第一章色谱分析法 仪器分析教案Word格式文档下载.docx

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2.1.2色谱图的作用（或色谱图信息的内容）：

1、根据色谱峰的位置（保留值）可以进行定性检测；

2、根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量检测；

3、根据色谱峰的位置及其宽度，可以对色谱柱分离情况进行评价。

2.2相关术语

1、基线：

⑴基线：

当色谱柱中没有组分进入检测器时，在实验操作条件下，反映检测器系统噪声随时间变化的线称为基线。

稳定的基线是一条直线。

⑵基线漂移:

指基线随时间定向的缓慢变化。

⑶基线噪声：

指由各种因素所引起的基线起伏。

基线噪音是指空白时检测数据上下波动的大小，噪音太大会影响检测精度。

基线噪音又分为空池和带流动相时的噪音。

一些进口仪器用空池噪音数值，这是只能代表仪器的电子噪音，不能代表检测噪音，因为做分析时是离不开流动相的。

并不是基线噪声小就说明仪器好,而是要看仪器的信噪比,信噪比大的仪器才是好的仪器.

在做定量时是可以通过数据处理里面的功能来算信噪比的。

这时的噪声选择一般选在目标峰的前面，这只是一般原则。

2、保留值

保留值表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值。

通常用时间或将组分带出色谱柱所需载气体积来表示。

被分离组分在色谱柱中的滞留时间，主要取决于它在两相间的分配过程，故保留值是由色谱过程中的热力学因素所控制的，在一定的固定相和操作条件下，任一物质都有一确定的保留值，这样就可用作定性参数。

（1）保留时间（tR）：

指被测组分从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需要的时间。

如色谱图中O’B所示。

（2）死时间（tM）：

指不被固定相吸附或溶解的气体（如：

空气、甲烷）从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需要的时间。

如色谱图中O’A’所示。

死时间正比于色谱柱的空隙体积。

（3）调整保留时间（tR′）：

指扣除死时间后的保留时间，即：

tR′=tR—tM如色谱图中A’B所示。

此参数可理解为，某组分由于溶解或吸附于固定相，比不溶解或不被吸附的组分在色谱柱中多滞留的时间。

（4）相对保留值（α或r21）：

指某组分2的调整保留值与另一组分1的调整保留值之比。

这是一个在实际应用中非常重要的参数，因有如下优点：

只要柱温、固定相性质不变，即使柱径、柱长、填充情况及流动相流速有所变化，r21值仍保持不变，因此它是色谱定性分析的重要参数。

r21亦可用来表示固定相（色谱柱）的选择性。

r21数值越大，相邻两组分的tR′相差越大，分离的越好，此数值等于1时，两组分不能被分离。

关于体积参数自学

3、区域宽度：

色谱峰区域宽度是色谱流出曲线中一个重要参数。

从色谱分离角度着眼，希望区域宽度越窄越好。

通常度量色谱峰区域宽度有两种方法：

⑴半峰宽度（Yh/2或Wh/2）：

又称半宽度或区域宽度，即峰高一半处的宽度，如图中GH所示，由于它

易于测量，使用方便，所以常用它表示区域宽度。

⑵峰底宽度（Y或W）：

自色谱峰两侧的转折点所作的切线在基线上的截距，如图中IJ所示。

第三节色谱法的基本理论

气固色谱

气液色谱

3.1色谱分离基本过程

（填充柱）

3.1.1分离基本过程

吸附剂（固定液）吸附剂（固定液）吸附剂（固定液）吸附、脱附·

·

试样+载气——————→吸附（溶解）——————→洗脱（脱附）、挥发——————→溶解、挥发·

柱子载气载气不断流动

各组分性质不同

———————————→分离———→各组分先后流出色谱柱

吸附能力不同、溶解挥发能力不同

3.1.2色谱分离过程的实质

（1）色谱过程是吸附与解析的过程；

（2）不同组分极性的差异导致吸附与解析的差异；

（3）不同组分向前移动的过程是差异不断累积过程，是在动态中由量变到质变的过程。

3.1.3与色谱分离过程相关的概念

分配过程：

物质在固定相和流动相之间发生的吸附、脱附和溶解、挥发的过程。

分配系数（K）：

在一定温度下，色谱过程中，在流动相和固定相中的溶质分子处于动态平衡。

平衡时组分在固定相（s）与流动相（m）中的浓度（c）之比，称为分配系数。

分配系数的物理意义：

表示平衡态下，组分在固定相和流动相的浓度之比，也叫做分配平衡常数。

其中，在吸附色谱中称为吸附系数（Ka）；

在离子交换色谱中称为选择性系数（Ks）；

在凝胶色谱中称为渗透系数（Kp）。

分配系数的差异是所有色谱分离的实质性的原因。

分配比（k）：

亦称容量因子或容量比，是指在一定温度、压力下，在两相间达到分配平衡时，组分在固定相（s）与流动相（m）中的质量之比。

分离因子（α）：

即相邻两个组分调整保留值之比，又称为分配系数比或选择性系数比。

3.2基本理论：

样品在色谱柱中分离过程的基本理论包括两方面。

1、样品中各组分在两相间的分配情况。

与分配系数，各物质分子结构和性质有关。

各个色谱峰在柱后出现的时间反映了各组分在两相间的分配情况，它由色谱过程中的热力学因素所控制。

分配系数与保留行为的关系

在实验条件一定时，保留时间tR取决于分配系数K，也就是取决于组分的性质，所以，保留时间是对组分进行色谱定性的指标。

等温线：

在一定温度条件下，组分在固定相和流动相的分配达到平衡时，在两相中的浓度之比值K为常数，由此绘制出的cs与cm的关系曲线称为等温线。

2、各组分在色谱柱中的运动情况

与传质阻力有关，各个色谱峰的半峰宽就反映了各组分在色谱柱中运动的情况。

此为动力学因素。

讨论色谱柱的分离效能时，必须全面考虑这两个因素。

3.3塔板理论

在色谱分离技术发展的初期，人们将色谱分离过程比作蒸馏过程，得到塔板理论（半经验理论）。

3.3.1塔板理论4个基本假设：

①试样在一小段间迅速在两相间达到平衡。

这样达到分配平衡的一小段柱长称为理论塔板高度；

②载气进入色谱柱，不是连续的而是脉冲式的，每次进气为一个板体积；

③试样开始时都加在第零号塔板上，且试样沿色谱柱方向的扩散（纵向扩散）可忽略不计；

④分配系数在各塔板上是常数。

塔板理论的这些假设，实际上是把组分在两相间的连续转移过程，分解为间歇地在单个塔板中的分配平衡过程，经过多次分配平衡后，分配系数小的组分先达到塔顶（即挥发性大的组分先流出色谱柱）。

色谱柱的塔板数可高达几千甚至几万，使被测组分在分配系数间有微小的差别时就可以得到分离。

3.3.2塔板理论相关公式

式中H为理论塔板高度，L为色谱柱的长度，n为理论塔板数。

n越多，H就越小，此时柱效能越高，因而n作为描述柱效能的一个指标。

由于死时间tM的存在，它包含在tR中，而tM不参加柱内的分配，所以往往计算出来的n尽管很大，H很小，但色谱柱表现出来的实际分离效能却并不好，特别是对流出色谱柱较早的组分更为突出。

因此，提出了将tM除外的有效塔板数n有效和有效塔板高度H有效作为柱效能指标。

有效塔板数和有效塔板高度消除了死时间的影响，因而能较为真实地反映柱效能的好坏。

应该注意，同一色谱柱对不同物质的柱效能是不一样的，当用这些指标表示柱效能时，必须说明这是对什么物质而言的。

理解：

在tR一定时，W或W1/2越小（即峰越窄），理论板数n越大，

理论板高越小，柱的分离效率越高。

有效理论塔板neff也同此理。

因此，理论塔板数是评价柱效能的指标。

色谱柱的理论塔板数越大，表示组分在色谱柱中达到分配平衡的次数越多，固定相的作用越显著，因而对分离越有利。

但分离的可能性决定于试样混合物在固定相中分配系数的差别，而不是决定于分配次数的多少。

故理论塔板数不是有无实现分离可能的依据，而是在一定条件下柱分离能力发挥程度的标志。

3.3.3塔板理论的优点和局限

优点：

塔板理论是半经验性理论，在解释流出曲线的形状、浓度极大点的位置、评价柱效高低等方面是成功的。

局限：

塔板理论的基本假设与事实不完全相符，它无法解释谱带扩展的原因，也无法解释色谱过程与流动相流速、柱内分子扩散传质过程以及色谱操作参数等动力学因素的关系。

纵向扩散不能忽略；

分配系数与浓度无关只在有限的浓度范围内成立；

且色谱体系几乎没有真正的平衡状态。

这些问题，在速率理论中得到了圆满的解决。

但塔板理论简单直观，容易理解，至今仍被色谱工作者所接受将n作为描述柱效能的一个指标。

3.4速率理论

3.4.1概述

为了克服塔板理论的缺陷，1956年，VanDeemter等在Martin等人的工作基础上，比较完整地解释了速率理论。

后来，Giddings等又作了进一步的完善。

速率理论充分考虑了溶质在两相间的扩散和传质过程，更接近溶质在两相间的实际分配过程。

当溶质谱带向柱出口迁移时，必然会发生谱带展宽。

谱带的迁移速率的大小决定于流动相线速度和溶质在固定相中的保留值。

同一溶质的不同分子在经过固定相时，它们的迁移速率是不同的，正是这种差异造成了谱带的展宽。

谱带展宽的直接后果是影响分离效率、降低检测灵敏度，所以抑制谱带展宽就成了高效分离追求的目标。

3.4.2引起谱带展宽的主要因素：

⑴涡流扩散；

⑵纵向扩散；

⑶传质阻力。

这些因素都统一于VanDeemter方程中。

3.4.2引起谱带展宽的主要因素

（1）涡流扩散：

引起涡流扩散的原因是色谱柱内的多路径。

溶质分子在前进过程中形成的这种紊乱类似于涡流的流动，所以称之为涡流扩散。

A=2λdp

空心毛细管柱无多径相：

A＝0 

（2）纵向扩散：

引起纵向扩散的原因是浓度梯度。

纵向扩散是溶质分子在移动方向上向前和向后的扩散，引起谱带展宽。

它是由浓度梯度所引起。

纵向扩散引起的峰展宽由下式决定：

式中B＝2γDg，为纵向扩散系数；

γ为弯曲因子或阻碍因子，填充柱γ＝0.5～0.7，毛细管γ＝1；

Dg为溶质在流动相中的扩散系数；

u为流动相线速度。

随着样品带在固定相中的移动，因纵向扩散使样品带宽逐渐增加，相应得到的色谱峰就越来越宽而矮。

（3）传质阻力引起的扩散:

传质阻力系数C，是溶质在固定相中传质阻力系数（Cl）与流动相（气相）传质阻力系数（Cg）之和：

C＝Cl＋Cg

流动相传质阻力引起的扩散　溶质分子要从流动相转移到固定相中，就要从流动相主体扩散到气－液、气－固、液－液或液－固界面，阻碍这一扩散过程的阻力称流动相传质阻力。

流动相传质阻力引起的谱带展宽程度由下式决定：

固定相传质阻力引起的扩散　溶质分子到达两相界面后，将继续扩散到固定相内部达到分配平衡，然后又返回到两相界面。

溶质在这一移动过程中的阻力称固定相传质阻力。

固定相传质阻力引起的谱带展宽由下式决定：

涡流扩散项AA=2λdp

A与流动相的性质、线速度和组分的性质无关；

与填料的粒度、均匀性及色谱柱的均匀填充程度有关.

分子扩散项B/U

大流速、低柱温、相对分子质量大的载气可使分子扩散项降低。

u为载气线速度

B=2γDg

γ与前述A中的λ虽然都是与填充物有关的因素，但两者是有区别的。

γ是指因填充物的存在，造成扩散阻力而引起的校正系数；

λ则是指填充物的不均匀性造成路径的不同。

可以设想，填充物填充得很均匀时，λ可显著降低而扩散阻力并不会显著减少。

传质阻力项两相对分离的影响

对填充柱来说，其速率方程为：

对毛细管柱来说，其速率方程为：

式中r0为空心毛细管柱内径。

速率方程对于分离条件的选择具有很重要的指导意义。

它可以说明，填充均匀程度、担体粒度、载气种类、载气流速、柱温、固定相液膜厚度等对柱效及峰扩张的影响。

第四节分离度

4.1、分离度概述

4.1.1引入分离度

两组分达到完全分离的判断：

1、两组分的色谱峰之间的距离必须相差足够大。

2、色谱峰必须窄。

4.1.2什么是分离度？

1、分离度（R）：

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=tR1和tR2为两组分的保留时间;

W1和W2为两组分色谱峰的峰底宽度。

R’与R的物理意义是一致的，但数值不同，R=0.59R’,应用时要注意所采用分离度的计算方法。

若峰形对称且满足于正态分布：

当R=1时，分离程度可达98%；

当R=1.5时，分离程度可达99.7%。

因此，可用R=1.5来表示相邻两峰已完全分开的标志。

2、分离度的作用：

判断相邻两组分色谱峰在色谱柱中的分离情况。

R值越大，意味着相邻两组分分离的越好。

两组分保留值的差别，主要决定于固定液的热力学性质。

色谱峰的宽窄反应了色谱过程动力学因素，柱效能高低。

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

4.2.1色谱分离基本方程式

较少组分的样品，可用R和R’两个公式计算。

多组分混合物样品的计算方法：

式中，a－柱效项，影响峰形；

b－柱选择项，影响峰间距；

c－柱容量项，影响峰位。

分离方程式是将分离度R、柱效n、分配系数比及容量因子k统一起来的方程式，从而可知n、、k对分离度R的影响：

增n大使峰变窄，保留时间不变；

增k大能改善分离，但峰宽也增加；

提高则使峰间距增大，能改善分离。

选择适宜的固定相、流动相、柱温、流速等条件，使混合物各组分能在尽可能短的时间内得到良好的分离，分离度R>

1.5。

4.2.2影响分离度的因素

在保持色谱条件不变的情况下，从分离度方程式可以推导出柱长与分离度的关系式

柱效n、分配系数比及容量因子k对分离度R的影响

1、柱效n

分离度与n的平方根成正比。

当固定液确定，即被分离物质对的α确定后，欲达到一定的分离度，将取决于n（使n增大）。

A、增加柱子长度可改进分离度。

但增加柱子长度会使各组分的保留时间增大，延长分析时间并使峰产生扩展，因此在达到一定的分离度条件下应使用短一些的色谱柱。

n或H或作为描述柱效能的一个指标B、减小柱子的H值。

B、减小柱子的H值。

即制备一根优良的柱子，并在最优化条件下进行操作。

2、柱选择因子：

α是柱选择性的量度，α越大，柱选择性越好，分离效果也越好，增大α值是提高分离度的有效办法。

在实际工作中，一旦确定了固定相和柱温，其α值也就确定了。

由一定的α值和所要求的分离度，可以计算出柱子所需的有效理论塔板数，进而计算出所需色谱柱的最短长度。

改变α值的方法：

1、选择合适的固定相，被分离的相邻两组分分子与固定相分子之间的作用力差别要尽可能大；

2、改变色谱柱温度，通常柱温提高α值降低。

3、容量比（容量因子）

亦称容量因子或分配比，以k表示，是指在一定温度、压力下，在两相见间达到分配平衡时，组分在两相中的质量比（组分在固定相中的质量/组分在流动相的质量）。

k值的最佳范围：

1＜k＜10

在此范围内，既可得到大的R值，亦可使分析时间不至过长。

使峰的扩展程度达到最小，而不影响检测。

因此，在色谱分析中，合理地选择k值很重要。

使k值改变的方法：

1、改变柱温，一般柱温提高，k值减小。

柱温降低，k值增大；

2、改变相比，包括改变固定液用量及减少流动相的死体积。

4.2.2简单计算

分离度、柱效和选择因子关系式如下：

故只要已知两个指标，就能计算出第三个指标。

例：

假设有一物质对，其α=1.15要在填充柱上得到完全分离（R≈1.5），所需要的有效理论塔板数为：

对于普通的填充柱来说，一般的有效理论塔板高度为0.1cm，所需柱子长度应为：

习题

1、什么是分离度？

分离度的作用是什么？

表示相邻两色谱峰完全分开的标志是什么？

为什么用分离度R作为色谱柱的总分离效能指标？

2、在一根色谱柱上，欲将含A、B、C、D、E五个组分的混合试样分离。

查得各组分的分配系数大小为:

KB>

KA>

KC>

KD,KE=KA,试定性地画出它们的色谱流出曲线图，并说明其理由。

3、在气相色谱中，某人采用了粒度比原有柱更细的载体，而其它一切条件均不变时，速率方程中各项有何变化？

5.1定性分析

5.2.1定量分析理论依据

5.2.2定量计算方法

5.1.1用已知物直接对照法定性

各种物质在一定的色谱条件下均有确定不变的保留值，因此保留值可以作为一种定性指标。

用已知物直接对照法定性的两种方法

1、用相对保留时间定性

最常用的色谱定性方法。

只要控制柱温、固定相性质不变，即使柱长、柱内径、载气流速及填充情况有所变化，均不影响相对保留时间。

（1）已知纯物质的和未知样品的相对保留时间以进行比较定性。

（2）利用文献上经常报导的相对保留时间，与在规定的柱性质、柱温条件下测出的样品相对保留时间对比定性。

2、加入已知物增加峰高的办法定性：

如果样品较复杂，馏出峰间的距离太近，或操作条件不易控制稳定，要准确确定保留值有一定困难，这时候最好用增加峰高的办法定性。

将已知物加到未知样品中混合进样,若待定性组分的峰比不加已知物时的峰高增大了，则表示原样品中可能含有该已知物的成分。

用已知物直接对照法定性局限性：

1、其应用仅限于当未知物通过其它方面的考虑已被确定可能为某几个化合物或属于某种类型时作最后的确证；

2、其可靠性不足以鉴定完全未知的物质。

5.1.2双柱（多柱）定性：

有时几种物质在同一色谱柱上恰有相同保留值，无法定性，则可用性质差别较大的双柱定性。

5.1.3用不同类型检测器定性

有些检定器对某些类化合物敏感而对另一些类物质不敏感甚至没有信号，检定器的这种选择性可用以作定性检定。

例：

1、要检别某气体样品中有无有机物，则可在氢焰离子化检定器上分析，如有信号就说明有有机物。

2、电子捕获检定器对含卤、O、S、N、P等电负性很强的物质有较大的信号，而对烃类信号甚小，则可以检定烃中某些卤化物等。

5.1.4利用保留值随分子结构或性质变化的规律性定性

当缺乏纯物质又无保留数值时，有机物可用碳数规律定性。

碳数规律：

有机同系物保留值（α）的对数与其分子中的碳原子数n呈线性关系（n=1、2时可能有偏差）：

lgα=A1n+C1式中A1、C1是与固定液和被分析物质分子结构有关的经验常数。

因此，只要测出同系物中几个组分的保留值，根据上式可推知同系物中其他组分的保留值，再与未知样品对照定性。

注意：

碳数规律只适用于同系物（具有相同的碳链结构和官能团，但有不等数目的—CH2—基团），而不适用于同族化合物（如具有直碳链的正构物和带有支链的同碳数异构物属于同一族）。

5.1.5转化成挥发性衍生物定性

在分析之前对样品进行一些了解和判断，看它是否符合进样要求。

对于沸点较高，极性较大，或是挥发性、热稳定性不好不适于直接进样分析的样品，通常在分析之前用化学法处理，使其定量地转化为相应的适合于进行气相色谱分析的衍生物。

5.1.6结合物理或化学反应定性

带有某些官能团的化合物经与一些特殊试剂起物理或化学反应处理后，其色谱峰将会消失或提前或移后，比较处理前后色谱图的差异，便可初步辨认样品含有哪些官能团,利于作族组成分析。

5.1.7结合其它仪器定性

是指把气相色谱仪与红外光谱或质谱等联用的方法，主要是对于复杂样品而言的。

5.2定量分析

5.2.1、定量分析理论依据

1、理论依据

在一定的操作条件下，被分离物质i的质量mi与检测器上产生的信号（色谱图上表现为峰面积Ai或峰高hi）成正比。

可用公式表述为：

这两式就是色谱定量分析的依据。

一般都用峰面积，在以后的表述中使用峰面积Ai。

由公式可知，在定量分析中需要完成以下三步工作：

①准确测定峰面积；

②准确求出定量校正因子fi；

③根据以上两式正确选用定量计算方法，把测得组分的峰面积换算为质量分数。

2、峰面积的测量方法

A、早期的峰面积测量方法有：

峰高乘以半峰宽法；

峰高乘以平均峰宽法；

峰高乘以保留时间法；

煎纸称重法；

求积仪法；

等等

B、电子计算机技术来处理色谱信号，如色谱工作站。

3、定量校正因子

问题1：

为何引入定量校正因子？

色谱的定量分析基于检测物质的质量与其峰面积的正比关系。

但是，由于同一检测器对不同的物质具有不同的响应值，所以两个相等质量的物质得出的峰面积往往不相等，也就是说在混合物中物质的含量并不等于该物质的峰面积的百分率。

为了解决这个问题，我们选定一个物质做标准，用校正因子把其他物质的峰面积校正成相当于这个标准物质的峰面积，然后用这种经过校正的峰面积来计算物质的含量。

问题2：

如何计算定量校正因子？

fi为绝对校正因子，也就是单位面积所代表的物质量。

测定绝对校正因子需要准确知道进样量，这是比较困难的，而且也无法直接应用。

在定量工作中都是用相对校正因子

fi’，即物质i和标准物质s的绝对校正因子之比。

平常所指的校正因子都是相对校正因子，常把相对二字

略去，称校正因子。

最常用的校正因子是质量校正因子，即：

式中Ai、As、mi、mS，分别代表物质i和准物质s的峰面积和质量，用重量校正因子校正峰面积。

1、归一化法

适用情况：

当试样中各组分都能流出色谱柱，并在色谱图上显示色谱峰时，可用此法进行定量计算。

计算方法：

假设试样中有n个组分，每个组分的质量分别为m1、m2、…、mn，各组分含量的总和m为100％，其中组分i的质量分数可按下式计算：

对于狭窄的色谱峰，也有用峰高代替峰面积来进行定量测定。

当各种操作条件保持严格不变时，在一定的进样量范围内，峰的半宽度是不变的，因此峰高就直接代表某一组分的量。

此时公式为：

fhi为峰高校正因子，此值需自行测定，测定方法同峰面积