仪器分析仪器分析仪器分析 (30).pdf

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1、INSTRUMENTAL ANALYSIS仪器分析绿色样品中的叶绿素各组分要完全分开，必须色带间的距离足够远，并且色带不能太宽。组分在两相间的分配系数和组分在固定相中传质和扩散行为。即与热力学和动力学有关。取决于:6.2 色谱分析基本理论PARTTWOBASIC THEORY OF CHROMATOGRAPHIC ANALYSIS目录/CATALOG0102分配系数/PARTITION COEFFICIENT塔板理论/TRAY THEORY03速率理论/RATE THEORY一、分配系数K和分配比k1.分配系数K 色谱分离是由于混合物中各组分性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力大小、强

2、弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序先后流出。常用分配系数来描述组分的这种分配参数。定义：在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度之比值。一、分配系数K和分配比k（1）K 只与固定相和温度有关，与两相体积、柱管特性和所用仪器无关。注意（2）一定温度下分配系数K越大,与固定相的作用力越大，组分出峰越慢。K=0时完全不被固定相保留，组分最先流出。（3）每个组份在各种固定相上的分配系数K不同是分离的基础。（4）选择适宜的固定相可改善分离效果。一、分配系数K和分配比k在一定温度和压力下，组分在两相间分配达

3、平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比。2.分配比k 说明01k值越大，表明组分在固定相中的量越多，相当于柱的容量大，因此又称分配容量或容量因子。它是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要参数。02k值也决定于组分及固定相热力学性质。不仅随柱温、柱压变化而变化，而且还与流动相及固定相的体积有关。03滞留因子RS：组分在柱内线速度uS与流动相在柱内的线速度u之比04用质量分数表示:RMMRsstttLtLuuRkmmmmmRMSSMMs1111分配比k的计算：k等于组分的调整保留时间除以死时间。MRMRMMRVVtttttk3.分配系数K与分配比k的关系其中=VM/VS为相比率，反映色谱柱型特点。

4、填充柱值一般为635；毛细管柱一般60600。4.选择因子色谱柱对A、B两组分的选择因子定义为两组分的tR之比。结合MRttk注意K 或 k 反映的是某一组分在两相间的分配；是反映两组分间的分离情况。01当两组分 K 或 k 相同时，=1 两组分色谱峰重合；当两组分 K 或 k 相差越大时，越大分离得越好。两组分在两相间的K不同是色谱分离的先决条件。02和 k 是表征色谱柱分离效能的重要参数。03二、塔板理论（plate theory）最早由Martin等人提出塔板理论，把色谱柱比作精馏塔，用精馏塔中塔板来描述组分在两相间的分配行为，引入理论塔板数作为衡量柱效率的指标。HLn 塔板是从精馏中借

5、用的，是一种半经验理论，但它成功地解释了色谱流出曲线呈正态分布。二、塔板理论（plate theory）塔板理论假定：塔板之间不连续，塔板间无分子扩散。01在柱内一小段长度H内，组分可以在两相间迅速达到平衡。这一小段柱长称为理论塔板高度H。02所有组分开始时存在于第0号塔板上，而且试样沿轴（纵）向扩散可忽略。03流动相的加入是不连续的，即一次加入一个塔板体积。04组分在所有塔板上的分配系数相同。05设色谱柱由5块塔板组成，某组分的分配比k=1。则色谱分离过程中，该组分的分布作图如下。1.理论塔板数n实际色谱柱n值很大，为103106，因而洗出曲线一般趋近正态分布，可近似地用正态函数描述溶质分布

6、，除以流动相体积，即可导出浓度变化方程:21n22RnM2VRRVVVCeV=VR 时洗出色谱峰的溶质浓度最大Cmax。令VR V=V，当洗出溶质浓度C为最大浓度Cmax一半，V用V1/2表示：21/2()2max2RVnVCeC 2221/21/21/2n 8ln25.545.54222RRRVVtVVt221/2n5.5416YYRRtt塔板数nLH 塔板高度色谱峰tR越大峰越窄Y越小，n越大，H越小，柱效越高tR包含死时间，tM与组分在柱内的分配无关，不能真正反映柱效。2.有效塔板数n有效塔板理论用热力学观点形象地描述了溶质在色谱柱中的分配平衡和分离过程，导出了流出曲线的数学模型，并成功

7、地解释了流出曲线的形状及浓度极大值的位置，还提出了计算和评价柱效的参数。当色谱柱长度L一定时，塔板数n 越大(塔板高度H越小)，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能越高，所得色谱峰越窄。3.塔板理论的特点01不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。02柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数 K 相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。03塔板理论无法解释同一色谱柱在不同流速下柱效不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。04CHARACTERISTIC1956年荷兰学者van Deemte

8、r等在研究气液色谱时，提出了色谱动力学理论速率理论。吸收了塔板理论中板高的概念，并充分考虑了组分在两相间的扩散和传质过程，从而在动力学基础上较好地解释了影响板高的各种因素。该理论模型对气相、液相色谱都适用。van Deemter方程的数学简化式为：三、速率理论1.范第姆特方程CuuBAH式中u为流动相的线速度；A，B，C为常数，分别代表涡流扩散项系数、分子扩散项系数、传质阻力项系数。（1）涡流扩散项A流动相携带溶质分子沿柱内各路径形成紊乱的涡流运动，有些分子沿较窄而直的路径以较快的速度通过色谱柱，发生分子运动超前；而另一些分子沿较宽或弯曲的路径以较慢的速度通过，发生分子运动滞后，导致色谱区带展

9、宽。为了减少涡流扩散，应使用细而均匀的颗粒（dp），并且均匀填充十分必要（）。空心毛细管不存在涡流扩散，A0。2pAd（2）分子扩散项B/u（纵向扩散项）由于浓度梯度引起的。当样品被注入色谱柱时，它呈“塞子”状分布。随着流动相的推进，“塞子”因浓度梯度而向前后自发地扩散，使谱峰展宽。弯曲因子，表示固定相几何形状对自由分子扩散的阻碍情况；B=2DD组分在流动相中的扩散系数。组分为气体或液体时分别以Dg或Dm表示。存在着浓度差，产生纵向扩散；扩散导致色谱峰变宽，H(n)，分离变差；分子扩散项与流速有关，流速，滞留时间，扩散；扩散系数：Dg(M载气)-1/2；M载气，B值；Dg随柱温升高而增加，与柱

10、压成反比。1 13 34 4B=2D2 2宜使用：球状颗粒，大分子量流动相，适当增加流速，短柱，低温。（3）传质阻力项Cu色谱分离过程溶质在流动相和固定相之间进行质量传递。因传质阻力的存在，使分配不能“瞬间”达至平衡，因此产生峰形展宽。气相色谱以气体为流动相，液相色谱以液体为流动相，二者传质过程不完全相同。（3）传质阻力项Cu气液色谱：传质阻力项C包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数Cl。222220.012(1)3(1)pfglglddkkCCCkDkD气相传质阻力系数Cg：液相传质阻力系数Cl：宜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，可减小Cg，提高柱效。固定相液

11、膜df薄，组分在液相的扩散系数Dl大，则Cl较小。一般采用比表面积较大的载体来降低液膜厚度，但比表面太大会吸附拖尾，也不利分离。提高柱温可增大Dl，但会使k值减小，故应控制适宜的柱温。（3）传质阻力项Cu液液色谱：C包括流动相传质阻力系数Cm和固定相传质阻力系数Cs。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速比流路中的稍慢些，流动的流动相中存在传质阻力（第1项）；固定相传质阻力系数Cs（第3项）。sfsmpsmmpmsmDdDdDdCCC222同时颗粒微孔中存在滞留的流动相，也存在传质阻力（第2项）。三、速率理论气液色谱22222220.012(1)3(1)gpfpglDdkd

12、kHduukDkD液液色谱uDdDdDduDdHsfsmpsmmpmmp)(22222范蒂姆特方程：01两者形式基本一致，主要区别在液液色谱中纵向扩散项可忽略不计，影响柱效的主要因素是传质阻力项。02方程对色谱分离条件的选择具有指导意义：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、固定相的液膜厚度等对柱效的影响。组分柱内运行的多路径与涡流扩散、浓度梯度所造成的分子扩散及传质阻力使气液两相间的分配不能瞬间达到平衡等因素是造成色谱峰扩展的主要原因。选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载气流速可提高柱效。速率理论为色谱分离和操作条件的选择提供了理论指导。阐明了流速和柱温对柱效及分

13、离的影响。各种因素相互制约，需要选择最佳条件，才能使柱效最佳。如载气流速u增大，分子扩散项的影响减小，使柱效提高，同时传质阻力项的影响增大，又使柱效下降；柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的影响。2.速率理论要点010203043.最佳流速的选择 LC和GC的H-u图相似，都有一个板高极小值柱效最高点。LC板高极小值比GC的小一个数量级以上，说明液相色谱的柱效比气相色谱高得多；LC流速比起GC的流速亦小一个数量级，说明对于LC，不需要太高的流速。4.固定相粒度大小对板高的影响粒度越细，板高越小，受线速度影响亦小。这是HPLC采用细颗粒作固定相的根据。固定相颗粒愈细，柱压越大，需要采取高压

14、技术。四、分离度R1.定义 分离度R：表征色谱柱分离效能的指标。定义：相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽总和之半的比值。(2)(1)121()2RRttRYY01R值越大，相邻两组分分离越好。02当R1时，两峰有重叠；当R1时，分离程度可达98；当R1.5时，分离程度可达99.7，可视为完全分离。2.色谱分离方程 当相邻峰保留值相近，Y1 Y2=Y2n16YRt1n1Y4Rt代入得：(2)(1)(2)(1)(2)(1)21(2)212nn=1Y441()2RRRRRRRttttttkkRtkYYn141kRk实际应用中常用n有效：n14R有效22216()16()1RtnRY有效3.

15、提高分离度的方法当固定相确定，被分离物质对的确定，分离度取决于n。（1）提高柱效 2111222()RnLRnL因此可通过增加柱长提高分离度。然而，分析时间相应增加，且峰宽展宽！为提高柱效，用减小塔板高度 H 的方法比增加柱长更有效。n141kRk3.提高分离度的方法当=1时，R=0，此时无论怎样提高柱效也无法使两组分分离。（2）提高选择因子n141kRk越大，柱选择性越好，对分离有利。的微小变化可引起 R 较大改变。如，当从1.01增加至1.10(增加9%)时，R 则增加 9 倍(但1.5,R增加不大)。改变的方法有：改变流动相及固定相的性质和组成；降低柱温。（3）调整分配比 k k 增加，分离度R 增加，但当k10，则R的增加不明显。通常k在210之间。改变 k 的方法有：适当增加柱温(GC)、改变流动相性质和组成(LC)以及固定相含量。3.提高分离度的方法n141kRk感 谢 聆 听Thank you for listening