南京大学仪器分析色谱分析类总结.docx

1、南京大学仪器分析色谱分析类总结一、 色谱法概论1. 分类以流动相分：气相色谱（气液、气固）、液相色谱（液液、液固）以固定相分：柱色谱（Column Chromatography）薄层色谱（Thin Layer Chromatography在铺成薄层固体上进行色谱的方法）纸色谱 （利用混合物在纤维素的水分中分配系数不同而使混合物分离）以分离原理分：吸附色谱（利用混合物各组分对吸附剂的吸附能力不同，而将各组分分离）分配色谱（利用混合物的各组分在相间的分配系数不同，而进行各组分的分离）离子交换色谱（基于溶液中离子与离子交换剂的吸附剂表面的离子间的交换作用）凝胶色谱（根据分子量大小不同来实现分离的目的

2、）以应用领域分：分析色谱、制备色谱2. 基本术语A. 比移值：把溶质与溶剂移动之速度比称比移值（Rf）。B. 半高峰宽：是在峰高一半处的色谱峰的宽度CD，单位可用时间或距离表示。C. 峰宽：是在流出曲线拐点处作切线，于基线上交于E，F处，此两点间的距离叫峰宽，有些色谱书上叫做 “基线宽度”。D. 标准偏差：在色谱峰高0.607处峰宽AB距离的一半叫标准偏差。其值越小，表示谱带展宽越小，也即组分浓度集中，检测器信号越强。E. 死时间（tM）：一些不被固定相吸收或吸附的气体通过色谱柱的时间，如用热导池作检测器时，从注射空气样品到空气峰顶出现时的时间，以s或min为单位表示。F. 死体积（VM）：指

3、色谱柱中不被固定相占据的空间及进样系统管道和检测系统的总体积，等于死时间乘以载气的流速。 G. 死区域 （VG） ：指色谱柱中不被固定相占据的空间。H. 保留时间（tR） ：从注射样品到色谱峰顶出现时的时间，以s或min为单位表示。I. 调整保留时间 （tR）：保留时间减去死时间即为调整保留时间（tR-tM）。J. 保留体积 （VR）：从注射样品到色谱峰顶出现时，通过色谱系统载气的体积，一般可用保留时间乘以载气流速求得，以mL为单位表示。K. 调整保留体积 （VR）：保留体积减去死体积即为调整保留体积（VR-VM）。L. 净保留体积 （VN）：经压力修正的调整保留体积。M. 比保留体积 （Vg

4、）：把净保留体积进一步校正到单位质量固定液和273K时的保留体积。N. 相对保留值 （ri，s）：在一定色谱条件下被测化合物和标准化合物调整保留时间之比。O. 容量因子k（也称为分配容量或分配比）：在平衡状态下组分在固定相与流动相中质量之比。P. 定量校正因子：要进行组分定量，就要测定组分峰面积，其次要知道比例因数fi，以便把峰面积换算成物质的量，比例因素fi即定量校正因子。（色谱定量中，一般都是采用相对于某一标准物（S）的相对重量校正因子或相对摩尔校正因子。）3. 基本理论与计算A. 分配系数与分配比分配系数即组分达到分配平衡后在固定相与流动相间的浓度之比。决定于组分与两相热力学性质。依据热

5、力学函数有：故有柱温越低，分配系数K越大，柱内存在量越大，越难留出；反之易流出（影响GC）。分配比即组分在平衡状态下组分在固定相与流动相中质量之比。存在式：其中，为色谱柱相比；Vm为流动相体积，即死体积；Vs为固定相体积。B. 基本保留方程用于表示保留时间和柱长、流动速度、分配比、分配系数以及两相体积间的关系（或者也可用保留体积表示）其中，L为柱长；u为流动相线速度；k为分配比；K为分配系数由上式可得：C. 相对保留值相对保留值用来讨论相对组分的分离能力，决定于固定相性质和柱温，值越大，选择性越大，分离越彻底。值为1，两组分流出峰有重叠。相对保留值可以消除由于流动相流速、柱长、填充情况等不能完

6、全重复而带来的实验误差。当柱温和固定相物质不变时，相对保留值不变。D. 理论塔板数塔板理论假定：塔板间不连续；塔板间无分子扩散；相间平衡瞬时达到；塔板分配系数相等；流动相不连续。色谱柱的理论塔板数一般为103106，n越大分离效果越好。理论塔板数故有下式：有效塔板数即有：且存在H=L/n，H为单位塔板高度。E. 速率理论方程（范式方程）上述理论塔板对于一些现象无法解释，其忽略传质过程影响因素，故有下式：化简有：其中，e为涡流扩散项，dp为固定相颗粒平均直径，为不规则填充因子；1为纵向分子扩散项，为弯曲因子，Dm为组分在流动相中扩散系数；m为流动相传质阻力，为柱性质因子；s为固定相传质阻力，q为

7、固定相结构性质因子，df为有效平均液膜厚度；Ds组分在固定液中扩散系数。当u很大时，即u ， H=A+Cu曲线呈一直线，即为曲线渐延线，其截距为A，斜率为C，从截距A对U轴作平行线，则此线与u轴间距离为A项之大小。由曲线最低点（Hmin）向U作垂线，此点与渐近线间距离为B/u对H的作用，渐近线与A线距离为Cu对H的作用，为确定最佳操作条件：。故板高与载气线速度有关系，亦称速率理论方程。由于许多参数还不能定量求出，因此，还只能定性说明影响板高的因素。F. 分离度用于定量描述两个色谱峰的分离程度的指标，即相邻两组分色谱峰保留值之差与峰底宽总和的一半的比值，如下式：注：Rs1.5作为完全分离指标G.

8、 基本分离方程由上式可得：Rs正比于，且L正比于，知增加柱长可提高分离度。给定分离度下有：还可以通过改变和K来提高分析效果。二、 气相色谱分析1. 基本原理与使用条件气相色谱是一种以气体为流动相的柱色谱的分离方法。凡是在仪器允许条件下能够汽化且热稳定、不具有腐蚀性的液体或气体均可采取气相色谱法；对于一些因沸点过高无法汽化或热不稳定的物质，通过化学衍生化法使其转变后再进行分析。2. 仪器组成与结构A. 气路系统气路系统是一个载气连续运行的密闭系统，常见的有单柱单气路和双柱双气路两种。单气路适用于恒温分析，双气路适用于程序升温分析并同时补偿检测器噪声和基线漂移。其载气多为氮气、氦气、氢气等，进入前

9、需净化剂（分子筛、硅胶、活性炭）处理。气路压力由稳压阀或稳流阀调节。其作用包括调节气流量和气路气压两方面。B. 进样系统液体样品需汽化后进入。其进样器液体采取微量注射器，气体则采取医用注射器或六通阀；在气化室（金属缠绕加热丝，50500C，要求热容量大，瞬间气化且死体积小）气化，然后进入色谱柱C. 色谱柱色谱柱包括填充柱和开管柱（毛细管柱）两类。填充柱采取不锈钢或玻璃材质，内径36mm，其载体可先以液体形式配比混匀，干燥后填充；开管柱以石英制成，固定相涂布在毛细管内壁或化学键和在内壁上。D. 温度控制系统用于设置、控制和测量气化室、柱室、检测室的温度。气化室温度应使试样瞬间气化但不分解，略高于

10、沸点；柱室温度引起柱温变化，影响柱效和选择性；检测室温度影响检测器的灵敏度或稳定性，一般高于柱温十倍。精度0.1C。E. 检测系统（检测器）检测器按检测原理分为质量型和浓度型；按响应分为通用型和选择型。其优良性能指标包括灵敏度高（组分浓度对响应信号图的斜率S）、检测限和最小检测量低（产生的信号是基线高的两倍时的最小检测量D=2R/S）、线性范围宽（最大进样量和最小进样量的比值或最大检测浓度与最小检测浓度的比值，其值越大越有利于检测）。检测器响应特性噪声水平敏感度线性范围响应时间/s最小检测量/g应用TCD浓度0.0050.0110-610-10104105110-410-8有机和无机物FID质

11、量1510-14210-121061070.1510-13含碳化合物ECD浓度10-1110-1210-14102105103S：51020.110-10P、S化合物TID/NPD质量10-14N10-13P10-14104105110-13N、P化合物PID质量1510-1410-131071080.110-11注：TID热离子检测器、PID光离子检测器a. TCD热导检测器测量原理：依据不同物质的导热系数不同，在参比池和测量池分别通入纯载气和组分载气，此时由于气体导热系数不同而带走热量使电阻值不同，从而获得信号；当参比与测量池均为纯载气时，带走热量相同使电阻相同，无信号产生。特点：一种样品

12、非破坏型检测器，具有较高灵敏度和稳定性，可检出10-6级的低含量组分；结构简单、成本低、使用范围广。它是根据不同气体导热能力不同及金属热丝具有电阻温度系数两个原理设计的检测器。灵敏度影响因素：1) 桥电流：热导池灵敏度与桥电流三次方成正比，较大使池体热丝温差增大，提高灵敏度，过大使热丝温度过高，影响寿命，同时池壁温差较大，增大噪声。2) 载气：载气与组分的导热系数差越大，其信号越强，一般采用热导系数较大载气（H、He），两热丝温差越大，灵敏度越高。3) 检测器温度：柱室温度波动影响热丝温度稳定性，使灵敏度和稳定性下降，一般要求检测室温度较低，但高于柱温（防止冷凝污染）。4) 池体温度：池体温度

13、与钨丝温度相差越大，越有利于热传导，检测器的灵敏度也就越高。b. FID氢火焰离子化检测器测量原理：以氢气在空气中燃烧，生成的火焰为能源，使进入火焰的有机物高温离解，生成正负离子，在火焰外围，设置一个电场，在电场作用下，离子定向运动形成离子流，经放大得到信号。特点：一种样品破坏型检测器；灵敏度高，最低检出量达10-12克；线性范围广；死体积小，响应快，可用在快速色谱分析上； 结构简单，造价低；操作条件要求不高，操作条件的变化，对灵敏度影响较小。灵敏度影响因素：一般包括喷嘴内径、电极形状及间距、极化电压高低以及气体流量四个方面。其中，气体流量需要选择，其他因素则已经由仪器厂家优化。c. ECD电

14、子捕获检测器测量原理：是一种放射性离子化检测器。在放射源（63Ni或氚）作用下，载气通过检测器时被电离（离解为Ni2+和e-），产生自由离子形成基流，当电负性化合物进入检测器时，捕获电子，使基流下降，产生检测信号的。特点：高选择性检测器，对含有电负性原子或基团的化合物具有很高的灵敏度，如卤化物、含氧、含硫、含磷的有机物及甾体化合物、金属有机物、金属螯和物、多环芳烃等，但对一般非电负性如烷烃等影响应很小。d. FPD火焰光度检测器测量原理：在温度高达20003000K富氢火焰中，硫、磷化合物分别发出350430nm及526nm的特征波长光，分别用394nm（S）和526nm（P）的滤光片滤光，然

15、后将滤后之光电倍增管转化为电信号测量。特点：线性范围窄，测磷为105，测硫为102103。是一种对硫、磷化合物有高选择性的检测器，比对一般有机物敏感度高104倍。3. 固定相A. 载体能够牢固保留固定液并使它呈均匀薄膜状的无活性物质。要求：具有化学惰性，无表面吸附作用，空穴均匀，比表面大，耐热性强，无催化活性有一定机械强度和浸润性。多采用硅藻土载体，分红色（适宜非极性固定液）和白色（适宜极性固定液）两种。由于硅藻土表面存在Si-OH，易形成氢键，故需采取酸洗、碱洗、烷基化等方法处理，消除碱性中心、酸性中心以及硅醇基活性氢与组分的作用，提高分离效果。B. 固定液a. 要求：化学惰性；热稳定；操作

16、温度下蒸汽压低，不易流失；选择性好；黏度小；凝固点低；良好浸润性b. 特征常数（保留指数）：Kovats指数：将两相邻正构烷烃保留值的对数之间差值分为100份，保留值位于两相邻正构烷烃之间组分i的保留指数其中，t可为调整保留时间（或体积）Rohrschneider常数：即用保留指数差I表示固定液相对极性，值越大，固定液与组分作用力越大，选择性越高。McReynolds常数：即采取特殊五种物质的120C条件下的I之和表示固定液极性。注：此处的I均采取固定液对角鲨烷的差c. 选择原则非极性物质采取非极性固定液，且沸点低先流出，极性越低越难流出；中极性物质采取中等极性固定液，低沸点先流出，与固定液极

17、性越相近，越难流出；强极性物质采取极性固定液，极性小的先流出；分子间氢键越易形成，越难流出；C. 固体吸附剂a. 碳：非极性吸附剂，分离醇、酸、酚、胺多种极性物质或异构体。b. 氧化铝：中等极性，分析C1C4及其异构体，其含水量对效果影响较大。c. 硅胶：强极性，分析硫化物。d. 分子筛：强极性，活化后分离H2、O2、N2、CH4、CO等混合物。e. 高分子多孔微球：根据所带基团分为极性非极性两种，可分析极性多元醇、脂肪酸、腈、胺或非极性的烃、醚、酮等，尤其是对有机物中微量水（先出管）分离。4. 流动相流动相为气体，常用为氦气、氢气、氮气等且依据检测器选择，通入前须经过净化装置并调节合适的载气

18、流速和流量。5. 分析方法A. 定性a. 保留值定性：采用多柱比较，将Kovats保留值对比文献或标准物来定性物质。也可采取比保留值定性分析，其值仅受温度影响。其中，j为压力校正因子，K为分配系数，为固定液密度。b. 色-质联用定性B. 定量峰面积A=1.065hW1/2校正因子：绝对校正因子fi受仪器及操作条件限制很大，故多用相对校正因子fi其中，s为标准物，i为组分a. 归一化法条件：仅适用于试样中所有组分全出峰的情况；必须已知所有组分的校正因子且不适合微量组分的测定。b. 内标法条件：试样中不含有该物质；与被测组分性质比较接近（挥发度、极性、溶解度等）；不与试样发生化学反应；出峰位置应位

19、于被测组分附近，且无组分峰影响；内标物为高纯度标准物质，或含量已知物质；内标物的加入量应接近于已知物质。通过加入性质相近的已知标准物，进行色谱分离，获得被测组分和内标物峰面积，计算相对量再换算为绝对量。c. 校准曲线法条件：操作条件稳定，进样体积一致，适合无内标物的物质测定。通过已知样品标准成线性关系的前提下，配制近似样品浓度的标准物，测定浓度，则可以下式计算：6. 优缺点优点：高效能、灵敏度高、速度快、应用范围、仪器造价低缺点：从色谱峰不能直接给出定性结果。对高沸点（沸点在500C以上）物质，目前气相色谱分析还有困难。7. 应用气固色谱常用于永久性气体及的低碳数化合物的分离。气液色谱则应用更

20、广，凡是在气相色谱仪允许的条件下可以气化而不分解的物质均可以采取气相色谱法。除此之外，气相色谱还可用于物理化学研究中的多种参数测量。8. 附加知识点A. 开管柱色谱特点：a. 总柱效高：内径小使得传质阻力极小，涡流扩散不存在，谱带展宽变小。b. 分析速度快c. 柱容量小：相比高导致进样量小，最多0.5g。类型：涂壁开管柱（固定液涂布玻璃柱内壁）、多孔层开管柱（管壁涂多孔材料，在涂布固定液）、键合型（固定液化学键合于玻璃表面）、交联型（自由基原位分子共价交联使固定液固化）。B. 手性分离色谱法可用于手性化合物的分离，可以分为直接法和间接法两种。直接法即采取手性选择剂（手性固定相和手性流动相添加剂

21、，后者只用于液相色谱和毛细管电泳法）进行分离。间接法即让手性衍生化试剂和被分析组分反应，使对映体转变为非对映体，后利用物理性质和化学性质的不同，使其在非手性固定相上分离，最后通过化学转化，使其还原。三点作用模式：即在手性分离过程中，要实现有效识别对映体，需要手性固定相与其中一种对映体的至少三个作用中心发生相互作用，其中一个必定由立体化学结构决定。C. 定量方法比较三、 高效液相色谱分析1. 基本原理与使用条件高效液相色谱是一种以液体为流动相的现代柱色谱分离技术，其主要通过与气相色谱仪及经典液相色谱不同的实验条件，提供高压加速分离，对于高沸点、热不稳定的有机及生化试样的高效分离分析方法。2. 仪

22、器组成与结构A. 贮液罐存放溶剂，材料要耐腐蚀、对溶剂呈惰性，配有过滤器。B. 脱气装置为防止流动相高压输出气泡，影响检测器，增大噪声，故通常采取氦气鼓泡除气。C. 高压泵材料耐化学腐蚀；高压连续工作；输出流量范围宽；输出流量稳定，重复性高D. 梯度洗脱装置在分离过程中逐渐改变流动相组成以提高复杂分析的分离效果特点：改善峰形、提高柱效、减少分析时间、残留少；换流动相时平衡时间更长E. 进样器F. 色谱柱以不锈钢制成，要求内壁平滑光洁，接头死体积小，柱长为1025cm内径45mm。柱前加短柱即卫柱，防止污染固定相。G. 检测系统（检测器）a. UVD紫外吸收检测器选择性浓度型检测器，仅对紫外波长

23、有吸收的物质有响应。以氘灯为光源，通过参比池和测量池两者之间的透射光的强度差来输出信号。b. FD荧光检测器选择性浓度型检测器，先以光源通过分光器分离特定波长的紫外光激发被测物，再以光电倍增管测定产生的荧光强度，适宜痕量分析。c. RID示差折光率检测器通用性检测器，包括偏转式、反射式和干涉型三种，依据参比池与测量池的折光率差不同而产生光电信号。d. ECD电化学检测器一般依据电化学原理，分为电导、库仑、伏安和安培四种，常用安培检测器。3. 固定相按照承受压力大小分为刚性固体（多为二氧化硅）和硬胶（多为聚苯乙烯和二乙烯基苯交联物）两类。按照孔隙深度分为表面多孔型（实心玻璃外覆盖多孔活性物质）和

24、全多孔微粒型（直径10-3m的硅胶微粒）两类。表面多孔型孔浅、相对死体积小、出峰快、柱效高但最大进样量受限；全多孔型孔也浅、传质速率快、柱效高、但需较高压力，最大进样比表面多孔大五倍。4. 流动相要求：纯度高、黏度低、化学稳定性好、溶剂沸点高于55C、溶剂可完全浸润固定相并与流动相匹配、与检测器匹配。5. 优缺点A. 高效液相色谱的特点：分离效能高、选择性高、检测灵敏度高、分析速度快B. 高效液相色谱法局限性：a. 在高效液相色谱法中，使用多种溶剂作为流动相，当进行分析时所需成本高于气相色谱法，且易引起环境污染。当进行梯度洗脱操作时，它比气相色谱法的程序升温操作复杂。b. 高效液相色谱法中缺少

25、通用型检测器（如气相色谱法中使用热导检测器和氢火焰离子化检测器）。c. 高效液相色谱法不能替代气相色谱法，去完成要求柱效高达10万块理论塔板数以上，必需用毛细管气相色谱法分析组成复杂的具有多种沸程的石油产品。d. 高效液相色谱法也不能代替中、低压柱色谱法，在200kPa至1MPa柱压下去分析受压易分解、变性的具有生物活性的生化样品。6. 附加知识点A. 液固吸附色谱a. 原理：组分在固定相吸附剂上的吸附与解吸。b. 固定相：为固体吸附剂，如硅胶、氧化铝等，较常使用的是510m的硅胶吸附剂。c. 流动相：各种不同极性的一元或多元溶剂。d. 应用：适用于分离相对分子质量中等的油溶性试样，对具有官能

26、团的化合物和异构体有较高选择性。e. 缺点：非线形等温吸附常引起峰的拖尾。B. 化学键合相色谱a. 原理：通过化学反应将有机分子键合在载体表面形成柱填充剂，然后混合物和其形成化学键强弱不同，借此分离物质。b. 分类：正相（流动相极性小于固定相）和反相（流动相极性大于固定相）c. 反相影响因素：碳链长度、碳负载量和表面覆盖率、载体孔径和纯度、残余硅醇基团数目。d. 反相键合色谱以水（紫外截止波长低，有利于痕量检测）为底溶剂，其中加入各种添加剂（提高选择性），根据分离需要再加入不同比例的与水可混溶的有机溶剂，还可利用二次化学平衡，使不易分析的也可用此法分析。一般适用于极性较小的样品分离。C. 离子

27、交换色谱a. 原理：采取离子交换剂为固定相，分为阳离子型和阴离子型。b. 固定相：合成树脂（强酸SO3H和弱酸COOH，强碱季胺和弱碱NH2）、硅胶。c. 流动相：含有缓冲体系的金属盐溶液d. 应用：离子、离子型化合物或一定条件下可解离的物质。离子色谱原理：在离子交换色谱的基础上，增加抑制柱（即置换流动相中离子，使其全部转变为水，降低背景影响，但抑制柱需定期再生）或膜离子交换管，再采取电导法测量。D. 尺寸排阻色谱（凝胶色谱）a. 原理：按分子大小分离。小分子可以扩散到凝胶空隙，由其中通过，出峰最慢；中等分子只能通过部分凝胶空隙，中速通过；而大分子被排斥在外，出峰最快；溶剂分子小，故在最后出峰

28、。b. 固定相：无机类（凝胶）和有机类（有机物共聚物）c. 应用：可对相对分子质量在100-105范围内的化合物按质量分离。E. SFC超临界流体色谱法a. 原理：采取超临界流体作为流动相，结合GC和HPLC的各自优点。b. 仪器：精密控压设备、精密控温设备、柱后有毛细管限流器，其他同HPLC。c. 流动相：常用为CO2，其中可加入改性剂。d. 固定相：采用填充柱或开管柱。e. 检测器：为氢火焰离子化检测器或紫外吸收检测器（均对CO2无响应）。f. 应用：可用于天然产物、农药、高聚物、原油分析，特别适用于一些GC和HPLC不适合的物质分析，但其仪器复杂，可选择流动相有限。F. HLPC的综合分

29、析四、 毛细管电泳分析1. 基本原理与使用条件毛细管电泳（Capillary Electrophoresis, CE）是离子或者荷电粒子以电场为驱动力，在毛细管中按照其淌度或分配系数不同进行高效、快速分离分析的一种电泳新技术。2. 仪器组成与结构电源电压：530kV毛细管：长10100cm内径25100m石英材质进样方式：重力注射；电动进样检测器：紫外吸收检测器、PDAD、荧光检测器、碳纤维安培检测器、电导检测器。3. 影响因素A. 影响选择性因素离子迁移率：电解质浓度越大，离子强度越大，离子电荷越小，半径越大，其迁移率越小。组分电离度合适配体B. 影响柱效因素此法无固定相，消除了涡流扩散项和

30、固定相传质阻力项，而细管径大大降低了流动相传质阻力，主要是纵向分子扩散项影响柱效。高电压可提高柱效，且与柱长无关，但增加柱长有利于施加高电压，电压极限受毛细管热效应限制。4. 优缺点不能分离中性分子，但柱效很高，分离效果很好。5. 应用用于分离、检测土壤和水等环境中的多环芳烃；分离多种阴阳离子；获得不同价态的无机离子信息；还可用于临床复杂药物的成分分析6. 附加知识点A. 电渗流迁移率由于石英管上硅醇基团电离产生阴离子，吸引阳离子形成双电层，强电场作用下向阴极移动，形成电渗流。故pH和离子强度对电渗流作用有影响：即pH越大，离子强度越小，电渗流迁移率越大。B. 胶束电动毛细管色谱原理：通过在溶液中加入表面活性剂使其形成胶束，同时混合物中性分子在胶束内和溶液中达到分配平衡，通过高压下胶束迁移和溶液电渗流的迁移快慢分离物质。物质的疏水性越强，迁移时间越长。五、 色谱法对比总结方法GCHPLC超临界流体色谱法CE固定相固体吸附剂载体和固定液刚性固体或硬胶表面多孔型或全多孔型微粒310