分析化学第11章色谱法.ppt

色谱分析法,华东理工大学分析化学教研组,一.色谱法的发现,俄国植物学家茨维特在1901年用于分离植物叶绿素的装置,1.概述,碳酸钙,石油醚,植物色素,色谱分析基于物质的物理性质进行分离和分析的方法。,色谱法是一种分离方法，其特点为存在两相,流动相携带试样混合物流过固定相的流体（气体或液体),固定相固定不动的一相,将色谱法用于分析中，称为色谱分析,碳酸钙,石油醚,1.概述,样品混合物中各组分性质和结构的差异，与固定相发生作用的大小也有差异,二、色谱法分离基本原理,1.概述,碳酸钙,石油醚,流动相+样品混合物,固定相,产生相互的作用,不同组分在固定相中的滞留时间不同，按先后次序从固定相中流出实现分离。,三.色谱法的分类,1.概述,按流动相状态的不同，可分为:,气相色谱法(GC)液相色谱法(LC)超临界流体色谱(SFC),以气体为流动相的色谱法，简称GC（Gas Chromatography）,应用范围：用于分离分析易汽化（在-190 500范围内有0.210mmHg的蒸气压）、热稳定、不易分解、不易反应的样品，特别适合用于同系物、同分异构体的分离。,气固色谱(GSC)气液色谱(GLC),按固定相状态分为,1.概述,1.气相色谱法,2.液相色谱法,以液体为流动相的色谱法，简称LC（Liquid Chromatography）。,应用范围：用于分离分析高沸点、热不稳定、离子型的样品。,1.概述,四.色谱分析仪器基本流程,气相色谱仪,1.概述,液相色谱仪,1.概述,流动相携带进样装置引入的混合试样进入色谱柱混合试样在色谱柱中进行分离各组分依次进入检测器检测检测响应信号导入计算机得到色谱图根据色谱图参数进行定性定量分析,流动相,进样装置,色谱柱,检测器,数据记录与处理,样品,色谱分析仪器基本流程,1.概述,五.色谱法的特点:,优点：,分离效能高,选择性好,灵敏度高,分析速度快,应用广泛,不足之处：,定性能力不强,分离，分析双重功能,1.概述,关于色谱峰 关于保留值 关于峰宽度 关于色谱曲线的意义,一、色谱相关术语,2、色谱法基本理论,1.关于色谱峰的术语,色谱峰,峰高,基线,峰宽,半峰宽,峰面积,标准偏差,2、色谱法基本理论,(1)色谱流出曲线,组分浓度（或电信号）随时间的变化曲线,(2)基线,只有流动相经过检测器时，所产生的信号，反映实验条件的稳定情况。稳定时为直线。,E,正态分布 定性、定量 分离效果显示,基线,2、色谱法基本理论,2.关于保留值的术语,（1）用时间表示的保留值,tR保留时间：进样柱后出现Cmax值时所需时间,tM死时间:,不与固定相作用的组分的保留时间,t R 调整保留时间:,t R=tR-tM,进样,空气峰,（2）用体积表示的保留值,VR保留体积:,VR=tRqv,0,V R调整保留体积:VR=VR-VM,VM死体积：VM=tMqv,0,进样,空气峰,qv,0为柱出口处的载气流速,mLmin-1,（3）相对保留值 r21,r21 同种固定液对难分离物质对的选择性度量,在气相色谱中，r21的大小仅与固定相种类和柱温有关。在液相色谱中，r21与固定相、流动相及柱温有关。r21是色谱定性的重要参数，实验室之间可通用。,r21 越大，两组分分离越容易,2、色谱法基本理论,3.关于色谱峰区域宽度的术语,（1）标准偏差（）：0.607h处峰宽的一半,反映分离条件的好坏，衡量柱效率,（2）半峰宽（Wh/2）：峰高1/2处的峰宽,A,B,W=4,Wh/2=,2、色谱法基本理论,（3）峰底宽度（W）：自色谱峰两侧的转折点所作 切线在基线上的截距,4.色谱曲线的意义 色谱峰数=样品中单组分的最少个数；色谱保留值定性依据；色谱峰高或面积定量依据；色谱保留值或区域宽度色谱柱分离效能评价指标；色谱峰间距固定相或流动相选择是否合适的依据。,2、色谱法基本理论,2、色谱法基本理论,二.色谱分离的定量指标分离度,色谱分离的效果：,分离度R,上式既反映峰间距也反映峰宽的情况，利用此式，可直接从色谱流出曲线上求出R。,2、色谱法基本理论,定义：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。,理论上证明:对于峰形对称的色谱峰,R=1，分离程度可达98%,R=1.5，分离程度可达99.7%,R=0.75，不完全分离,R=1.5 通常用作是否分开的判据,2、色谱法基本理论,要改善物质对的分离（提高R），即提高两相邻物质的分离度，增大r21 是最有效的手段。,2、色谱法基本理论,在气相色谱中，增大r21最有效的手段是改变固定相，选择合适的固定相种类是解决分离问题的关键。在高效液相色谱中，流动相的种类和配比是改善分离最简便有效的方法。,改变柱温也可改变r21。,三、色谱定性定量方法,1.定性分析,(1)利用保留值定性,利用加入法定性：在试样中加入待测组分的纯物质，观察组分色谱峰高的相对变化情况。,各物质在一定的色谱条件下均有确定不变的保留值，故可作为定性指标。利用纯物质对照定性 利用文献值对照定性（很少用）,2、色谱法基本理论,应用范围：适用于简单混合物，对该样品已有了解并具有纯物质的情况。优点：应用简便，不需要其他仪器。缺点：定性结果的可信度不高。提高可信度的方法：双柱、双体系定性,2、色谱法基本理论,(2)与其他方法结合定性,2、色谱法基本理论,混合物经色谱分离后，将各组分直接由接口导入其它仪器中进行定性。常用的联用方法有：GC-MS、GC-FTIR、LC-MS 使用范围：复杂样品的定性。优点：不需要标准物，定性结果可信度 高，操作方便。缺点：需要特殊仪器或设备。,2.定量分析的方法,(1)定量依据:,(2)定量步骤:,A)峰面积(Ai)的测定和计算,B)定量校正因子测量与计算,C)选择合适的方法计算组分含量,mi=fi.Ai,在一定色谱条件下，被测物质的量与峰面积成正比。,定量校正因子,2、色谱法基本理论,A）各种峰面积的测量方法,峰高半峰宽Ai=1.065hY1/2,简单快速,峰形不对称时，误差较大,峰高平均峰宽Ai=1/2(Y0.15+Y0.85)h,结果正确,测量麻烦,峰高保留时间Ai=hY1/2=h b tR,结果较正确,适用于同系物分析.,用自动积分仪和色谱工作站,快速,简便定量准确,2、色谱法基本理论,B）定量校正因子的测量与计算,绝对定量校正因子（fi）,指单位峰面积相当的物质量,相对定量校正因子（fi）,下标 s：标准物下标 i：被测物,ms 和 mi 准确称取的量（已知）,As 和 Ai 色谱图上测得的值,2、色谱法基本理论,C）计算组分含量的几种方法,归一化法,适用条件：,试样中各组分全部出峰,计算公式：,评价：,2、色谱法基本理论,适用条件：,用于测定试样中个别组分,具体方法：选用一定量的纯物质作内标（内标物要求试样中不存在的，ms mi，内标物的峰应位于被测组分峰之间或邻近位置。）,计算公式：,评价：,不需要测校正因子，定量准确，使用无限制。不适应于快速控制分析,2、色谱法基本理论,内标法,适用条件：,大批量试样的快速分析,具体方法：,取被测试样的纯物质，制成一系列不同浓度的标准系列，测得相应的峰面积，作AiCi%的工作曲线图。在相同条件下，测定试样Ai，由图查出相应的Ci%。,计算公式：,评价：,不使用校正因子，准确度高。对进样量的准确性要求高。,2、色谱法基本理论,外标法,一、气相色谱仪的流程,气路,色谱柱,进样,检测器,数据记录与处理,3、气相色谱法,1.载气系统:,形成干净、有恒定压力和流速的载气流，包括气源、气体净化、气体流速控制和测 量,2.进样系统:,进样器和汽化室，汽化室可控制温度为20400,3.色谱柱:,完成样品的分离，包括柱箱、恒温控制装置,4.检测器:,将浓度或质量信号 电信号，包括检测器，控温装置,5.记录系统:,将电信号放大,记录出色谱图,经数据处理得出结果，现用色谱工作站,3、气相色谱法,气路,色谱柱,进样,检测器,数据记录与处理,二.分离原理,3、气相色谱法,气相色谱分离过程是在色谱柱内完成的。,1.分离原理,各组分性质和结构的差异，与固定相的作用力不同，使其保留时间不同。,气固色谱吸附能力不同而分离，与固定相作用力大，脱附难，随载气推进慢，后离柱，tR大。,气液色谱溶解能力不同而分离，与固定相作用力大，挥发难，随载气推进慢，后离柱，tR大。,3、气相色谱法,2.分配系数 K：,定义：,试样在固定相和流动相中分配达到平衡时,特征：,T，固定相确定，不同物质的 K值不同。,K小 Cl 随载气移动快，tR 小，先出峰,3、气相色谱法,不同组分能够分离的先决条件是其分配系数不等。两组分分配系数相差越大，两峰分离的就越好。,总结:,气相色谱分离的基本原理包括两个方面,色谱过程的热力学因素,与试样组分在两相中的分配情况、试样本性及固定相有关。,色谱过程的动力学因素,与试样在两相中的质量交换情况有关,气相色谱的分离原理：不同物质在两相间具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，试样中的各组分在两相中进行反复多次的分配，使原来分配系数只有微小差异的各组分彼此分离开来。,3、气相色谱法,三.气相色谱固定相及其选择,有活性的多孔固体,支持物(担体)+固定液,1.气-固色谱活性多孔固体,固体吸附剂 硅胶、氧化铝、碳质、分子筛等,高分子聚合物 以二乙烯基苯为单体交联聚合 而成的小球,3、气相色谱法,2.气-液色谱担体+固定液,提供一个大的惰性表面，承载固定液。,3）热稳定性好，有一定的机械强度,1）多孔性，表面积大，颗粒及孔径均匀,2）表面化学惰性，无吸附和催化性能,非硅藻土型担体,硅藻土型担体,红担体（天然硅藻土）,白担体（天然硅藻土+CaCO3）,3、气相色谱法,担体,固定液：,(1)要求,操作温度下，呈液态，粘度低；,挥发性小，热稳定性高；,能牢固地吸附在担体表面，形成均匀和结构稳定的薄层；,化学稳定性好，对组分有适当的溶解能力，并具有高选择性。,一般是高沸点有机物,3、气相色谱法,3、气相色谱法,(2)固定液分类及其应用,(3)固定液的极性,固定液的极性大小，关系到各组分在其的溶解能力。,极性的表示方式：,一般用相对极性（P）表示固定液的极性大小,3、气相色谱法,(4)固定液的选择,“相似相溶”的原则,非极性固定液,按沸点由低至高出峰,极性固定液,按极性由小至大出峰,中等极性固定液,先非极性，后极性出峰,氢键型固定液,按氢键由弱至强出峰,特殊固定液,3、气相色谱法,3、气相色谱法,四.气相色谱检测器,检测器是将色谱柱后流出组分的含量转化为相应的电信号的一种装置。,1.热导检测器（TCD）,(1)特点 结构简单，通用型检测器，灵敏度低(2)结构,热丝,3、气相色谱法,3、气相色谱法,(3)检测原理 基于不同的物质具有不同的热导系数(4)操作条件的选择,3、气相色谱法,桥流：桥流越大，灵敏度越高，但不能太大，否则热丝会烧断载气种类：使用热导系数大的氢气、氦气作载气时灵敏度高温度：大于或等于柱温,3、气相色谱法,2.氢火焰离子化检测器（FID）,(1)特点 结构简单，选择性检测器，对有机物响应，灵敏度高(2)结构,3、气相色谱法,(3)原理 蒸气分子受激发后被离子化，在电场作用下定向运动形成离子流，然后进行放大和记录。(4)操作条件的选择气体流量 载气:氢气:空气=1:1:10气体纯度：要求高使用温度：大于80,3、气相色谱法,1.载气的选择,考虑,检测器的要求,载气本身的性质,五.操作条件选择,考虑安全性，经济性，易获得,3、气相色谱法,2.柱温的选择,直接影响分离效能和分析速度,柱温，被测定组分挥发度，K，tR，分离度，峰易重叠。,柱温，分离度，分析时间，但峰宽。,3、气相色谱法,柱温选择的原则：在使最难分离的组分能尽可能好的分离前提下，尽可能采取较低的柱温，以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。柱温不能高于固定液的沸点，否则挥发流失。,tc=45,tc=120,30,80,120,180,程序升温1.丙烷2.丁烷3.戊烷4.己烷5.庚烷6.辛烷7.溴仿8.间氯甲苯9.间溴甲苯,复杂组分可采用程序升温,在 T固定液最高使用温度的前提下，采取较低柱温，以满足最难分离组分得较好分离，峰形不拖尾为度。,一般比柱温高3070,汽化温度高为好,但须低于试样分解温度。,3.汽化温度的选择,4.色谱柱长的选择,填充柱13m，内径d=34mm,3、气相色谱法,5.进样量,液样（0.110L），气样（0.210mL）,要求动作快、时间短。,3、气相色谱法,六.毛细管气相色谱法,（1）分离效率高：比填充柱高10100倍；（2）分析速度快：比填充柱色谱分析速度快；（3）色谱峰窄、峰形对称。较多采用程序升温；（4）灵敏度高，一般采用死体积小，灵敏度高的检测器，如FID；,1.特点,2.与填充柱气相色谱系统的区别,3、气相色谱法,(1)无填料、阻力小，长可达百米，管径0.2 mm。(2)柱容量小，允许进样量小。(3)总柱效高，分离复杂混合物的能力大为提高。(4)操作条件严格，要求柱外死体积小。(5)在仪器结构上增加了尾吹和分流。,一、概述,4、高效液相色谱法,1.高效液相色谱与气相色谱的比较,2.高效液相色谱法的特点,高压：用高压泵使流动液能迅速通过色谱柱高效：与单位长度气相柱效能比高十多倍高灵敏度：最小检测量可达10-9 g，甚至10-11 g高速：配备高压输液设备，流速达1ml/min。应用范围广泛：可分析80%有机化合物,“四高”“一广”,4、高效液相色谱法,可用于高沸点的、不能气化的、热不稳定的以及具有生理活性物质的分析,二.高效液相色谱仪,高压输液系统,进样系统,分离系统,检测系统,4、高效液相色谱法,1.高压输液系统,由储液罐高压输液泵过滤器压力脉动阻力器等组成。,高压输液泵,恒流泵：输出流量保持恒定,恒压泵：输出压力恒定,目前恒流泵正逐渐取代恒压泵。恒流泵又称机械泵，它又分机械注射泵和机械往复泵两种，应用最多的是机械往复泵。,高压输液泵要求：密封性好，输出流量恒定，压力平稳，可调范围宽，耐腐蚀等。,4、高效液相色谱法,2进样系统,流路中为高压力工作状态，通常使用耐高压的六通阀进样装置，,4、高效液相色谱法,进样阀,3.分离系统色谱柱,色谱柱是液相色谱的心脏部件,色谱柱,柱管：固定相：,不锈钢、铝、铜等柱长530cm，内径为45mm,常用分离柱：柱体为直型不锈钢管,4、高效液相色谱法,4检测系统,检测器,仅对被分离组分的物理或化学特性有响应，如紫外、荧光、电化学检测器等,对试样和洗脱液总的物理或化学性质有响应。如示差折光，电导检测器等。,4、高效液相色谱法,表.液相色谱常用检测器的一般性质,4、高效液相色谱法,1.紫外检测器,(2)优点：是高效液相色谱仪的标准配置,应用最广，对大部分有机化合物有响应。灵敏度高，可检测10-9gmL-1的物质线性范围宽，104105对温度及流动相的流速改变不敏感适合梯度洗提,4、高效液相色谱法,(1)原理：朗伯比尔定律。,固定波长的紫外检测器可变波长的紫外检测器二极管阵列检测器,(3)紫外检测器分类,4、高效液相色谱法,(A)固定波长的紫外检测器,4、高效液相色谱法,(B)可变波长的紫外检测器,4、高效液相色谱法,(C)光电二极管阵列检测器,一系列光电二极管，一个二极管对应接受光谱上约1nm谱带宽的单色光，各检测特定波长，计算机快速处理，三维立体谱图。,4、高效液相色谱法,2.差示折光检测器,4、高效液相色谱法,(1)原理：通过连续检测参比池和样品池中流动相之间的折射率之差值来测定样品浓度（折射率差值与浓度呈正比）。,(2)特点：通用型检测器（物质具有折射率）灵敏度低、对温度敏感、不能用于梯度洗脱。,(3)结构：偏转式、反射式和干涉型三种,4、高效液相色谱法,示差折光检测器,4、高效液相色谱法,(1)原理：根据物质在某些介质中电离后产生电导变化来测定电离物质的含量。,(2)特点：广泛用于离子色谱仪中。应用于能电离成离子物质的检测。响应受温度影响较大。,(3)结构：由一对平行的铂电极（表面镀铂黑以增加表面积）和池体构成电导检测池，两电极构成电桥的一个测量臂。,3.电导检测器,4、高效液相色谱法,(4)响应特性：选择性检测器，对离子型化合物有响应灵敏度高受温度的影响不能梯度洗提,三.HPLC主要分离类型及其原理,化学键合相色谱法 液固色谱法 离子交换色谱法 体积排阻色谱法,4、高效液相色谱法,利用化学反应将固定液的官能团键合在载体表面形成固定相的色谱法。,特点 1）固定相不易流失，使用周期长 2）固定相的稳定性好，化学性能好 3）柱效高；重现性好；4）载样量大 5）适于梯度洗脱,4、高效液相色谱法,1.化学键合相色谱法,4、高效液相色谱法,根据化学键合相与流动相极性的相对强弱,(1)正相键合相色谱法：固定相：极性键合相，如氰基（CN）流动相：非极性或弱极性溶剂，如烷烃适用范围：分离油溶性或水溶性的极性或 强极性化合物分离原理：分配+吸附分离选择性：极性强的组分,后洗脱出柱。流动相的极性增强，洗脱能力增加，使组分tR 减小。,(2)反相键合相色谱法：固定相：非极性键合相，如C8柱，C18柱流动相：极性溶剂，甲醇-水、乙腈-水等适用范围：分离非极性、极性和离子性化合物分离选择性：极性强的组分先洗脱出柱。,正相与反相的出峰顺序相反,4、高效液相色谱法,(3)固定相,4、高效液相色谱法,固定相应符合下列要求：颗粒细且均匀；传质快；机械强度高，能耐高压；化学稳定性好，不与流动相发生化学反应。,4、高效液相色谱法,键合固定相类型 非极性键合相：非极性烃如C18,C8与苯基等键合在硅胶表面 用于反相色谱；弱极性键合相：醚基和二羟基等键合相 用于反相或正相色谱 极性键合相：常用氨基氰基键合相键合硅胶 一般用于正相色谱,(4)流动相,4、高效液相色谱法,要求与固定相不发生化学反应对试样有适宜的溶解度与使用的检测器要有相容性纯度高，粘度小，沸点不能太低，价格便宜,流动相的强度和选择性溶剂的极性（强度）正相色谱：溶剂极性越强，洗脱能力越强 反相色谱：极性弱的溶剂洗脱能力强 溶剂的选择性不同种类的溶剂，分子间的作用力不同，故选择性不同 混合溶剂（二元或多元流动相）,4、高效液相色谱法,溶剂的种类 正相：正己烷、正庚烷、乙醚、二氯甲烷、氯仿等，己烷为主体，加入质子接受体乙醚或甲基叔丁基醚，质子给予体氯仿，偶极溶剂二氯甲烷 反相：水、甲醇、乙腈、四氢呋喃、乙醇及其混合物等，以水为主体，加入质子接受体甲醇，质子给予体乙腈，偶剂溶剂四氢呋喃。,4、高效液相色谱法,4、高效液相色谱法,2.液固色谱法,(1)分离原理 以固体吸附剂为固定相、液体为流动相的液相色谱法。,由于溶质分子和流动相分子在吸附剂表面的吸附活性中心上进行竞争吸附，这种竞争吸附形成不同溶质在吸附剂表面的吸附、解吸平衡。平衡常数的不同导致不同溶质得以分离。,4、高效液相色谱法,非极性固定相：活性炭、高分子多孔微球、碳多孔微球等 原理：吸附+分配，蒹小孔凝胶作用 特点：柱选择性好，峰形好，柱效低 适用：分离弱极性化合物,（2）固定相,极性固定相：硅胶、氧化镁、氧化铝等 原理：吸附 特点：峰易拖尾 适用：分离极性化合物,4、高效液相色谱法,硅胶为固定相时：以弱极性的正构烷烃为主体，加入二氯甲烷等中等极性溶剂调节合适的洗脱强度。可用水对硅胶进行减活处理，或加入四氢呋喃、乙腈、甲醇、异丙醇等改性剂,（3）流动相,4、高效液相色谱法,(4)应用,中等分子量的油溶性样品如油品、脂肪、芳烃等不同极性取代基的化合物结构异构体和几何异构体混合物的分离,4、高效液相色谱法,3.离子交换色谱法和离子色谱法,4、高效液相色谱法,(1）分离机理试样离子与离子交换树脂上的离子发生反应：阳离子交换：R-SO3-H+M+=R-SO3-M+H+阴离子交换：R-NR3+Cl-+X-=R-NR3+X-+Cl-不同的离子与树脂离子的交换能力（亲和能力）不同，亲和力越大，离子越难洗脱，从而得以分离。,（2）固定相 离子交换树脂，根据功能基分为 强酸型（磺酸基团）强碱型（季铵基）弱酸型（羧酸）弱碱型（伯、仲、叔胺）,4、高效液相色谱法,（3）流动相 双柱抑制型：分离阳离子，一般采用无机酸如HCl，HNO3等；分离阴离子，一般采用NaOH、NaHCO3/NaCO3。单柱非抑制型：分离阳离子，用低浓度的HCl，HNO3等；分离阴离子，可用苯甲酸及其盐、酒石酸、柠檬酸等,4、高效液相色谱法,（4）应用,分析无机阴离子的首选方法还可用于分析无机阳离子，有机酸、碱，糖类、蛋白质等。,4、高效液相色谱法,4.体积排阻色谱法（SEC）,小分子扩散到凝胶空隙中，出峰最慢；中等分子通过部分凝胶空隙，中速通过；大分子被排斥在外，出峰最快；溶剂分子小，最后出峰。,4、高效液相色谱法,(1)分离原理以多孔凝胶为固定相，利用凝胶的孔径，使样品中不同分子大小的组分得以分离。可分离相对分子质量在100-105范围内的化合物，分离分子大小差要大于10%。,分离原理示意图,4、高效液相色谱法,4、高效液相色谱法,使用水溶液的凝胶过滤色谱法（GFC），主要用于分析多肽、蛋白质、核酸、多糖等。使用有机溶剂的凝胶渗透色谱法(GPC)，主要用于高聚物（如聚乙烯、聚氯乙烯等）分子量的测定,(2)分类,（3）固定相,软质凝胶：如交联葡聚糖等，水相分离生化体系，适于低、中压操作半刚性凝胶：较高交联度的苯乙烯、二乙烯苯共聚物，有机相洗脱，可承受10Mpa的压力硬质凝胶：高交联度苯乙烯、二乙烯苯共聚物：凝胶渗透色谱法多孔球形硅胶：凝胶过滤色谱法、凝胶渗透色谱法羟基化聚醚多孔微球：凝胶过滤色谱法,4、高效液相色谱法,（4）流动相,改善分离主要通过固定相来实现。流动相的选择原则是：溶解样品、与凝胶浸润、与检测器匹配、粘度小。如四氢呋喃；缓冲溶液,4、高效液相色谱法,（5）应用,大分子的分离分析聚合物分子量分布的测定,4、高效液相色谱法,