第十七章：色譜分析法概論

色譜分析法（chromatography）：利用物質(zhì)在作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩相之間進(jìn)行反復(fù)多次的分配過(guò)程而產(chǎn)生差速遷移，從而實(shí)現(xiàn)混合組分的分離分析的方法

固定相：

流動(dòng)相：

色譜柱：

第一節(jié)：色譜法的分類

根據(jù)流動(dòng)相與固定相物態(tài)：

流動(dòng)相物態(tài)：氣相色譜GC、液相色譜LC、超臨界流體色譜SFC
固定相物態(tài)：固體、液體

按操作形式：

柱色譜、平面色譜（紙色譜、薄層色譜TLC、薄膜色譜）、逆流色譜

按色譜過(guò)程分離機(jī)制：

分配色譜、吸附色譜、離子交換色譜、分子排阻色譜、化學(xué)鍵和色譜、親和色譜、手性色譜

按流動(dòng)相驅(qū)動(dòng)力：

氣相色譜、液相色譜、毛細(xì)管電泳法CE、毛細(xì)管電色譜法CEC

第二節(jié)：色譜過(guò)程和色譜流出曲線

色譜過(guò)程

色譜過(guò)程是組分分子在流動(dòng)相和固定相間多次分配的過(guò)程

色譜流出曲線

色譜流出曲線：經(jīng)色譜柱分離后的各組分隨流動(dòng)相一次進(jìn)入檢測(cè)器，檢測(cè)器將流動(dòng)相中各組分濃度或質(zhì)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)，記錄此線好強(qiáng)度隨時(shí)間變化的曲線稱為色譜流出曲線，又稱為色譜圖

基線：
色譜峰：
峰高h(yuǎn)：
標(biāo)準(zhǔn)差σ：正態(tài)色譜流出曲線上兩拐點(diǎn)間距離之半稱為標(biāo)準(zhǔn)差，對(duì)于正常峰，σ為0.607倍峰高處的峰寬之半，衡量組分被洗脫出色譜柱的分散程度
半峰寬W_1/2：峰高一半處的寬度 $w_{1/2}=2.355\sigma$
峰寬W：通過(guò)色譜峰兩側(cè)拐點(diǎn)作切線，在基線上所截得的距離稱為峰寬，也稱為基線寬度， $W=4\sigma$ 或 $W=1.699W_{1/2}$
峰面積A：色譜峰曲線與基線包圍的面積稱為峰面積， $A=1.065hW_{1/2}$

第三節(jié)：色譜參數(shù)

相平衡參數(shù)

分配系數(shù)K：在一等溫度和壓力下，組分在兩相中達(dá)到分配平衡后，其在固定相與流動(dòng)先中的濃度之比稱為分配系數(shù)
容量因子k：在一定溫度和壓力下，組分在兩相中達(dá)到分配平衡后，其在固定相和流動(dòng)相中質(zhì)量之比稱為容量因子，又稱為質(zhì)量分配系數(shù)或分配比

保留值（定性參數(shù)）

保留時(shí)間t_R：從進(jìn)樣到某組分在柱后出現(xiàn)濃度極大時(shí)的時(shí)間間隔，主要用于柱色譜
死時(shí)間t₀：不被固定相保留的組分從進(jìn)樣到其在柱后出現(xiàn)濃度極大時(shí)的時(shí)間
調(diào)整保留時(shí)間 $t_R^\prime$ ： $t_R^\prime=t_R-t_0$
保留體積V_B：從進(jìn)樣開始到某組分在柱后出現(xiàn)濃度極大時(shí)所需要通過(guò)色譜柱流動(dòng)相體積
死體積V₀：由進(jìn)樣器到檢測(cè)器的流路中未被固定相占有的空間體積
調(diào)整保留體積 $V_R^\prime$ ： $V_R^\prime=V_R-V_0$ 與流速無(wú)關(guān)
保留指數(shù)I：把組分的保留行為換算成相當(dāng)于含有幾個(gè)碳的正構(gòu)烷的保留行為，通常是用與被測(cè)組分的保留時(shí)間相近的兩個(gè)正構(gòu)烷作為標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)標(biāo)定被測(cè)組分保留指數(shù)。認(rèn)為趕頂正構(gòu)烷烴的保留指數(shù)為其碳原子數(shù)100倍。

分離度

$R=\frac{2(t_{R_2}-t_{R_1})}{W_1+W_2}$ ，一般 $R\ge1.5$

第四節(jié)：色譜法的基本原理

差速遷移

保留比 $R^\prime=\frac{t_0}{t_R}$

$t_R=t_0(1+K\frac{V_s}{V_m})$

基本類型色譜法的分離機(jī)制

分配色譜法

分配機(jī)制
固定相和流動(dòng)相：流動(dòng)相極性弱于固定相，稱為正相分配色譜
洗脫順序：

吸附色譜法

吸附系數(shù)： $K_a=\frac{m_a/S_a}{m_m/V_m}$
固定相和流動(dòng)相：固定相一般為硅膠、氧化鋁、聚酰胺
洗脫順序：
1. 影響因素：組分分子與流動(dòng)相分子對(duì)吸附劑表面活性中心的競(jìng)爭(zhēng)；組分分子的基團(tuán)與吸附劑表面活性中心的氫鍵、偶極和誘導(dǎo)等作用；組分在流動(dòng)相中的溶解性

離子交換柱色譜法

分離機(jī)制：利用樣品組分離子對(duì)離子交換劑的親和能力的差別而實(shí)現(xiàn)分離，選擇性系數(shù)與樣品組分離子、離子交換劑、流動(dòng)相性質(zhì)有關(guān)
固定相和流動(dòng)相：固定相常用離子交換樹脂（易膨脹、傳質(zhì)慢、柱效低、不耐壓）化學(xué)鍵和離子交換劑（機(jī)械強(qiáng)度高、耐壓、不溶脹、傳質(zhì)快、柱效高）
洗脫順序：受組分離子的電荷和水合離子半徑、離子交換劑性質(zhì)、流動(dòng)相組成和pH影響。一般低價(jià)太離子先出；水合離子半徑大先出；交換能力強(qiáng)選擇性系數(shù)大的離子組成的流動(dòng)相有較大洗脫能力；增加流動(dòng)相離子強(qiáng)度也能增加洗脫能力；離子交換劑的交換能力越強(qiáng)，組分離子倍洗脫越慢；強(qiáng)離子交換樹脂受pH影響較小，弱離子交換樹脂受pH影響較大

分子排阻色譜法

分離機(jī)制：柑橘被分離組分分子的線團(tuán)尺寸不同即滲透系數(shù)不同而進(jìn)行分離。固定相是多孔凝膠，又稱凝膠色譜法。以有機(jī)溶劑為流動(dòng)相稱為凝膠滲透色譜法，以水為流動(dòng)相稱為凝膠過(guò)濾色譜法，分離機(jī)制與流動(dòng)相性質(zhì)無(wú)關(guān)。

滲透系數(shù)： $K_p=\frac{[X_s]}{X_m}$
固定相和流動(dòng)相：多孔凝膠。
1. 排斥極限：當(dāng)某高分子化合物的相對(duì)分子質(zhì)量達(dá)到某一數(shù)值后就不能滲透進(jìn)入凝膠的任何孔穴，這一相對(duì)分子質(zhì)量稱為排斥極限。小于某一書之后就能進(jìn)入凝膠的所有孔穴，這一相對(duì)分子質(zhì)量稱為該凝膠的全滲透點(diǎn)。排斥極限和全滲透點(diǎn)之間的相對(duì)分子質(zhì)量范圍稱為該凝膠的相對(duì)分子質(zhì)量范圍。
2. 流動(dòng)相必須能溶解旁品同時(shí)還必須能潤(rùn)濕凝膠
洗脫順序：組分按相對(duì)分子質(zhì)量從大到小洗出

第五節(jié)：色譜法基本理論

塔板理論

內(nèi)容：把色譜柱看作一個(gè)有若干踏板的分餾塔。被分離的混合物在每個(gè)踏板的間隔內(nèi)，在相對(duì)移動(dòng)的流動(dòng)相與固定相間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，然后倍流動(dòng)相攜帶從一塊塔板轉(zhuǎn)移至另一塊踏板，再達(dá)到動(dòng)態(tài)分配平衡。經(jīng)過(guò)多次的平衡、轉(zhuǎn)移，各組分按分配系數(shù)大小順序，一次流出色譜柱。

理論假設(shè)：

在柱色譜內(nèi)一小段高度H內(nèi)。祖墳可以在兩相中瞬間達(dá)到動(dòng)態(tài)分配平衡，H稱為塔板高度
分配系數(shù)在塔板內(nèi)是常數(shù)
流動(dòng)相不是連續(xù)地而是間歇式進(jìn)入色譜柱，且每次只進(jìn)入一個(gè)塔板體積
樣品組分都先加在0號(hào)塔板上，且組分的縱向擴(kuò)散可以忽略不計(jì)

質(zhì)量分配和轉(zhuǎn)移

經(jīng)過(guò)N次分配平衡之后，各塔板內(nèi)組分總含量符合二項(xiàng)式的展開式： $(p+q)^N$

色譜流出曲線方程

$c=c_{max}e^{-\frac{(t-t_R)^2}{2\sigma^2}}$

c_max為極大值，也就是t_R處c的值

塔板數(shù)和塔板高度

塔板數(shù)： $n=(\frac{t_R}{\sigma})^2=5.54(\frac{t_R}{W_{1/2}})^2$ $H=\frac{L}{n}$

在這里t_R即為L(zhǎng)

由于色譜系統(tǒng)存在死體積，組分因此消耗的死時(shí)間與分配平衡無(wú)關(guān)扣除死體積或死時(shí)間的影響，用 $t_R^\prime$ 替換t_R。

缺點(diǎn)：與實(shí)際不符，沒有瞬間達(dá)到分配平衡，沒有考慮縱向擴(kuò)散，無(wú)法解釋柱效流動(dòng)相速度的關(guān)系，不能說(shuō)明影響柱效的主要因素。

速率理論

塔板高度的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義

$H=\frac{\sigma^2}{L}$

速率理論的塔板高度是柱內(nèi)單位長(zhǎng)度中組分分子離散的程度。

總的塔板高度等于各獨(dú)立因素對(duì)塔板高度的貢獻(xiàn)之和。H為單位柱長(zhǎng)上組分分子總的離散度，是單個(gè)分子離散度的統(tǒng)計(jì)概念。

速率理論方程

$H=A+B/u+Cu$ ，H為塔板高度、A表示渦流擴(kuò)散系數(shù)、B表示縱向擴(kuò)散系數(shù)、C表示傳質(zhì)阻抗系數(shù)、u為流動(dòng)相線速度

影響柱效的動(dòng)力學(xué)因素：
1. 渦流擴(kuò)散：由于填料粒徑大小不等，填充不均勻，使同一組分的不同分子經(jīng)過(guò)多個(gè)不同長(zhǎng)度的途徑流出色譜柱
2. 縱向擴(kuò)散：由于濃度梯度的存在，組分相前后擴(kuò)散，造成色譜峰展寬
3. 傳質(zhì)阻抗：由于傳質(zhì)阻抗存在，組分不能在兩相間瞬間達(dá)到平衡，結(jié)果使有些分子隨流動(dòng)相向前移動(dòng)較快，而另一些分子則滯后，從而引起峰展寬。傳質(zhì)阻抗包括固定相傳質(zhì)阻抗和流動(dòng)相傳質(zhì)阻抗。
流速對(duì)柱效的影響：在較低速度時(shí)，縱向擴(kuò)散項(xiàng)起主要作用，線速度增大，塔板高度降低，柱效升高；在較大線速度時(shí)，傳質(zhì)阻抗起主要作用，線速度增大，攤薄高度增高，柱效降低。因此，對(duì)應(yīng)某一流蘇，塔板高度有一極小值，這一流速稱為最佳流速。

第六節(jié)：色譜法的發(fā)展概況

色譜法歷史
色譜法的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
1. 新固定相：手性固定相、生物色譜固定相、整體柱技術(shù)、固定相粒徑減小
2. 新檢測(cè)器：蒸發(fā)光散射檢測(cè)器、電霧式檢測(cè)器、新型半導(dǎo)體激光熒光檢測(cè)器
3. 新方法：電分離技術(shù)、微全分析系統(tǒng)、毛細(xì)管電色譜法
4. 色譜技術(shù)聯(lián)用：色譜光譜聯(lián)用、色譜色譜聯(lián)用

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第十七章：色譜分析法概論