不动，称为固定相； 另一相是携带试样混合物流过此固定相的流 体（气体或液体），称为流动相。
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当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发 生相互作用。
由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相 之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动， 混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固 定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中流出。

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二、色谱法分类
1．按两相分子的聚集状态
流动相
液体 液体
固定相
固体 液体
类型
液-固色谱 液-液色谱
液相色谱
气体 气体
固体 液体
气-固色谱 气-液色谱
气相色谱
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2．按固定相的固定方式
柱色谱 填充柱色谱 毛细管柱色谱
平面色谱
纸色谱 薄层色谱 高分子薄膜色谱
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15
第二节 色谱流出曲线和术语
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一、 色谱流出线
从进样到被测组分流出色谱柱进入检测器连续 测定，得到的检测信号随时间变化的曲线称为色 谱流出曲线或色谱图。
PPT学作条件稳定后， 无样品通过时检测器所反映的 信号一时间曲线。
它反映检测器系统噪声随 时间变化。稳定的基线是一条 直线。
W1/2
W
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有效塔板数和有效塔板高度
➢单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。 ➢用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。 ➢常用有效塔板数n有效表示柱效：
n有效
5.54( t'R W1/ 2
)2
16(
t
' R
W
)2
L H有效 n有效
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37
例题1： 在柱长为2m的5%的阿皮松柱、柱温为 1000C，记录纸速度为2.0cm/min的色谱条件下， 测定苯的保留时间为1.5min，半峰宽为0.20cm，
越大，柱选择性越好，对分离有利。
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50
例2：两物质A和B在30cm长的色谱柱上的保留时 间分别为16.4和17.63min，有一不与固定相作用 的物质，其在此柱上的保留时间为1.30 min。物 质A和B的峰底宽分别为1.11和1.21min。试问： 1）柱分离度R； 2）柱平均理论塔板数nav 3）平均塔板高度Hav 4）若要求R达到1.5，则柱长至少应为多少？

第16页
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（三）保留值
1.死时间tM 不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时，
从进样到出现峰极大值所需的时间称为死时间， 它正比于色谱柱的空隙体积，如下图。
信 进样 号
tM
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2. 保留时间tR 试样从进样到柱后出现峰极大点时所经过
的时间，称为保留时间，如下图。
信 进样 号
tR
mi fihhi
m f AA
i
ii
第24页
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3 定量分析方法 （1） 外标法(标准曲线法)：将欲测组分的纯物质配制成 不同浓度的标准溶液进行色谱分析，以峰面积对浓度作 图。测得样品的信号后从标准曲线上查出对应浓度。
1 2 3 4 5 6 Sample
Ai A
第25页
mi
m
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（2） 内标法 准确称取样品（m），加入一定量（ms）某种纯物
(2)液相色谱：流动相为液体（称为淋洗液）。
按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱。
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(3)其他色谱方法
薄层色谱和纸色谱： 用于初步定性的色谱方法
凝胶色谱法：测聚合物分子量分布 超临界色谱: CO2流动相 高效毛细管电泳:
九十年代快速发展、特别适合 生物试样分析分离的高效分析仪器
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难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种 因素的综合影响：保留值之差──色谱过程的热力 学因素；
区域宽度──色谱过程的动力学因素。
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色谱分离中的四种情况：
① 柱效较高，△K(分配系数)较大,完全分离； ② △K不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离； ③柱效较低，，△K较大,但分离的不好； ④ △K小，柱效低，分离效果更差。

0
V 1 2
V VR
4
V1 VR V 2
n
VR (1
V 1
2
)2
Cmax
2
VR
2 C e max
ln
2
n
V1 (2
)2
2 VR
n 8 ln 2( VR )2 5.54( VR )2
2V1
2V1
2
2
H
L
n
L 5.54
2V1
(
2
VR
)2
5
根据色谱峰呈Gaussian分布曲线可以导出计算理论 塔板数的另一个公式。因Gaussian曲线不同高度上 的相对宽度，即色谱区域宽度能够用标准偏差来 衡量，色谱峰的峰底宽W=4 ，因此：
n
Hi
i 1
11
① 涡流扩散
2 e
2d p L
He
2 e
L
2d p
采用细而均匀的填料，均匀填充可降低涡流扩散。
12
② 纵向分子扩散
2 l
2Dm
u
Dm与分子量有关，N2、H2；液相Dm小。
13
③ 流动相传质阻力
a b c
2 m
d
2 p
Lu
Dm
Hm
2 m
L
d p2u
Dm
14
哪些方法可 以提高柱效？
16
H
A
B u
Cu
A
B u
(Cm
Cs )u
H
Hmin
➢ 判断色谱柱填充情况 ➢ 比较色谱柱性能
uopt
H~u曲线
H Cu
A B/u
u17
根据Van Deemter方程可以求出Hmin和uopt：

色谱法的特点
“三高”、“一快”、“一广”
高选择性——可将性质相似的组分分开 高效能——反复多次利用组分性质的差异
产生很好分离效果 高灵敏度——10-11~10-13g，适于痕量分析 分析速度快——几~几十分钟完成分离
一次 可以测多种样品 应用范围广——气体，液体、固体物质
化学衍生化再色谱分离、分析
下来。组分从色谱柱流出时，各个组分在检测器上所产 生的信号随时间变化，所形成的曲线叫色谱图。
记录了各个组分流出色谱柱的情况，又叫色谱流出 曲线。
2.基线（baseline）
在实验操作条件下， 色谱柱后没有组分 流出的曲线叫基线。
稳定情况下，一 条直线。
基线上下波动称 为噪音。
3. 色谱峰（peak）是流出曲线上的突起部分。 正常色谱峰、拖尾峰和前延峰
▪ 色谱法：混合物在流动相的携带下通过 色谱柱分离出几种组分的方法。
固定相：
（1）固体吸附剂：CaCO3、Al 2O3等 （2）液体固定相（载体+固定液——高沸点有
机化合物，涂在载体上）
色谱分离法一定是先分离。后分析
一定具有两相；固定相和流动相
分离：利用组分在两相中分配系数或吸附能力的 差异进行分离
1.死时间(dead time) t0——不被固定相吸附或溶解的组 分流经色谱柱所需的时间。
2.保留时间 tR(retention time) 组分流经色谱柱时 所需时间。进样开 始到柱后出现最大 值时所需的时间。 操作条件不变时， 一种组分有一个tR定 值，定性参数。
3.调整保留时间t’R
(adjusted retention
第二节 色谱过程和基本原理
一、色谱过程 实现色谱操作的基本条件是必须具备相对运