色谱法分离原理 (2)精选PPT.ppt

关于色谱法分离原理(2)第1页，讲稿共106张，创作于星期三1941 Martin和Synge提出液-液色谱理论；1952 James和Martin发展了气相色谱；1956 Van Deemter提出速率理论；1967 Kirkland等研制高效液相色谱法；20世纪世纪80年代以后年代以后出现毛细管电泳和毛细管出现毛细管电泳和毛细管电动色谱等一系列新的色谱分析方法。电动色谱等一系列新的色谱分析方法。1903俄国植物学家茨维特分离植物色素俄国植物学家茨维特分离植物色素第2页，讲稿共106张，创作于星期三ts第3页，讲稿共106张，创作于星期三 o在色谱法中，将填入玻璃管或不锈钢管内在色谱法中，将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相（固体或液体）称为静止不动的一相（固体或液体）称为固定固定相相 ；o自上而下运动的一相（一般是气体或液体）自上而下运动的一相（一般是气体或液体）称为称为流动相流动相 ；o装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）称为称为色谱柱色谱柱 。第4页，讲稿共106张，创作于星期三o当流动相中样品混合物经过固定相时，就当流动相中样品混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用，由于各组分在性质会与固定相发生作用，由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相相互作用的类和结构上的差异，与固定相相互作用的类型、强弱也有差异，型、强弱也有差异，因此在同一推动力的因此在同一推动力的作用下，不同组分在固定相滞留时间长短作用下，不同组分在固定相滞留时间长短不同，从而按先后不同的次序从固定相中不同，从而按先后不同的次序从固定相中流出。流出。第5页，讲稿共106张，创作于星期三分类分类按流动相分按流动相分气相色谱（GC）液相色谱（LC）超临界流体色谱（SFC）按机理分按机理分吸附色谱分配色谱离子交换色谱排阻色谱第6页，讲稿共106张，创作于星期三按固定相在支持按固定相在支持体中的形状分体中的形状分柱色谱平板色谱纸色谱薄层色谱按分离效率分按分离效率分经典液相色谱高效液相色谱第7页，讲稿共106张，创作于星期三第二节第二节 色谱流出曲线及有关术语色谱流出曲线及有关术语（一）色谱流出曲线和色谱峰（一）色谱流出曲线和色谱峰 由检测器输出的信号强度对时间作图，所得由检测器输出的信号强度对时间作图，所得曲线称为色谱流出曲线。曲线上突起部分就是曲线称为色谱流出曲线。曲线上突起部分就是色谱峰。色谱峰。如果进样量很小，浓度很低，在气固如果进样量很小，浓度很低，在气固/液固液固吸附色谱或气液吸附色谱或气液/液液分配色谱的线性范围内，液液分配色谱的线性范围内，则色谱峰是对称的。则色谱峰是对称的。第8页，讲稿共106张，创作于星期三第9页，讲稿共106张，创作于星期三（二）基线（二）基线 在实验操作条件下，在实验操作条件下，色谱柱后没有样品色谱柱后没有样品组分流出时的流出曲线称为基线组分流出时的流出曲线称为基线，稳定的，稳定的基线应该是一条水平直线。基线应该是一条水平直线。（三）峰高（三）峰高 色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以（h h）表示。表示。第10页，讲稿共106张，创作于星期三 o色谱流出曲线和色谱峰色谱流出曲线和色谱峰o基线（基线（a）o峰高（峰高（h）第11页，讲稿共106张，创作于星期三（四）保留值（四）保留值 1.1.死时间死时间t tM M 不不被被固固定定相相吸吸附附或或溶溶解解的的物物质质进进入入色色谱谱柱柱时时，从从进进样样到到出出现现峰峰极极大大值值所所需需的的时时间间称称为为死死时时间间，它它正正比比于于色色谱谱柱柱的的空空隙隙体体积积，如下图如下图。信号进样tM第12页，讲稿共106张，创作于星期三因为这种物质不被固定相吸附或溶解，故因为这种物质不被固定相吸附或溶解，故其流动速度将与流动相流动速度相近。其流动速度将与流动相流动速度相近。测定流测定流动相平均线速动相平均线速 时，可用柱长时，可用柱长L L与与t tM M的比值计算，的比值计算，即即=L/tM第13页，讲稿共106张，创作于星期三2.保留时间保留时间tR试样从进样到柱后出现峰极大点时所经试样从进样到柱后出现峰极大点时所经过的时间，称为保留时间，如下图。过的时间，称为保留时间，如下图。信信号号进样进样tR第14页，讲稿共106张，创作于星期三3.3.调整保留时间调整保留时间t tR R 某组分的保留时间扣除死时间后，称为某组分的保留时间扣除死时间后，称为该组分的该组分的调整保留时间调整保留时间，即即 tR=tR tM 由由于于组组分分在在色色谱谱柱柱中中的的保保留留时时间间t tR R包包含含了了组组分分随随流流动动相相通通过过柱柱子子所所需需的的时时间间和和组组分分在在固固定定相相中中滞滞留留所所须须的的时时间间，所所以以t tR R实实际际上上是是组组分在固定相中保留的总时间。分在固定相中保留的总时间。第15页，讲稿共106张，创作于星期三保保留留时时间间是是色色谱谱法法定定性性的的基基本本依依据据，但但同同一一组组分分的的保保留留时时间间常常受受到到流流动动相相流流速速的的影影响响，因因此此色色谱谱工工作作者者有有时时用用保保留留体积来表示保留值。体积来表示保留值。第16页，讲稿共106张，创作于星期三4.4.死体积死体积V V0 0 指色谱柱在填充后，柱管内固定相颗指色谱柱在填充后，柱管内固定相颗粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间的总和。接头间的空间以及检测器的空间的总和。当后两项很小可忽略不计时，当后两项很小可忽略不计时，死体积可死体积可由死时间与色谱柱出口的载气流速由死时间与色谱柱出口的载气流速F Fcoco（cmcm3 3minmin-1-1）计算计算。第17页，讲稿共106张，创作于星期三V0=tMFco式中式中Fco为扣除饱和水蒸气压并经为扣除饱和水蒸气压并经温度校正的流速。温度校正的流速。仅适用于气相色谱仅适用于气相色谱，不适用于液相色谱不适用于液相色谱。第18页，讲稿共106张，创作于星期三5.5.保留体积保留体积V VR R 指从进样开始到被测组分在指从进样开始到被测组分在柱后出现浓柱后出现浓度极大点度极大点时所通过的流动相的体积。保留时所通过的流动相的体积。保留时间与保留体积关系：时间与保留体积关系：VR=tR Fco 第19页，讲稿共106张，创作于星期三6.6.调整保留体积调整保留体积V VR R 某组分的保留体积扣除死体积后，称为该组分某组分的保留体积扣除死体积后，称为该组分的调整保留体积。的调整保留体积。VR=VR V0=tR Fco第20页，讲稿共106张，创作于星期三7.7.相对保留值相对保留值r r2,12,1 某组分某组分2 2的调整保留值与组分的调整保留值与组分1 1的调整保的调整保留值之比，称为相对保留值。留值之比，称为相对保留值。r2,1=tR2/tR1=VR2/VR1 由于相对保留值只与柱温及固定相性质有由于相对保留值只与柱温及固定相性质有关，而与柱径、柱长、填充情况及流动相流关，而与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关，因此，它在色谱法中，特别是在气速无关，因此，它在色谱法中，特别是在气相色谱法中，广泛相色谱法中，广泛用作定性的依据用作定性的依据。第21页，讲稿共106张，创作于星期三 在定性分析中，通常固定一个色谱峰作为在定性分析中，通常固定一个色谱峰作为标准（标准（s s），），然后再求其它峰（然后再求其它峰（i i）对这个峰对这个峰的相对保留值，此时可用符号的相对保留值，此时可用符号 表示，即表示，即 =tR(i)/tR(s)式中式中t tR R (i)(i)为后出峰的调整保留时间，所为后出峰的调整保留时间，所以以 总是大于总是大于1 1的。相对保留值往往可作为衡的。相对保留值往往可作为衡量固定相选择性的指标，又称选择因子。量固定相选择性的指标，又称选择因子。第22页，讲稿共106张，创作于星期三(五五)区域宽度区域宽度 色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参数之一，用于衡量柱效率及反映色谱操作条件的数之一，用于衡量柱效率及反映色谱操作条件的动力学因素。表示色谱峰区域宽度通常有动力学因素。表示色谱峰区域宽度通常有三种方三种方法法。第23页，讲稿共106张，创作于星期三1.1.标准偏差标准偏差-即即0.6070.607倍峰高处色谱峰宽倍峰高处色谱峰宽的一半。的一半。2.2.半半峰峰宽宽Y Y1/21/2-即即峰峰高高一一半半处处对对应应的的峰峰宽宽。它它与标准偏差的关系为与标准偏差的关系为 Y Y1/21/2=2.354=2.354 3.3.峰峰底底宽宽度度Y Y-即即色色谱谱峰峰两两侧侧拐拐点点上上的的切切线线在在基基线线上上截截距距间间的的距距离离。它它与与标标准准偏偏差差 的关系是的关系是 Y=4 Y=4 第24页，讲稿共106张，创作于星期三第25页，讲稿共106张，创作于星期三从色谱流出曲线中，可得许多重要信息：从色谱流出曲线中，可得许多重要信息：(i)i)根根据据色色谱谱峰峰的的个个数数，可可以以判判断断样样品品中中所所含含 组组分的最少个数；分的最少个数；(ii)ii)根据色谱峰的保留值根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析；，可以进行定性分析；(iii)iii)根根据据色色谱谱峰峰的的面面积积或或峰峰高高，可可以以进进行行定定量量分析；分析；(iv)iv)色色谱谱峰峰的的保保留留值值及及其其区区域域宽宽度度，是是评评价价色色谱谱柱分离效能的依据；柱分离效能的依据；(v)v)色色谱谱峰峰两两峰峰间间的的距距离离，是是评评价价固固定定相相（或或流流动相）选择是否合适的依据。动相）选择是否合适的依据。第26页，讲稿共106张，创作于星期三 色谱分析的色谱分析的目的目的是将样品中是将样品中各组分彼此分离各组分彼此分离，组分要达，组分要达到完全分离，两峰间的距离必须足够远，两峰间的距离到完全分离，两峰间的距离必须足够远，两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱过程的是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱过程的热力学性质有关。热力学性质有关。但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼此但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能分开。这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱中重叠，还是不能分开。这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即与色谱过程的动力学性质有关。传质和扩散行为决定的，即与色谱过程的动力学性质有关。因此，因此，要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。第27页，讲稿共106张，创作于星期三（一）分配系数（一）分配系数K K和分配比和分配比k k1.1.分配系数分配系数K K 分分配配色色谱谱的的分分离离是是基基于于样样品品组组分分在在固固定定相相和和流流动动相相之之间间反反复复多多次次的的分分配配过过程程，而而吸吸附附色色谱谱的的分离是基于反复多次的分离是基于反复多次的吸附吸附-脱附脱附过程。过程。这这种种分分离离过过程程经经常常用用样样品品分分子子在在两两相相间间的的分分配配来来描描述述，而而描描述述这这种种分分配配的的参参数数称称为为分分配配系系数数K K。第28页，讲稿共106张，创作于星期三 它它（K K）是是指指在在一一定定温温度度和和压压力力下下，组组分分在在固固定定相相和和流流动动相相之之间间分分配配达达平平衡衡时时的的浓浓度度之之比比值，即值，即 K=K=溶质在固定相中的浓度溶质在固定相中的浓度/溶质在流动相中的浓度溶质在流动相中的浓度 =Cs/Cm 第29页，讲稿共106张，创作于星期三 分配系数是由组分和固定相的热力学性分配系数是由组分和固定相的热力学性质决定的，它是每一个溶质的特征值，它质决定的，它是每一个溶质的特征值，它仅与两个变量有关：仅与两个变量有关：固定相和温度固定相和温度。与两。与两相体积、柱管的特性以及所使用的仪器无相体积、柱管的特性以及所使用的仪器无关。关。第30页，讲稿共106张，创作于星期三2.2.分配比分配比 k k 分配比又称分配比又称容量因子容量因子，它是指在一定温度和压，它是指在一定温度和压力下，组分在两相间分配达平衡时，分配在固力下，组分在两相间分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的物质的量比。即定相和流动相中的物质的量比。即 k=组分在固定相中的物质的量组分在固定相中的物质的量/组分在流动相中的物质的量组分在流动相中的物质的量=ns/nm第31页，讲稿共106张，创作于星期三 k k值值越越大大，说说明明组组分分在在固固定定相相中中的的量量越越多多，相相当当于于柱柱的的容容量量大大，因因此此又又称称分分配配容容量量或或容容量量因因子子。它它是是衡衡量量色色谱谱柱柱对对被被分分离离组组分分保保留留能能力力的的重重要要参参数数。k k值值也也决决定定于于组组分分及及固固定定相相热热力力学学性性质质。它它不不仅仅随随柱柱温温、柱柱压压变变化化而而变变化，而且还与流动相及固定相的体积有关。化，而且还与流动相及固定相的体积有关。第32页，讲稿共106张，创作于星期三 k=ns/nm=CsVS/CmVm 式式中中c cs s,c,cm m分分别别为为组组分分在在固固定定相相和和流流动动相相的的浓浓度度；V Vm m为为柱柱中中流流动动相相的的体体积积，近近似似等等于于死死体体积积。VsVs为为柱柱中中固固定定相相的的体体积积，在在各各种种不不同同的的类类型型的的色色谱谱中中有有不不同同的的含含义。义。第33页，讲稿共106张，创作于星期三例如：在分配色谱中，例如：在分配色谱中，Vs表示固定液的体积；表示固定液的体积；在尺寸排阻色谱中，则表示固定相的孔体积。在尺寸排阻色谱中，则表示固定相的孔体积。分配比分配比k 值可直接从色谱图中测得值可直接从色谱图中测得。k=(tRtM)/tM=t R/tM=V R/V0第34页，讲稿共106张，创作于星期三3.分配系数分配系数K与分配比与分配比k 的关系的关系K=kVS/VM=k.其中其中称为相比称为相比，它是反映各种色谱柱柱型，它是反映各种色谱柱柱型特点的又一个参数。例如，对填充柱，其特点的又一个参数。例如，对填充柱，其值一般为值一般为6-35；对毛细管柱，其；对毛细管柱，其值为值为60-600。第35页，讲稿共106张，创作于星期三滞留因子滞留因子Rs 分配比分配比k k值可直接从色谱图测得。设流值可直接从色谱图测得。设流动相在柱内的线速度为动相在柱内的线速度为u u，组分在柱内线速组分在柱内线速度为度为u us s，由于固定相对组分有保留作用，所由于固定相对组分有保留作用，所以以u us su u此两速度之比称为此两速度之比称为滞留因子滞留因子RsRs。第36页，讲稿共106张，创作于星期三Rs若用质量分数表示，即若用质量分数表示，即 对对组组分分和和流流动动相相通通过过长长度度为为L的的色色谱谱柱柱，其所需时间分别为其所需时间分别为第37页，讲稿共106张，创作于星期三整理得整理得 第38页，讲稿共106张，创作于星期三4.分配系数分配系数K及分配比及分配比k与选择因子与选择因子的关系的关系对对A、B两组分的选择因子，用下式表示：两组分的选择因子，用下式表示：=t R(B)/t R(A)=k（A）/k（B）=K（A）/K（B）通过选择因子通过选择因子把实验测量值把实验测量值k与热力学性质的与热力学性质的分配系数分配系数K直接联系起来，直接联系起来，对固定相的选择具对固定相的选择具有实际意义。有实际意义。第39页，讲稿共106张，创作于星期三 如果两组分的如果两组分的K K或或k k值相等，则值相等，则=1=1，两个组分的色谱峰必将重合，说明分两个组分的色谱峰必将重合，说明分不开。两组分的不开。两组分的K K或或k k值相差越大，则分值相差越大，则分离得越好离得越好。因此两组分具有不同的分配。因此两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先决条件。系数是色谱分离的先决条件。第40页，讲稿共106张，创作于星期三下图是下图是A、B两组分沿色谱柱移动时，不两组分沿色谱柱移动时，不同位置处的浓度轮廓。同位置处的浓度轮廓。浓浓度度沿柱移动距离沿柱移动距离LABABKAKB 图中图中K KA AKKB B ，因此，因此，A A组分在移动过程中滞后。随着组分在移动过程中滞后。随着两组分在色谱柱中移动距离的增加，两峰间的距离逐两组分在色谱柱中移动距离的增加，两峰间的距离逐渐变大，同时，每一组分的浓度轮廓（即区域宽度）渐变大，同时，每一组分的浓度轮廓（即区域宽度）也慢慢变宽。显然，区域扩宽对分离是不利的，但又也慢慢变宽。显然，区域扩宽对分离是不利的，但又是不可避免的。若要使是不可避免的。若要使A A、B B组分完全分离，必须满足以组分完全分离，必须满足以下三点：下三点：第41页，讲稿共106张，创作于星期三第一第一，两组分的分配系数必须有差异；，两组分的分配系数必须有差异；第二第二，区域扩宽的速率应小于区域分，区域扩宽的速率应小于区域分 离的速度；离的速度；第三第三，在保证快速分离的前提下，提，在保证快速分离的前提下，提供足够长的色谱柱。供足够长的色谱柱。第42页，讲稿共106张，创作于星期三 第一、二点是完全分离的必要条件第一、二点是完全分离的必要条件。作。作为一个色谱理论，它不仅应说明组分在色为一个色谱理论，它不仅应说明组分在色谱柱中移动的速率，而且应说明组分在移谱柱中移动的速率，而且应说明组分在移动过程中引起区域扩宽的各种因素。动过程中引起区域扩宽的各种因素。塔板塔板理论和速率理论均以色谱过程中分配系数理论和速率理论均以色谱过程中分配系数恒定为前提恒定为前提，故称为线性色谱理论。，故称为线性色谱理论。第43页，讲稿共106张，创作于星期三小小结结色谱法研究的核心色谱法研究的核心-选择最适合选择最适合的色谱体系和条件、在最短的时间达到的色谱体系和条件、在最短的时间达到最佳的分离效果。最佳的分离效果。第44页，讲稿共106张，创作于星期三（二）塔板理论二）塔板理论 把色谱柱比作一个精馏塔，沿用精馏塔把色谱柱比作一个精馏塔，沿用精馏塔中塔板的概念来描述组分在两相间的分配行中塔板的概念来描述组分在两相间的分配行为，为，同时引入理论塔板数作为衡量柱效率的同时引入理论塔板数作为衡量柱效率的指标指标，即色谱柱是由一系列连续的、相等的水，即色谱柱是由一系列连续的、相等的水平塔板组成。每一块塔板的高度用平塔板组成。每一块塔板的高度用H H表示，称为表示，称为塔板高度，简称板高。塔板高度，简称板高。第45页，讲稿共106张，创作于星期三 塔板理论假设：塔板理论假设：1.1.在在柱柱内内一一小小段段长长度度H H内内，组组分分可可以以在在两两相相间间迅迅速速达达到到平平衡衡。这这一一小小段段柱柱长长称称为为理理论论塔塔板板高度高度H H。2.2.以以气气相相色色谱谱为为例例，载载气气进进入入色色谱谱柱柱不不是是连连续续进进行行的的，而而是是脉脉动动式式，每每次次进进气气为为一一个个塔塔板体积（板体积（VVm m）。）。3.3.所所有有组组分分开开始始时时存存在在于于第第0 0号号塔塔板板上上，而而且且试样沿轴（纵）向扩散可忽略。试样沿轴（纵）向扩散可忽略。4.4.分分配配系系数数在在所所有有塔塔板板上上是是常常数数，与与组组分分在在某一塔板上的量无关。某一塔板上的量无关。第46页，讲稿共106张，创作于星期三 简单地认为：在每一块塔板上，溶质在两简单地认为：在每一块塔板上，溶质在两相间很快达到分配平衡，然后随着流动相按一相间很快达到分配平衡，然后随着流动相按一个一个塔板的方式向前移动。对于一根长为个一个塔板的方式向前移动。对于一根长为L L的色谱柱，溶质平衡的次数应为：的色谱柱，溶质平衡的次数应为：n=L/H n n称为理论塔板数称为理论塔板数。与精馏塔一样，色谱。与精馏塔一样，色谱柱的柱效随理论塔板数柱的柱效随理论塔板数n n的增加而增加，随板的增加而增加，随板高高H H的增大而减小。的增大而减小。第47页，讲稿共106张，创作于星期三根据上述假定，在色谱分离过程中，该组根据上述假定，在色谱分离过程中，该组分的分布可计算如下：分的分布可计算如下：开始时，若有单位质量，即开始时，若有单位质量，即m=1m=1（例例1 1mgmg或或1 1gg）的该组分加到第的该组分加到第0 0号塔板上，分配平衡后，号塔板上，分配平衡后，由于由于k=1k=1，即即n ns s=n=nm m故故n nm m=n=ns s=0.5=0.5。当一个板体积当一个板体积（lVlV）的载气以脉动形式进入的载气以脉动形式进入0 0号板时，就将号板时，就将气相中含有气相中含有n nm m部分组分的载气顶到部分组分的载气顶到1 1号板上，此号板上，此时时0 0号板液相（或固相）中号板液相（或固相）中n ns s部分组分及部分组分及1 1号板气号板气相中的相中的n nm m部分组分，将各自在两相间重新分配。部分组分，将各自在两相间重新分配。故故0 0号板上所含组分总量为号板上所含组分总量为0 05 5，其中气液其中气液（或气固）两相（或气固）两相第48页，讲稿共106张，创作于星期三各为各为0 025,25,而而1 1号板上所含总量同样为号板上所含总量同样为0 05 5气液（或气固）相亦各为气液（或气固）相亦各为0 02525。以后每当一个新的板体积载气以脉动式以后每当一个新的板体积载气以脉动式进入色谱柱时，上述过程就重复一次进入色谱柱时，上述过程就重复一次(见见下表下表)。第49页，讲稿共106张，创作于星期三 第50页，讲稿共106张，创作于星期三 塔板理论指出塔板理论指出：第一第一，当溶质在柱中的平衡次数，即理论，当溶质在柱中的平衡次数，即理论塔板数塔板数n n大于大于5050时时，可得到基本对称的峰形曲，可得到基本对称的峰形曲线。在色谱柱中，线。在色谱柱中，n n值一般很大，如气相色谱值一般很大，如气相色谱柱的柱的n n约为约为10103 3-10-106 6 ，因而这时的流出曲线可趋，因而这时的流出曲线可趋近于正态分布曲线。近于正态分布曲线。第二第二，当样品进入色谱柱后，只要各组分在，当样品进入色谱柱后，只要各组分在两相间的分配系数有微小差异，经过反复多次的两相间的分配系数有微小差异，经过反复多次的分配平衡后，仍可获得良好的分离。分配平衡后，仍可获得良好的分离。第51页，讲稿共106张，创作于星期三第三第三，n与半峰宽及峰底宽的关系式为：与半峰宽及峰底宽的关系式为：n=5.54(tR/Y1/2)2=16(tR/Y)2式中式中tR与与Y1/2(Y)应采用同一单位（时应采用同一单位（时间或距离）。从公式可以看出，在间或距离）。从公式可以看出，在tR一定时，一定时，如果色谱峰很窄，则说明如果色谱峰很窄，则说明n越大，越大，H越小，柱越小，柱效能越高。效能越高。第52页，讲稿共106张，创作于星期三在实际工作中，由公式在实际工作中，由公式n=L/H和和n=5.54(tR/Y1/2)2=16(tR/Y)2计算出来的的计算出来的的n和和H值有时并不能充分地反值有时并不能充分地反映色谱柱的分离效能，因为采用映色谱柱的分离效能，因为采用tR计算时，计算时，没有扣除死时间没有扣除死时间tM，所以常用有效塔板数所以常用有效塔板数n有效有效表示柱效：表示柱效：n有效有效=5.54(tR/Y1/2)2=16(tR/Y)2有效板高有效板高：H有效有效=L/n有效有效 第53页，讲稿共106张，创作于星期三因为在相同的色谱条件下，对不同的物质计算的因为在相同的色谱条件下，对不同的物质计算的塔板数不一样，因此，在说明柱效时，除注明色谱塔板数不一样，因此，在说明柱效时，除注明色谱条件外，还应指出用什么物质进行测量。条件外，还应指出用什么物质进行测量。例：例：已知某组分峰的峰底宽为已知某组分峰的峰底宽为40s，保留时间为保留时间为400s，计算此色谱柱的理论塔板数。计算此色谱柱的理论塔板数。解：解：n=16(tR/Y)2=16（400/40）2=1600块块第54页，讲稿共106张，创作于星期三塔板理论是一种半经验性理论。塔板理论是一种半经验性理论。它用热力学的它用热力学的观点观点定量说明了溶质在色谱柱中移动的速率，解定量说明了溶质在色谱柱中移动的速率，解释了流出曲线的形状，并提出了计算和评价柱效释了流出曲线的形状，并提出了计算和评价柱效高低的参数。高低的参数。但是但是，色谱过程不仅受热力学因素的影响，色谱过程不仅受热力学因素的影响，而且还而且还与分子的扩散、传质等动力学因素有关，与分子的扩散、传质等动力学因素有关，因此塔板理因此塔板理论只能定性地给出板高的概念，却不能解释板高受哪论只能定性地给出板高的概念，却不能解释板高受哪些因素影响；也不能说明为什么在不同的流速下，可些因素影响；也不能说明为什么在不同的流速下，可以测得不同的理论塔板数，因而限制了它的应用。以测得不同的理论塔板数，因而限制了它的应用。第55页，讲稿共106张，创作于星期三1、从理论上得到了描述色谱流出曲线的方程，从理论上得到了描述色谱流出曲线的方程，通过该方程可以预测具有不同分配系数通过该方程可以预测具有不同分配系数K的的两种物质在塔板数为两种物质在塔板数为n的色谱柱上分离的情况；的色谱柱上分离的情况；小结小结2、通过这一方程看出影响柱效率的因素是理通过这一方程看出影响柱效率的因素是理论板数论板数n，其值越大，色谱峰月窄，分离效果越其值越大，色谱峰月窄，分离效果越好；好；第56页，讲稿共106张，创作于星期三3、既然色谱分离的依据是组分在两相中既然色谱分离的依据是组分在两相中的分配能力差异，因此，两相不限于液的分配能力差异，因此，两相不限于液-固相，对气体成分而言，亦可是气固相，对气体成分而言，亦可是气-固项固项或气或气-液相。液相。第57页，讲稿共106张，创作于星期三（三）速率理论（三）速率理论 19561956年年荷荷兰兰学学者者vanDeemter（范范第第姆姆特特）等等在在研研究究气气液液色色谱谱时时，提提出出了了色色谱谱过过程程动动力力学学理理论论速速率率理理论论。他他们们吸吸收收了了塔塔板板理理论论中中板板高高的的概概念念，并并充充分分考考虑虑了了组组分分在在两两相相间间的的扩扩散散和和传传质质过过程程，从从而而在在动动力力学学基基础础上上较较好好地地解解释释了了影影响响板板高高的的各各种种因因素素。该该理理论论模模型型对对气气相相、液相色谱都适用。液相色谱都适用。第58页，讲稿共106张，创作于星期三vanDeemter方程方程的数学简化式为的数学简化式为H=A+B/u+Cu式式中中u为为流流动动相相的的线线速速度度；A、B、C、为为常常数数，分分别别代代表表涡涡流流扩扩散散系系数数、分分子子扩扩散散项项系系数、传质阻力项系数。数、传质阻力项系数。第59页，讲稿共106张，创作于星期三1.1.涡流扩散项涡流扩散项A 在填充色谱柱中，当组分随流动相向在填充色谱柱中，当组分随流动相向柱出口迁移时，流动相由于受到固定相颗柱出口迁移时，流动相由于受到固定相颗粒障碍，不断改变流动方向，使组分分子粒障碍，不断改变流动方向，使组分分子在前进中形成紊乱的类似涡流的流动，故在前进中形成紊乱的类似涡流的流动，故称称涡流扩散。涡流扩散。第60页，讲稿共106张，创作于星期三第61页，讲稿共106张，创作于星期三涡流扩散示意图涡流扩散示意图第62页，讲稿共106张，创作于星期三 由由于于填填充充物物颗颗粒粒大大小小的的不不同同及及填填充充物物的的不不均均匀匀性性，使使组组分分在在色色谱谱柱柱中中路路径径长长短短不不一一，因因而而同同时时进进色色谱谱柱柱的的相相同同组组分分到到达达柱柱口口时时间间并并不不一一致致，引引起起了了色色谱谱峰峰的的变变宽宽。色谱峰变宽的程度由下式决定：色谱峰变宽的程度由下式决定：A=2dp第63页，讲稿共106张，创作于星期三 上式表明，上式表明，A与填充物的平均直径与填充物的平均直径dp的大的大小和填充不规则因子小和填充不规则因子有关有关，与流动相的性质、，与流动相的性质、线速度和组分性质无关。为了减少涡流扩散，线速度和组分性质无关。为了减少涡流扩散，提高柱效，使用细而均匀的颗粒，并且填充提高柱效，使用细而均匀的颗粒，并且填充均匀是十分必要的。均匀是十分必要的。对于空心毛细管，不存对于空心毛细管，不存在涡流扩散，因此在涡流扩散，因此A=0。第64页，讲稿共106张，创作于星期三2.分子扩散项分子扩散项B/u（纵向扩散项）纵向扩散项）纵纵向向分分子子扩扩散散是是由由浓浓度度梯梯度度造造成成的的。组组分分从从柱柱入入口口加加入入，其其浓浓度度分分布布的的构构型型呈呈“塞塞子子”状状。它它随随着着流流动动相相向向前前推推进进，由由于于存存在在浓浓度度梯梯度度，“塞塞子子”必必然然自自发发的的向向前前和和向向后后扩散，造成谱带展宽。扩散，造成谱带展宽。分子扩散项系数为分子扩散项系数为B=2Dg第65页，讲稿共106张，创作于星期三B/u（纵向分子扩散项）指分子沿色谱柱轴向扩散引起的色谱谱带展宽B=2Dm式中：弯曲因子，填充柱 1 空心柱=1 Dm组分在流动相中的扩散系数由于组分在液相中的扩散系数只有气体中的由于组分在液相中的扩散系数只有气体中的1/105，因此在液相色谱中，因此在液相色谱中B可以忽略。可以忽略。第66页，讲稿共106张，创作于星期三 是填充柱内流动相扩散路径弯曲的因素，是填充柱内流动相扩散路径弯曲的因素，也称弯曲因子也称弯曲因子，它反映了固定相颗粒的几何，它反映了固定相颗粒的几何形状对自由分子扩散的阻碍情况。形状对自由分子扩散的阻碍情况。Dg为组分在流动相中为组分在流动相中扩散系数扩散系数（cm3s-1）,分子分子扩散项与组分在流动相中扩散项与组分在流动相中扩散系数扩散系数Dg成正比成正比.第67页，讲稿共106张，创作于星期三第68页，讲稿共106张，创作于星期三 D Dg g与流动相及组分性质有关：与流动相及组分性质有关：(a)a)相对分子质量大的组分相对分子质量大的组分D Dg g小，小，D Dg g反比于流动反比于流动相相对分子质量的平方根，所以相相对分子质量的平方根，所以采用相对分子采用相对分子质量较大的流动相，可使质量较大的流动相，可使B B项降低项降低；(b)b)D Dg g随柱温增高而增加，但反比于柱压。随柱温增高而增加，但反比于柱压。第69页，讲稿共106张，创作于星期三 另外纵向扩散与另外纵向扩散与组分在色谱柱内停留组分在色谱柱内停留时间有关时间有关，流动相流速小，组分停留时间，流动相流速小，组分停留时间长，纵向扩散就大。因此为降低纵向扩散影长，纵向扩散就大。因此为降低纵向扩散影响，要加大流动相速度。响，要加大流动相速度。对于液相色谱，对于液相色谱，组分在流动相中纵向扩散可以忽略组分在流动相中纵向扩散可以忽略。第70页，讲稿共106张，创作于星期三3.3.传质阻力项传质阻力项 C Cu u 由于气相色谱以气体为流动相，液相色由于气相色谱以气体为流动相，液相色谱以液体为流动相，它们的传质过程不完全谱以液体为流动相，它们的传质过程不完全相同。相同。（1 1）气液色谱）气液色谱 传质阻力系数传质阻力系数C C包括气相传质阻力系包括气相传质阻力系数数C Cg g和液相传质阻力系数和液相传质阻力系数C C1 1两项，即两项，即 C=Cg+C1第71页，讲稿共106张，创作于星期三 气气相相传传质质过过程程是是指指试试样样组组分分从从气气相相移移动动到到固固定定相相表表面面的的过过程程。这这一一过过程程中中试试样样组组分分将将在在两两相相间间进进行行质质量量交交换换，即即进进行行浓浓度度分分配配。有有的的分分子子还还来来不不及及进进入入两两相相界界面面，就就被被气气相相带带走走；有有的的则则进进入入两两相相界界面面又又来来不不及及返返回回气气相相。这这样样使使得得试试样样在在两两相相界界面面上上不不能能瞬瞬间间达达到到分分配配平平衡衡，引引起起滞滞后后现现象象，从从而而使使色色谱谱峰峰变宽。变宽。第72页，讲稿共106张，创作于星期三对于填充柱，气相传质阻力系数对于填充柱，气相传质阻力系数C Cg g为：为：式中式中k k为容量因子为容量因子。由上式看出，气相传质阻力。由上式看出，气相传质阻力与填充物粒度与填充物粒度d dp p的平方成正比，与组分在载气流的平方成正比，与组分在载气流中的扩散系数中的扩散系数D Dg g成反比。因此，成反比。因此，采用粒度小的填采用粒度小的填充物和相对分子质量小的气体（如氢气）做载气，充物和相对分子质量小的气体（如氢气）做载气，可使可使C Cg g减小，提高柱效。减小，提高柱效。第73页，讲稿共106张，创作于星期三 液相传质过程是指试样组分从固定相的液相传质过程是指试样组分从固定相的气气/液界面移动到液相内部，并发生质量交液界面移动到液相内部，并发生质量交换，达到分配平衡换，达到分配平衡，然后又返回气，然后又返回气/液界面的液界面的传质过程。这个过程也需要一定的时间，此传质过程。这个过程也需要一定的时间，此时，气相中组分的其它分子仍随载气不断向时，气相中组分的其它分子仍随载气不断向柱口运动，于是造成峰形扩张。柱口运动，于是造成峰形扩张。第74页，讲稿共106张，创作于星期三 液相传质阻力系数液相传质阻力系数 C C1 1为：为：由由上上式式看看出出，固固定定相相的的液液膜膜厚厚度度d df f薄薄，组组分分在在液液相相的的扩扩散散系系数数D D1 1大大，则则液液相相传传质质阻阻力力就就小小。降降低低固固定定液液的的含含量量，可可以以降降低低液液膜膜厚厚度度，但但k k值随之变小，又会使值随之变小，又会使C C1 1增大。增大。第75页，讲稿共106张，创作于星期三 当当固固定定液液含含量量一一定定时时，液液膜膜厚厚度度随随载载体体的的比比表表面面积积增增加加而而降降低低，因因此此，一一般般采采用用比比表表面面积积较较大大的的载载体体来来降降低低液液膜膜厚厚度度。但但比比表表面面太太大大，由由于于吸吸附附造造成成拖拖尾尾峰峰，也也不不利利于于分分离离。虽虽然然提提高高柱柱温温可可增增大大D D1 1，但但会会使使k k值值减减小小，为为了了保保持持适适当当的的C C1 1值值，应应控控制制适适宜宜的的柱柱温。温。第76页，讲稿共106张，创作于星期三将上面式总结，即可得将上面式总结，即可得气液色谱速率板高方程气液色谱速率板高方程 这一方程对选择色谱分离条件具有实际指这一方程对选择色谱分离条件具有实际指导意义，导意义，它指出了色谱柱填充的均匀程度，它指出了色谱柱填充的均匀程度，填料颗粒的大小，流动相的种类及流速，固填料颗粒的大小，流动相的种类及流速，固定相的液膜厚度等对柱效的影响定相的液膜厚度等对柱效的影响。第77页，讲稿共106张，创作于星期三 （2）对对于于液液液液分分配配色色谱谱，传传质质阻阻力力系系数数（C）包包含含流流动动相相传传质质阻阻力力系系数数（Cm）和和固定相传质系数（固定相传质系数（Cs），），即即CCmCs其其中中Cm又又包包含含流流动动的的流流动动相相中中的的传传质质阻阻力力和滞留的流动相中的传质阻力，即和滞留的流动相中的传质阻力，即第78页，讲稿共106张，创作于星期三 式中右边第一项为流动的流动相中式中右边第一项为流动的流动相中的传质阻力。当流动相流过色谱柱内的的传质阻力。当流动相流过色谱柱内的填充物时，靠近填充物颗粒的流动相流填充物时，靠近填充物颗粒的流动相流速比在流路中间的稍慢一些，故柱内流速比在流路中间的稍慢一些，故柱内流动相的流速是不均匀。动相的流速是不均匀。m是由柱和填充的性质决定的因子；是由柱和填充的性质决定的因子；sm是是一一常常数数，它它与与颗颗粒粒微微孔孔中中被被流流动动相相所所占据部分的分数及容量因子有关。占据部分的分数及容量因子有关。第79页，讲稿共106张，创作于星期三 液