色谱理论基础精选课件.ppt

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1、关于色谱理论基础关于色谱理论基础第一页，本课件共有32页 19521952年年，MartinMartin等等人人提提出出的的塔塔板板理理论论将将一一根根色色谱谱柱柱当当作作一一个个由由许许多多塔塔板板组组成成的的精精馏馏塔塔，用用塔塔板板概概念念来来描描述组分在柱中的分配行为。述组分在柱中的分配行为。塔塔板板是是从从精精馏馏中中借借用用的的，是是一一种种半半经经验验理理论论，但但它成功地解释了色谱流出曲线呈正态分布。它成功地解释了色谱流出曲线呈正态分布。一、塔板理论一、塔板理论（Plate theory）第二页，本课件共有32页塔板理论假定塔板理论假定:塔板之间不连续；塔板之间不连续；塔板之间

2、无分子扩散；塔板之间无分子扩散；组组分分在在各各塔塔板板内内两两相相间间的的分分配配瞬瞬间间达达至至平平衡衡，达达一次平衡所需柱长为一次平衡所需柱长为理论塔板高度理论塔板高度H H；某组分在所有塔板上的分配系数某组分在所有塔板上的分配系数K K相同；相同；流流动动相相以以不不连连续续方方式式加加入入，即即以以一一个个一一个个的的塔塔板板体体积加入。积加入。当当塔塔板板数数n n较较少少时时，组组分分在在柱柱内内达达分分配配平平衡衡的的次次数数较较少少，流流出出曲曲线线呈呈峰峰形形，但但不不对对称称；当当塔塔板板数数n50n50时时，峰形接近正态分布。峰形接近正态分布。第三页，本课件共有32页

3、根根据据呈呈正正态态分分布布的的色色谱谱流流出出曲曲线线可可以以导导出出计计算算塔塔板板数数n n的的公公式式，用用以以评评价价一一根根柱柱子子的的柱柱效效。由由于于色色谱柱并无真正的塔板，故塔板数又称谱柱并无真正的塔板，故塔板数又称理论塔板数理论塔板数：上上式式中中，t tR R为为保保留留时时间间；W W1/21/2为为半半峰峰宽宽（以以时时间间为为单单位位）；W Wb b为为峰峰底底宽宽度度（以以时时间间为为单单位位）。可可见见，理理论塔板数论塔板数n n由组分保留值和峰宽决定由组分保留值和峰宽决定。第四页，本课件共有32页 若柱长为若柱长为L L，则每块理论塔板高度，则每块理论塔板高度

4、H H为：为：由由上上述述两两式式知知道道，理理论论塔塔板板数数n n越越多多、理理论论塔塔板板高高度度H H越小、色谱峰越窄，则柱效越高。越小、色谱峰越窄，则柱效越高。上上述述两两式式包包含含死死时时间间t t0 0，它它与与组组分分在在柱柱内内的的分分配配无无关关，因因此此不不能能真真正正反反映映色色谱谱柱柱的的柱柱效效。通通常常以以有有效效理理论论塔塔板数板数n neffeff和和有效理论塔板高度有效理论塔板高度H Heffeff表示：表示：第五页，本课件共有32页 有关塔板理论的说明有关塔板理论的说明说说明明柱柱效效时时，必必须须注注明明该该柱柱效效是是针针对对何何种种物物质质、固固定

5、定液液种类及其含量、流动相种类及流速、操作条件等；种类及其含量、流动相种类及流速、操作条件等；应应定定期期对对柱柱效效进进行行评评价价，以以防防柱柱效效下下降降，延延长长柱柱寿寿命。命。塔塔板板理理论论描描述述了了组组分分在在柱柱内内的的分分配配平平衡衡和和分分离离过过程程，导导出出流流出出曲曲线线的的数数学学模模型型，解解释释了了流流出出曲曲线线形形状和位置，提出了计算和评价柱效的参数。状和位置，提出了计算和评价柱效的参数。第六页，本课件共有32页 但但该该理理论论是是在在理理想想情情况况下下导导出出的的，未未考考虑虑分分子子扩扩散散因因素素、其其它它动动力力学学因因素素对对柱柱内内传传质质

6、的的影影响响。因因此此它它不不能能解释：解释：v 峰形为什么会扩张？峰形为什么会扩张？v 影响柱效的动力学因素是什么？影响柱效的动力学因素是什么？第七页，本课件共有32页 19561956年年，荷荷兰兰化化学学工工程程师师Van Van DeemterDeemter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。该该理理论论吸吸收收了了塔塔板板理理论论中中的的塔塔板板高高度度H H的的概概念念，同同时时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，导导出出了了速速率率理理论论方方程程式式，较较完完善善地地解解释

7、释了了影影响响塔塔板板高高度度的的各各种种因因素。适用于气相色谱和液相色谱。素。适用于气相色谱和液相色谱。二、速率理论二、速率理论（Rate theory）第八页，本课件共有32页 Van Deemter Van Deemter方程：方程：式中，式中，u u为流动相线速度；为流动相线速度；A A、B B、C C为常数。为常数。AA分别表示涡流扩散项系数；分别表示涡流扩散项系数；BB分子扩散项系数；分子扩散项系数；CC传质阻力项系数（包括液相和固相传质阻力系数）传质阻力项系数（包括液相和固相传质阻力系数）该该式式从从动动力力学学角角度度很很好好地地解解释释了了影影响响板板高高（柱柱效效）的的各各

8、种种因因素素。任任何何减减少少方方程程右右边边三三项项数数值值的的方方法法，都都可可降降低低H H，从而提高柱效。，从而提高柱效。第九页，本课件共有32页 1.1.涡流扩散项涡流扩散项A A（Multipath termMultipath term）在在填填充充柱柱中中，由由于于受受到到固固定定相相颗颗粒粒的的阻阻碍碍，组组分分在在迁迁移移过过程程中中随随流流动动相相不不断断改改变变方方向向，形形成成紊紊乱乱的的“涡涡流流”。从从图图中中可可见见，因因填填充充物物颗颗粒粒大大小小及及填填充充的的不不均均匀匀性性同同一一组组分分运运行行路路线线长长短短不不同同流出时间不同流出时间不同峰形展宽。峰

9、形展宽。流动方向流动方向第十页，本课件共有32页展宽程度以展宽程度以A A表示：表示：A=2A=2 d dp p其中其中d dp p 填充物平均直径；填充物平均直径；填充不规则因子。填充不规则因子。可可见见，使使用用细细粒粒的的固固定定相相并并填填充充均均匀匀可可减减小小A A，提提高柱效。对于空心毛细管柱，无涡流扩散，即高柱效。对于空心毛细管柱，无涡流扩散，即A=0A=0。流动方向流动方向第十一页，本课件共有32页 2.2.纵向扩散项纵向扩散项B/uB/u（Longitudinal diffusion termLongitudinal diffusion term）纵纵向向分分子子扩扩散散是

10、是由由于于浓浓度度梯梯度度引引起起的的。当当样样品品被被注注入入色色谱谱柱柱时时，它它呈呈“塞塞子子”状状分分布布。随随着着流流动动相相的的推推进进，“塞塞子子”因因浓浓度度梯梯度度而而向向前前后后自自发发地地扩扩散散，使使谱谱峰峰展展宽宽。其大小其大小 B=2B=2 D Dm m 弯弯曲曲因因子子，表表示示固固定定相相几几何何形形状状对对自自由由分分子子扩扩散的阻碍情况；散的阻碍情况；D Dm m组分在流动相中的扩散系数。组分在流动相中的扩散系数。第十二页，本课件共有32页讨讨 论论q 流动相分子量大，流动相分子量大，Dg小，即小，即B小小q Dg 随柱温升高而增加，随柱压降低而减小；随柱温

11、升高而增加，随柱压降低而减小；q u 增加，组分停留时间短，纵向扩散小；（增加，组分停留时间短，纵向扩散小；（B/u）q 对于液相色谱，因对于液相色谱，因Dm 较小，较小，B 项可忽略。项可忽略。球状颗粒球状颗粒大分子量流动相大分子量流动相适当增加流速适当增加流速短柱短柱低温低温B=2 Dm第十三页，本课件共有32页 3.3.传质阻力项传质阻力项CuCu（Mass-transfer termMass-transfer term）因因传传质质阻阻力力的的存存在在，使使分分配配不不能能“瞬瞬间间”达达至至平平衡衡，因因此此产产生生峰峰形形展展宽宽。气气相相色色谱谱以以气气体体为为流流动动相相，液液

12、相相色色谱谱以以液液体体为为流流动动相相，二二者者传传质质过过程程不不完完全相同。全相同。传传质质阻阻力力项项C C包包括括流流动动相相传传质质阻阻力力系系数数C Cm m和和固固定定相传质阻力系数相传质阻力系数C Cs s。第十四页，本课件共有32页讨讨 论论F 减小填充颗粒直径减小填充颗粒直径d dp p。F 采采用用分分子子量量小小的的流流动动相相，使使组组分分在在气气相相中中的的扩扩散系数散系数D Dg g增加。增加。F 减减小小液液膜膜厚厚度度d df f，液液相相传传质质阻阻力力系系数数C Cl l下下降降。但但此此时时k k又又减减小小。因因此此，当当保保持持固固定定液液含含量量

13、不不变变时时，可可通通过过增增加加固固定定液液载载体体的的比比表表面面来来降降低低d df f。但但比比表表面面过过大又会因吸附过强使峰拖尾。大又会因吸附过强使峰拖尾。F 增增加加柱柱温温，可可增增加加组组分分在在液液相相中中的的扩扩散散系系数数D Dl l，但但k k值也减小，为保持合适值也减小，为保持合适C Cl l值，应控制柱温。值，应控制柱温。第十五页，本课件共有32页 当当u u一一定定时时，仅仅在在A A、B B和和C C较较小小时时，H H较较小小，柱柱效效较较高高；反反之之，则则柱柱效效较较低低，色谱峰将展宽。色谱峰将展宽。以以u u对对H H作作图图，可可得得H-uH-u曲曲

14、线线（如如左左图图），从从该该曲曲线得到：线得到：板高，板高，H(cm)HminA+B/u+CuCmuCsuAB/u4.4.流速流速u u由由Van DeemterVan Deemter方程方程 H=A+B/u+CuH=A+B/u+Cu可知可知第十六页，本课件共有32页涡流扩散项涡流扩散项A A与流速与流速u u无关；无关；低低流流速速区区（u u小小），B/uB/u大大，分分子子扩扩散散项项占占主主导导，此此时时选选择择分分子子量量大大的的气气体体如如N N2 2和和ArAr为为载载气气，可可减减小小扩扩散散，提高柱效；提高柱效；高高流流速速区区（u u大大），CuCu大大，传传质质阻阻力力

15、项项占占主主导导，此此时时选选择择分分子子量量小小的的气气体体如如H H2 2和和HeHe为为载载气气，可可增增加加扩扩散散系数，提高柱效；系数，提高柱效；曲曲 线线 的的 最最 低低 点点 对对 应应最最 佳佳 线线 速速（u uopt opt ）下的下的最小板高最小板高H Hmin min 。H=A+B/u+Cu第十七页，本课件共有32页 单单独独用用柱柱效效或或选选择择性性不不能能真真实实反反映映组组分分在在色色谱谱柱柱中中的的分分离离情情况况，需需要要引引进进一一个个综综合合指指标标分分离离度度，作作为为色谱柱总分离效能的指标。色谱柱总分离效能的指标。三、分离度三、分离度（Resolu

16、tion）R=1.5 R=0.75R=1.0响应信号保留时间保留时间 t,min第十八页，本课件共有32页 是是同同时时反反映映色色谱谱柱柱效效能能和和选选择择性性的的综综合合性性指指标标，也称总分离效能指标或分辨率。定义为：，也称总分离效能指标或分辨率。定义为：利用此式，可直接从色谱流出曲线上求出分离度利用此式，可直接从色谱流出曲线上求出分离度 R R越越大大，相相邻邻组组分分分分离离越越好好。当当R=1.5R=1.5时时，分分离程度可达离程度可达99.7%99.7%，R=1.5R=1.5通常用作是否分开的判据。通常用作是否分开的判据。第十九页，本课件共有32页R=1.5R=0.75R=1.

17、0响应信号保留时间保留时间 t,min第二十页，本课件共有32页 分分离离度度R R是是柱柱的的总总分分离离效效能能指指标标，既既反反映映两两组组分分保保留留值值的的差差值值，即即固固定定液液对对两两组组分分的的选选择择性性r r2,12,1的的大大小小（由由固固定定液液的的热热力力学学性性质质决决定定），又又考考虑虑到到色色谱谱峰峰宽宽度度对对分分离离的的影影响响，即即柱柱效效能能n neffeff的的高高低低（取取决决于于色色谱谱过过程的动力学因素）。程的动力学因素）。对对于于相相邻邻的的两两组组分分，假假设设其其色色谱谱峰峰底底宽宽相相等等，即即W Wb1b1=W=Wb2b2，可导出，可

18、导出R R与与n neffeff、和和r r2,12,1的关系式的关系式第二十一页，本课件共有32页色谱基本分离方程色谱基本分离方程第二十二页，本课件共有32页70%CH3OH+30%H2O60%CH3OH+40%H2O50%CH3OH+50%H2O40%CH3OH+60%H2O溶剂溶剂(流动相流动相)组成对色谱分离的影响组成对色谱分离的影响1：9,10-蒽醌；蒽醌；2：2-甲基甲基-9,10-蒽醌；蒽醌；3：2-乙基乙基-9,10-蒽醌蒽醌4：1,4-二甲基二甲基-9,10-蒽醌；蒽醌；5：2-特丁基甲基特丁基甲基-9,10-蒽醌蒽醌改变组成改变组成 使使 k 最佳最佳第二十三页，本课件共有

19、32页色谱分离中的问题色谱分离中的问题 由由于于分分析析物物组组成成复复杂杂，以以某某组组成成的的流流动动相相可可能能使使部部分分待待测测物物得得到到好好的的分分离离，但但同同时时出出使使其其它它待待测测物物的的分分离离不不令令人人满满意意。实实际际工工作作中中采采用用程程序序升升温温（GC）和和梯梯度度淋洗（淋洗（LC）来解决这个问题。）来解决这个问题。第二十四页，本课件共有32页一、定性分析一、定性分析 色谱定性分析就是确定各色谱峰所代表的化合物。色谱定性分析就是确定各色谱峰所代表的化合物。1.1.利用保留值定性利用保留值定性 （1 1）利用已知物保留值对照定性）利用已知物保留值对照定性

20、当有待测组分的纯样品时，用当有待测组分的纯样品时，用对照法对照法进行定性极为进行定性极为简单。用已知物质与未知样对照定性，是色谱分析简单。用已知物质与未知样对照定性，是色谱分析中最可靠的定性方法。中最可靠的定性方法。定性依据是保留值定性依据是保留值。第二十五页，本课件共有32页 （2 2）相对保留值法）相对保留值法 由于绝对保留值受操作条件的影响较大，重由于绝对保留值受操作条件的影响较大，重复性较差。可采用相对保留值作为定性指标，消复性较差。可采用相对保留值作为定性指标，消除操作条件的影响。相对保留值是某组分除操作条件的影响。相对保留值是某组分i i与基准与基准物物s s的调整保留值的比值：的

21、调整保留值的比值：第二十六页，本课件共有32页 （3 3）利用双柱保留值法定性）利用双柱保留值法定性 双柱定性是利用两根极性差别较大的色谱柱对双柱定性是利用两根极性差别较大的色谱柱对混合物进行分离，然后用纯物质分别在两根柱子上进混合物进行分离，然后用纯物质分别在两根柱子上进行保留值对照定性。如果得到的结果一致，即可确定行保留值对照定性。如果得到的结果一致，即可确定该组分，结果较可靠。该组分，结果较可靠。第二十七页，本课件共有32页2.2.利用文献保留数据定性利用文献保留数据定性 在实际工作中遇到未知试样时，利用文献上的在实际工作中遇到未知试样时，利用文献上的保留值定性是一种较为方便的方法。只要

22、文献中所保留值定性是一种较为方便的方法。只要文献中所用的固定相和柱温相同，某一组分的相对保留值和用的固定相和柱温相同，某一组分的相对保留值和保留指数保留指数都是基本不变的。目前，保留指数定性已成都是基本不变的。目前，保留指数定性已成为广泛应用的一种色谱定性方法。为广泛应用的一种色谱定性方法。第二十八页，本课件共有32页3.3.利用选择性检测器定性利用选择性检测器定性 l各种类型的检测器对不同类别的化合物有选择性各种类型的检测器对不同类别的化合物有选择性响应。响应。l火焰光度检测器火焰光度检测器有机物。有机物。l电子捕获检测器电子捕获检测器含电负性强的原子或基团。含电负性强的原子或基团。l氮磷检

23、测器氮磷检测器含氮、磷的化合物。含氮、磷的化合物。第二十九页，本课件共有32页4.4.利用与其他仪器联用定性利用与其他仪器联用定性 l色谱与一些结构分析仪器联用，分离、定性分析。色谱与一些结构分析仪器联用，分离、定性分析。l色谱色谱-质谱质谱l色谱色谱-红外红外第三十页，本课件共有32页 当操作条件一定时，被测组分的质量当操作条件一定时，被测组分的质量mimi或浓度或浓度与其色谱峰面积或峰高成正比与其色谱峰面积或峰高成正比-定量分析的依定量分析的依据据。m mi i=f=fi i A Ai i m mi i：i i的质量；的质量；f fi i：比例常数，校正因子；：比例常数，校正因子；A Ai i：i i的峰面积。的峰面积。二、定量分析二、定量分析第三十一页，本课件共有32页感感谢谢大大家家观观看看第三十二页，本课件共有32页