仪器分析速率理论PPT讲稿.ppt

仪器分析速率理论第1页，共37页，编辑于2022年，星期四n 关于色谱峰的术语峰峰高基线峰宽半峰宽峰面积标准偏差第2页，共37页，编辑于2022年，星期四n峰底宽、半峰宽及标准偏差三者的关系为峰底宽、半峰宽及标准偏差三者的关系为：n W=4，Wh/2=2.354n拖尾峰拖尾峰n伸舌峰伸舌峰n鬼峰、假峰鬼峰、假峰n畸峰畸峰n峰底峰底n基线漂移基线漂移n基线噪声基线噪声n谱带扩张谱带扩张第3页，共37页，编辑于2022年，星期四n 关于保留值的术语p死时间死时间(tM):):无保留组分出峰时间无保留组分出峰时间p保留时间保留时间(tR):):p调整保留时间调整保留时间(tR):):p死体积死体积(VM):):p保留体积保留体积(VR):):p调整保留体积调整保留体积(VR):):第4页，共37页，编辑于2022年，星期四n相对保留值相对保留值(ri,s):n保保留留指指数数(I)：又又叫叫Kovats，它它规规定定正正构构烷烷烃烃的的保保留留指指数数是是其其碳碳数数的的100倍倍，其其它它物物质质的的保保留留指指数数在在实实际际色色谱谱条条件件下下测测定定。选选取取与与被被测测物物相相邻邻的的两两种种正正构构烷烷烃烃做做参参照照系系，其其中中一一种种碳碳数数为为Z，另另一一种种为为Z+1，被被测测物物的的保保留留指指数数由由下式计算下式计算：第5页，共37页，编辑于2022年，星期四n 关于分配平衡p分配系数分配系数K(distribution coefficient)p分配比分配比k又称为容量因子、容量比、分配容量，是指在一定温度又称为容量因子、容量比、分配容量，是指在一定温度和压力下，平衡状态时组分在固定相中的量与在流动相中的量之和压力下，平衡状态时组分在固定相中的量与在流动相中的量之比值。比值。是衡量柱子对组分保留能力的重要参数是衡量柱子对组分保留能力的重要参数。第6页，共37页，编辑于2022年，星期四p相比相比 色谱柱内固定相和流动相体积之比色谱柱内固定相和流动相体积之比 是柱型及结构的重要特征。是柱型及结构的重要特征。第7页，共37页，编辑于2022年，星期四二、色谱分析法基本理论n研究理论的目的研究理论的目的解决色谱峰的分离问题解决色谱峰的分离问题n三个色谱基本理论问题三个色谱基本理论问题n色谱热力学问题色谱热力学问题发展高选择性色谱柱发展高选择性色谱柱n色谱动力学问题色谱动力学问题发展高效能色谱柱发展高效能色谱柱n分离条件的最优化问题分离条件的最优化问题分离条件优化分离条件优化第8页，共37页，编辑于2022年，星期四1、色谱动力学理论 研究流出曲线展宽的本质及曲线形状变研究流出曲线展宽的本质及曲线形状变化的影响因素化的影响因素n塔板理论塔板理论n速率理论速率理论第9页，共37页，编辑于2022年，星期四（1）塔板理论 塔板理论将色谱柱比作塔板理论将色谱柱比作精馏塔，通过概率理论精馏塔，通过概率理论得到流出曲线方程：得到流出曲线方程：第10页，共37页，编辑于2022年，星期四n当当t=tR时时，C=Cmax，峰峰高高正正比比于于进进样样量量C0，是是峰峰高高定定量量的的理理论基础。论基础。n当当n越越大大，柱柱效效越越大大，Cmax/C0越越大大。即即保保留留时时间间一一定定时时，塔塔板板数越多，峰越高数越多，峰越高。nCmax反反比比于于tR，tR小小，Cmax大大，保保留留时时间间小小的的组组分分峰峰高高且且窄窄。tR大大，Cmax小，小，保留时间大的组分峰低且宽保留时间大的组分峰低且宽。n 对色谱流出曲线方程的讨论对色谱流出曲线方程的讨论第11页，共37页，编辑于2022年，星期四n 柱效n(塔板数）由流出曲线方程导出由流出曲线方程导出：H=L/nnn是峰相对展宽的量度是峰相对展宽的量度nn是柱效的量度是柱效的量度nn是常数时，是常数时，Y与与tR 成正比成正比nn越越大大，h越越小小，表表明明组组分分在在柱柱中中达达到到的的分分配配平平衡衡次次数数越越多多，对对分分离离越越有有利利，但但还还不不能能预预言言各各组组分分有有被被分分离离的可能性。的可能性。第12页，共37页，编辑于2022年，星期四n 塔板理论的贡献n塔塔板板理理论论有有助助于于我我们们形形象象的的理理解解色色谱谱的的分离过程。分离过程。n导导出出色色谱谱流流出出曲曲线线方方程程，它它符符合合高高斯斯分分布布，与实验现象相吻合。与实验现象相吻合。n导出理论塔板数的计算公式，作为柱效的导出理论塔板数的计算公式，作为柱效的评价指标评价指标。第13页，共37页，编辑于2022年，星期四n 塔板理论的局限n塔塔板板高高度度H是是一一个个抽抽象象的的物物理理量量，它它的的色色谱谱本本质质是是什什么么？它它与与哪哪些些参参变变量量有有关关，又又怎怎样样影影响响峰峰的的扩扩张张？对对实验的指导意义有限。实验的指导意义有限。n不能解释流速对理论塔板数的影响。不能解释流速对理论塔板数的影响。n有些假设不合理，如没有考虑纵向扩散对色谱分有些假设不合理，如没有考虑纵向扩散对色谱分离的影响等。离的影响等。第14页，共37页，编辑于2022年，星期四 速率理论n速率理论是速率理论是1956年荷兰学者年荷兰学者Van Deemter等提出，因此又称作范第姆特方程等提出，因此又称作范第姆特方程n运用流体分子规律研究色谱过程中产生色运用流体分子规律研究色谱过程中产生色谱峰扩展的因素，导出了理论塔板高度与谱峰扩展的因素，导出了理论塔板高度与流动相线速度的关系，揭示了影响塔板高流动相线速度的关系，揭示了影响塔板高度的动力学因素度的动力学因素 第15页，共37页，编辑于2022年，星期四速率方程的导出n根据塔板计算公式：根据塔板计算公式：n=5.54(tR/Y1/2)2n速率理论讨论的是色谱峰展宽原因，即速率理论讨论的是色谱峰展宽原因，即影响塔板数影响塔板数n的因素，也就是影响塔板高的因素，也就是影响塔板高度度H的因素。的因素。nH=A+B/u+Cu第16页，共37页，编辑于2022年，星期四涡流扩散项A=2dp涡流扩散项均匀性因子粒径第17页，共37页，编辑于2022年，星期四涡流扩散项n涡流扩散项涡流扩散项A：由不等路径造成的色谱峰：由不等路径造成的色谱峰扩展。由于柱填料粒径大小不同，粒度分扩展。由于柱填料粒径大小不同，粒度分布范围不一致及填充的不均匀，形成宽窄、布范围不一致及填充的不均匀，形成宽窄、长短不同的路径，因此流动相沿柱内各路长短不同的路径，因此流动相沿柱内各路径形成紊乱的涡流运动，有些溶质分子沿径形成紊乱的涡流运动，有些溶质分子沿较窄且直的路径运行，以较快的速度通过较窄且直的路径运行，以较快的速度通过色谱柱，发生分子超前，反之，有些分子色谱柱，发生分子超前，反之，有些分子发生滞后，从而使色谱峰产生扩散。发生滞后，从而使色谱峰产生扩散。第18页，共37页，编辑于2022年，星期四分子扩散项nB/unB=2Dg弯曲因子扩散系数第19页，共37页，编辑于2022年，星期四分子扩散项n分子扩散项：由于分子的纵向扩散造成分子扩散项：由于分子的纵向扩散造成的色谱峰扩展。即由于试样组分被载气的色谱峰扩展。即由于试样组分被载气带入色谱柱后，是以塞子的形式存在于带入色谱柱后，是以塞子的形式存在于色谱柱的很小一段空间中，由于在塞子色谱柱的很小一段空间中，由于在塞子前后存在浓度梯度，因此使运动着的分前后存在浓度梯度，因此使运动着的分子产生纵向扩散，引起色谱峰扩展子产生纵向扩散，引起色谱峰扩展 第20页，共37页，编辑于2022年，星期四传质阻力项第21页，共37页，编辑于2022年，星期四气相传质阻力项n气相传质阻力项气相传质阻力项Cg：试样组分从气相移：试样组分从气相移动到固定相表面的过程中，由于质量交动到固定相表面的过程中，由于质量交换过程需要一定时间（即传质阻力）而换过程需要一定时间（即传质阻力）而使分子有滞留倾向。在此过程中，部分使分子有滞留倾向。在此过程中，部分组分分子随流动相向前运动，发生分子组分分子随流动相向前运动，发生分子超前，引起色谱峰扩展。超前，引起色谱峰扩展。第22页，共37页，编辑于2022年，星期四气相传质阻力项表达式nCgunCg=容量因子第23页，共37页，编辑于2022年，星期四液相传质阻力项n液相传质阻力项液相传质阻力项CL：试样组分从固定相：试样组分从固定相表面移动到固定相内部的过程中，由于表面移动到固定相内部的过程中，由于质量交换过程需要一定时间（即传质阻质量交换过程需要一定时间（即传质阻力）而使分子有滞留倾向。在此过程中，力）而使分子有滞留倾向。在此过程中，部分组分分子先离开固定相表面，发生部分组分分子先离开固定相表面，发生分子超前，引起色谱峰扩展。分子超前，引起色谱峰扩展。第24页，共37页，编辑于2022年，星期四液相传质阻力相表达式nCL unCL=液膜厚度液相扩散系数第25页，共37页，编辑于2022年，星期四气相色谱中的速率方程第26页，共37页，编辑于2022年，星期四速率方程给我们的什么启示n为柱型的研究和发展提供理论依据为柱型的研究和发展提供理论依据n为操作条件的选择提供理论指导为操作条件的选择提供理论指导n为色谱柱的填充提供理论指导为色谱柱的填充提供理论指导第27页，共37页，编辑于2022年，星期四对柱型研究和发展的影响nA=0?nGolay1957年提出年提出毛细管柱毛细管柱的概念的概念（opentube）n毛细管柱毛细管柱A=0，H=B/u+CunH，N，分离能力大大提高分离能力大大提高第28页，共37页，编辑于2022年，星期四对柱型研究和发展的影响nB=0?n溶质在液体中的扩散系数溶质在液体中的扩散系数DL10-5cm2/sn溶质在气体中的扩散系数溶质在气体中的扩散系数Dg10-1cm2/snDL Dgn当采用液体作流动相时当采用液体作流动相时 B0n液体作流动相时可用更细的固定相，液体作流动相时可用更细的固定相，A nHPLC柱效比柱效比GC要高要高23个数量级个数量级第29页，共37页，编辑于2022年，星期四操作条件对柱效的影响第30页，共37页，编辑于2022年，星期四载气线速度（流速）的影响n最佳流速：最佳流速：u=(B/C)1/2n实用最佳流速：比最佳流速更快实用最佳流速：比最佳流速更快nA与流速无关与流速无关nB/u：当流速小时，对：当流速小时，对H的大小起主导作用的大小起主导作用nCu：当流速大时，对：当流速大时，对H的大小起主导作用的大小起主导作用第31页，共37页，编辑于2022年，星期四容量因子k的影响n不同组分不同组分k不同不同，测出的柱效不同测出的柱效不同n在气相传质阻力相中，在气相传质阻力相中，k，Cg n理论上说理论上说k越小柱效越高，越小柱效越高，实际不可取实际不可取n在液相传质阻力相中，在液相传质阻力相中，k ，Cl先先，后后当当k=1时，时，最大。最大。n希望希望k在一个合适的范围内，通过改变柱温，固在一个合适的范围内，通过改变柱温，固定相，柱型参数等可实现。定相，柱型参数等可实现。第32页，共37页，编辑于2022年，星期四柱温的影响n间接影响、十分复杂间接影响、十分复杂n对对k影响，对扩散系数影响，从而对柱效影响，对扩散系数影响，从而对柱效产生影响，但影响情况难以判断产生影响，但影响情况难以判断第33页，共37页，编辑于2022年，星期四对色谱柱的填充提供理论指导n柱柱径径：根根据据速速率率方方程程，柱柱径径越越小小，柱柱效效越越高，但柱径越小，固定相越难填充均匀。高，但柱径越小，固定相越难填充均匀。n柱柱长长L：柱柱长长增增加加，总总塔塔板板数数增增加加，但但柱柱长增加，分离时间将增加。长增加，分离时间将增加。n固固定定相相粒粒径径dp：根根据据速速率率方方程程，粒粒径径减减小小，A项项减减小小，C项项减减小小，柱柱效效增增加加。但但粒粒径径太太小，不易填充，同时小，不易填充，同时A项增大。项增大。第34页，共37页，编辑于2022年，星期四对色谱柱的填充提供理论指导n液膜厚度液膜厚度df：从柱效角度考虑，液膜越薄，：从柱效角度考虑，液膜越薄，柱效越高（根据速率方程），但允许的柱效越高（根据速率方程），但允许的进样量减小。固定液与担体的配比一般进样量减小。固定液与担体的配比一般在在5:100-25:100之间，但现在更低配比之间，但现在更低配比的固定相也应用广泛。的固定相也应用广泛。n更重要的是：不同沸点的物质，应采用不同配更重要的是：不同沸点的物质，应采用不同配比的固定相比的固定相。第35页，共37页，编辑于2022年，星期四影响谱带扩张的其他因素n非线性分配色谱非线性分配色谱n载体表面活性吸附中心造成的拖尾载体表面活性吸附中心造成的拖尾n柱外效应柱外效应n色色谱谱柱柱外外引引起起色色谱谱峰峰扩扩展展的的因因素素：如如进进样样系系统统及及进进样样方方式式、系系统统连连接接管管、检检测测器器死死体体积积，检检测测器器响响应应时时间间常常数数等等因因素素引引起起的的谱谱带带宽宽展。展。第36页，共37页，编辑于2022年，星期四速率理论方程式的偶合式nH=(1/A+1/Cgu)-1+B/u+ClunA=(1/A+1/Cgu)-1为偶合项为偶合项n已被普遍接受已被普遍接受第37页，共37页，编辑于2022年，星期四