chromatogram analytical 第7章 色谱分析法概论 chromatogram analytical method generality

第7章 色谱分析法概论 7.1 概述 7.2 色谱过程与术语 7.3 色谱分离的基本理论 7.4 基本类型色谱法的分离机制 第7章 色谱分析法概论 7.1 概述 7.2 色谱过程与术语 7.3 色谱分离的基本理论 7.4 基本类型色谱法的分离机制 7.5 色谱法的发展趋势

7.1概述>> 7.1.1色谱法的起源和发展 1906年，俄国植物学家 M.Tswett 发表了他的实验结果：为了分离植物色素，他将含有植物色素的石油醚提取液倒入装有碳酸钙粉末的玻璃管中，并用石油醚自上而下淋洗，由于不同的色素在碳酸钙颗粒表面的吸附力不同，随着淋洗的进行，不同色素向下移动的速度不同，从而形成一圈圈不同颜色的色带，使各色素成分得到了分离。他将这种分离方法命名为色谱法(chromatography)。在此后的20多年里，几乎无人问津这一技术。到了1931年，Kuhn 等用同样的方法成功地分离了胡萝卜素和叶黄素，从此色谱法开始为人们所重视，相继出现了各种色谱方法。 俄国植物学家 茨维特

7.1概述>> 7.1.1色谱法的起源和发展 Tswett植物色素分离实验图示： 样 品：植物色素 固定相：CaCO3颗粒 样 品：植物色素 固定相：CaCO3颗粒 流动相：石油醚 流动相 石油醚 混合色素 叶绿素 叶黄素 胡萝卜素 分离组分 色谱柱 固定相 碳酸钙

表7-1 色谱法的发展简史 年代 发明者 发明的色谱方法或重要应用 Tswett 用碳酸钙作吸附剂分离植物色素。最先提出色谱概念。 1906 Tswett 用碳酸钙作吸附剂分离植物色素。最先提出色谱概念。 1931 Kuhn, Lederer 用氧化铝和碳酸钙分离α-,β-,γ-胡萝卜素。色谱法受重视。 1938 Izmailov, Shraiber 最先使用薄层色谱法。 Taylor, Uray 用离子交换色谱法分离了锂和钾的同位素。 1941 Martin, Synge 提出色谱塔板理论；发明液-液分配色谱；预言了气相色谱。 1944 Consden等 发明了纸色谱。 1949 Macllean 在氧化铝中加入淀粉黏合剂制作薄层板使薄层色谱进入实用阶段 1952 Martin, James 从理论和实践方面完善了气-液分配色谱法。(1952诺贝尔奖) 1956 Van Deemter等 提出色谱速率理论，并应用于气相色谱。 1957 基于离子交换色谱的氨基酸分析专用仪器问世。 1958 Golay 发明毛细管柱气相色谱。 1959 Porath, Flodin 发表凝胶过滤色谱的报告。 1964 Moore 发明凝胶渗透色谱。 1965 Giddings 发展了色谱理论，为色谱学的发展奠定了理论基础。 1975 Small 发明了以离子交换剂为固定相、强电解质为流动相，采用抑制型电导检测的新型离子色谱法。 1981 Jorgenson等 创立了毛细管电泳法。

表7-2 色谱法起过关键作用的诺贝尔奖研究工作 年代 获奖学科 获奖研究工作 1937 化学 胡萝卜素化学，维生素A和B 1938 胡萝卜素化学 1939 聚甲烯和高萜烯化学 1950 生理学医学 性激素化学及其分离、肾皮素化学及其分离 1951 超铀元素的发现 1955 脑下腺激素的研究和第一次合成聚肽激素 1958 胰岛素的结构 1961 光合作用时发生的化学反应的确认 1970 关于神经元触处迁移物质的研究 发现糖核苷酸及其在生物合成碳水化合物中的作用 1972 核糖核酸化学酶结构的研究 抗体结构的研究

1906，俄国植物学家 M.Tswett 发明色谱法，色谱之父 1931，对液固吸附色谱的杰出贡献者库恩，分离出60多种胡萝卜素，核黄素、维生素，获1938年诺贝尔化学奖 蒂塞利乌斯(Tiselius)因电泳分析和分析方法的研究，发现血清蛋白组分，获1948年诺贝尔化学奖 1941，马丁(Martin)和辛格(Synge)创始分配色谱特别是纸色谱而共获1952年诺贝尔化学奖 氨基酸自动分析仪发明人S.穆尔(Stanford Moore)和W.H.斯坦(William Howard Stein),定量分析方法解决了有关氨基酸、多肽、蛋白质等复杂的生物化学问题，获1972年诺贝尔化学奖

7.1概述>> 7.1.2色谱法的定义与分类 1. 色谱法的定义 7.1概述>> 7.1.2色谱法的定义与分类 1. 色谱法的定义 色谱法又称色层法或层析法，是一种物理化学分析方法，它利用不同溶质(样品)与固定相和流动相之间的作用力(分配、吸附、离子交换等)的差别，当两相做相对移动时，各溶质在两相间进行多次“平衡”，使各溶质达到相互分离。 固定相：在色谱分离中固定不动，对样品产生保留的一相。 流动相：带动样品向前移动的另一相，与固定相处于平衡状态。

7.1概述>> 7.1.2色谱法的定义与分类 2. 色谱法的分类 根据流动相的状态将色谱法分成四大类。 7.1概述>> 7.1.2色谱法的定义与分类 2. 色谱法的分类 根据流动相的状态将色谱法分成四大类。 表17-3 色谱法以流动相种类的分类 色谱类型 流动相 主要分析对象 气相色谱法 气体 挥发性有机化合物 液相色谱法 液体 溶于水或有机溶剂的各种物质 超临界色谱法 超临界流体 各种有机化合物 电色谱法 缓冲溶液、电场 离子和各种有机化合物

流动相 固定相 类型 液体 固体 液-固色谱 液体 液体 液-液色谱 液相色谱 气体 固体 气-固色谱 气体 液体 气-液色谱 气相色谱 流动相 固定相 类型 液体 固体 液-固色谱 液体 液体 液-液色谱 气体 固体 气-固色谱 气体 液体 气-液色谱 液相色谱 1.按两相分子的聚集状态分类 气相色谱 柱 色 谱 填充柱色谱 毛细管柱色谱 2. 按固定相的固定方式分类 纸色谱 薄层色谱 高分子薄膜色谱 平面色谱 分配色谱： 利用分配系数的不同 吸附色谱： 利用物理吸附性能的差异 离子交换色谱：利用离子交换原理 空间排阻色谱：利用排阻作用力的不同 3. 按分离机制分类

7.2色谱过程与术语 7.2.1色谱过程 7.2.2基本术语

7.2色谱过程与术语>> 7.2.1色谱过程 色谱过程是物质分子在相对运动的两相间分配平衡的过程。在混合物中，若两个组分的分配系数不等，则被流动相携带移动的速率不等，即形成差速迁移而被分离。如图所示。

7.2色谱过程与术语>> 7.2.1色谱过程 色谱过程的实质 流动相 (1)色谱过程是吸附与解析的过程； 样品液 (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。 B A c t 流动相 样品液 色谱柱 固定相 检测器

7.2色谱过程与术语>> 7.2.2基本术语 1.色谱 2.保留值 3.分配系数(K)和容量因子(k) 4.分离参数

7.2色谱过程与术语>> 7.2.2基本术语>>1.色谱 检测色谱分离后组分的响应信号对时间作图得到的曲线称为色谱图。 A E G F H 进样 空气峰 C I D J t B 信号 O 图7-2 色谱流出曲线

7.2色谱过程与术语>> 7.2.2基本术语>>1.色谱 A E G F H 进样 空气峰 C I D J t B 信号 O 名词术语：色谱峰、基线、峰高h、标准偏差σ、峰宽W、半峰宽W1/2、峰面积A； 包含信息：tR；h或A；σ,W1/2,W 。 关系：W=4σ，W1/2=2.355σ，W=1.699W1/2，

7.2色谱过程与术语>> 7.2.2基本术语>>2.保留值

7.2色谱过程与术语>> 7.2.2基本术语>>2.保留值 例如求乙酸正丁酯在柱温为100℃的阿皮松L柱上的保留指数. 正庚烷(C7)：tR(Z)＝174.0mm，lg174.0＝2.2406； 　 乙酸正丁酯：tR(x)＝310.0mm，lg310.0＝2.4914； 　 正辛烷(C8)： tR(Z+1)＝373.4 mm，lg373.4＝2.5722。 　 代入公式，求得I＝775.6，说明乙酸正丁酯在柱上的保留行为相当于7.756个碳原子正构烷烃的保留行为。 0 174 310 373.4 t(mm) Vm 进样 C7 未知 C8

7.2色谱过程与术语>> 7.2.2基本术语>>3.分配系数(K)和容量因子(k) ⑴ 分配系数(K)：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(K)。 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。

7.2色谱过程与术语>> 7.2.2基本术语>>3.分配系数(K)和容量因子(k) ⑵ 容量因子(k) ：在平衡状态下，组分在固定相(s)与流动相(m)中的质量之比，称为容量因子。色谱柱的容量因子是溶质分子与色谱柱填料相互作用强度的直接量度，由下式定义： 　

7.2色谱过程与术语>> 7.2.2基本术语>>4.分离参数 ⑴ 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。 ⑵ 分离度 (Rs)：相邻两个组分的色谱峰，其保留时间差与两峰峰底宽平均值之商。

7.2色谱过程与术语>> 7.2.2基本术语>>4.分离参数 色谱分析的目的就是要将混合物中的各组分分离，为了获得较好的准确度，一般规定两相邻峰的分离度 Rs≥1.5时，可认为两组分完全分离。

7.2色谱过程与术语>> 7.2.2基本术语>>例题17-1 一个气相色谱柱，由固定液的涂量及固定液在柱温下的密度计算得Vs＝14.1mL，载气流速为43.75mL/min。分离一个含A、B、C三组分的样品，测得组分保留时间分别为1.41min、2.67min、4.18min、空气为0.24min。试计算：⑴死体积；⑵各组分的调整保留时间；⑶相邻两组分的分离因子。 解：已知Fc＝ 43.75mL/min，死时间t0＝0.24min。

7.3色谱分离的基本理论 7.3.1 分配系数与保留行为的关系 7.3.2 等温线 7.3.3 塔板理论 7.3.4 速率理论 7.3.5 影响分离度的因素

7.3色谱分离的基本理论>> 7.3.1分配系数与保留行为的关系 推导色谱过程方程： Vs固定相的体积 Vm流动相的体积 K↑,tR↑,组分后出柱 K＝0， 组分不保留 K→∞,组分完全保留 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。

7.3色谱分离的基本理论>> 7.3.2等温线 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。 a K=cs/cm b c cs cm tR b前延峰 a正常峰 c拖尾峰

7.3色谱分离的基本理论>> 7.3.2等温线 对称因子： 完全对称：fs=1.00 对称峰：fs=0.95~1.05 前沿峰：fs＜0.95 拖尾峰：fs＞1.05 Wh/2 h 0.05h W0.05h A B 图7-5 对称因子的计算

7.3色谱分离的基本理论>> 7.3.3塔板理论 1.塔板理论的基本假设 2.塔板理论的计算公式 3.塔板理论的优点和局限

7.3色谱分离的基本理论>> 7.3.3塔板理论>>1.塔板理论的基本假设 色谱柱是由一系列连续、等距的水平塔组成，在柱内每层塔板内部，组分能够在流动相和固定相两相中达到平衡。 流动相通过色谱柱呈间歇式前进运动，每次前进为一个塔板体积。 样品和流动相同时加在第一个塔板上，且样品垂直于前进方向的扩散(即纵向扩散)可以忽略。 分配系数在各塔板上是常数。

7.3色谱分离的基本理论>> 7.3.3塔板理论>>1.塔板理论的基本假设 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。

7.3色谱分离的基本理论>> 7.3.3塔板理论>>1.塔板理论的计算公式 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。

7.3色谱分离的基本理论>> 7.3.3塔板理论>>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。 这些问题，在速率理论中得到了圆满的解决。

7.3色谱分离的基本理论>> 7.3.4速率理论 为了克服塔板理论的缺陷，Van Deemter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。 引起谱带展宽的主要因素有：⑴涡流扩散；⑵纵向扩散；⑶传质阻力。这些因素都统一于Van Deemter方程中。

7.3色谱分离的基本理论>> 7.3.4速率理论 Van Deemter方程 图17-6 范氏方程中各项对板高的贡献 符号 名 称 单位 H 塔板高度 cm A 涡流扩散项 B 纵向扩散系数 cm2·s-1 C 传质阻力系数 s u 载气线流速 cm·s-1

Van Deemter方程方程中各项的意义 符号 名称 关系式 备 注 A 涡流扩散项 (多路径项) A=2λdp dp：固定相颗粒平均直径；λ：涡流扩散因子，与填充的均匀性有关 B/u 纵向扩散项 (分子扩散项) B=2rDg r ：曲折因子，反映固定相颗粒的空间结构。填充柱r＝0.5-0.7,空心柱r＝1；Dg ：组分分子在载气中的扩散系数 Cgu 气 相 传质阻力项 k′：容量因子 Clu 液 相 df ：固定液液膜厚度， Cl： 组分在固定液中的扩散系数

7.3色谱分离的基本理论>> 7.3.4速率理论>>引起谱带展宽的主要因素 引起谱带展宽的主要因素 (1)涡流扩散 (2)纵向扩散 (3)传质阻力

7.3色谱分离的基本理论>> 7.3.4速率理论>>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  A B C 柱管壁 固定相 组分移行轨迹 初始带宽 谱带展宽 流动相方向

7.3色谱分离的基本理论>> 7.3.4速率理论>>引起谱带展宽的主要因素 (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： 纵向扩散引起的色谱峰展宽示意图 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。

7.3色谱分离的基本理论>> 7.3.4速率理论>>引起谱带展宽的主要因素 (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：

7.3色谱分离的基本理论>> 7.3.4速率理论>>引起谱带展宽的主要因素 (3) 传质阻力引起的扩散 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：

7.3色谱分离的基本理论>> 7.3.4速率理论 结论： Van Deemter方程说明了色谱柱填充均匀程度、载体的性质与粒度、载气种类与流速、固定液层厚、柱温等对柱效的影响，对分离条件具有指导意义。 Golay方程(空心柱气相色谱) Giddings方程(液相色谱)

7.3色谱分离的基本理论>> 7.3.5影响分离度的因素>>

7.3色谱分离的基本理论>> 7.3.5影响分离度的因素>> A B 原始 状态 增加 k n 增加α 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

7.4基本类型色谱法的分离机制 7.4.1吸附色谱法 7.4.2分配色谱法 7.4.3离子交换色谱法 7.4.4空间排阻色谱法

7.4基本类型色谱法的分离机制>> 7.4.1吸附色谱法 吸附色谱法利用固体吸附剂作为固定相，最常用的固定相是硅胶。它利用被分离组分对固定相表面活性中心吸附能力的差别而实现分离。 吸附平衡： 常数

7.4基本类型色谱法的分离机制>> 7.4.1吸附色谱法 图7－10 吸附色谱示意图 X.溶质分子 Y.流动相分子 a. 吸附剂 m.流动相 分离机制：各组分与流动相分子争夺吸附剂表面活性中心，利用吸附剂对不同组分的吸附能力差异而实现分离。 过程：吸附→解吸→再吸附→再解吸→无数次洗脱→分离

7.4基本类型色谱法的分离机制>> 7.4.2分配色谱法 要求：固定相→机械吸附在惰性载体上的液体；流动相→必须与固定相不为互溶；载体→惰性，性质稳定，不与固定相和流动相发生化学反应。分离机制：见图示 狭义分配系数 注：K与组分的性质、流动相的性质、固定相的性质以及柱温有关。

7.4基本类型色谱法的分离机制>> 7.4.2分配色谱法 图7-11 分配色谱示意图 Xm流动相中游离的组分分子 Xs固定相中溶解的组分分子 分离机制：利用组分在流动相和固定相间溶解度差别实现分离。分配色谱的固定相为液体，如GLC和LLC都属于分配色谱。

7.4基本类型色谱法的分离机制>> 7.4.3离子交换色谱法 要求：固定相→离子交换树脂；流动相→水为溶剂的缓冲溶液；被分离组分：离子型的有机物或无机物。 分离机制见图示，阳离子交换树脂交换平衡： 选择性系数 注：Ks与离子的电荷数、水合离子半径、流动相质、离子交换树脂性质以及温度有关。

7.4基本类型色谱法的分离机制>> 7.4.3离子交换色谱法 m 2 1 R 图7－12 阳离子交换色谱示意图 1.固定离子；2.可交换离子 R.树脂骨架；m.流动相 分离机制：依据被测组分与离子交换剂交换能力(亲和力)不同而实现分离。

7.4基本类型色谱法的分离机制>> 7.4.4空间排阻色谱法 要求：固定相→多孔性凝胶； 流动相是水→凝胶过滤色谱； 流动相是有机溶剂→凝胶渗透色谱。 分离机制：见图示 渗透系数 注：Kp仅取决于待测分子尺寸和凝胶孔径大小，与流动相的性质无关。

7.4基本类型色谱法的分离机制>> 7.4.4空间排阻色谱法 图7－13 凝胶色谱分离示意图 Ge.凝胶； m.流动相 分离机制：利用被测组分分子大小不同、在固定相上选择性渗透实现分离。

7.4基本类型色谱法的分离机制>>结论 四种色谱的分离机制各不相同，分别形成：吸附平衡、分配平衡、离子交换平衡和渗透平衡。 K分别为吸附系数，狭义分配系数，选择性系数和渗透系数。 除了凝胶色谱法中的K仅与待测分子大小尺寸、凝胶孔径大小有关外，其他三种K值都受组分的性质、流动相的性质、固定相的性质以及柱温的影响。

7.5 色谱法的发展趋势 7.5.1新型固定相和检测器的研究 7.5.2色谱新技术的研究 7.5.3联用技术

课后作业 思考题1～8、10，为复习题。 习题1、2、3、4，思考题9(一版11)。