化工工業(yè)分析技術(shù)課件單元一氣相色譜分離原理茨維特實驗

氣相色譜法基礎(chǔ)知識1906年，茨維特利用不同色素在活性碳酸鈣與石油醚的共同作用之下在玻璃柱中呈現(xiàn)出不同的運行速度，能使其達(dá)到彼此分離。茨維特在他的原始論文中，把上述分離方法叫做色譜法（chromatography）在柱中出現(xiàn)的有顏色的色帶叫做色譜圖（chromatogram）。填充CaCO3的玻璃柱管叫做色譜柱（column）具有大表面積的CaCO3固體顆粒稱為固定相(stationaryphase)，推動被分離的組分（色素）流過固定相的惰性流體（上述實驗用的是石油醚）稱為流動相（mobilephase）色譜法定義色譜分析法實質(zhì)上是一種物理化學(xué)分離方法，即利用不同物質(zhì)在兩相（固定相和流動相）中具有不同的分配系數(shù)（或吸附系數(shù)），當(dāng)兩相作相對運動時，這些物質(zhì)在兩相中反復(fù)多次分配（即組分在兩相之間進(jìn)行反復(fù)多次的吸附、脫附或溶解、揮發(fā)過程）從而使各物質(zhì)得到完全分離。另外，磷酸三苯酯、司班一80、吐溫一60以及聚間苯二酚等都屬中等極性固定液。如含各種極性基團(tuán)的聚硅氧烷類有QF-l、SP-2401等。目前，應(yīng)用最廣泛的是氣相色譜法（gaschromatography，GC）和高效液相色譜法（highperformanceliquidchromatography，HPLC）。發(fā)明的色譜方法或重要應(yīng)用此后，相繼出現(xiàn)了各種色譜方法（如下表所示）。學(xué)生提問、討論與總結(jié)1相似相溶原理是指結(jié)構(gòu)或極性相似的物質(zhì)之間具有較大的溶解度。脫附作用正好與吸附作用相反，是指吸著在固體或液體物質(zhì)表面上的物質(zhì)在一定的作用下離開原表面的過程。（1）非極性樣品應(yīng)選擇非極性固定液，此時P=0，級數(shù)為-1或+1。固定液按極性大小可分為五類：反之，溶解性弱的組分則容易揮發(fā)至流動相中，故其在色譜柱中運行速度快，運行時間短。茨維特在他的原始論文中，把上述分離方法叫做色譜法（chromatography）現(xiàn)在的色譜分析已經(jīng)失去顏色的含義，只是沿用色譜這個名詞。色譜法分離過程示意圖1933年庫恩從35000升脫脂牛奶中分離出1g核黃素（即維生素B2），制得結(jié)晶，并測定了它的結(jié)構(gòu)。色譜法分離過程示意圖ABCD載氣3種組分同時進(jìn)入色譜柱3種組分開始在色譜柱中分離3種組分在色譜柱中基本達(dá)到分離3種組分在色譜柱中完全達(dá)到分離學(xué)生提問、討論與總結(jié)1問題1：不同組分在色譜柱中為什么呈現(xiàn)不同的運行速度？因為固定相對不同組分有不同的吸附力，吸附力強的組分難以被流動相沖洗出色譜柱，故運行速度慢，運行時間長。反之，吸附力弱的組分則容易被流動相沖洗出色譜柱，故運行速度快，運行時間短。同樣的道理，若固定相呈液體狀態(tài)，則不同組分呈現(xiàn)不同運行速度則是因為固定液對不同組分有不同的溶解能力，溶解性強的組分難以揮發(fā)至流動相中，故其在色譜柱中運行速度慢，運行時間長。反之，溶解性弱的組分則容易揮發(fā)至流動相中，故其在色譜柱中運行速度快，運行時間短。學(xué)生提問、討論與總結(jié)2問題2：吸附與脫附是怎么回事？吸附作用是指各種氣體、蒸氣以及溶液里的溶質(zhì)被吸著在固體或液體物質(zhì)表面上的作用。具有吸附性的物質(zhì)叫做吸附劑，被吸附的物質(zhì)叫吸附質(zhì)。吸附作用可分為物理吸附和化學(xué)吸附。脫附作用正好與吸附作用相反，是指吸著在固體或液體物質(zhì)表面上的物質(zhì)在一定的作用下離開原表面的過程。問題3：什么是溶解過程與揮發(fā)過程？溶解過程是指氣態(tài)或液態(tài)組分進(jìn)入固定液的過程，而揮發(fā)過程則是指組分離開固定液回到氣態(tài)或液態(tài)流動相的過程。

學(xué)生提問、討論與總結(jié)3問題4：所謂分配系數(shù)？分配比？它在色譜分離過程中有什么作用？分配系數(shù)（K）:平衡狀態(tài)時，組分在固定相與流動相中的濃度比。如在給定柱溫下組分在流動相與固定相間的分配達(dá)到平衡時，對于氣-固色譜，組分的分配系數(shù)為：對于氣-液色譜，分配系數(shù)為：式中CL與CG分別是組分在固定液與載氣中的濃度。學(xué)生提問、討論與總結(jié)4容量因子（k）:又稱分配比，容量比，指組分在固定相和流動相中分配量（質(zhì)量、體積、物質(zhì)的量）之比。兩組分分配系數(shù)不同，則在色譜柱中有不同的保留值，因而就以不同的速度先后流出色譜柱，從而達(dá)到分離。組分分子結(jié)構(gòu)不同，組分性質(zhì)不同，則相應(yīng)的分配系數(shù)也不同，這是色譜分離的基礎(chǔ)。

色譜法發(fā)展歷史1茨維特發(fā)現(xiàn)他的色譜法之后的20多年里，幾乎無人問津這一技術(shù)。到了1931年，德籍奧地利化學(xué)家?guī)於鳎≧.Kuhn）利用茨維特的方法在纖維狀氧化鋁和碳酸鈣的吸附柱上將過去一個世紀(jì)以來公認(rèn)為單一的結(jié)晶狀胡蘿卜素分離成a和b兩個同分異構(gòu)體，并由所取得的純胡蘿卜素確定出了其分子式。隨后他還發(fā)現(xiàn)了八種新類胡蘿卜素，并把它們制成純品，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。同年，庫恩又把注意力集中在維生素的研究上，確定了維生素A的結(jié)構(gòu)。此外，他還用色譜法從蛋黃中分離出了葉黃素；還曾把腌魚腐敗細(xì)菌中所含的紅色類胡蘿卜素確定離析出來并制成結(jié)晶。1933年庫恩從35000升脫脂牛奶中分離出1g核黃素（即維生素B2），制得結(jié)晶，并測定了它的結(jié)構(gòu)。色譜法發(fā)展歷史21938年，Kuhn因在維生素和胡蘿卜素的離析與結(jié)構(gòu)分析中取得了重大研究成果被授予諾貝爾化學(xué)獎。從此色譜法開始為人們所重視，迅速為各國科學(xué)家們所注目，廣泛被采用起來。此后，相繼出現(xiàn)了各種色譜方法（如下表所示）。現(xiàn)在的色譜分析已經(jīng)失去顏色的含義，只是沿用色譜這個名詞。年代發(fā)明者發(fā)明的色譜方法或重要應(yīng)用1906Tswett用碳酸鈣作吸附劑分離植物色素。最先提出色譜概念。1931Kuhn,Lederer用氧化鋁和碳酸鈣分離a-、b-和g-胡蘿卜素。使色譜法開始為人們所重視。1938Izmailov,Shraiber最先使用薄層色譜法。1938Taylor,Uray用離子交換色譜法分離了鋰和鉀的同位素。1941Martin,Synge提出色譜塔板理論；發(fā)明液-液分配色譜；預(yù)言了氣體可作為流動相（即氣相色譜）。色譜法發(fā)展歷史3年代發(fā)明者發(fā)明的色譜方法或重要應(yīng)用1944Consden等發(fā)明了紙色譜。1949Macllean在氧化鋁中加入淀粉黏合劑制作薄層板使薄層色譜進(jìn)入實用階段。1952Martin,James從理論和實踐方面完善了氣-液分配色譜法。1956VanDeemter等提出色譜速率理論，并應(yīng)用于氣相色譜。1957基于離子交換色譜的氨基酸分析專用儀器問世。1958Golay發(fā)明毛細(xì)管柱氣相色譜。1959Porath,Flodin發(fā)表凝膠過濾色譜的報告。1964Moore發(fā)明凝膠滲透色譜。1965Giddings發(fā)展了色譜理論，為色譜學(xué)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。1975Small發(fā)明了以離子交換劑為固定相、強電解質(zhì)為流動相，采用抑制型電導(dǎo)檢測的新型離子色譜法。1981Jorgenson等創(chuàng)立了毛細(xì)管電泳法。含苯基的聚硅氧烷有OV-17、DC-704、OV-25等。第三類中等極性固定液。此外，固定液的使用溫度范圍要寬，黏度要小，凝固點要低，熱穩(wěn)定性要好，在較低溫度下不凝固，在較高溫度下不發(fā)生分解、聚合和交聯(lián)。《工業(yè)分析技術(shù)》PPT例如，正辛烷、正壬烷、正癸烷、正十二烷、正十三烷等組分在SE一30柱上分離時，正辛烷先流出，正壬烷流出以后各組分依次流出。（3）強極性樣品應(yīng)選強極性固定液。學(xué)生提問、討論與總結(jié)3另外，磷酸三苯酯、司班一80、吐溫一60以及聚間苯二酚等都屬中等極性固定液。分離效率高2.氣液色譜分析中使用的固定液種類很多，用什么來標(biāo)度它的分離特性呢?目前大都采用相對極性和固定液的特征常數(shù)進(jìn)行標(biāo)度。色譜的特點：高分離效能載體不直接起分離作用，但對柱效會產(chǎn)生影響。（1）非極性樣品應(yīng)選擇非極性固定液，此時P=0，級數(shù)為-1或+1。液體或氣體流動相從柱頭向柱尾極性固定液的種類也很多，分子中都含有很強的極性基團(tuán)，與樣品分子的作用力屬靜電力和誘導(dǎo)力。色譜法基礎(chǔ)知識

色譜的特點：高分離效能色譜的優(yōu)點：1.分離效率高2.應(yīng)用范圍廣3.分析速度快4.樣品用量少5.靈敏度高6.分離與測定一次完成，可與多種分析儀器聯(lián)用7.易于自動化色譜的缺點：鑒別功能較差色譜法的分類1按固定相和流動相所處的狀態(tài)分類流動相總稱固定相色譜名稱氣體氣相色譜（GC）固體氣-固色譜（GSC）液體氣-液色譜（GLC）液體液相色譜（LC）固體液-固色譜（LSC）液體液-液色譜（LLC）色譜法的分類2按固定相性質(zhì)和操作方式分類固定相形式柱紙薄層板填充柱開口管柱固定相性質(zhì)在玻璃或不銹鋼柱管內(nèi)填充固體吸附劑或涂漬在惰性載體上的固定液在彈性石英玻璃或玻璃毛細(xì)管內(nèi)壁附有吸附劑薄層或涂漬固定液等具有多孔和強滲透能力的濾紙或纖維素薄膜在玻璃板上涂有硅膠G薄層操作方式液體或氣體流動相從柱頭向柱尾連續(xù)不斷地沖洗液體流動相從濾紙一端向另一端擴(kuò)散液體流動相從薄層板一端向另一端擴(kuò)散名稱柱色譜紙色譜薄層色譜色譜法的分類3按色譜分離過程的物理化學(xué)原理分類名稱吸附色譜分配色譜離子交換色譜凝膠色譜原理利用吸附劑對不同組分吸附性能的差別利用固定液對不同組分分配性能差別利用離子交換劑對不同離子親和能力差別利用凝膠對不同組分分子的阻滯作用差別平衡常數(shù)吸附系數(shù)KA分配系數(shù)KP選擇性系數(shù)KS滲透系數(shù)KPF流動相為液體液固吸附色譜液液分配色譜液相離子交換色譜液相凝膠色譜流動相為氣體氣固吸附色譜氣液分配色譜目前，應(yīng)用最廣泛的是氣相色譜法（gaschromatography，GC）和高效液相色譜法（highperformanceliquidchromatography，HPLC）。色譜法基礎(chǔ)知識色譜法的分類色譜氣相色譜GC液相色譜LC超臨界流體色譜SFC氣固吸附色譜GSC氣液分配色譜GLC液固吸附色譜LSC液液分配色譜LLC離子交換色譜IEC空間排阻色譜GPC,GFC反相分配色譜正相分配色譜柱色譜平面色譜電色譜薄層色譜TLC紙色譜TLC親合色譜平面層電色譜毛細(xì)管柱電色譜毛細(xì)管電泳毛細(xì)管區(qū)帶電泳毛細(xì)管凝膠電泳毛細(xì)管膠束電動色譜毛細(xì)管等電聚焦毛細(xì)管等速電泳在氣相色譜分析中，要實現(xiàn)混合物中各組分的分離，主要決定于色譜柱中的固定相。氣相色譜中所使用的固定相包括固體固定相、液體固定相和合成固定相三類，但使用最多的是液體固定相。在氣液色譜中使用的固定相是涂在固體支持物(載體)上的一層液膜，稱為固定液，它直接對各組分起分離作用。載體不直接起分離作用，但對柱效會產(chǎn)生影響。因此，對固定液和載體都有一定的要求，對它們的特性及選擇也要進(jìn)行研究。

氣相色譜固定相

首先，要求有較大的溶解度和高的選擇性，這樣，各組分隨載氣通過色譜柱時在固定液中有較大的、各不相同的溶解度，就有可能達(dá)到良好的分離。其次，要求蒸氣壓低，在實際的操作柱溫下不易揮發(fā)(蒸氣壓一般在1．3332～13．332Pa)，以免固定液容易流失。第三，固定液的化學(xué)穩(wěn)定性要好，在一般情況下不與載體、組分和載氣起不可逆化學(xué)反應(yīng)。此外，固定液的使用溫度范圍要寬，黏度要小，凝固點要低，熱穩(wěn)定性要好，在較低溫度下不凝固，在較高溫度下不發(fā)生分解、聚合和交聯(lián)。

對固定液的要求

色譜柱固定相固定液的涂漬、裝柱及老化

抽氣N2例：2m3mm玻璃柱1.5%OV-17+2%QF-1/ChromosorbWAW-DMCS,80/100目《工業(yè)分析技術(shù)》PPT

固定液的特性氣液色譜分析中使用的固定液種類很多，用什么來標(biāo)度它的分離特性呢?目前大都采用相對極性和固定液的特征常數(shù)進(jìn)行標(biāo)度。各種固定液的相對極性在O～100之間，以20為一級，分為五級，用“+”表示，非極性用“一”表示。各種固定液相對極性大小列于表5-3《工業(yè)分析技術(shù)》PPT

固定液名稱相對極性級數(shù)角鯊?fù)榘⑵に蒘E_30鄰苯二甲酸二壬酯四乙基硅羥乙基月桂醇二丁基甲酰胺癸二酸乙二醇聚酯環(huán)氧丙基嗎啉二乙基甲酰胺苯乙腈聚乙二醇600二甲基甲酰胺β，β‘-氧二丙腈O71325263643525762647880100-1+1+1+2+2+2+3+3+3+4+4+4+4+5表5-3固定液的相對極性固定液的分類固定液按極性大小可分為五類：第一類非極性固定液。這一類固定液多為飽和烷烴，如正癸烷、正十八烷、異卅烷(角鯊?fù)?、阿皮松(常用L、M、N型)等，其中異卅烷最常用，稱為標(biāo)準(zhǔn)非極性固定液，其極性定為零。這類固定液與組分分子的作用力是色散力，主要用于分離一般烴類和非極性化合物。第二類弱極性固定液。主要為含甲基的硅氧烷類，分為硅油和硅橡膠。硅油類如硅油I、OV一101、PMS一100等。硅橡膠類如SE一30、SE一54等。高真空硅脂／丁二酸丁二醇聚酯屬硅脂類。第三類中等極性固定液。這類固定液種類很多，應(yīng)用也廣。如含各種極性基團(tuán)的聚硅氧烷類有QF-l、SP-2401等。含苯基的聚硅氧烷有OV-17、DC-704、OV-25等。屬中等極性固定液的還有各種一元酸酯，如鄰苯二甲酸二壬酯(DNP)、己二酸二辛酯。另外，磷酸三苯酯、司班一80、吐溫一60以及聚間苯二酚等都屬中等極性固定液。這類固定液的最高使用溫度為200～300℃，中等極性，可用于分離沸點相近的烷烴、烯烴、芳烴和環(huán)烷烴以及醇類和酮類，也可用于各種鹵化物的分離。第四類極性固定液。極性固定液的種類也很多，分子中都含有很強的極性基團(tuán)，與樣品分子的作用力屬靜電力和誘導(dǎo)力。這類固定液主要有含氧化合物如D一山梨醇，含腈基化合物如苯乙腈、β，β‘-氧二丙腈、各種二醇類及聚烷基氧化物等。第五類特殊類型固定液。如有機皂土一34，它是一種極性很強的固定液，最高使用溫度為180～200℃，對芳香族異構(gòu)體的分離非常有效，如鄰、間、對二甲苯的分離。固定液的選擇

相似相溶原理是指結(jié)構(gòu)或極性相似的物質(zhì)之間具有較大的溶解度。色譜分析中要實現(xiàn)組分的分離，就要使固定液對各組分具有不同的保留能力，而固定液對組分的保留能力就取決于組分在兩相中的溶解和解吸能力的大小。因此，可按以下原則進(jìn)行選擇：（1）非極性樣品應(yīng)選擇非極性固定液，此時P=0，級數(shù)為-1或+1。不論非極性組分多少，均按沸點高低順序流出，沸點低的先流出，沸點高的后流出。例如，正辛烷、正壬烷、正癸烷、正十二烷、正十三烷等組分在SE一30柱上分離時，正辛烷先流出，正壬烷流出以后各組分依次流出。而對烴和極性物質(zhì)的混合物，同沸點的極性物質(zhì)先流出。（2）中等極性樣品應(yīng)選中等極性固定液，組分基本按沸點順序流出，沸點低的先流出，沸點高的后流出。而對沸點相同的非極性與極性組分，非極性組分先流出。（3）強極性樣品應(yīng)選強極性固定液。組分按極性大小順序流出，但樣品中如有非極性組分，則非極性組