色谱基本理论-PPT.pptx

色谱基本理论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(Peak Height):h(Peak Height):、峰峰(底底)宽宽 W(Peak Width):W(Peak Width):、半半(高高)峰宽峰宽 W W1/2 1/2(Peak Width at(Peak Width at Half 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 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得基本参保数留值得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 t=j tR R,净保留时间净保留时间(t tN N)t)tN N=j t=j 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/TVg=(273/Tc c)(V)(VN N/M/ML L)保留值得基本参数保留值得基本参数有关分离得参数有关分离得参数一 相对保留值又叫选择性系数或选择性因子=1=1时两个组分分不开时两个组分分不开,改变改变得途径就是得途径就是:改变固定相改变固定相,改变流动相改变流动相,改变样品本身得性质改变样品本身得性质(如衍生化法如衍生化法)二二 区域宽度区域宽度(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 从色谱图中从色谱图中,可得许多信息可得许多信息:1 色谱峰得个数,可判断所含组分得最少个数;2 根据色谱峰得保留值,可以进行定性分析;3 根据色谱峰得面积或峰高,可以进行定量分析;4 色谱峰得保留值及其区域宽度,评价柱效依据;5 色谱峰两峰间得距离 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)中得浓浓度度之比。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(P)与流动相(q)中得质量质量之比。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？主要选择合适得固定液色谱测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得关系得关系于于l K=KKl=VG/VL=K/K=VG/VL=K/K 大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点五五 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得关系性因子得关系tR(x)-待测物X得调整保留时间tR(z)-碳原子数为Z得正构烷烃得调整保留时间tR(z+n)-碳原子数为z+n得正构烷烃得调整保留时间tR(z)tR(x)tR(z+n)(通常 n=1)规定正构烷烃得I 值就是其她原子数得100倍,如:正庚烷I=700保留指数保留指数 I I色谱柱效能得参数色谱柱效能得参数柱效柱效:也叫柱效能也叫柱效能。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9999、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;FID TCD;FID 变色硅胶变色硅胶:除除H H2 2O OTCD;FID TCD;FID 分子筛分子筛:除除H H2 2O OFID;ECD FID;ECD 活性碳活性碳:除有机物除有机物FID;ECD FID;ECD 脱氧剂脱氧剂 :除除O O2 2 气体得压力与流量得测量气体得压力与流量得测量常用皂膜流量计常用皂膜流量计,用时先将皂膜流量计管用时先将皂膜流量计管子内壁润湿子内壁润湿 气体得纯化气体得纯化载气流量得校正载气流量得校正 用皂膜流量计测得得流量用皂膜流量计测得得流量用皂膜流量计测得得流量用皂膜流量计测得得流量F F皂皂皂皂(mL/min)mL/min)就是在柱后大就是在柱后大就是在柱后大就是在柱后大气压下测得得气压下测得得气压下测得得气压下测得得,欲将其换算成色谱条件下得流量欲将其换算成色谱条件下得流量欲将其换算成色谱条件下得流量欲将其换算成色谱条件下得流量F FC C需作三需作三需作三需作三种校正种校正种校正种校正:湿度校正湿度校正湿度校正湿度校正;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-室温下得得水饱和蒸汽压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得载气流速通常不用皂膜流皂膜流量计测量。而就是由量计测量。而就是由tM计算得到载气得平均线速U=L/tM 例题“实验与习题”例4(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就是一种分离技术就是一种分离技术,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,这需要色谱理论得指导、这需要色谱理论得指导、一一塔板理论得假设塔板理论得假设1 1 在理论板高在理论板高H H内内,组分在气液相内快速组分在气液相内快速平衡平衡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 无纵向扩散无纵向扩散(柱向扩散柱向扩散)4 4 分配系数分配系数K K就是常数就是常数 根据对色谱柱模拟蒸馏根据对色谱柱模拟蒸馏塔得假设条件塔得假设条件,具体展开讨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体积载气后体积载气后,计算在第计算在第n n块塔板上出现某组分分子得概率。这个块塔板上出现某组分分子得概率。这个概率应该就是考虑在塔板上某组分得一概率应该就是考虑在塔板上某组分得一个分子出现在流动相中得概率个分子出现在流动相中得概率(Mp)Mp)等等于在该塔板上流动相中组分分子得个数于在该塔板上流动相中组分分子得个数与与 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表示进入柱中载气得脉冲次数表示进入柱中载气得脉冲次数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得得分分配配过过程程就就是是以以气气液液色色谱谱分配为例分配为例,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 表示进入气相得组分分子表示进入气相得组分分子 l 表示进入液相得组分分子表示进入液相得组分分子l此时若组分容量因子此时若组分容量因子K K,=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、125 0、375 0、375 0、125 0040、063 0、250、375 0、125 0、063050、032 0、157 0、313 0、313 0、1570、03260、016 0、095 0、235 0、313 0、2350、07970、008 0、056 0、116 0、275 0、2750、11880、004 0、032 0、086 0、196 0、2750、13890、002 0、018 0、059 0、141 0、2460、138100、001 0、101 0、038 0、100 0、1890、118得出色谱流出曲线方程得出色谱流出曲线方程:三、三、塔板理论方程式得讨论塔板理论方程式得讨论 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 浓浓度度极极大大点点CmaxCmax得得位位置置就就是是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线达浓度极大值C Cmaxmax CmaxCmax得影响因素得影响因素 (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 成成正正比比。这这就就是是色色谱谱峰峰高高定定量量得得依依据。据。(2)(2)H H值值愈愈小小,柱柱效效愈愈高高,Cmax/WCmax/W比比值值愈愈大大。即即H H越小越小,柱效柱效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,Cmax/WCmax/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密,柱效柱效N N越高。越高。(4)(4)色谱柱愈短色谱柱愈短,CmaxCmax值愈大。值愈大。(5)(5)先先流流出出柱柱子子得得组组分分容容量量因因子子小小,所所以以Cmax/WCmax/W比比值值愈愈大大,反反之之提提高高色色谱谱柱柱得得温温度度(对对GC),GC),增增加加流流动动相相中中强强洗洗脱脱溶溶剂剂得得浓浓度度(对对HPLC),HPLC),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Cmax/WCmax/W比比值值愈愈大大,提提高高色色谱谱检检测测灵灵敏敏度。度。四、塔板理论得作用与不足四、塔板理论得作用与不足(一一)塔扳理论在色谱法中得地位与作用塔扳理论在色谱法中得地位与作用:1 1、从塔板理论方程式得形式看她描述得色谱、从塔板理论方程式得形式看她描述得色谱信号轨迹应该就是正态分布函数信号轨迹应该就是正态分布函数,与实际记录与实际记录得色谱流出曲线相符合得色谱流出曲线相符合,说明此方程就是准确说明此方程就是准确得得,且对色谱分配系统有理论指导意义。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得理论塔、由塔板理论据导出来计算往效率得理论塔板数板数(N)N)公式公式,就是行之有效得。长期以来用就是行之有效得。长期以来用N N值得大小评价色谱柱柱效就是成功得值得大小评价色谱柱柱效就是成功得,就是色就是色谱工作者不可缺少得计算公式。谱工作者不可缺少得计算公式。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得得CmaxCmax数数值值就就是是符符合合公公式式要要求求得得,实实验验数数据据证证明明Cmax Cmax 与与N,W,VRN,W,VR之之间间得得关关系系就就是是正正确确得得。各各参参数对数对CmaxCmax之影响都就是客观得。之影响都就是客观得。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得得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得得实实际际。特特别别应应指指出出得得就就是是,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得得影影响响,这这一点过去往往被忽视。一点过去往往被忽视。(二二)塔扳理论存在得不足塔扳理论存在得不足:1 1、塔塔板板理理论论就就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得得,假假设设同同实实际际情情况况有有差差距距,所所以以她她描描述述得得色色谱谱分分配配过过程程定定量量关系合有不准确得地方。关系合有不准确得地方。2 2、对于塔板高度、对于塔板高度H H这个抽象得物理量这个抽象得物理量究竟由哪些参变量决定得？究竟由哪些参变量决定得？H H又将怎又将怎样影响色谱峰扩张等一些实质性得较样影响色谱峰扩张等一些实质性得较深入得问题深入得问题,塔板理论却不能回答。塔板理论却不能回答。3 3、为为什什么么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,但但峰宽各异峰宽各异,这些现象塔板理论也无能为力、这些现象塔板理论也无能为力、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得得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,这这一一关关键问题并未阐述。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得影响。实际分在柱内移动速率得影响。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得扩散行为和扩散距离。子得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得得指指导导作作用用,所所以以至至今今延延用用不不衰衰,为广大色谱工作者承认。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模模型型,定定义义H H为为单单位位柱柱长长得得离离散散度度H=H=2 2/L,/L,式式中中为为高高斯斯峰峰形形得得标标准准偏差偏差,L L为柱长。并假设为柱长。并假设:纵纵向向扩扩散散就就是是造造成成谱谱带带展展宽宽得得重重要要原原因因,必须予以考虑必须予以考虑;传传质质阻阻力力就就是是造造成成谱谱带带展展宽宽得得主主要要原原因因,她使平衡成为不可能她使平衡成为不可能 对填充柱有涡流扩散得影响对填充柱有涡流扩散得影响 van Deemtervan Deemter方程得数学式为方程得数学式为H=A+B/U+CUH=A+B/U+CU或或H=A+B/U+CsU+CmUH=A+B/U+CsU+CmUA A、B B、C C、为常数为常数,分别代表涡流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 为反应柱填充状态得常数 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就就是是由由浓浓度度梯梯度度造造成成得得。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得得构构型型呈呈“塞塞子子”状状。她她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”必必然然自自发发得得向向前前和和向向后后扩扩散散,造成谱带展宽。分子扩散项系数为造成谱带展宽。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弯曲因子,她反映了固定相她反映了固定相颗粒得几何形状对自由分子扩散得阻碍情况。颗粒得几何形状对自由分子扩散得阻碍情况。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)色谱柱中得涡流扩散示意图 色谱柱中得涡流扩散示意图 色谱柱中得涡流扩散示意图 3 3、传质阻力项、传质阻力项 CU U=(=(Cg+CL)U)U传质过程分为传质过程分为:气相传质过程气相传质过程 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,决定与柱得填充情况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得影响得影响(比较复杂比较复杂):N随随K/得变化而变化得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得大变化 2、为提高分析速度 因为U 则tR 第五节 分离条件得优化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:怎样制备一根好得色谱柱怎样制备一根好得色谱柱?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(相对保留值 或保留指数I)评价固定液对物质得保留作用 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)分离度就是将以上二者综合考虑 既反映柱效能,又反映选择性 一、分离参数一、分离参数n1、n与neff得关系可见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/为一定值时得nW1/2与与tR得关系得关系-半峰宽规律半峰宽规律 nW1/2=a+b tR实验研究表明:同系物组分得半峰宽线形关系好非同系物组分得半峰宽线形关系差所以我们称之为准线形关系、半峰宽规律得应用有两种情况 1 第二个峰可能不只一个组分2 也许就是第一针留下来未出峰得组分 选择性系数(相对保留指数)可见二组分沸点差大,柱温低时,is 大,易分离、分离度分离条件得选择主要就是提高分离条件得选择主要就是提高“难分离物质对难分离物质对”得分离度得分离度(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二二,分离基本关系式分离基本关系式此式用于计算达到一定R时所需得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 就是总分离效能指标,只有1时,二组分才有可能 分离1、2讨论讨论:R=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得影响3、改变 1、2 R1、2 就是准热力学常数,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得前提下,设法改变1、2 方法就是: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 合适得K/值,同时改变分离度 程序升温就是分离复杂多组分沸程宽得混合物得有效方法