仪器分析教案第七章色谱法
2019.6仪器分析教案
课程类型
通识教育课 专业基础课 专业课 选修课
（） （√ ） （） （）
教学内容
第四节 分离条件选择 4.1 气相色谱速率理论 4.2 实验条件选择 分离条件 操作条件
第五节 定性和定量分析 5.1 定性分析方法 5.2 定量分析方法 定量校正因子 归一化法 外标法 内标法
本章小结
教材和参考书：
授课 形式
教材和参考书：
授课 形式
理论课（√） 讨论课（ ） 其他 （ ）
重点（△） 难点（○） 疑点（？）
时间 分配
（分钟）
5
△○
10
△
10
△
5
20
△○
15
△
15
10
△
10
△○
15
5
实验课（ ） 见习课（ ）
审阅人意见
1、《实用仪器分析》第四版，杨根元主编，北京大学出版社，2010 年版 2、Analytical Chemistry and Quantitative analysis, by David S.Hage, 2012 年版.
本单元 学时数
3
授课题目 气 相 色 谱 法 （ 上 ）
课程类型
通识教育课 专业基础课 专业课 选修课
（） （√ ） （） （）
授课 形式
理论课（√） 讨论课（ ） 其他 （ ）
教学内容
重点（△） 时间 难点（○） 分配
疑点（？） （分钟）
第一节 气相色谱法分类和气相色谱仪
1.1 气相色谱法分类
10
课后小结：
1、 HPLC 仪器流程与结构；化学键合固定相种类、特点；流动相对分离的影响；HPLC 速率 理论及分离条件选择。
仪器分析--平面色谱法
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50-17
氧化铝吸附活性：与含水量有关，水分增加， 等级增大，活性降低。
硅胶 含水量%
0 5 15
25 38
活性 等级
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
Ⅳ Ⅴ
氧化铝
含水量% 活化温度
0 3
300－400℃
6
150－300℃
10
15
100－150℃
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国药典》2010版中许多药物采用此法。
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50-12
一、薄层色谱的固定相
吸附剂，adsorbent 1. 硅胶 2. 氧化铝 3. 聚酰胺
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50-13
1. 硅胶（SiO2·H2O，silica gel）
结构：内部— 硅氧交联结构→多孔结构 表面— 硅醇基→氢键作用→吸附活性中心
适用范围：硅胶具有微酸性，适于分析酸性或中 性物质
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50-14
基本特性：
① 易形成氢键：与极性物质或不饱和化合物。物质 极性↑，吸附能力↑，不易洗脱。
② 吸附活性次序：活泼型>束缚型>游离型 ③ 吸附活性等级：与含水量有关，含水高，活性级
数高，吸附能力弱。
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50-2
二、平面色谱法参数
1、定性参数 ① 比移值（retardation foctor）
Rf = L / L0
可用范围：0.2～0.8 最佳范围：0.3～0.5
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50-3
② 相对比移值(relative Rf )： Rr＝Rf（i）/Rf（s）＝Li /Ls
光谱法色谱法
此式为光吸收定律的数学表达式。
式中A称为吸光度； K是比例常数，与入射光的波长、 物质的性质和溶液的温度等因 素有关。
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❖ 吸收系数 A=Kbc中比例常数K称为吸收系数； 物理意义：单位浓度的溶液液层厚度为1 cm 时，在一定波长下测得的吸光度。
在药品检验的实际工作中，通常有两种表示方 法：
④与标准谱图进行对照
在相同的实验条件下操作，将得到的红外光谱图 与标准谱图进行比较，若两张谱图吸收峰的位置和形 状完全相同，峰的相对强度一样，可以认为样品与该 种已知物是同一物质。
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定量分析
红外光谱定量分析是通过对特征吸收谱带 强度的测量来求出组份含量。其理论依据是朗 伯-比耳定律。
TLC的基本材料
载板： 具有一定机械强度、化学惰性、耐一定温度、表面 平整、厚度均匀，价格合理，常用为玻璃板。 玻璃板的常用规格：5×20cm、10×20cm、 20×20cm，要求光滑、平整、洗净后不附水珠、干 燥。
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③谱图的解析
首先观察官能团区，解析第一强吸收峰属于何种基团
的特征吸收峰。
如，羰基(C=O)在1820cm-1~1600cm-1有强吸收峰，其中：
O RC
仪器分析-高效液相色谱法
流动相的选择与制备
选择合适的流动相
根据被分析化合物的性质， 选择适当的流动相，如有 机溶剂、缓冲液等。
流动相的配制
按照实验要求，准确称量 流动相组分，混合均匀， 并进行过滤和脱气处理。
流动相的梯度洗脱
对于多组分分离，可以采 用梯度洗脱技术，以提高 分离效果。
仪器的开机与平衡
开机
按照仪器说明书，打开仪器电源， 启动仪器操作系统。
药物制剂质量控制
高效液相色谱法可以用于药物制剂的质量控制， 检测制剂中药物的含量、纯度和稳定性等指标。
环境样品分析中的应用
污染物检测
高效液相色谱法可以用 于检测环境中的有机污 染物，如农药、多环芳 烃等，为环境污染控制 和治理提供依据。
饮用水质量检测
通过高效液相色谱法可 以检测饮用水中的有害 物质，如消毒副产物、 微量有机物等，保障公 众的饮用水安全。
粒径
色谱柱的粒径影响分离效 果和分离时间。粒径越小， 分离效果越好，但分离时 间越长。
长度
色谱柱的长度影响分离效 果和载样量。长度越长， 分离效果越好，但载样量 越小。
检测器
类型
常用的检测器有紫外-可见光检测器、荧 光检测器、电导检测器等，根据被测物质 的性质和检测需求选择合适的检测器。
响应速度
线性范围
质。
测定水体、土壤、空气 中的污染物和有害物质。
用于蛋白质、核酸、细 胞等生物大分子的分离
和检测。
高效液相色谱法的优势与局限性
优势
高分离效能、高灵敏度、高选择 性、应用范围广。
局限性
需要专业操作人员、仪器昂贵、 样品前处理复杂、耗时长。
02 高效液相色谱法的仪器构成
CHAPTER
《仪器分析》课程教案
《仪器分析》课程教案一、课程概述1. 课程目的：《仪器分析》课程旨在帮助学生掌握各种现代仪器分析方法的基本原理、仪器结构、操作技巧和数据分析，培养学生具备实验设计、实验操作和实验结果分析的能力。
2. 课程内容：本课程内容包括光谱分析、色谱分析、电化学分析、质谱分析、原子吸收光谱分析、X射线荧光光谱分析等现代仪器分析方法。
3. 适用对象：本课程适用于化学、化工、环境、生物、医药等专业本科生和研究生。
二、教学方法1. 讲授与实践相结合：通过理论讲授，使学生掌握各种仪器分析方法的基本原理；通过实验实践，使学生熟悉仪器操作和数据分析。
2. 案例分析：引入实际案例，使学生了解仪器分析在科研和生产中的应用。
3. 小组讨论：鼓励学生针对实验结果进行小组讨论，提高学生的分析问题和解决问题的能力。
三、教学目标1. 知识目标：（1）掌握各种仪器分析方法的基本原理；（2）了解仪器分析方法的应用领域；（3）熟悉常见仪器的操作和维护。
2. 能力目标：（1）具备实验设计、实验操作和实验结果分析的能力；（2）能够运用仪器分析方法解决实际问题。
四、教学安排1. 课时：共计32课时，其中理论讲授20课时，实验实践12课时。
2. 教学进度：（1）第1-8课时：光谱分析方法；（2）第9-16课时：色谱分析方法；（3）第17-24课时：电化学分析方法；（4）第25-32课时：质谱分析、原子吸收光谱分析和X射线荧光光谱分析方法。
五、教学评价1. 平时成绩：课堂表现、作业完成情况，占总成绩的30%。
2. 实验报告：实验操作、实验结果和数据分析，占总成绩的40%。
3. 期末考试：理论知识测试，占总成绩的30%。
六、教学资源1. 教材：《仪器分析原理与应用》2. 实验设备：各种仪器分析设备，如光谱仪、色谱仪、电化学分析仪等。
3. 辅助材料：课件、实验指导书、案例分析资料等。
七、教学注意事项1. 确保实验安全：在实验过程中，教师应指导学生遵守实验规程，注意实验安全。
南京仪器分析教案
南京仪器分析教案第一章：绪论1.1 课程简介介绍南京仪器分析课程的目的、意义和主要内容。
强调仪器分析在化学、化工、环保等领域的应用重要性。
1.2 仪器分析方法的分类概述常见的仪器分析方法，如光谱分析、色谱分析、电化学分析等。
简要介绍各种方法的原理和特点。
1.3 实验操作的基本要求强调实验操作的安全性和规范性。
介绍实验中的数据处理和结果分析方法。
第二章：光谱分析2.1 紫外-可见光谱分析介绍紫外-可见光谱分析的原理和方法。
讲解紫外-可见光谱仪的使用方法和操作步骤。
2.2 红外光谱分析介绍红外光谱分析的原理和方法。
讲解红外光谱仪的使用方法和操作步骤。
2.3 拉曼光谱分析介绍拉曼光谱分析的原理和方法。
讲解拉曼光谱仪的使用方法和操作步骤。
第三章：色谱分析3.1 气相色谱分析介绍气相色谱分析的原理和方法。
讲解气相色谱仪的使用方法和操作步骤。
3.2 液相色谱分析介绍液相色谱分析的原理和方法。
讲解液相色谱仪的使用方法和操作步骤。
3.3 色谱数据分析介绍色谱数据分析的方法和技巧。
讲解色谱数据的处理和结果分析。
第四章：电化学分析4.1 电位分析介绍电位分析的原理和方法。
讲解电位分析仪的使用方法和操作步骤。
4.2 库仑分析介绍库仑分析的原理和方法。
讲解库仑分析仪的使用方法和操作步骤。
4.3 电化学发光分析介绍电化学发光分析的原理和方法。
讲解电化学发光分析仪的使用方法和操作步骤。
第五章：实验操作与数据处理5.1 实验操作技巧介绍实验操作中的注意事项和技巧。
强调实验操作的准确性和可靠性。
5.2 数据处理方法介绍实验数据的处理方法，如误差分析、校正因子计算等。
讲解数据处理软件的使用方法和操作步骤。
强调实验报告的清晰性和完整性。
第六章：原子吸收与发射光谱分析6.1 原子吸收光谱分析介绍原子吸收光谱分析的原理和方法。
讲解原子吸收光谱仪的使用方法和操作步骤。
6.2 原子发射光谱分析介绍原子发射光谱分析的原理和方法。
讲解原子发射光谱仪的使用方法和操作步骤。
环境仪器分析 第七章 高效液相色谱法
主要区别：固定相差别，输液设备和检测手段
柱内径1~3cm，固定相粒径>100μm 且不均匀 常压输送流动相 柱效低（H↑，n↓） 分析周期长 无法在线检测
1．经典LC：仅做为一种分离手段
2．HPLC：分离和分析
柱内径2~6mm，固定相粒径<10μm（球形，匀浆装柱） 高压输送流动相 柱效高（H↓，n↑） 分析时间大大缩短 可以在线检测
A 2 dp
next
A dp
， dp A H ， n 柱效
图示
续前
3）传质阻抗项及其影响
C C m C sm C s C m C sm （忽略固定相传质阻抗 ）
注：只考虑流动相和静态流动相的传质阻抗 忽略固定相传质阻抗
A dp
B 2 D m 2 D g
B t R ，B D g
T T D g 或D g M df 2 C Cm C s C g Cl Cl Cl Dl
DL T
续前
2. HPLC ： H A C u
B 2 D m
第七章
高效液相色谱法
High Pressure Liquid Chromatography
第一节
概述
高效液相色谱法：以气相色谱为基础，在经典液相 色谱实验和技术基础上建立的一种液相色谱法
一、HPLC与经典LC区别 二、HPLC与GC差别
三、高效液相色谱的特点
四、高效液相色谱的局限性
一、HPLC与经典LC区别
•
•
• • •
液-液分配色谱技术的关键是相体系选择。 可通过调节流动相的极性，来获得良好的柱 效和缩短分析时间。 液-液分配色谱可用于几乎所有类型化台物， 极性的或非极性的、有机物或无机物、大分 于或小分于物质的分离，只要官能团不同、 或者官能团数目不同、或者是分子量不同均 可获得满意的分离。
仪器分析-色谱法
高效液相色谱法(HPLC) 是在气相色谱和经典液相色谱的基础上，采用高压泵、高效固定相以及高灵敏度检测器等新实验技术建立的一种液相色谱分析法。
特点：高压、高柱效、高灵敏度2.HPLC中分离条件的选择：a.固定相与装柱方法的选择:选粒径小的、分布均匀的球形固定相(dp≤10μm)首选化学键合相，匀浆法装柱b.流动相及其流速的选择: 选粘度小、低流速的流动相c.柱温的选择:选室温25-30℃左右。
太低流动相黏度增加，太高容易产生气泡第一节液-固色谱法1.液-固色谱法是利用各组分在固定相上的吸附能力不同进行分离的，也称液-固吸附色谱。
2.分离原理.：组分分子与流动相分子竞争吸附吸附剂表面活性中心，靠组分分子的分配比不同而分离。
3.吸附剂吸附试样的能力，主要取决于吸附剂的比表面积和理化性质，试样的组成和结构以及流动相的性质等。
1）组分与吸附剂的性质相似时，易被吸附;2）组分分子结构与吸附剂表面活性中心的刚性几何结构相适应时，易于吸附。
吸附色谱是分离几何异构体的有效手段;不同的官能团具有不同的吸附能力，因此，吸附色谱可按族分离化合物4.固定相：常用的液-固色谱固定相是表面多孔和全多孔微粒型硅胶、氧化铝等。
一般采用5~10μm的全多孔型微粒。
这些吸附剂的极性都比较大，对非极性组分的保留能力较弱，与极性化合物的相互作用较强。
5.流动相：在液-固色谱中，选择流动相的基本原则是极性大的试样用极性较强的流动相，极性小的则用低极性流动相。
液-固色谱的流动相必须符合下列要求:1）能溶解样品，但不能与样品发生反应。
2）与固定相不互溶，也不发生不可逆反应。
3）粘度要尽可能小，这样才能有较高的渗透性和柱效。
4）应与所用检测器相匹配。
例如利用紫外检测器时，溶剂要不吸收紫外光。
5）容易精制、纯化、毒性小，不易着火、价格尽量便宜。
第二节化学键合相色谱法1.液液分配色谱法分离原理：根据物质在两种互不相溶的液体中溶解度的不同，在两溶液间进行不同分配而实现分离。
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（脱）附或者溶解与挥发的过程叫分配过程。
（1）分配系数(K):在一定温度、压力下，当组 分在流动相和固定相两相中达到分配平衡时，组 分在两相中的浓度之比，称为分配系数(K)。
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K s / m
组分在固定相中的 组分在流动相中的 质量浓度(g· -1) mL
• 理论塔板数（n）可根据色谱图上所测得的 保留时间（tR）和峰底宽（Y）或半峰宽 （ Yh/2 ）按下式推算：
tR 2 n 16 ( ) 或 Y
tR 2 n 5.54 ( ) Yh
2
保留时间越长，Y或Y1/2越小，色谱峰越窄， 理论塔板数越多，组分在两相间达到分配平 衡的次数也越多，分离能力越强，柱效也就 越高。
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三、气相色谱法的基本理论
1.塔板理论（ Martin and Synge 1941）
七点假设： 将一根色谱柱视为一个精馏塔
色谱柱是由一系列连续的、水平的塔板构成
每一块塔板的高度为H 组分气体以脉冲的方式进入塔板 组分在每一块塔板上迅速达到分配平衡 分配系数在各塔板上是常数
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★ ★死体积（V0 ）：不与固定相作用的组分从进样 到柱后出现浓度最大值所需要的载气体积。若载气 的体积流量为qv,0，则死体积为 V0= qv,0 ·0 t
★ ★保留体积（VR ）：从进样开始到柱后出现浓度 最大值所需要的载气体积
VR= qv,0 ·R t
★ ★调整保留体积（ VR′ ）：指扣除死体积后的保 留体积
质量浓度(g· -1) mL
K↑ 溶解度或吸附能力 ↑， 组分在固定相中的量
↑，在气相中的量↓。 K↑ 进入固定相的组分↑，组分在固定相中滞留
的时间越长，流出色谱柱所需的时间也就越长。
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（2）分配比(k)
定义：分配比是在一定温度、压力下，组分在两相 间达到分配平衡时，两相间组分的质量比：
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二、色谱方法的分类
1.定义
色谱是一种分离技术.
色谱柱：进行色谱分离用的细长管。 固定相：管内保持固定、起分离作用的填充物。 流动相：流经固定相的空隙或表面的冲洗剂。
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2.色谱法的分类(三种)
（1）按两项存在的物理状态分类 ①根据流动相的物态： 气相色谱法(GC) 液相色谱法(LC) ②根据固定相的物态： 气-固色谱法 气-液色谱法 液-固色谱法 液-液色谱法
某色谱峰的峰底宽度为3.2cm，用时间表示的色谱 峰宽度为多少?
解：
3.2cm÷(2.5cm· -1)＝1.28min min
答：色谱峰的宽度为1.28min。
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⑤保留值
表示被测组分从进样到色谱柱后出现浓度最大值所 需要的时间(或所需载气的体积)，叫做保留值。 ★ ★保留时间(tR):是指被测组分从进样开始到柱 后出现浓度最大值时所需的时间。
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tR 2 5.7 2 n 16( ) 16( ) 1444 Y 0.6
L 210 cm H 0.145 cm 1.45mm n 1444
答：塔板高度为1.45mm。
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有效塔板数（neff）的计算公式为；
neff t t 2 2 R 5.54 ( ) 16 ( R ) wh / 2 w
VR′= t0′· qv,0
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★相对保留值( 2,1 ) 表示组分2的调整保留值与组分1的调整保留值之比：
1, 2
t , 2 VR , 2 R t ,1 VR ,1 R
2,1 值越大，两组分的色谱峰相距越远，分离得
越好
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2.分配系数与分配比
俄国植物学家Tswett
于1901年发现：利用
吸附原理分离植物色
素
1903年发表文章：On a new category of adsorption phenomena and their application to biochemical analysis 1906年Tswett 创立“chromatography”—“色谱法”新 名词 08:44:00
气体的纵向扩散可以忽略不计
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• 塔板理论认为，一根柱子可以分为n段， 在每段内组分在两相间很快达到平衡，把 每一段称为一块理论塔板。 • 设柱长为L，理论塔板高度为H，则 • H=L/n • 式中n为理论塔板数。 • 同长度的色谱柱塔板数越多，塔板高度H 越小，分离效果越好。
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④分析速度快
一般分析可在几分到几十分内可以完成，某些快速 分析1s内可以分析数个组分。
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二、气相色谱法的基本概念
1．色谱常用术语
①色谱图
试样中各组分经色谱柱分离后，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
变为相应的电信号，由记录仪所记录下的信号——
☆☆式中：U为流动相平均线速度；
A为涡流扩散项；
B/U为分子扩散项；
CU为传质阻力项。 减少A，B/U，CU三项的值，可以降低塔板高度量， 减少色谱峰的扩张，提高柱效。
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例2.2
某色谱柱长2.1m，测得某组分的保留时间
为5min42s，在色谱纸上量得色谱峰的宽度为1.2cm， 已知纸速为2cm· -1，求塔板高度。 min 解：将色谱峰的宽度换算成时间：
1.2cm Y 0.6 min 1 2.0cm min
42 s t R 5 min 5.7 min 1 60 s min
1907年在德国生物会议上第一次向世界公开展示 显现彩色环带的柱管
1935年Adams and Holmes 发明了苯酚-甲醛型离 子交换树脂，进一步发明了离子色谱
1938年Izmailov 发明薄层色谱 1941年Martin & Synge 发明了液-液分配色谱 1944年Consden,Gordon & Martin 发明纸色谱 1952年Martin & Synge 发明气-液色谱 1953年Janak发明气-固色谱 1954年Ray发明热导检测器
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1954年我国研究成功第一台色谱仪
1957年Martin & Golay 发明毛细管色谱 1959年Porath & Flodin 发明凝胶色谱 1960年液相色谱技术完善 色谱法(chromatography)：以试样组分在固定相和 流动相间的溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲 和作用的差异为依据而建立起来的各种分离分析方 法称色谱法。 是借助色谱分离原理而使混合物中各组分分离的技 术；将色谱分离技术应用于分析化学，称为色谱分 析。
Vm / Vs
相比：表示流动相体积与固定 相体积之比
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• 3.谱分析的实验依据：
• ①根据色谱峰的位置（保留时间）可以进行定 性分析。 • ②根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量分析。 • ③根据色谱峰的展宽程度，可以对某物质在实 验条件下的分离特性进行评价。 • 相对保留值应该与柱长、柱径、填充情况、流 动相流速等条件无关，而仅与温度、固定相种 类有关。 当ri，s =1时两个组分不能分离。
k=ms/mm
分配比又称为容量因子或容量比
分配比k的大小由下式计算：k=tR`/t0
通过实验来测定分配比k的数值
k 值越大，保留时间越长。 k =0的组分，其保留时
间即为死时间。
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（3）分配系数与分配比的关系
s m s / Vs Vm K k k m mm / Vm Vm
时间变化的曲线。
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③色谱峰高和峰面积
峰高(h)：峰高h指色谱峰最高点到基线的距离，一
般用cm为单位。
峰面积(A)：峰高与峰底宽之间的乘积称为峰面积
(peak area)，用A表示。
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④峰的区域宽度： 峰宽(Y)与半峰宽[Y1/2) 从色谱峰两侧的转折点(拐点)作切线，在基线上
一、色谱分析法的历史
The history
二、气相色谱分析
Gas chromatography
三、课程的学习方法
learning method of the course
四、参考资料
references
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美国气相 色谱仪
HP高压液 相色谱仪
国产气相色 谱仪
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一、色谱分析法的历史
用。
(3)色谱分离是一种非常有效的提纯物质的技术，
常用于制备分离，得到高纯样品。
(4)色谱—质谱联用仪已成为研究分子结构的重 要手段。
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第二节
气相色谱分析理论基础
一、气相色谱法的特点
①高效能 填充柱都有几千块理论塔板
毛细管柱可达104 块～105 块理论塔板，可以分析沸 点十分相近的组分和极为复杂的多组分混合物 ②高选择性
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2.速率理论（J. J. Van Deemter 1956）
速率理论认为，单个组分粒子在色谱柱内固定相和 流动相间要发生千万次转移，加上分子扩散和运动 途径等因素，它在柱内的运动是高度不规则的，是 随机的，在柱中随流动相前进的速度是不均一的。
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范第姆特方程式：
H=A+B/U+CU
可分离同系物、同分异构化合物。
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③高灵敏度
可以检测出10-11g～10-13g物质 痕量杂质分析：可以测出超纯气体、高分子单体、 高纯试剂中质量分数为10-6～10-10数量级的杂质 大气污染物分析：可以直接检出质量分数为10-9 数 量级的痕量毒物 农药残留物的分析：可以检出农副产品、食品、水 质中质量分数为10-6～10-9数量级的氯、硫、磷化合 物