色谱分离技术

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色谱过程
吸附→解吸→再吸附→再解吸 两种组分的理化性质原本存在着微小的差异，经过反复多 次地吸附→解吸→再吸附→再解吸的过程使微小差异累积起来， 结果使吸附能力弱的组分先流出色谱柱，吸附能力强的组分后
流出色谱柱，从而使各个组分得到了分离。
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对复杂混合物各组分进行 定量和定性分析
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色谱法的特点和优点
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4.按分离原理分类： 吸附色谱法：利用吸附剂（固定相一般是固体
）表面对不同组分吸附能力的差别进行分离。
分配色谱法：利用不同组分在两相间的分配系
数的差别进行分离。
离子交换色谱：利用溶液中不同离子与离子交
换剂间的交换能力的不同而进行分离。
凝胶色谱法：利用多孔性物质对不同大小的分
子的排阻作用进行分离。
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色谱体积
色谱体积主要有： 死体积（Dead Volume）：死体积指色谱柱填充固定相后的空隙体积， 又指在死时间内流动相流经色谱柱的体积。死体积通常用Vm表示。 Vm= tM×FC Fc表示流动相的体积流速（mL/min） 保留体积（Retention Volume）：保留体积指从进样开始，到检测器 中样品浓度最大时，流动相流经色谱柱的体积。通常用VR表示。 VR= tR × FC 调整保留体积(Adjusted Retention Volume)：调整保留体积指保留体 积扣除死体积后的体积。通常用VR’ 表示。 VR’=tR’ × FC
吸附能力等亲和能力的不同来进行分离的。
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色谱相关术语

试样经色谱柱获得分离，按先后次序经过检测器时，检 测器就将流动相中各组分浓度变化转变成电信号，由记 录仪记录下信号—时间曲线，称为色谱流出曲线或色谱 图。
信 号
t R t' R
或
V 或
R V ' R G A H 2 Y1 / 2 1/2h B C Y D 时 间 F 0.607h
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5.按应用目的分类： 制备性色谱：目的是
分离混合物，获得一定数量 的纯净组分。
分析性色谱：目的是
定量或者定性测定混合物中
生产型制备液相色谱系统
各组分的性质和含量。定性
的分析性色谱有薄层色谱、 纸色谱等，定量的分析性色 谱有气相色谱、高效液相色 谱等。
高效液相色谱仪
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色谱分离的基本原理 利用待分离的各种物质在两相中的分配系数、
◆ 20世纪60年代后期由于新型色谱柱填料，高压输液泵和高灵敏度的 监测器的出现，发展出了高效液相色谱（High performance liquid chromatograghy,HPLC）。
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如今，色谱法不仅用于有色物质的分离，而且大量用于无色 物质的分离。所以色谱法已经失去原来的含义。但是，现在 仍沿用色谱法这个名称。 色谱法具有分离及分析两种功能。它是分析混合物最有力的 手段。 色谱分离是目前应用最广泛的分离方法。已广泛地用于石油 化工、有机合成、生理生化、医药卫生、环境监测、刑事侦 查、生产在线控制，乃至空间探索等许多领域，以解决各种 分离分析课题。
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经多次转移平衡，各组分按分配系数大小的顺序，依次流出 色谱柱（分配系数小的先出柱）。由于一根色谱柱的塔片数 比精馏塔多得多（103－104片），因此，只要分配系数间存 在微小的差别，则可获得很好的分离。
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塔板理论是由Martin等人在平衡色谱理论的基础上发展 起来的。他们假定： 1．流动相按前进方向以脉冲式通过柱子，最小单位为一塔 板体积; 2. 组分在柱内两相间的分配系数是恒定的，与组分浓度及在 柱内的位置无关; 3. 组分在所有塔板上的两相平衡在瞬间建立; 4. 流动相不能被压缩； 5. 所有组分浓度以起始塔板中的浓度为基准

基线漂移：基线随时间定向缓慢的变化。
基线噪声：由于各种原因引起的基线波动。不论有无组分流出，其噪声均
存在，它是一种背景信号。
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色谱峰(Chromatographic peak)

流动相带着组分通过检测器时，由记录仪得到的信号—时 间曲线。
峰底(Peak base)：从峰的起点到峰的终点之间连线。 峰高(Peak hight)：峰的顶点至峰底的垂直距离,通常用h表示。 峰面积（Peak area）：峰与峰底之间的面积，用A表示。
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相对保留值（Relative Retention Value）

相对保留值指某组分i与基准组分s的调整保留值之比。 通常用ris表示。
ris
t R (i) tR(s)

V R ( i ) V R ( s )

V g (i) V g(s)
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色谱流出曲线的意义：

色谱峰数：样品中单组份的最少个数； 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 色谱峰间距——固定相或流动相选择是否


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气相色谱

气相色谱法主要利用物质的沸点、极性及吸附性质的差异， 以气体为流动相，以液体或固体为固定相从而达到分离混合 物的色谱方法。
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气相色谱法的特点
优点： 分离效率高、应用范围宽、分析速度快、样品用量少; 灵敏度高、分离和测定一次完成、自动化程度高. 缺点： 不适用于高沸点（>450℃）、有生物活性的物质的分离测定 不适用于制备.
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气相色谱结构流程
1-载气钢瓶；2-减压阀； 3-净化干燥管；4-针形 阀；5-流量计; 6-压力 表；7-进样口；8-色谱柱; 9-检测器；10-放大器； 11-温度控制器；12-记录 仪或工作站
载气系统
进样系统
色谱柱 温控系统
检测系统
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待测样品在高温的气化室气化后在惰性气体的带动下进入色 谱柱，色谱柱内含有液体或固体固定相 每种组分都倾向于在流动相和固定相之间形成分配或吸附平 衡。但由于载气是流动的，这种平衡实际上很难建立。 由于载气的流动，使样品组分在运动中进行反复多次的分配 或吸附、解吸。 结果是在载气中分配浓度大的组分先流出色谱柱，而在固定 相中分配浓度大的组分后流出色谱柱，进入检测器。
1．色谱法的特点： —与经典的分离提纯手段（重结晶，升华，萃取 和蒸馏等）相比，色谱法具有快速，简便和高效 率等优点。并能对复杂化合物，甚至立体异构体 进行分离。 —液相色谱（含柱，薄层色谱）适合于固体物质 和具有高蒸汽压的油状物的分离，不适合低沸点 液体的分离。 —气相色谱适合于容易挥发物质的分离。
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理论塔板数越大，峰形越窄，柱效越高。

塔板高度表示单位柱长下的柱效。 塔板高度越小，表明柱效越高，理论塔板数越多。
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非平衡速率理论
1952年Lapidus等对填充柱色谱过程做了较详细的研究， 指出色谱过程中引起组分宽度扩张的因素主要是： 1.沿柱流动方向的纵向扩散效应； 2.组分在两相间的平衡不能瞬时达成，即它在两相交换时 传质速度是有限的。

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色谱峰区域宽度(Peak width)
是色谱流出曲线的一个重要参数，它直接反映了分离 条件的好坏。习惯上有下面三种表示方法： 1）标准偏差：峰高0.607处色谱峰宽度的一半,用σ表示。 2）峰宽或基线宽度：通过峰两侧的拐点作切线与峰底相 交的宽度，用Y表示。与标准偏差的关系为：Y=4σ。 3）半峰宽：峰高一半处色谱峰的宽度,用Y1/2 表示。与标 准偏差的关系为：Y1/2=2σ(2ln2)1/2。
论的表述方式也有区别：
H H
E
H
L
H
S
H
MM
H
SM
各项分别为：涡流扩散项、分子扩散项、传质阻力项 （固定相、流动流动相和滞留流动相）
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传质速率控制理论

根据溶质从液相主体到吸附剂上吸附点的过程建立模型。
液膜传质扩散速率控制模型 吸附剂表面吸附速率控制模型 孔扩散速率控制模型

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色谱法的特点和优点
2．色谱法的优点 （1）分离效率高。 （2）应用范围广。 （3）分析速度快。 （4）样品用量少。 （5）灵敏度高。 （6）分离和测定一次完成。可以和多种波谱分析仪 器联用 （7）易于自动化，可在工业流程中使用。
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色谱分类
气 固 色 谱 气 相 色 谱 气 液 色 谱 1. 流动相与固定相 液 相 色 谱 液 固 色 谱 聚集态 液 液 色 谱 超 临 界 流 体 色 谱 毛 细 管 电 泳
色谱分离技术
1
1903年，俄国植物学家Tsweet将CaCO3固体粉末装入竖
立的玻璃管中，从顶端倒入植物色素的石油醚浸出液，并用 石油醚连续地冲洗。结果在柱中出现了颜色不同的色带。因 此，Tsweet把这种方法称为色谱法。
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色谱法的发展历程
◆ 1903年 Tswett创立色谱法（在碳酸钙上分离了叶绿素）。 由Tswett创立的色谱法分离效率低，分离时间长，根据样品的不同，一 般分离需要几小时至几天。 ◆20世纪40年代至50年代初，先后出现了纸色谱（paper chromatography, PC）和薄膜色谱法(thin-layer chromatography,TLC)。 特点：较经典色谱 法简单、分离时间短，样品量要求小。 ◆1952年，James和Martin提出了气相色谱法（gas chromatography,GC) 特点： 以气体作为流动相。应用范围广泛受到人们重视。但对不易气化 和热不稳定性差的化合物难以分离。
t M V M 惰 性 组 分
E
图 3-20
色 谱 流 出 曲 线
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由色谱图可直接得到的相关术语： 基线 色谱峰 色谱时间 由色谱图可间接得到的相关术语： 色谱体积 相对保留值
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基线(Baseline)
在色谱操作条件下，仅有流动相通过检测器时，由记录 仪得到的信号—时间曲线。
效能评价指标；

合适的依据。
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色谱理论

研究色谱过程中分子运动的规律，探讨微观分子运动与色谱 分离的内在联系。 热力学 动力学 分离条件的选择和优化

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塔板理论


它把色谱柱看成一个分馏塔．分馏塔是分离沸点不同的混合 物的一种装置，一般有十几层塔片。在塔的底层加热，利用 各组分的挥发性不同，在塔片上经过多次气液平衡，最终低 沸点组分在塔顶的流出液中含量高，而高沸点组分在塔底层 含量高。 塔板理论，是人为的认为在色谱柱中存在着塔片。在每个塔 片高度的间隔内，样品混合物的各组分，在流动相与固定相 达到分配平衡。而后各组分被流动相携带转移至另一层塔片， 再达分配平衡。
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色谱法分类
2.根据操作压力的不同分类 低压色谱 <0.5MPa 中压色谱 0.5∼5MPa 高压色谱 5 ∼ 50MPa
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色谱法分类 色谱法分类
3.按操作形式： 柱色谱— 分离体系采用圆柱管 纸上色谱—固定相是滤纸或将固定相载于纸 上 薄层色谱—固定相是一层吸附剂物料，平铺 于惰性平板上 凝胶色谱
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H 2 d P
2 D U

0 .0 1 k (1 k )
2 2

dP
2
U
8
Dg

2

k (1 k )
2

d
2 f
U
DL
这就是著名的范底姆特方程。也可把Van
Deemter方
程描述为：
H A B /U CU
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与气相色谱不同，液相色谱有其特点，因而其速率理

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色谱时间
色谱时间主要有： 死时间（Dead time）：不被固定相吸附或溶解的惰性组分，从 进样到出峰的峰顶点之间测得的时间,用tM表示。 保留时间（Retention time）：从进样到组分峰顶点之间测得的 时间，用tR表示。 调整保留时间(Adjusted Retention Time)：调整保留时间指组分 的保留时间扣除死时间后的时间，用tR’表示。tR’=tR-tM
28ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ


由塔板理论可得到：在色谱过程中色谱峰是要展宽的，展宽 的宽度平方值和理论板高H成正比。即相达成“平衡”所需 的距离H值越大，则色谱峰展宽也就越严重。反之，若理论 板高H值越小。而就一定柱长而言，组分在两相间的“平衡” 次数就越多，色谱柱的分离效率就越高，因此理论板高H值 是衡量色谱柱效率的一个很好的指标。 塔板理论回答了影响色谱峰保留时间和峰宽度这二个重要问 题，但它没有回答宽度也就是相应的理论板高究竟受哪些操 作条件的影响。
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什么是色谱法？
色谱法是一种分离、分析方法，有时又称为层析技术。 它利用被分离的诸物质在互不相溶的两相中分配系数等的微 小差异进行分离。当两相作相对移动时，使被测物质在两相 之间进行反复多次分配，使原来微小的差异累加产生了很大 的效果，形成差速迁移，使各组分在柱内移动的同时逐渐分 离，以达到分离、分析及测定一些物理化学常数的目的。