1、清华大学材料与表面组,色谱分析法 Chromatography,朱永法 清华大学化学系,清华大学材料与表面组,概述 Introduction,色谱法是一种重要的分离分析方法，它是利用不同物质在两相中具有不同的分配系数(或吸附系数、渗透性)，当两相作相对运动时，这些物质在两相中进行多次反复分配而实现分离的。 气相色谱法（gas chromatography, GC）是采用气体作为流动相的一种色谱法。,清华大学材料与表面组,历史,Tswett 研究植物色素分离，提出色谱法概念,清华大学材料与表面组,历史,1941 Martin和Synge提出液-液色谱理论 1952 James和Martin发展了
2、气相色谱； 1956 Van Deemter提出速率理论； 1967 Kirkland等研制高效液相色谱法； 80年代以后，出现毛细管电泳和毛细管电动色谱等一系列新的色谱分析方法。,清华大学材料与表面组,分类,清华大学材料与表面组,分类,清华大学材料与表面组,基本概念与术语,色谱流出曲线 （chromatogram）指样品注入色谱柱后，信号随时间变化的曲线。,清华大学材料与表面组,常用术语,（1）基线无组分通过色谱柱时，检测器的噪音随时间变化的曲线。 （2）峰宽峰底宽W 峰半宽W1/2 标准偏差,清华大学材料与表面组,色谱参数示意图,清华大学材料与表面组,保留值,保留时间tR:进样到出现色谱峰
3、的时间 保留体积VR:进样到出现色谱峰时消耗的流动相体积 死时间t0:流动相流过色谱柱的时间 死体积V0:色谱柱的空隙体积 校正保留时间 校正保留体积,F流动相流动线速度,清华大学材料与表面组,相对保留值,清华大学材料与表面组,分配系数和分配比（容量因子）,分配系数：一定温度与压力下两相达平衡后，组分在固定相和流动相浓度的比值分配比（容量因子）：一定温度与压力下两相达平衡后，组分在固定相和流动相量的比值,清华大学材料与表面组,容量因子k与保留值的关系,清华大学材料与表面组,证明：,当组分一半流出色谱柱时,因此,色谱基本保留方程,清华大学材料与表面组,分离效能指标,1、选择性（相对保留值）相对保
4、留值由两组分的热力学性质决定，与色谱柱的长短粗细无关。,清华大学材料与表面组,分离效能指标,2、峰宽度,清华大学材料与表面组,分离效能指标,3. 分离度,分离度考虑了保留时间和峰宽度，是一个综合指标：,R 1.0 两峰明显重叠 R = 1.0 两峰达97.7%分离 R 1.5 两峰完全分开 R = 1.5 基线分离,清华大学材料与表面组,色谱理论,一、塔板理论 目的从理论上得到描述色谱流出曲线的方程，并通过这一方程各参数来研究影响分离的因素。假设 （1）色谱柱存在多级塔板 （2）组分通过时在每级塔板两相间达到一次平衡,清华大学材料与表面组,r 塔板数 N 转移次数 设：有A、B两组分，kA =
5、 2kB = 1/2 当 N = 0 r = 0,清华大学材料与表面组,塔板理论,理论塔板数的经验表达式：,由此可知，组分保留时间越长，峰形越窄，理论塔板数越大，因此n和H可以做为描述柱效能的指标，高柱效有大的n值和小的H值,L为色谱柱长度,清华大学材料与表面组,塔板理论,为了消除死时间的影响，使用有效理论塔板数n有效和有效塔板高度H有效做为柱效能指标,清华大学材料与表面组,速率理论,塔板理论的不足塔板理论虽然指出了理论板数n或理论板高度H对色谱柱效率的影响，但是没有指出影响塔板高度的因素，因此无法在理论指导下从实验上提高色谱柱的效率。,清华大学材料与表面组,Van Deemter方程,195
6、6年Van Deemter提出速率方程，指出了提高柱效率的途径Van Deemter方程,式中 u流动相流动的线速度,清华大学材料与表面组,A涡流扩散项,指固定相填充不均匀引起的扩散,涡流扩散示意图,A与载气性质、线速度和组分性质无关。使用较细粒度和颗粒均匀的填料，并尽量填充均匀，可减少涡流扩散，提高柱效。对于空心毛细管柱，因无填充物，不存在A项,清华大学材料与表面组,B/u 纵向分子扩散项,指分子沿色谱柱轴向扩散引起的色谱谱带展宽,分子扩散系数,式中： r曲折性校正因子，填充柱 r 1空心柱r = 1Dm组分在流动相中的扩散系数（cm2/s）,在气相色谱中，Dm与组分的性质、载气的性质、温度
7、、压力等有关。增加载气密度或载气分子量，可以降低Dm， Dm随柱温增高而增加,由于组分在液相中的扩散系数只有气体中的1/105，因此在液相色谱中B可以忽略。,清华大学材料与表面组,Cu传质阻力项,指组分在流动相和固定相之间传质的阻力,q 和 为与两相的构型和性质有关的常数 dp 和 df 为固定相颗粒直径和固定液膜的厚度,综上，得,清华大学材料与表面组,Van Deemter方程,u 在上述方程各项中存在矛盾，因此，应求出最佳值：,清华大学材料与表面组,影响谱带展宽的其它因素,柱前展宽、柱后展宽、柱外效应,清华大学材料与表面组,分离条件的选择,色谱柱对试样得分离效果，可以从三方面进行评价： 具
8、有较低的塔板高度或很大的理论塔板数 有较好的选择性 分离度的大小,清华大学材料与表面组,选择性,所谓选择性是指难分离物质对的调整保留时间之比，用选择因子 表示：,越大，两组分分离的越好,清华大学材料与表面组,分离度,对于难分离物质对，假定相邻二峰峰宽相等，W1=W2=W，因为它们的保留值的差别小，可合理地认为,清华大学材料与表面组,由塔板理论：,清华大学材料与表面组,分离度,由色谱分离基本方程分离度与n的平方根成正比，增加柱长可改进分离度，但同时引起峰展宽。故在达到一定R时应使用短一些的色谱柱。增加n的另一方法是减小柱的H值。 容量因子k值较大，对R有利。 选择因子 越大，柱选择性越好，分离效
9、果越好。增大 值是提高分离度的有效办法。,清华大学材料与表面组,气相色谱仪,气相色谱仪流程图,清华大学材料与表面组,气相色谱仪,载气系统 载气通常为氮、氦、氢气，需经过装有活性炭或分子筛的净化器，以除去载气中的水、氧等有害物质。一般采用稳压阀或双气路控制流量恒定。进样系统 包括进样装置和汽化室。汽化室温度通常比使用的最高柱温高1050，以保证样品全部汽化。,清华大学材料与表面组,检测器,作用：将色谱分离后的各组分的量转变成可测量的电信号，然后纪录下来要求：灵敏度高、线性范围宽、响应速度快、结构 简单、通用性强常用检测器： 热导检测器（TCD）氢火焰离子化检测器（FID）电子捕获检测器（ECD）
10、,清华大学材料与表面组,热导检测器 (Thermal Conductivity Detector, TCD),清华大学材料与表面组,TCD原理,TCD的原理是基于不同物质的导热系数不同，测量热体热量损失的比率，度量气体的组成和质量的；影响因素工作电流载气热导系数池体温度池体常数（降低死体积）,清华大学材料与表面组,某些气体和蒸汽的热导系数,清华大学材料与表面组,热导检测器的主要特点,检测器结构简单； 对无机物和有机物都有响应，适用分析气体范围广； 灵敏度不高；,清华大学材料与表面组,氢火焰离子化检测器 Flame Ionization Detector (FID),有机物在火焰中电离形成离子流
11、，根据离子流的出现和大小进行分析,清华大学材料与表面组,FID影响因素,H2/N2比；1:11:1.5H2流量低，灵敏度降低和熄灭H2流量高，热噪声大 空气流量，H2/O2=1:10低流量时，信号随流量增加；大于800mL/min，火焰晃动，噪声大； 极化电压：150-300V与电压增加而增加，超过一定值就达到饱和,清华大学材料与表面组,氢火焰离子化检测器的特点,灵敏度高，比热导高2-3数量级，10-12g/s 线性范围宽 适于可燃性有机物的检测 不能检测不燃性有机物气体，惰性气体、空气、水、CO、CO2、NO、SO2等,清华大学材料与表面组,电子俘获检测器,载气在-射线源的照射下发生电离，形
12、成稳定的基流卤素等含电负性的原子捕获电子生成稳定的负离子，并与载气正离结合，使基流信号下降，根据信号是否降低和降低程度，可检测组分,清华大学材料与表面组,电子俘获检测器的特点,对卤素、硫、磷、氮、氧含有电负性元素有很强的响应； 灵敏度高，可用于痕量农药残留 物的分析；10-14g/mL，电负性越高，灵敏度也越高； 线性范围较窄 使用过程复杂；,清华大学材料与表面组,火焰光度检测器 （Flame Photometric Detector，FPD）,是一种对硫磷选择性的检测器，这两种元素燃烧中被激发，从而、发射特征的光信号，对特定波长光信号的检测就可以获得S，P元素的浓度,S394 nm P526
13、 nm,清华大学材料与表面组,其它检测器及其联用技术,GC-MS采用四极杆质谱作为检测器，检测速度快，灵敏度高； GC-FTIR检测速度快，灵敏度低，使用方便,清华大学材料与表面组,检测器的性能指标,（1）灵敏度（Sensitivity）,单位浓度（或质量）的物质通过检测器时所产生信号的大小。,R 峰高 mV面积 A=（mV）2,Q 浓度 mg/ml，ml/ml质量 g/s,S 浓度 mV ml/mgA ml/mg质量 mV s/gA s/g,清华大学材料与表面组,检测器的性能指标,（2）检测限（Detection Limit） 检测限：能进行信号鉴别的最小量，采用三倍噪音所相当的物质的量称为检测限（3）线性范围（Linear range） 指检测器信号与样品浓度（或量）之间成正比关系的范围。,N为噪音，单位为mV,清华大学材料与表面组,样品的制备方法,直接进样法气体，低熔点液体 衍生法高熔点有机物如有机酸 裂解色谱法高聚物 顶空色谱法具有一定饱和蒸汽压的液体或固体,
