【正文】 色譜概述和色譜理論基礎(chǔ) 石油化工科學(xué)研究院 ?色譜法歷史 ?色譜法分類 ?色譜有關(guān)術(shù)語(yǔ) ?色譜基本理論 ?氣相色譜流程 色譜法的歷史 ?色譜法的歷史 1903年， Tswett 發(fā)表了吸附色譜分離植物色素的論文，并于 1906年正式提出色譜法。 1931年， Ledeer的工作，色譜技術(shù)受到重視。 1938年 ,Izomailov 和 Shraiber 薄層色譜， 同年， Taylor和 Uray用離子交換色譜分離了鋰和鉀同位素 1944年，美國(guó)橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室和衣阿華州大學(xué)分離和鑒定了稀土元素。 1941年， Martin和 Synge發(fā)展了分配色譜。 色譜法的歷史 1944年， Martin發(fā)展了紙色譜 1952年， Martin和 James發(fā)展了氣 液分配色譜，氣相色譜問(wèn)世。 1956年， Van Deemter等發(fā)表了速率理論。 1957年，制作了離子色譜交換氨基酸分析儀。 1959年，凝膠過(guò)濾色譜。 Giddings 于 1963年奠定色譜理論。 1969年，現(xiàn)代液相色譜， 1975年，離子色譜法。 1981年，毛細(xì)管電泳。 色譜法分類 ?按兩相狀態(tài)分類 氣體為流動(dòng)相的色譜稱為氣相色譜（ GC），根據(jù)固定相是固體吸附劑還是固定液（附著在惰性載體上的一薄層有機(jī)化合物液體），又可分為氣固色譜（ GS C）和氣液色譜（ GLC）．液體為流動(dòng)相的色譜稱液相色譜（ LC）。同理，液相色譜亦可分為液固色譜（ LSC）和液液色譜（ LLC）．超臨界流體為流動(dòng)相的色譜稱為超臨界流體色譜（ SFC）。 色譜法分類 ?按分離機(jī)理分類 利用組分在吸附劑（固定相）上的吸附能力強(qiáng)弱不同而得以分離的方法，稱為 吸附色譜法 。利用組分在固定液（固定相）中溶解度不同而達(dá)到分離的方法稱為 分配色譜法 。利用組分在離子交換劑（固定相）上的親和力大小不同而達(dá)到分離的方法，稱為 離子交換色譜法 。利用大小不同的分子在多孔固定相中的選擇滲透而達(dá)到分離的方法，稱為 凝膠色譜法 或 尺寸 排阻色譜法 。 色譜法分類 最近，又有一種新分離技術(shù)，利用不同組分與固定相（固定化分子）的高專屬性親和力不同進(jìn)行分離的技術(shù)稱為 親和色譜法 ，常用于蛋白質(zhì)的分離 ?按固定相的外形分類 固定相裝于柱內(nèi)的色譜法，稱為 柱色譜 。固定相呈平板狀的色譜法，稱為平板色譜 ，它又可分為 薄層色譜 和 紙色譜 。 色譜有關(guān)術(shù)語(yǔ) 色譜有關(guān)術(shù)語(yǔ) ?基線 是柱中僅有流動(dòng)相通過(guò)時(shí)，檢測(cè)器響應(yīng)信號(hào)的記錄值，穩(wěn)定的基線應(yīng)該是一條水平直線。 ?保留值 tR 試樣從進(jìn)樣開(kāi)始到柱后出現(xiàn)峰極大點(diǎn)時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，稱為保留時(shí)間。 tM 不被固定相吸附或溶解的物質(zhì)進(jìn)入色譜柱時(shí)，從進(jìn)樣到出現(xiàn)峰極大值所需的時(shí)間稱為死時(shí)間。 色譜有關(guān)術(shù)語(yǔ) 3．調(diào)整保留時(shí)間 tR′ 某組份的保留時(shí)間扣除死時(shí)間后稱為該組份的 調(diào)整保留時(shí)間 ，即 tR′ = tRtM 組分在色譜柱中的保留時(shí)間 tR包含了組分隨流動(dòng)相通過(guò)柱子所需的時(shí)間和組分在固定相中滯留所需的時(shí)間。 保留時(shí)間可用時(shí)間單位（ s）或距離單位（ cm）表示。 色譜有關(guān)術(shù)語(yǔ) 注意：但同一組分的保留時(shí)間常受到流動(dòng)相流速的影響，因此有時(shí)用保留體積等參數(shù)進(jìn)行定性。 4．保留體積 VR 指從進(jìn)樣開(kāi)始到被測(cè)組份在柱后出現(xiàn)濃度極大點(diǎn)時(shí)所通過(guò)的流動(dòng)相體積。保留體積與保留時(shí)間 tR的關(guān)系如下： VR = tRF 0 色譜有關(guān)術(shù)語(yǔ) 5．死體積 VM 指色譜柱在填充后，柱管內(nèi)固定相顆粒間所剩留的空間、色譜儀中管路和連接頭間的空間以及檢測(cè)器的空間的總和．當(dāng)后兩項(xiàng)很小而可忽略不計(jì)時(shí)，死體積可由死時(shí)間與流動(dòng)相體積流速 F0（ mL／ min）計(jì)算： VM = tMF 0 6．調(diào)整保留體積 VR′ 某組份的保留體積扣除死體積后，稱該組份的調(diào)整保留體積，即 VR′ = VR VM 色譜有關(guān)術(shù)語(yǔ) 7．相對(duì)保留值 某組份 2的調(diào)整保留值與組份 1的調(diào)整保留值之比，稱為相對(duì)保留值： ??????1212RRRRVVtt?色譜有關(guān)術(shù)語(yǔ) 注意： ?由于相對(duì)保留值只與柱溫及固定相的性質(zhì)有關(guān)，而與柱徑、柱長(zhǎng)、填充情況及流動(dòng)相流速無(wú)關(guān)，是氣相色譜中廣泛使用的定性數(shù)據(jù)。 ?相對(duì)保留值絕對(duì)不是兩個(gè)組份保留時(shí)間或保留體積之比。 ? 分離度、柱效、理論塔板數(shù)、有效塔板數(shù)的概念在“色譜基本理論”介紹。 色譜有關(guān)術(shù)語(yǔ) ?選擇因子 在定性中，通常固定一個(gè)色譜峰作為標(biāo)準(zhǔn)（ s），然后再求其它峰（ i）對(duì)這個(gè)峰的相對(duì)保留值。將它們的相對(duì)保留值作為重要參數(shù)，可用符號(hào) α 表示： ???12RRtt?tR2′為后出峰的調(diào)整保留時(shí)間，所以這時(shí) α總是大于 1的 色譜有關(guān)術(shù)語(yǔ) ?峰高 色譜峰頂點(diǎn)與基線之間的垂直距離，以 h表示。 ?區(qū)域?qū)挾龋?峰寬、半峰寬） 色譜峰的區(qū)域?qū)挾仁墙M份在色譜柱中譜帶擴(kuò)張的函數(shù)，它反映了色譜操作條件的動(dòng)力學(xué)因素．度量色譜峰區(qū)域?qū)挾韧ǔＳ腥N方法 : 1. 標(biāo)準(zhǔn)偏差 σ 即 ，如上圖中 EF距離的一半。 色譜有關(guān)術(shù)語(yǔ) 2. 半峰寬 W1/2 即峰高一半處對(duì)應(yīng)的峰寬，如前圖中GH間的距離．它與標(biāo)準(zhǔn)偏差 σ的關(guān)系是： W1/2 = W 即色譜峰兩側(cè)拐點(diǎn)上的切線在基線上的截距，如前圖中 IJ的距離．它與標(biāo)準(zhǔn)偏差 σ的關(guān)系是： W = 4σ ?峰面積： A=色譜有關(guān)術(shù)語(yǔ) 從色譜流出曲線上，可以得到許多重要信息： (l）根據(jù)色譜峰的個(gè)數(shù)，可以判斷樣品中所含組分的最少個(gè)數(shù)。 （ 2）根據(jù)色譜峰的保留值，進(jìn)行定性分析。 (3) 根據(jù)色譜峰的峰面積或峰高，進(jìn)行定量分析。 （ 4）色譜峰的保留值及其區(qū)域?qū)挾龋ǚ甯?、峰面積），是評(píng)價(jià)色譜柱分離效能的依據(jù)。 （ 5）色譜峰兩峰間的距離，是評(píng)價(jià)固定相 (和流動(dòng)相 )選擇是否合適的依據(jù)。 色譜基本理論 ? 概述 ?分配系數(shù) K和分配比 k ? 塔板理論 ? 速率理論 ? 分離度 ? 基本色譜保留式 色譜基本理論 ? 概述 色譜分析的目的是將樣品中各組分彼此分離，組分要達(dá)到完全分離，兩峰間的距離必須足夠遠(yuǎn)， 兩峰間的距離是由組分在兩相間的分配系數(shù)決定的，即與色譜過(guò)程的熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。 但是兩峰間雖有一定距離，如果每個(gè)峰都很寬，以致彼此重疊，還是不能分開(kāi)。 這些峰的寬或窄是由組分在色譜柱中傳質(zhì)和擴(kuò)散行為決定的，即與色譜過(guò)程的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。 色譜基本理論 ?分配系數(shù) K和分配比 k 分配系數(shù)是指在一定溫度和壓力下，組分在固定相和流動(dòng)相之間分配達(dá)平衡時(shí)的濃度之比值，即 msCCK ??溶質(zhì)在流動(dòng)相中的濃度溶質(zhì)在固定相中的濃度分配比又稱容量因子，它是指在一定溫度和壓力下，組分在兩相間分配達(dá)平衡時(shí)，分配在固定相和流動(dòng)相中的質(zhì)量比。即 msnn??量組分在流動(dòng)相中物質(zhì)的量組分在固定相中物質(zhì)的?色譜基本理論 它是衡量色譜柱對(duì)被分離組分保留能力的重要參數(shù)。 k值也決定于組分及固定相熱力學(xué)性質(zhì)。它不僅隨柱溫、柱壓變化而變化，而且還與流動(dòng)相及固定相的體積有關(guān)。 分配系數(shù) K與 分配比 k的關(guān)系 mrmrmmrVVtttttk????????????? kVVkVnVnCCKsmmmssms//β稱為 相比率 ，它是反映各種色譜柱型特點(diǎn)的又一個(gè)參數(shù) 。 色譜基本理論 分配系數(shù) K及分配比 k與選擇因子 α的關(guān)系 通過(guò)選擇因子 α把實(shí)測(cè)值 k與分配系數(shù) K直接聯(lián)系起來(lái)， α對(duì)固定相的選擇具有實(shí)際意義。如果兩組分的 K或 k值相等，則 α=1，兩個(gè)組分的色譜峰必將重合，說(shuō)明分不開(kāi)。 兩組分的 K或 k值相差越大，則分離得越好。因此兩組分具有不同的分配系數(shù)是色譜分離的先決條件。 )()()()()()(AKBKAkBkAtBtrr ??????色譜基本理論 ? 塔板理論 最早由 Martin等人提出塔板理論，在平衡色譜理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái) ,把色譜柱比作一個(gè)精餾塔，沿用精餾塔中塔板的概念來(lái)描述組分在兩相間的分配行為，同時(shí)引入理論塔板數(shù)作為衡量柱效率的指標(biāo)。 四點(diǎn)假設(shè) : 1)、在柱內(nèi)一小段長(zhǎng)度 H內(nèi)，組分可以在兩相間迅速達(dá)到平衡。這一小段柱長(zhǎng)稱為理論塔板高度 H 色譜基本理論 2）載氣進(jìn)入色譜柱不是連續(xù)進(jìn)行的，而是脈動(dòng)式，每次進(jìn)氣為一個(gè)塔板體積（ Δ Vm）。 3）所有組分開(kāi)始時(shí)存在于第 0號(hào)塔板上，而且試樣沿軸（縱）向擴(kuò)散可忽略。 4）分配系數(shù)在所有塔板上是常數(shù)，與組分在某一塔板上的量無(wú)關(guān)。 色譜基本理論 222/1)(16)(WtWtn rr ??nLH ?由于死時(shí)間 tm包括在 tr中 ,而實(shí)際的 tm不參與柱內(nèi)分配 ,所計(jì)算的 n值盡管很大 ,H很小 ,但與實(shí)際柱效能相差甚遠(yuǎn)。采用有效理論塔板數(shù) neff和有效塔板高 Heff評(píng)價(jià)柱效能。 222/1)(16)(wtwtn rre f f????e f fe f f nLH ?色譜基本理論 塔板理論形象地描述了溶質(zhì)在色譜柱中的分配平衡和分離過(guò)程，導(dǎo)出流出曲線的數(shù)學(xué)模型，并成功地解釋了流出曲線的形狀及濃度極大值的位置，還提出了計(jì)算和評(píng)價(jià)柱效的參數(shù)。 存在問(wèn)題： 1 不能解釋造成譜帶擴(kuò)張的原因和影響板高的各種因素； 2 不能說(shuō)明為什么在不同流速下可以測(cè)得不同的理論塔板數(shù)。 色譜基本理論 CuuBAH ???? 速率理論 吸收了塔板理論中板高的概念 ，并充分考慮了組分在兩相間的擴(kuò)散和傳質(zhì)過(guò)程，從而在動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上較好地解釋了影響板高的各種因素 色譜基本理論 分子渦流項(xiàng)：在填充色譜柱中，當(dāng)組分隨流動(dòng)相向柱出口遷移時(shí)，流動(dòng)相由于受到固定相顆粒障礙，不斷改變流動(dòng)方向，使組分分子在前進(jìn)中形成紊亂的類似“渦流”的流動(dòng)，故稱渦流擴(kuò)散。 A＝ 2λdp A與填充物的 平均直徑 dp的大小和填充 不規(guī)則因子 λ有關(guān)，與流動(dòng)相的性質(zhì)、線速度和組分性質(zhì)無(wú)關(guān)。為了減少渦流擴(kuò)散，提高柱效，使用細(xì)而均勻的顆粒，并且填充均勻是十分必要的。對(duì)于空心毛細(xì)管，不存在渦流擴(kuò)散，因此 A＝ 0。 色譜基本理論 分子擴(kuò)散項(xiàng) B/u（縱向擴(kuò)散項(xiàng)） 縱向分子擴(kuò)散是由濃度梯度造成的。組分從柱入口加入，其濃度分布的構(gòu)型呈“ 塞子 ” 狀。由于存在濃度梯度， “ 塞子 ”必然自發(fā)地向前和向后擴(kuò)散，造成譜帶展寬。分子擴(kuò)散項(xiàng)系數(shù)為 B＝ 2γDg 式中 γ是填充柱內(nèi)流動(dòng)相擴(kuò)散路徑彎曲的因素，也稱 彎曲因子 ，它反映了固定相顆粒的幾何形狀對(duì)自由分子擴(kuò)散的阻礙情況。Dg為組分在流動(dòng)相中擴(kuò)散系數(shù)（ cm2s 1）。 色譜基本理論 ?傳質(zhì)阻力項(xiàng) Cu 對(duì)于氣液色譜，傳質(zhì)阻力系數(shù) C包括 氣相傳質(zhì)阻力系數(shù) Cg和 液相傳質(zhì)阻力系數(shù) Cl兩項(xiàng)， 即 C＝ Cg＋ Cl 氣相傳質(zhì)過(guò)程是指試樣組分從氣相移動(dòng)到固定相表面的過(guò)程。這一過(guò)程中試樣組分將在兩相間進(jìn)行質(zhì)量交換，即進(jìn)行濃度分配。有的分子還來(lái)不及進(jìn)入兩相界面，就被氣相帶走；有的則進(jìn)入兩相界面又來(lái)不及返回氣相。這樣，使得試樣在兩相界面上不能瞬間達(dá)到分配平衡，引起滯后現(xiàn)象，從而使色譜峰變寬。對(duì)于填充柱，氣相傳質(zhì)阻力系數(shù) Cg為 色譜基本理論 由上式看出，氣相傳質(zhì)阻力與填充物粒度的平方成正比、與組分在載氣流中的擴(kuò)散系數(shù)成反比。因此，采用粒度小的填充物和相對(duì)分子質(zhì)量小的氣體（如氫氣）做載氣，可使 Cg減小，提高柱效。 gpg