1、分析化学 Analytical Chemistry10 色谱分析法Chromatography10 色谱分析法10.1 概述10.2 色谱分析理论基础 10.3 色谱定性与定量分析 10.4 气相色谱分析 10.7 应用示例 10.1 概述色谱法是用以分离、分析多组分混合物质的有效的物理及物理化学分析方法。1850年 F.F.Runge医生观察到染料混合物点在吸墨纸上成层层圆环；1906年植物学家Michael Tswett从植物提取液中分离出叶绿素及其他色素。叶绿素的分离叶绿素的分离色谱法基本特点（Chromatographic Column） 具备两个相：固定不动的一相，称为固定相（Sta
2、tionary Phase） ；携带样品流过固定相的相，称为流动相(Mobile Phase) 。色谱法分类气相色谱 GC液相色谱 LC流动相气体液体固定相固体吸附剂 液体涂层固体吸附剂液体涂层气固色谱GSC气液色谱GLC液固色谱LSC液液色谱LLC色谱法的特点分离效能高；灵敏度高；快速；应用范围广。色谱分析常用术语色谱流出曲线tMt0有关术语基线（base line）无试样通过检测器时，检测到的信号。峰高h tM保留值（retention value）体积保留体积VR（retention volume）死体积 V0 (dead volume)调整保留体积 VR(adjusted retent
3、ion volume)VR= VR V0相对保留值r21（relative retention value）212121RRRR/rttVV选择性时间保留时间 tR（retention time）死时间 t0 (dead time)调整保留时间 tR（adjusted retention time）tR= tR t0tM区域宽度（peak width）衡量色谱峰宽度的参数：标准偏差（standard deviaton）：0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。半峰宽Y1/2（peak width at half height）：色谱峰高一半处的宽度 Y1/2 =2.354峰基宽度Wb（peak w
4、idth at peak base）：通过流出曲线的拐点所作切线在基线上的截距，Wb=4 。峰面积峰高（h）乘半峰宽（Y 1/2）法：A = 1.065 hY1/2峰高乘平均峰宽法：A = h（Y 0.15 + Y 0.85 ）/ 2 峰高乘保留时间法：A =bhtR 分配系数和分配比 流动相色谱柱试样吸附或溶解脱附或挥发分配过程分离分配系数K（partition coefficient）K=组分在固定相中的浓度组分在流动相中的浓度分配系数 K的讨论一定温度下，组分分配系数K越大，出峰越慢；试样一定时，K主要取决于固定相性质；每个组分在各种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
5、果；试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础；某组分K=0时，即不被固定相保留，最先流出。分配比 k（partition ratio）k =msmM组分分配在固定相中的质量组分分配在流动相中的质量sssMMMMs/cmVVKkkcmVV相比（phase ratio）00R0Rtttttk10.2 色谱分析理论基础 塔板理论（plate theory）柱效能指标LnHn理论塔板数L色谱柱长H塔板间距离22RR1/2b5.54()16()ttnYW22RR1/2b5.54()16()ttnYW有效LHn有效有效速率理论影响柱效能的因素速率理论方程(也称范弟姆特方程式)：BHACuu理论塔板高度载气
6、的线速度(cm/s)涡流扩散项分子扩散项传质阻力项减小A、B、C三项可提高柱效；存在着最佳流速。涡流扩散项（eddy diffusion term）AA = 2dp dp：固定相的平均颗粒直径；：填充不均匀因子 固定相颗粒越小dp，填充的越均匀，A，H，柱效n。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄。涡流扩散分子扩散项B/u ：弯曲因子，填充柱 1。Dg：试样组分分子在流动相中的扩散系数(cm2s-1)。由于柱中存在着浓度差，产生纵向扩散。B = 2Dg扩散导致色谱峰变宽，H(n)，分离变差。分子扩散项与流速：流速，滞留时间，扩散。扩散系数：Dg (M载气)-1/2 ； M载气，
7、B值分子扩散传质阻力项 Cu组分在流动相和固定相间进行反复分配时，遇到流动相传质阻力Cm和固定相传质阻力Cs阻力。2pmg2fssdCDdCDms()CuCC u传质阻力分离度R柱的总分离效能指标R(2)R(1)b(2)b(1)2()ttRWW或R(2)R(1)1/2(2)1/2(1)2()()ttRYY R =0.8：两峰的分离程度可达89%；R =1.0：分离程度97.7%；R =1.5：达99.7%（相邻两峰完全分离的标准）。0.59RR分离度R令Wb(2)=Wb(1)=Wb（相邻两峰的峰底宽近似相等），引入相对保留值和塔板数，可导出下式：2121(1)16nrRr有效有效有效HrrRL
8、rrRn221212221212116116)()(色谱分离方程式 例 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0.1cm，柱长是多少？解：2122212122= 100 / 85 = 1.18= 16 / (-1) = 16 1.5(1.18 / 0.18 ) = 1547rnRrr有效（块）15470.1155 cmLnH有效有效有效10.3 色谱定性与定量分析 定性鉴定方法利用纯物质对照的定性鉴定与质谱、红外光谱联用的定性鉴定利用保留值鉴定利用加入纯物质以增高峰高鉴定定量分析定量校正因子绝对校
9、正因子：m i = fi AiiiimfA相对校正因子：ississiisiiAAmmAmAmfff/通过查阅文献或测定获得定量分析方法归一化法：121()iiiinniiimfAwmmmfA内标法：加入一定量内标物外标法：标准曲线法iiissSmf Amf AisiiiisSSmmf AAwkmmf AAiiissSf Ammf A10.4 气相色谱分析 气相色谱仪的构造气相色谱固定相气相色谱检测器气相色谱操作条件的选择一、工作过程气相色谱仪的组成载气系统进样系统色谱柱检测系统记录系统气相色谱仪二、固定相（stationary phase）气固色谱固定相活性炭：比表面积较大，吸附性较强。活性
10、氧化铝：有较大的极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6等的分离。硅胶：与活性氧化铝大致相同，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等。分子筛：碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。还能够测定He、Ne、Ar、NO、N2O等。高分子多孔微球：新型的有机合成固定相。适用于水、气体及低级醇的分析。气固色谱固定相的特点性能与制备和活化条件有很大关系；同一种固定相，不同厂家或不同活化条件，分离效果差异较大；种类有限，能分离的对象不多；使用方便。气液色谱固定相：固定液+担体（载体）固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下一定呈液体状态。担体：化学惰性的多孔性固体颗粒。比表面积大，孔径分布均
11、匀；化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分离组分不起反应；具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎；颗粒均匀，大小适度。常用6080或80100目。硅藻土类非硅藻土类固定液要求：对试样中的各组分具有不同的溶解能力；选择性要好，对各组分分配适当；沸点高，挥发性小，热稳定性好；化学稳定性好，不与被分离组分发生不可逆的化学反应。选择：“相似相溶”原则选择适当固定液。常用固定液 固定液 名 称商品牌号使用温度（最高） 溶剂相对极性麦氏常数总和 分析对象 （参考）1、 角鲨烷 （异三十烷）SQ150乙醚00烃类及非极性化合物2、阿皮松 LAPL300苯143非极性和弱极性各类高沸点有机化合物3、硅油O
12、V-101350丙酮+1229各类高沸点弱极性有机化合物，如芳烃4、 苯基 10% 甲基聚硅氧烷OV-3350甲苯+14235、 苯基（20%） 甲基聚硅氧烷OV-7350甲苯+25926、 苯基（50%） 甲基 聚硅氧烷OV-17300甲苯+28277、 苯基（60%）甲基聚硅氧烷OV-22350甲苯+210758、 邻苯二甲酸 二壬酯DNP130乙醚+29、 三氟丙基甲基 聚硅氧烷OV-210250氯仿+2150010、 氰丙基（25%）苯基（25%）甲基聚硅氧烷OV-225250+3181311、聚乙二醇PEG20M250乙醇氢键2308醇、醛酮、脂肪酸、酯等极性化合物12、 丁二酸二乙
13、 二醇聚酯DEGS225氯仿氢键3430相对极性：麦氏常数：5个值代表各种作用力。固定液的选择分离非极性组分时分离非极性组分时，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。分离极性组分时分离极性组分时，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。分离非极性和极性的（或易被极化的）混合物分离非极性和极性的（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。醇、胺、水等强极性和能形成氢键的化合物的分离醇、胺、水等强极性和能形成氢键的化合物的分离，通常选择极性或氢键性的固定液。组成复杂、较难分离的试样组成复杂
14、、较难分离的试样，通常使用特殊固定液，或混合固定相。固定液配比（涂渍量）的选择配比：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。配比越低，担体上形成液膜越薄，传质阻力越小，柱效越高，分析速度越快。配比较低时，固定相的负载量低，允许的进样量较小。分析工作中通常倾向于使用较低的配比。三、气相色谱检测器 浓度型检测器：测量的是载气中通过检测器组分浓度瞬间变化，检测信号值与组分的浓度成正比。质量型检测器：测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化，即检测信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比。热导池检测器氢火焰离子化检测器电子俘获检测器火焰光度检测器检测器性能
15、评价指标在一定范围内，信号E与进入检测器的物质质量m成正比：ES m比例系数，灵敏度检测信号为色谱峰，则响应值也可以由色谱峰面积（A）除以试样质量求得。四、气相色谱操作条件的选择载气种类的选择应考虑：载气对柱效的影响、检测器要求及载气性质。载气摩尔质量大，可抑制试样的纵向扩散，提高柱效。载气流速较大时，传质阻力项起主要作用，采用较小摩尔质量的载气（如H2，He），可减小传质阻力，提高柱效。热导检测器需要使用热导系数较大的氢气有利于提高检测灵敏度。在氢焰检测器中，氮气首选。载气流速的选择作图求最佳流速。实际流速稍大于最佳流速，缩短时间。柱温的选择首先应使柱温控制在固定液的使用最高温度和最低温度范
16、围之内。一般选择在接近或略低于组分平均沸点时的温度。组分复杂，沸程宽的试样，用程序升温。柱长和柱内径的选择柱长的选用原则：在满足分离目的前提下，尽可能选用较短的柱，利于缩短分析时间。填充色谱柱的柱长通常13m，内径34cm。进样量和进样时间的选择液体试样采用色谱微量进样器进样，规格有1L，5L，10L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。气体试样应采气体进样阀进样。汽化温度的选择色谱仪进样口下端有一汽化器，液体试样进样后，在此瞬间汽化；汽化温度一般较柱温高3070；防止汽化温度太高造成试样分解。10.7 应用示例 大气中硫化物的分析 色谱条件：（1）固体固定相：石墨化炭黑（预涂1.5%H3PO4减尾）；（2）色谱柱：1.25m3mm聚四氟乙烯柱；（3）柱温：40；（4）载气：N2，100 mLmin-1； （5）检测器：火焰光度检测器(FPD)。 1空气 2H2S 3SO2 4CH3SH 本章内容小结掌握色谱分析法中的基本概念；掌握色谱定性、定量分析方法；了解气相色谱仪的结构。作业p191 习题 ：10，16，19，21
