第六章 色谱导论优秀PPT.ppt

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1、第六章 色谱导论第一页，本课件共有55页5.0第一节第一节 色谱法概述色谱法概述第二节、色谱分析有关的术语第二节、色谱分析有关的术语 第三节、色谱理论第三节、色谱理论第六章第六章 色谱分析导论色谱分析导论第二页，本课件共有55页一、色谱法的发展历史一、色谱法的发展历史二、色谱法的分类二、色谱法的分类三、色谱法的共性三、色谱法的共性 色色谱谱法法是是一一种种物物理理化化学学的的分分离离分分析析方方法法，它它是是利利用用样样品品中中各各种种组组分分在在固固定定相相和和流流动动相相中中受受到到作作用用力力的的不不同同，将将待待测测样样品品中中的的各各组组分分进进行行分分离离，然然后后顺序检测各组分的

2、含量。顺序检测各组分的含量。第一节第一节 色谱法概述色谱法概述第三页，本课件共有55页 色色谱谱法法是是俄俄国国植植物物学学家家茨茨维维特特(Michael(Michael Tswett)Tswett)创创立立的的。19061906年年，TswettTswett在在研研究究植植物物叶叶的的色色素素成成分分时时，将将植植物物叶叶片片的的石石油油醚醚萃萃取取液液倒倒入入装装有有碳碳酸酸钙钙的的直直立立玻玻璃璃管管中中，然然后后加加石石油油醚醚使使其其自自由由流流下下，色色素素中中各各组组分分相相互互分分离离，在在碳碳酸酸钙钙柱柱内内形形成成不不同同颜颜色色的的谱谱带带：依依次次为为黄黄绿绿色色层层

3、(叶叶绿绿素素B)B)、绿绿色色层层(叶叶绿绿素素A)A)、黄黄色色层层(叶叶黄黄素素)、黄黄色色层层(胡胡萝萝卜卜素素)。由由于于不不同同谱谱带带有有不不同同颜颜色色，故故这这种种分分离离方法称为色谱法或色层法。方法称为色谱法或色层法。一、色谱法的发展历史一、色谱法的发展历史第四页，本课件共有55页 虽虽然然现现在在主主要要用用于于无无色色物物质质的的分分离离，但但仍仍沿沿用色谱这个名称。用色谱这个名称。按按现现代代色色谱谱学学术术语语：实实验验中中，相相对对于于石石油油醚醚而而固定不动的碳酸钙称为固定不动的碳酸钙称为固定相固定相，装有固定相的管子称为装有固定相的管子称为色谱柱色谱柱，冲洗过

4、程称为冲洗过程称为洗脱洗脱，用于洗脱的溶液称为用于洗脱的溶液称为流动相流动相，得到的图谱称为得到的图谱称为色谱图色谱图。色谱法的发展历史色谱法的发展历史第五页，本课件共有55页 直直到到19411941年年MartinMartin和和SyngeSynge用用硅硅胶胶作作固固定定相相，用用氯氯仿仿作作流流动动相相，将将各各氨氨基基酸酸的的组组分分分分开开，才才引引起起化化学学家家的的重重视视。他他们们两两人人还还于于19441944年年，用用滤滤纸纸代代替替硅硅胶胶，用用有有机机溶溶剂剂成成功功的的分分离离了了氨氨基基酸酸，创创立立了了纸纸色色谱谱法法。19521952年年MartinMarti

5、n等等又又提提出出以以气气体体作作流动相的气相色谱法。流动相的气相色谱法。5050年年代代后后期期出出现现了了将将固固定定相相涂涂布布在在玻玻璃璃板板上上的的薄薄层层色色谱谱法法。6060年年代代末末，高高效效液液相相色色谱谱法法得得到到迅迅速速发发展展，使使色色谱谱法法成成为为一一门门应应用用广广泛泛的的分分离离分分析析方法。方法。一、色谱法的发展历史一、色谱法的发展历史(续续)第六页，本课件共有55页1.1.按固定相和流动相的状态分类按固定相和流动相的状态分类 流动相分为：气体、液体两类，流动相分为：气体、液体两类，色谱法也分：气相色谱法和液相色谱法。色谱法也分：气相色谱法和液相色谱法。固

6、定相分：液态固定相、固体固定相。固定相分：液态固定相、固体固定相。气相色谱又分：气液色谱和气固色谱，气相色谱又分：气液色谱和气固色谱，液相色谱又分：液液色谱和液固色谱。液相色谱又分：液液色谱和液固色谱。注：液态固定相为作为固定相的液态物质涂布或键合在颗粒状的由惰性材料制成的担体上。二、色谱法的分类二、色谱法的分类色谱法分类色谱法分类第七页，本课件共有55页 将固定相装在柱中的称：柱色谱，又分为：柱将固定相装在柱中的称：柱色谱，又分为：柱色谱、毛细管色谱。色谱、毛细管色谱。在平面上展开的色谱分离方法称：平板色谱。在平面上展开的色谱分离方法称：平板色谱。也称为：开床式色谱也称为：开床式色谱其中：利

7、用滤纸作固定相的称：纸色谱。其中：利用滤纸作固定相的称：纸色谱。固定相被涂布于玻璃板上的称：薄层色谱。固定相被涂布于玻璃板上的称：薄层色谱。色谱法分类色谱法分类2.2.按色谱系统中固定相的载体分类按色谱系统中固定相的载体分类第八页，本课件共有55页3.3.按色谱分离机理分类按色谱分离机理分类（1 1）分配色谱）分配色谱（2 2）吸附色谱）吸附色谱（3 3）离子交换色谱）离子交换色谱（4 4）凝胶色谱）凝胶色谱（5 5）电色谱）电色谱第九页，本课件共有55页 对对于于液液相相色色谱谱，固固定定相相与与流流动动相相均均为为液液态态物物质质时时，利利用用组组分分在在作作为为固固定定相相和和流流动动相

8、相两两种种液液体体中中溶解度的不同溶解度的不同(分配系数不同分配系数不同)而进行分离。而进行分离。气液色谱也可按分配色谱原理进行分离。气液色谱也可按分配色谱原理进行分离。色谱法分类色谱法分类（1 1）分配色谱）分配色谱 用固体吸附剂作为固定相，利用组分在吸用固体吸附剂作为固定相，利用组分在吸附剂上吸附力的不同、吸附平衡常数有差异，附剂上吸附力的不同、吸附平衡常数有差异，将组分分离。将组分分离。（2 2）吸附色谱）吸附色谱第十页，本课件共有55页（3 3）离子交换色谱）离子交换色谱 液液相相色色谱谱中中利利用用离离子子交交换换原原理理而而进进行行分分离的色谱方法。离的色谱方法。（4 4）凝胶色谱

9、、也称排阻色谱）凝胶色谱、也称排阻色谱 液液相相色色谱谱中中利利用用分分子子大大小小不不同同进进行行分分离离的的色谱。色谱。（5 5）电色谱）电色谱 利利用用带带电电物物质质在在电电场场作作用用下下移移动动速速度度不不同同进进行分离的色谱。电泳就是一种最重要的电色谱。行分离的色谱。电泳就是一种最重要的电色谱。色谱法分类色谱法分类第十一页，本课件共有55页 1.1.色谱分离系统色谱分离系统 包包括括：流流动动相相和和固固定定相相。分分析析时时，固固定定相相不不移移动动，流流动动相相携携带带样样品品在在色色谱谱柱柱内内对对固固定定相相作相对运动。作相对运动。2.2.色谱分离的基本过程色谱分离的基本

10、过程 样样品品中中的的组组分分在在随随流流动动相相的的运运动动中中被被洗洗脱脱，形形成成组组分分浓浓度度分分布布谱谱带带，从从而而达达到到分分离的目的。离的目的。三、色谱法的共性三、色谱法的共性色谱法的共性色谱法的共性第十二页，本课件共有55页 不同的组分在色谱系统中能够分离的条不同的组分在色谱系统中能够分离的条件是：件是：组分随流动相迁移的速度有差异，组分随流动相迁移的速度有差异，由热力学性质差异引起。各组分与流动相、由热力学性质差异引起。各组分与流动相、固定相有不同的作用力。这种作用力可以固定相有不同的作用力。这种作用力可以是：吸附力、溶解能力、离子交换能力、是：吸附力、溶解能力、离子交换

11、能力、渗透能力等。渗透能力等。3.3.色谱分离的必要条件色谱分离的必要条件色谱法的共性色谱法的共性第十三页，本课件共有55页 色谱系统中，某两种组分若分配系数不同，色谱系统中，某两种组分若分配系数不同，就有可能分离，但分离是否能实现，以及分离就有可能分离，但分离是否能实现，以及分离效果的好坏与组分谱带的扩散程度有关。效果的好坏与组分谱带的扩散程度有关。扩散扩散会造成不同组分的重叠从而影响分离。会造成不同组分的重叠从而影响分离。扩散的扩散的程度取决于组分分子的微观运动，受动力学因程度取决于组分分子的微观运动，受动力学因素的影响，与分离系统结构、性质有关，也与素的影响，与分离系统结构、性质有关，也

12、与流动相的流速等分离条件有关。流动相的流速等分离条件有关。色谱法的共性色谱法的共性4.4.影响色谱分离的因素影响色谱分离的因素第十四页，本课件共有55页 待待分分离离的的样样品品随随流流动动相相的的移移动动，流流经经色色谱谱柱柱，若若样样品品中中各各组组分分的的分分配配系系数数有有足足够够的的差差异异，则则各各组组分分被分离开，然后依次流经检测器，被检测。被分离开，然后依次流经检测器，被检测。在在柱柱色色谱谱中中，色色谱谱柱柱和和检检测测器器是是色色谱谱系系统统的的关关键键部部分分。混混合合物物能能否否分分离离，除除了了取取决决于于组组分分的的分分配配系系数数外外，还还取取决决于于色色谱谱柱柱

13、。分分离离后后的的组组分能否检测出来，受检测器性能的影响。分能否检测出来，受检测器性能的影响。色谱法的共性色谱法的共性5 5、色谱分析的过程、色谱分析的过程：第十五页，本课件共有55页第一节 结束第十六页，本课件共有55页第二节第二节色谱分析有关的术语色谱分析有关的术语一、色谱图一、色谱图二、色谱峰和峰宽二、色谱峰和峰宽三、保留值三、保留值四、分离度四、分离度五、容量因子五、容量因子六、相对保留值六、相对保留值第十七页，本课件共有55页 色色谱谱图图是是反反映映被被色色谱谱分分离离的的各各组组分分从从色谱柱中洗脱出的浓度随时间变化的图谱。色谱柱中洗脱出的浓度随时间变化的图谱。一、色谱图一、色谱

14、图F洗脱时间洗脱时间检检测测信信号号进进样样空空气气峰峰色色谱谱峰峰峰峰宽宽半峰宽半峰宽1/2h0.607h0OBAtRtRtMhCDGEHBO标准偏差标准偏差2.35底底W第十八页，本课件共有55页 只只有有流流动动相相,而而没没有有组组分分通通过过色色谱谱柱柱和和检检测测器器时时的色谱曲线，称为基线。的色谱曲线，称为基线。加加入入组组分分后后，每每个个被被分分离离良良好好的的组组分分对对应应一一个个正正态态分分布布的的色色谱谱峰峰曲曲线线。描描述述色色谱谱峰峰的的参参数数主主要要有四个：色谱峰的位置、宽度、高度、峰形。有四个：色谱峰的位置、宽度、高度、峰形。色色谱谱峰峰的的位位置置用用峰峰

15、所所对对应应组组分分的的保保留留值值来来表表示示，反应该组分迁移的速度；可用于定性分析。反应该组分迁移的速度；可用于定性分析。峰峰高高，与与组组分分的的浓浓度度有有关关，分分析析条条件件一一定定时时，峰高是定量分析的依据。峰高是定量分析的依据。二、色谱峰和峰宽二、色谱峰和峰宽第十九页，本课件共有55页 峰峰宽宽用用标标准准偏偏差差表表示示，如如图图中中的的EFEF，也也称称色色谱谱峰峰拐拐点点峰峰宽宽，为为峰峰高高0.6070.607处处峰峰的的宽宽度度；它反应了组分在色谱系统中扩散的程度。它反应了组分在色谱系统中扩散的程度。峰的宽度，也常用底峰宽和半高峰宽表示。峰的宽度，也常用底峰宽和半高峰

16、宽表示。色谱峰形的对称性可用不对称因子色谱峰形的对称性可用不对称因子SaSa表示：表示：SaSaCD/2CBCD/2CB，SaSa1 1时时，为为符符合合正正态态分分布布的的对对称峰，称峰，Sa1Sa1Sa1为拖尾峰。为拖尾峰。色谱峰和峰宽色谱峰和峰宽峰宽峰宽第二十页，本课件共有55页 组组分分在在色色谱谱系系统统中中的的保保留留值值，是是描描述述某某一一种种组组分分在在色色谱谱系系统统中中迁迁移移特特征征的的一一个个量量。决决定定于组分的特征，也与色谱系统有关。于组分的特征，也与色谱系统有关。保留值可用时间或体积表示：保留值可用时间或体积表示：某某组组分分的的保保留留时时间间(t(tR R)

17、或或保保留留体体积积(V(VR R)：指指色色谱谱过过程程从从组组分分进进样样开开始始，至至流流出出色色谱谱系系统统，浓浓度度达到极大值所需的时间或所消耗流动相的体积。达到极大值所需的时间或所消耗流动相的体积。三、组分在色谱系统中的保留值三、组分在色谱系统中的保留值第二十一页，本课件共有55页 死死时时间间(t(tM M)是是指指流流动动相相流流过过色色谱谱系系统统所所需需的的时时间，也称流动相保留时间。间，也称流动相保留时间。死死体体积积(V(Vm m)是是指指流流动动相相流流过过色色谱谱系系统统所所需需的的体体积积，等等于于分分离离系系统统中中除除固固定定相相以以外外(流流动动相相所所占占

18、)的空间。的空间。校校正正保保留留时时间间(t(tR R)是是指指扣扣除除死死时时间间后后的的组组分分保留时间，表达式为：保留时间，表达式为：t tR R=t=tR R-t-tM M 。校正保留体积校正保留体积(V(VR R)是指扣除死体积的组分保是指扣除死体积的组分保留体积，表达式为：留体积，表达式为：V VR R=V=VR R-V-VM M 。组分的保留值组分的保留值第二十二页，本课件共有55页 分分离离度度R R：指指某某两两个个相相邻邻组组分分通通过过色色谱谱系系统统后后被被分离的程度。分离的程度。某某相相邻邻的的两两组组分分间间的的分分离离度度R R等等于于两两组组分分保保留留值值之

19、之差差除除以以它它们们的的平平均均底底峰峰宽宽(底底峰峰宽宽W W，单单位位与与T TR R相相同同)；R=tR=tR R/W/W1+21+2。R R值值越越大大，表表示示两两个个峰峰分分开开的的程程度度越越大大，R R1 1时时，组组分分中中有有9898被被分分离离；R R1.251.25时时，两两个个峰峰基基本本上上被被分分离离，只只有有0.60.6重重叠叠在一起。在一起。四、分离度四、分离度第二十三页，本课件共有55页影响因素：影响因素：组分的迁移和自身的扩散。组分的迁移和自身的扩散。（a a）两两个个组组分分迁迁移移速速度度的的差差别别小小，各各组组分分自自身身的扩散又大，两组分不能分

20、离。的扩散又大，两组分不能分离。（b b）两两个个组组分分迁迁移移速速度度的的差差别别大大，各各组组分分自自身身的的扩扩散虽然大，两组分仍能分离。散虽然大，两组分仍能分离。（c c）两两个个组组分分迁迁移移速速度度的的差差别别虽虽然然小小，各各组组分分自自身身的扩散小，两组分也能分离。的扩散小，两组分也能分离。（d d）两个组分迁移速度的差别大，各组分自身的扩）两个组分迁移速度的差别大，各组分自身的扩散也小，两组分分离极好。散也小，两组分分离极好。影响两组分分离的因素影响两组分分离的因素第二十四页，本课件共有55页 也也称称：质质量量分分配配比比(k k)，它它是是衡衡量量色色谱谱柱柱对对分离

21、组分保留能力的重要参数；分离组分保留能力的重要参数；定定义义：组组分分在在固固定定相相和和流流动动相相中中的的分分配配量量之之比比(质量比、分子数比、摩尔数比质量比、分子数比、摩尔数比)。五、容量因子五、容量因子k 组分在固定相中的物质量组分在固定相中的物质量ns组分在流动相中的物质量组分在流动相中的物质量nm容量因子容量因子k与分配系数与分配系数K的关系：的关系：k=KVs固定相的总体积固定相的总体积Vm流动相的总体积流动相的总体积第二十五页，本课件共有55页 相相对对保保留留值值，又又称称分分离离因因子子或或选选择择性性因因子子,是是指指样样品品中中某某组组分分的的校校正正保保留留值值t

22、tR2R2与与相相邻邻的的另另一一组组分分的的校校正正保保留留值值t tR1R1之之比比。也也等等于于两两组组分分质质量量分配比分配比k k和浓度分配比和浓度分配比k k的比值。的比值。=t=tR2R2/t/tR1R1 k k2 2/k k1 1 k k2 2/k k1 1。习惯上设定习惯上设定t tR2R2ttR1R1，故，故11。若。若1 1，则，则该两组分热力学性质相同，因而不能分离；只有该两组分热力学性质相同，因而不能分离；只有11时这两种组分才有可能分离。时这两种组分才有可能分离。六、相对保留值六、相对保留值()第二十六页，本课件共有55页第二节第二节 结束结束第二节 结束第二十七页

23、，本课件共有55页第三节、色谱理论第三节、色谱理论一、塔板模型一、塔板模型二、塔板理论方程式二、塔板理论方程式三、塔板理论的意义三、塔板理论的意义四、速率理论四、速率理论五、速率理论的意义五、速率理论的意义第二十八页，本课件共有55页 色色谱谱分分析析的的理理论论基基础础之之一一为为塔塔板板理理论论，由由Martin Martin 和和SnygeSnyge在在19411941年提出。年提出。把把色色谱谱柱柱比比作作蒸蒸馏馏塔塔，引引用用蒸蒸馏馏塔塔理理论论和和概概念念，从从而而成成功功的的解解释释了了色色谱谱过过程程，通通过过该该理理论论研研究究组组分分在在色色谱谱柱柱内内迁迁移移和和扩扩散散

24、的的数数学学模模型型，从从而而可可准准确确的的描描述述组组分分在在色谱柱内运动的特征。色谱柱内运动的特征。塔塔板板模模型型:假假设设色色谱谱柱柱是是由由若若干干个个小小段段组组成成的的，在在每每一一个个段段内内，一一部部分分空空间间为为固固定定相相所所占占据据，而而另另一部分空间为流动相所占据。一部分空间为流动相所占据。一、塔板模型一、塔板模型第二十九页，本课件共有55页塔板模型塔板模型 1 1、样品中组分随流动相在柱内流动时，、样品中组分随流动相在柱内流动时，每流过一小段每流过一小段H H距离，组分可在两相间按照分配距离，组分可在两相间按照分配系数系数k(k(C Cs s/C/Cm m)达到

25、一次瞬间的分配平衡，柱内达到一次瞬间的分配平衡，柱内这一小段称为一个理论塔板，这一小段的高度这一小段称为一个理论塔板，这一小段的高度H H称称为塔板高度。为塔板高度。2 2、柱内各段的塔板高度、柱内各段的塔板高度H H不变，柱子塔不变，柱子塔板数为：板数为：N=L/HN=L/H，N N为塔板数，为塔板数，L L为柱长。为柱长。假设：假设：第三十页，本课件共有55页 3 3、流动相进入柱子不是连续的，而是脉冲式、流动相进入柱子不是连续的，而是脉冲式的：每次进入一个塔板体积的流动相。的：每次进入一个塔板体积的流动相。4 4、分配系数在所有塔板上是常数，且与组、分配系数在所有塔板上是常数，且与组分在

26、某一塔板上的量无关。分在某一塔板上的量无关。5 5、开始时，组分加在零号塔板上，轴向扩散、开始时，组分加在零号塔板上，轴向扩散可以忽略。可以忽略。假设：假设：塔板模型塔板模型第三十一页，本课件共有55页 假设色谱柱由假设色谱柱由5 5块塔板组成，即块塔板组成，即N N=5=5；组分的质量；组分的质量为为10241024个单位，分配系数个单位，分配系数k k=1=1。当把组分加在零号塔板上。当把组分加在零号塔板上时，组分瞬时在零号塔板上达到平衡，流动相和固定相时，组分瞬时在零号塔板上达到平衡，流动相和固定相组分量各为组分量各为512512。然后一个塔板体积的流动相以脉冲方式。然后一个塔板体积的流

27、动相以脉冲方式进入零号塔板上，将原来零号塔板上的流动相顶托到第进入零号塔板上，将原来零号塔板上的流动相顶托到第一号塔板上，此时零号塔板与一号塔板上组分总量各为一号塔板上，此时零号塔板与一号塔板上组分总量各为512512；但；但1 1号塔板上流动相和固定相中组分量却各为号塔板上流动相和固定相中组分量却各为256256。此后，这一过程就重复进行，组分的分配情况，见下此后，这一过程就重复进行，组分的分配情况，见下表。表。塔板模型塔板模型例如例如第三十二页，本课件共有55页组分为组分为1024单位，塔板数单位，塔板数N=5，分配系数，分配系数k1的分配表的分配表加入体积加入体积N0N0N1N1N2N2

28、N3N3N4N4柱出口柱出口1 1102410242 2512512512)512)3 3256256(512)(512)2562564 4128128(384(384384)384)1281285 56464256256(384)(384)25625664646 63232160160(320(320320)320)16016032327 716169696240240(320)(320)24024080808 88 85656168168(280(280280)280)1201209 94 43232112112224224(280)(280)14014010102 21818727216

29、8168252252(140(14011111 11010454512012021021012612612121/21/26 62828838316516510410413131/41/43 316165555124124848414141/81/81 1101036369090616115151/161/161/21/25 523236363454516161/321/321/41/42 2151543433232第三十三页，本课件共有55页 从上表可见，组分随着流动相在柱内移动时，一从上表可见，组分随着流动相在柱内移动时，一方面在柱内扩散，另一方面谱带的峰值逐渐向后推方面在柱内扩散，另一方

30、面谱带的峰值逐渐向后推移移(峰值位置用括号标出峰值位置用括号标出)。柱出口流出液的浓度。柱出口流出液的浓度分布呈低、高、低的变化。见以此值作得图与典型分布呈低、高、低的变化。见以此值作得图与典型色谱图已很相似。但图色谱图已很相似。但图9-79-7流出曲线是不对称的，与流出曲线是不对称的，与正态分布不同。这是由于柱子总塔板数太少的缘故。正态分布不同。这是由于柱子总塔板数太少的缘故。当当N N大于大于5050时，就可得到对称的曲线。而一般色谱法时，就可得到对称的曲线。而一般色谱法中，中，N N值是很大的，如气相色谱一般为值是很大的，如气相色谱一般为10103 310106 6。若柱。若柱内的塔板数

31、增加则峰形变窄并趋于对称。内的塔板数增加则峰形变窄并趋于对称。塔板模型塔板模型第三十四页，本课件共有55页 当当塔塔板板数数N N很很大大时时，流流出出液液中中浓浓度度C C随随淋淋洗洗体体积积V V的的变变化化可可用正态方程来描述，这就是色谱过程的流出方程。用正态方程来描述，这就是色谱过程的流出方程。C(V)=C(V)=M/(2)M/(2)ee-1/2*(VR-V)/-1/2*(VR-V)/22，M M为为进进样样量量，V VR R为为保保留留体体积积，为为标标准准差差，V VR R/N/N。当当流流出出浓浓度度最最大大时时，V=VV=VR R，C C(V(VR R)-C)-Cmaxmax(

32、N*M)/(2*V(N*M)/(2*VR R)M/(2*)M/(2*)。说说明明色色谱谱峰峰的的高高度度正正比比于于进进样样量量与与色色谱谱柱柱理理论论板板数数的的方方根根，而反比于保留体积（或保留时间）与峰宽。而反比于保留体积（或保留时间）与峰宽。即：（即：（1 1）色谱定量分析时，对于一定的色谱柱与保留体积）色谱定量分析时，对于一定的色谱柱与保留体积（即相同的色谱条件）可用峰高或峰面积作为定量的依据；（即相同的色谱条件）可用峰高或峰面积作为定量的依据；（2 2）当保留体积和进样量一定时，色谱柱的柱效越高（理论板）当保留体积和进样量一定时，色谱柱的柱效越高（理论板数越高）则峰越高（峰宽越小）

33、；（数越高）则峰越高（峰宽越小）；（3 3）对一定的色谱拄随着组）对一定的色谱拄随着组分出峰时间的推迟，保留体积增加，峰变矮，即先出的峰高而窄，分出峰时间的推迟，保留体积增加，峰变矮，即先出的峰高而窄，后出的峰低而宽。后出的峰低而宽。二、二、塔板理论方程式塔板理论方程式第三十五页，本课件共有55页 1 1、提提出出了了组组分分在在色色谱谱柱柱内内分分布布(或或色色谱谱峰峰)的的数数学学模模型型。随随着着洗洗脱脱时时间间的的增增加加，组组分分在在柱柱内内逐逐步步形形成成向向后后迁迁移移的的浓浓度度正正态态分分布布的的谱谱带带；正正态态分分布布的的标标准准差差决决定定于于谱谱带带在在色色谱谱柱柱内

34、内所所在在位位置置(L)(L)、柱柱效效(N=L/HN=L/H)、淋淋洗洗时间。时间。三、塔板理论的意义三、塔板理论的意义第三十六页，本课件共有55页 理理论论塔塔板板数数是是反反映映柱柱效效能能的的指指标标，塔塔板板数数是是组组分分所达到平衡次数的多少。所达到平衡次数的多少。组组分分1 1、组组分分2 2在在色色谱谱系系统统中中分分离离的的基基本本条条件件是是容容量量因因子子k k不不同同，这这仅仅是是分分离离的的可可能能性性，能能否否分分离离还还取取决于组分在系统中达到分配平衡的次数。决于组分在系统中达到分配平衡的次数。对对于于柱柱效效高高的的色色谱谱柱柱，组组分分在在柱柱内内流流过过较较

35、短短的的距距离离(板板高高H)H)就就能能达达到到分分配配的的再再平平衡衡；组组分分在在柱柱内内分分配配平平衡衡次次数数越越多多，组组分分间间性性质质差差异异表表现现的的就就越越充充分分，组组分分与与固固定定相相的的相相互互作作用用力力也也更更显显著著，分分离离效效果果越越好。好。塔板理论的意义塔板理论的意义2 2、说明了色谱柱的柱效、说明了色谱柱的柱效第三十七页，本课件共有55页 如流出曲线的形状、浓度最大值的位置、流如流出曲线的形状、浓度最大值的位置、流出时间、色谱峰区域宽度与保留值的关系等。出时间、色谱峰区域宽度与保留值的关系等。3 3、能很好的解释色谱图、能很好的解释色谱图塔板理论的意

36、义塔板理论的意义 塔塔板板理理论论是是一一种种半半经经验验性性的的理理论论。组组分分在在色色谱谱柱柱内内的的移移动动状状态态并并非非理理想想状状态态。无无法法找找出出影影响响板板高高的的内内在在因因素素，不不能能为为色色谱谱应应用用提提供供改改善善柱柱效效的的途途径径和和方方法法。因因为为色色谱谱过过程程不不仅仅受受热热力力学学因因素素影影响响，还还受受分分子子扩扩散散、传质等动力学因素影响。传质等动力学因素影响。4 4、塔板理论的不足之处、塔板理论的不足之处第三十八页，本课件共有55页 1956年年，荷荷兰兰学学者者范范第第姆姆特特(van Deemter)提提出了色谱过程的动力学理论出了色

37、谱过程的动力学理论速率理论。速率理论。影影响响板板高高的的三三种种因因素素：涡涡流流扩扩散散A A，分分子子扩扩散散B B，传传质质扩扩散散(阻阻力力)C)C。这这三三种种扩扩散散可可独独立立的的造成组分谱带的展宽。造成组分谱带的展宽。色谱柱的板高方程为：色谱柱的板高方程为：H H =A A +B/B/+C C式式中中：流流动动相相平平均均线线速速度度，A A为为涡涡流流扩扩散散项项系系数数，B B为分子扩散项系数，为分子扩散项系数，C C为传质阻力项系数。为传质阻力项系数。四、速率理论四、速率理论第三十九页，本课件共有55页 流流动动相相带带着着组组分分分分子子流流动动时时，由由于于固固定定

38、相相的的颗颗粒粒大大小小不不同同，填填充充的的松松紧紧不不同同，造造成成各各个个流流路路的的长长度度不不同同，形形成成紊紊乱乱的的类类似似涡涡流流的的流流动动。也也称称多多径径项项。流流动动相相流流经经固固定定相相颗颗粒粒之之间间较较大大空空隙隙的的流流速速大大于于流流经经颗颗粒粒之之间间较较小小空空隙隙的的流速，也使组分谱带宽度增加。流速，也使组分谱带宽度增加。速率理论速率理论1 1、涡流扩散项、涡流扩散项 涡涡流流扩扩散散板板高高A A22d dp p。为为不不规规则则因因子子；d dp p填填充充物物的的平平均均粒粒径径。与与固固定定相相填填充充颗颗粒粒的的均均匀匀程程度度、颗颗粒粒的的

39、形状与大小等因素有关。形状与大小等因素有关。减减小小填填充充物物的的粒粒径径，可可降降低低板板高高，提提高柱效。高柱效。第四十页，本课件共有55页速率理论速率理论 也称为分子纵向扩散。当样品进入色谱柱后，也称为分子纵向扩散。当样品进入色谱柱后，由于存在着浓度梯度，组分分子产生浓差扩散。由于存在着浓度梯度，组分分子产生浓差扩散。分分子扩散产生的板高子扩散产生的板高H Hm m与组分分子在流动相中的扩散与组分分子在流动相中的扩散系数系数D Dm m或在流动相中停留的时间成正比；与流动相平或在流动相中停留的时间成正比；与流动相平均线速度均线速度(流速流速)成反比。分子扩散产生的板高成反比。分子扩散产

40、生的板高 H Hm m2 2D Dm m/B/B/。式中：式中：B B分子扩散项系数；分子扩散项系数；为弯曲因子，反为弯曲因子，反映填充柱中流路的弯曲性。映填充柱中流路的弯曲性。使用颗粒小而均匀的使用颗粒小而均匀的固定相装填色谱柱，可使固定相装填色谱柱，可使值减小，提高柱效。值减小，提高柱效。2 2、分子扩散项、分子扩散项第四十一页，本课件共有55页3 3、传质阻力项、传质阻力项速率理论速率理论 物物质质系系统统由由于于浓浓度度不不均均匀匀而而发发生生的的物物质质迁迁移移过程，称为传质。过程，称为传质。影响这个过程进行速度的阻力叫影响这个过程进行速度的阻力叫传质阻力传质阻力。传传质质阻阻力力系

41、系数数C C，包包括括气气相相传传质质阻阻力力C Cg g和和液液相相传质阻力传质阻力C Cl l。C=CC=Cg g+C+Cl l。色色谱谱分分离离过过程程中中，有有的的组组分分分分子子较较早早地地由由固固定定相相进进入入流流动动相相，产产生生峰峰形形的的前前沿沿，而而有有的的分分子子较较晚晚进入流动相，形成峰形拖尾，使组分的谱带展宽进入流动相，形成峰形拖尾，使组分的谱带展宽。第四十二页，本课件共有55页速率理论速率理论气相传质阻力：气相传质阻力：气气相相传传质质阻阻力力是是指指试试样样在在气气相相和和液液相相界界面面上上的的传传质质阻阻力力，它它使使试试样样在在两两相相界界面面上上不不能能

42、瞬瞬间间达达到到平平衡衡。有有的的分分子子还还没没有有进进入入两两相相界界面面，就就被被气气相相带带走走，出出现现超超前前现现象象。有有的的分分子子在在进进入入两两相相界界面面后后，来来不不及及返返回回到到气气相相，产产生生滞滞后后现象。它们都造成色谱峰展宽。现象。它们都造成色谱峰展宽。Cg=0.01k2dp2(1+k)2Dg式中：式中：k 为容量因子，为容量因子，dp填充物的平均直径，填充物的平均直径，Dg为组分的扩散系数。为组分的扩散系数。第四十三页，本课件共有55页液相传质阻力液相传质阻力速率理论速率理论在液相中的传质阻力也导致色谱峰的展宽。在液相中的传质阻力也导致色谱峰的展宽。Cl=2

43、kdf23(1+k)2Dl式中：式中：k 为容量因子，为容量因子，df 固定液的液膜厚度，固定液的液膜厚度，Dl组分在液相中的扩散系数。组分在液相中的扩散系数。从从以以上上两两个个公公式式中中可可以以看看出出，传传质质阻阻力力与与填填充充物物粒粒径径或或液液膜膜厚厚度度的的平平方方成成正正比比，与与组组分分的的扩扩散散系系数数成成反反比比。采采用用粒粒度度小小的的填填充充物物、适适当当降降低低液液膜膜的的厚厚度度，用用密密度度较较小小的的气气体体或或液液体体，增增大大扩扩散系数，可降低板高，提高注效。散系数，可降低板高，提高注效。第四十四页，本课件共有55页 将将A、B、C代入色谱板高公式得到

44、范代入色谱板高公式得到范第姆特方程式第姆特方程式(气相色谱气相色谱)。H=2dp+2Dg+0.01k2dp2+2kdf2(1+k)2Dg3(1+k)2Dl为填充物的不规则因子；为填充物的不规则因子；dp填充物的平均粒径；填充物的平均粒径；扩散路径的弯曲因子；扩散路径的弯曲因子；流动相的平均线速度流动相的平均线速度(流流速速)；k容量因子；容量因子；Dg气相中的扩散系数；气相中的扩散系数；Dl液相液相中的扩散系数；中的扩散系数；df固定液的液膜厚度。固定液的液膜厚度。式中：式中：气相色谱板高方程气相色谱板高方程第四十五页，本课件共有55页 从从范范第第姆姆特特方方程程式式可可以以看看出出：色色谱

45、谱柱柱填填充充的的均均匀匀程程度度、填填料料粒粒径径的的大大小小、流流动动相相的的种种类类及及流流速速、固固定定液液的的液液膜膜厚厚度度等等对对柱柱效效都都有有影影响响。此此外外色谱柱的柱径、柱长等因素也有影响。色谱柱的柱径、柱长等因素也有影响。在在填填料料一一定定的的情情况况下下，低低速速流流时时，板板高高和和峰峰变变宽宽主主要要是是由由于于分分子子扩扩散散项项B/B/所所决决定定；高高流流速速时时，传传质质过过程程中中偏偏离离分分配配平平衡衡的的影影响响增增加加，这这时时传传质阻力项质阻力项C C是影响峰宽和板高的主要因素。是影响峰宽和板高的主要因素。速率理论速率理论第四十六页，本课件共有

46、55页在液相色谱中的板高公式为：在液相色谱中的板高公式为：H=(1+Dm)-1+CdDm+(Csdf2+Csmdp2)CedpCmdp2DsDm 式式中中：Ce、Cm、Cd、Cs、Csm为为有有关关项项的的板板高高系系数数，当当填填料料一一定定时时均均为为定定值值；Dm 组组分分在在流流动动相相中中的的扩扩散散系系数数；Ds 组组分分在在固固定定相相中中的的扩扩散散系系数数；df为为固固定定液液厚厚度度，dp填填充充物物的的平平均均粒粒径径；流流动动相相的流速。的流速。液相色谱板高方程液相色谱板高方程第四十七页，本课件共有55页1CedpDmCmdp2CdDmCsdf2Ds为涡流扩散项为涡流扩

47、散项 由由于于Dm比比Dg小小45个个数数量量级级，在在液液相色谱中，可忽略不计。相色谱中，可忽略不计。流流动动相相与与固固定定液液中中的的传传质质阻阻力力。同同气气相相色谱中的液相传质阻力。色谱中的液相传质阻力。流流动动相相在在通通过过同同一一流流路路时时，在在接接近近固固定定相相表表面的流速比流路中间的流速慢。面的流速比流路中间的流速慢。为分子扩散项，为分子扩散项，为固定相传质阻力，为固定相传质阻力，在流动区域内，流动相的传质阻力。在流动区域内，流动相的传质阻力。液相色谱板高方程液相色谱板高方程第四十八页，本课件共有55页Csmdp2Dm 固固定定相相孔孔穴穴中中的的流流动动相相基基本本不

48、不流流移移动动，流流动动相相中中的的溶溶质质分分子子与与固固定定相相交交换换时时，需需先先扩扩散散进进入入滞滞留留区区。若若固固定定相相的微孔小而深，就会大大减慢传质速率。的微孔小而深，就会大大减慢传质速率。在液相色谱中降低板高提高柱效的方法：在液相色谱中降低板高提高柱效的方法：1、减小填料的孔穴深度；、减小填料的孔穴深度；2、减小填料的粒径、减小填料的粒径dp;3、用低粘度的溶剂作流动相；、用低粘度的溶剂作流动相；4、采用低流速的流动相；、采用低流速的流动相；5、适当提高柱温。、适当提高柱温。在流动相的停滞区域内的传质阻力。在流动相的停滞区域内的传质阻力。液相色谱板高方程液相色谱板高方程第四

49、十九页，本课件共有55页 流流速速在在B B项项(分分子子扩扩散散项项系系数数)和和C C项项(传传质质阻阻力力)中中分分别别为为分分母母和和分分子子，对对板板高高有有不不同同的的影影响响；增增大大流流速速，分分子子扩扩散散B B项项减减少少，板板高高就就减减少少，而而传传质质阻阻力力就就增增加加。应应用用中中要要选选择择最最佳佳流流速速以以兼兼顾顾二二者者的的影影响响。在在气气相相色色谱谱分分析析的的实实际际应应用用中中，因因为为最最佳佳流流量量偏偏小小，分分析析速速度度太太慢慢，因此多采用理论最佳流速的二倍作为实际流速。因此多采用理论最佳流速的二倍作为实际流速。同同样样组组分分分分子子在在

50、流流动动相相中中的的扩扩散散系系数数D D对对板板高高也也有有两两种种相相反反的的影影响响：扩扩散散系系数数增增加加使使分分子子扩扩散散项项增增加加，增增加板高，而使传质阻力减小，板高降低。加板高，而使传质阻力减小，板高降低。五、速率理论的意义：五、速率理论的意义：第五十页，本课件共有55页 固固定定相相对对色色谱谱的的影影响响包包括括固固定定相相的的物物理理状状态态(固固定定液液膜膜的的厚厚度度d df f与与颗颗粒粒的的直直径径d dp p)与与固固定定相相的的化化学学性性质质。降降低低d df f、d dp p可可降降低低板板高高，提提高高柱柱效效。选选择择适适当当固固定定相相，使使不不