色谱分析基础 (2)幻灯片.ppt

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1、色谱分析基础2023/4/15第1页，共56页，编辑于2022年，星期二一、一、色谱法的特点、分类和作用色谱法的特点、分类和作用 1.1.概述概述 混合物最有效的混合物最有效的分离、分析分离、分析方法。方法。俄国植物学家俄国植物学家茨维特茨维特（Tswett)Tswett)在在19061906年使用的装年使用的装置：色谱原型装置，如图。置：色谱原型装置，如图。色谱法是一种分离技术色谱法是一种分离技术。试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在称之为色谱分离柱中的称之为色谱分离柱中的两相间两相间不断进行着的分配过不断进行着的分配过程。程。其中的一相固定不动，

2、称为其中的一相固定不动，称为固定相固定相；另一相是另一相是携带试样携带试样混合物流过此固定相的混合物流过此固定相的流体（气流体（气体或液体），体或液体），称为称为流动相流动相。2023/4/15第2页，共56页，编辑于2022年，星期二2.色谱法发展简史色谱法发展简史 色谱法早在色谱法早在1903年由俄国植物学家年由俄国植物学家（Tsweett)分离植物色素时采用。后来不仅用分离植物色素时采用。后来不仅用于分离有色物质，还用于分离无色物质，并于分离有色物质，还用于分离无色物质，并出现了种类繁多的各种色谱法。出现了种类繁多的各种色谱法。许多气体、液体和固体样品都能找许多气体、液体和固体样品都能找

3、到合适的色谱法进行分离和分析。目前到合适的色谱法进行分离和分析。目前色谱法已广泛应用于许多领域，成为十色谱法已广泛应用于许多领域，成为十分重要的分离分析手段。分重要的分离分析手段。色谱分析已从分离技术发展成为分离、色谱分析已从分离技术发展成为分离、分析技术的一门综合性学科。分析技术的一门综合性学科。2023/4/15第3页，共56页，编辑于2022年，星期二 他为了分离植物色素，将植物绿叶的石油醚他为了分离植物色素，将植物绿叶的石油醚提取液倒入装有碳酸钙粉末的玻璃管中，并用石提取液倒入装有碳酸钙粉末的玻璃管中，并用石油醚自上而下淋洗，由于不同的色素在碳酸钙颗油醚自上而下淋洗，由于不同的色素在碳

4、酸钙颗粒表面的吸附力不同，随着淋洗的进行，不同色粒表面的吸附力不同，随着淋洗的进行，不同色素向下移动的速度不同，形成一圈圈不同颜色的素向下移动的速度不同，形成一圈圈不同颜色的色带，使各色素成分得到了分离。他将这种分离色带，使各色素成分得到了分离。他将这种分离方法命名为色谱法（方法命名为色谱法（chromatography）。）。Tswett Tswett的方法是借助于各组分在固定的方法是借助于各组分在固定相中吸附能力的强弱不同而进行分离的，相中吸附能力的强弱不同而进行分离的，称为称为吸咐色谱。吸咐色谱。2023/4/15第4页，共56页，编辑于2022年，星期二叶片的石油醚萃取液叶片的石油醚萃

5、取液石油醚石油醚(流动相流动相)叶绿素叶绿素色谱柱色谱柱叶绿素叶绿素叶黄素叶黄素碳酸钙颗粒碳酸钙颗粒（固定相）（固定相）胡萝卜素胡萝卜素色谱图色谱图 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，由于各组分在性质和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，由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相相互作用的类型、强弱也有差异，因此在同一推动力的作用下，不结构上的差异，与固定相相互作用的类型、强弱也有差异，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不同，从而按先后不同的次序从固定相中流出。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流出。202

6、3/4/15第5页，共56页，编辑于2022年，星期二 他们还提出了色谱塔板理论；发明了液他们还提出了色谱塔板理论；发明了液-液分配色谱；液分配色谱；预言了气体可作为流动相（即气相色谱）。预言了气体可作为流动相（即气相色谱）。1952年，因为他们年，因为他们对分配色谱理论的贡献获诺贝尔化学奖。对分配色谱理论的贡献获诺贝尔化学奖。R.L.M.Synge(1914-1994)the Nobel Prize in Chemistry(1952)for the invention of partition chromatography.A.J.P.Martin(1910-2002)2023/4/15第

7、6页，共56页，编辑于2022年，星期二1941年年Martin和和Synge把氨基酸的混合液注入到以硅胶作固定把氨基酸的混合液注入到以硅胶作固定相的柱中，用氯仿作流动相，借助于氨基酸在硅胶中的水和有机溶相的柱中，用氯仿作流动相，借助于氨基酸在硅胶中的水和有机溶剂氯仿两相中的溶解度不同而达到分离，故称为分配色谱。剂氯仿两相中的溶解度不同而达到分离，故称为分配色谱。1944年年Martin和和Synge用滤纸代替硅胶用滤纸代替硅胶,不用色谱柱，固定相是不用色谱柱，固定相是滤纸中含有水份的纤维素，流动相用有机溶剂，也成功地分离了氨滤纸中含有水份的纤维素，流动相用有机溶剂，也成功地分离了氨基酸，从而

8、创立了纸色谱法。基酸，从而创立了纸色谱法。1952年年Martin等又提出以气体作流动相的气相色谱法。等又提出以气体作流动相的气相色谱法。50年代年代又出现了将固定相涂布在玻璃板上的薄层色谱法。又出现了将固定相涂布在玻璃板上的薄层色谱法。2023/4/15第7页，共56页，编辑于2022年，星期二 随后，随后，19571957年年GolayGolay开展了开管柱气相色谱。开展了开管柱气相色谱。上个世纪六十年代末上个世纪六十年代末把高压泵和键合相固定相结合，出现了高把高压泵和键合相固定相结合，出现了高效液相色谱。效液相色谱。接着，出现了色谱法和其他检测技术的联用，例如接着，出现了色谱法和其他检测

9、技术的联用，例如GC-MSGC-MS、GC-IRGC-IR等。等。上个世纪八十年代，上个世纪八十年代，毛细管电泳出现，此后得到长足的发展，并毛细管电泳出现，此后得到长足的发展，并不断出现新的模式。不断出现新的模式。2023/4/15第8页，共56页，编辑于2022年，星期二年代年代发明者发明者发明的色谱方法或重要应用发明的色谱方法或重要应用19061906TswettTswett用碳酸钙作吸附剂分离植物色素。最先提出色谱概念。用碳酸钙作吸附剂分离植物色素。最先提出色谱概念。19311931Kuhn,LedererKuhn,Lederer用氧化铝和碳酸钙分离用氧化铝和碳酸钙分离a-a-、b-b-

10、和和g-g-胡萝卜素。使色谱法开始为人们所重视。胡萝卜素。使色谱法开始为人们所重视。19381938Izmailov,ShraiberIzmailov,Shraiber最先使用薄层色谱法。最先使用薄层色谱法。19381938Taylor,UrayTaylor,Uray用离子交换色谱法分离了锂和钾的同位素。用离子交换色谱法分离了锂和钾的同位素。19411941Martin,SyngeMartin,Synge提出色谱塔板理论；发明液提出色谱塔板理论；发明液-液分配色谱；预言了气体可作为流动相（即气相色谱）。液分配色谱；预言了气体可作为流动相（即气相色谱）。19441944ConsdenConsde

11、n等等发明了纸色谱。发明了纸色谱。19491949MaclleanMacllean在氧化铝中加入淀粉黏合剂制作薄层板使薄层色谱进入实用阶段。在氧化铝中加入淀粉黏合剂制作薄层板使薄层色谱进入实用阶段。19521952Martin,JamesMartin,James从理论和实践方面完善了气从理论和实践方面完善了气-液分配色谱法。液分配色谱法。19561956Van DeemterVan Deemter等等提出色谱速率理论，并应用于气相色谱。提出色谱速率理论，并应用于气相色谱。19571957基于离子交换色谱的氨基酸分析专用仪器问世。基于离子交换色谱的氨基酸分析专用仪器问世。19581958Gola

12、yGolay发明毛细管柱气相色谱。发明毛细管柱气相色谱。19591959Porath,FlodinPorath,Flodin发表凝胶过滤色谱的报告。发表凝胶过滤色谱的报告。19641964MooreMoore发明凝胶渗透色谱。发明凝胶渗透色谱。19651965GiddingsGiddings发展了色谱理论，为色谱学的发展奠定了理论基础。发展了色谱理论，为色谱学的发展奠定了理论基础。19751975SmallSmall发明了以离子交换剂为固定相、强电解质为流动相，采用抑制型电导检测的新发明了以离子交换剂为固定相、强电解质为流动相，采用抑制型电导检测的新型离子色谱法。型离子色谱法。19811981

13、JorgensonJorgenson等等创立了毛细管电泳法。创立了毛细管电泳法。2023/4/15第9页，共56页，编辑于2022年，星期二色谱法起过关键作用的诺贝尔奖研究工作色谱法起过关键作用的诺贝尔奖研究工作年代年代获奖学科获奖学科获奖研究工作获奖研究工作1937化学类胡萝卜素化学，维生素A和B1938化学类胡萝卜素化学1939化学聚甲烯和高萜烯化学1950生理学、医学性激素化学及其分离、肾皮素化学及其分离1951化学超铀元素的发现1955化学脑下腺激素的研究和第一次合成聚肽激素1958化学胰岛素的结构1961化学光合作用时发生的化学反应的确认1970生理学、医学关于神经元触处迁移物质的研

14、究1970化学糖核苷酸的发现及其在生物合成碳水化合物中的作用1972化学核糖核酸化学酶结构的研究1972生理学、医学抗体结构的研究2023/4/15第10页，共56页，编辑于2022年，星期二2.色谱法原理色谱法原理 当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发生相互作当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发生相互作用。由于混合物中用。由于混合物中各组分各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作作用力用力的大小、强弱的大小、强弱不同不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复，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

15、得各组分被固定相多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同保留的时间不同，从而，从而按一定次序按一定次序从色谱柱中流出。从色谱柱中流出。与适当的与适当的柱后检测柱后检测方法结方法结合，实现混合物中各组分的分合，实现混合物中各组分的分离与检测。离与检测。两相及两相的相对运动构成两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础了色谱法的基础2023/4/15第11页，共56页，编辑于2022年，星期二3.3.色谱法分类色谱法分类 3.1 3.1 按按流动相流动相的的状态不同状态不同主要分为两类：主要分为两类：（1 1）气相色谱（气相色谱（GCGC）：流动相为流动相为气体气体（称为载气）。（称为载气）。

16、按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱；按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱；按固定相的不同又分为：气固色谱（按固定相的不同又分为：气固色谱（GSCGSC）和气液色谱（）和气液色谱（GLCGLC）2023/4/15第12页，共56页，编辑于2022年，星期二（2 2）液相色谱（液相色谱（LCLC）：流动相为流动相为液体液体（也称为淋洗液）。（也称为淋洗液）。按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱。按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱。离子色谱离子色谱：液相色谱的一种，以特制的离子交换树脂为固定相，不液相色谱的一种，以特制的离子交换树脂为固定相，不同同pHpH值的水溶液为流动相。

17、值的水溶液为流动相。2023/4/15第13页，共56页，编辑于2022年，星期二（3 3）其他色谱方法）其他色谱方法薄层色谱和纸色谱薄层色谱和纸色谱：比较简单的色谱方法比较简单的色谱方法凝胶色谱法凝胶色谱法：测聚合物分子量分布。超临界色谱超临界色谱:CO2流动相。流动相。高效毛细管电泳高效毛细管电泳:九十年代快速发展、特别适九十年代快速发展、特别适合生物试样分析分离的高效分析合生物试样分析分离的高效分析仪器。仪器。2023/4/15第14页，共56页，编辑于2022年，星期二2023/4/15第15页，共56页，编辑于2022年，星期二3.3.色谱法的特点色谱法的特点（1）分离效率分离效率高

18、高 复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。（2 2）灵敏度灵敏度高高 可以检测出g.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量。（3）分析速度分析速度快快 一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。（4 4）应用范围应用范围广广 气相色谱：沸点低于400的各种有机或无机试样的分析。液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。不足之处不足之处：被分离组分的定性较为困难。2023/4/15第16页，共56页，编辑于2022年，星期二二、色谱分离过程二、色谱分离过程 色谱分离过程是在色谱柱内完成的。色谱分离过程是在色谱柱内完成的。以气相色谱为例：以气相色谱为例：气固色

19、谱和气液色谱，两者的分离机理不同。气固色谱和气液色谱，两者的分离机理不同。气固色谱的固定相气固色谱的固定相:多孔性的固体吸附剂颗粒。多孔性的固体吸附剂颗粒。固体吸附剂对试样中各组分的固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力吸附能力的不同。的不同。气液色谱的固定相气液色谱的固定相:由由 担体和固定液所组成。担体和固定液所组成。固定液对试样中各组分的固定液对试样中各组分的溶解能力溶解能力的不同。的不同。气固色谱的分离机理气固色谱的分离机理:吸附与脱附吸附与脱附的不断重复过程；的不断重复过程；气液色谱的分离机理：气液色谱的分离机理：溶解与挥发溶解与挥发的反复多次分配过程。的反复多次分配过程。2023/4/

20、15第17页，共56页，编辑于2022年，星期二 气相色谱分离过程：气相色谱分离过程：当当试试样样由由载载气气携携带带进进入入色色谱谱柱柱与与固固定定相相接接触时，触时，被被固定相固定相溶解溶解或或吸附吸附;随随着着载载气气的的不不断断通通入入，被被溶溶解解或或吸吸附附的组分又从固定相中的组分又从固定相中挥发挥发或或脱附脱附;挥挥发发或或脱脱附附下下的的组组分分随随着着载载气气向向前前移移动动时时又又再次被再次被固定相固定相溶解溶解或或吸附吸附;随随着着载载气气的的流流动动，溶溶解解、挥挥发发，或或吸吸附附、脱脱附的过程附的过程反复反复地进行；地进行；较较难难被被吸吸附附（溶溶解解）的的组组分

21、分随随载载气气较较快快地地向向前前移移动动，较较易易被被吸吸附附（溶溶解解）的的组组分分则则随随载载气气较较慢慢地地移移动动。经经过过一一定定时时间间后后，各各组分就彼此分离。组分就彼此分离。2023/4/15第18页，共56页，编辑于2022年，星期二三、线性洗脱色谱流出曲线与术语三、线性洗脱色谱流出曲线与术语1.1.基线基线 无无试试样样通通过过检检测测器器时时，检检测测到到的信号即为基线。的信号即为基线。2.2.色谱峰色谱峰 当当某某组组分分从从色色谱谱柱柱流流出出时时，检检测测器器对对该该组组分分的的响响应应信信号号随随时时间间变变化化所所形形成成的的峰峰形形曲曲线线称称为为该该组组分

22、分的色谱峰。的色谱峰。3.3.峰高峰高(h h)色谱峰顶到基线的垂直距离。色谱峰顶到基线的垂直距离。2023/4/15第19页，共56页，编辑于2022年，星期二色谱流出曲线：色谱流出曲线：2023/4/15第20页，共56页，编辑于2022年，星期二4.4.保留值保留值 表表示示试试样样中中各各组组分分在在色色谱谱柱柱中中滞留时间的数值滞留时间的数值。（1）时间表示的保留值）时间表示的保留值 保留时间（保留时间（tR）：）：组分从进样到组分从进样到柱后出现浓度极大值（即色谱峰顶柱后出现浓度极大值（即色谱峰顶值）时所需的时间。值）时所需的时间。调整保留时间（调整保留时间（tR）：tR=tRt0

23、 死时间（死时间（t0）：）：不与固定相不与固定相作用的气体（如空气）的保留时作用的气体（如空气）的保留时间。间。2023/4/15第21页，共56页，编辑于2022年，星期二（2）用体积表示的保留值）用体积表示的保留值 保留体积（保留体积（VR）：）：VR =tRF0 F0为柱出口处的载气流量，为柱出口处的载气流量，单位：单位：m L /min。死体积（死体积（V0）：）：V0=t0 F0 调整保留体积调整保留体积(VR)：V R=VR V0 2023/4/15第22页，共56页，编辑于2022年，星期二5.5.相对保留值相对保留值r2，1 组分组分2与组分与组分1调整保留值之比：调整保留值

24、之比：r2，1=tR2 /tR1=VR2/VR1 相相对对保保留留值值只只与与柱柱温温和和固固定定相相性性质质有有关关，与与其其他他色色谱谱操操作作条条件件无无关关，它它表表示示了了固固定定相相对对这这两两种种组组分分的的选选择择性性。所以又称为选择因子。所以又称为选择因子。2023/4/15第23页，共56页，编辑于2022年，星期二6.6.区域宽度区域宽度 用用来来衡衡量量色色谱谱峰峰宽宽度度的的参参数数，有有三种表示方法三种表示方法：（1）标标准准偏偏差差()：即即0.607倍倍峰峰高高处色谱峰宽度的一半。处色谱峰宽度的一半。（2）半半峰峰宽宽(W1/2)：色色谱谱峰峰高高一一半处的宽度

25、半处的宽度 W1/2=2.354 （3）峰底宽峰底宽(Wb)：Wb=4 2023/4/15第24页，共56页，编辑于2022年，星期二色谱流出曲线的意义：由色谱流出曲线可以实现以下目的：由色谱流出曲线可以实现以下目的：（1）根据色谱峰的数目，可以判断试样中所含组分的最少个）根据色谱峰的数目，可以判断试样中所含组分的最少个数。数。（2）根据色谱峰的保留值进行）根据色谱峰的保留值进行定性定性分析。分析。（3）依据色谱峰的面积或峰高进行）依据色谱峰的面积或峰高进行定量定量分析。分析。（4）依据色谱峰的保留值以及峰宽评价色谱柱的）依据色谱峰的保留值以及峰宽评价色谱柱的分离效能分离效能。2023/4/1

26、5第25页，共56页，编辑于2022年，星期二第二节第二节色谱理论基础色谱理论基础一、塔板理论一、塔板理论Plate theory二、二、速率理论速率理论Rate theory三、三、分离度分离度ResolutionFundamental of chromatograph theory 2023/4/15第26页，共56页，编辑于2022年，星期二一、塔板理论一、塔板理论 组分在固定相和流动相间发生的组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附吸附、脱附，或，或溶解、挥发溶解、挥发的过程叫做的过程叫做分配过程分配过程。在一定温度下，组分在两相间分配达到。在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡平衡时的

27、时的浓度浓度（单位：（单位：g/mL）比比，称为分配系数，用，称为分配系数，用K 表示，即：表示，即：分配系数是色谱分离的依据。分配系数是色谱分离的依据。（一）分配过程（一）分配过程（一）分配过程（一）分配过程1.分配系数（分配系数（partionfactor）K2023/4/15第27页，共56页，编辑于2022年，星期二分配系数分配系数K 的讨论：的讨论：一定温度下，组分的分配系数一定温度下，组分的分配系数K越越大大，出峰越，出峰越慢慢；试样一定时，试样一定时，K主要取决于固定相性质；主要取决于固定相性质；同一个组份同一个组份在不同的固定相上的分配系数在不同的固定相上的分配系数K不同不同；

28、选择适宜的固定相可改善分离效果；选择适宜的固定相可改善分离效果；试样中的各组分具有不同的试样中的各组分具有不同的K值值是分离的基础是分离的基础；某组分的某组分的K=0时，即不被固定相保留，最先流出。时，即不被固定相保留，最先流出。2023/4/15第28页，共56页，编辑于2022年，星期二2.2.分配比分配比 （partionradio）k 在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。分配在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。分配比是指，在一定温度下，组分在两相间分配达到比是指，在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡平衡时的时的质量比质量比：1.分分配配系系数数与与分分配配

29、比比都都是是与与组组分分及及固固定定相相的的热热力力学学性性质质有有关关的的常常数数，随分离柱温度、柱压的改变而变化。随分离柱温度、柱压的改变而变化。2.分分配配系系数数与与分分配配比比都都是是衡衡量量色色谱谱柱柱对对组组分分保保留留能能力力的的参参数数，数数值值越越大，该组分的保留时间越长。大，该组分的保留时间越长。3.分配比可以由实验测得。分配比可以由实验测得。分配比分配比也称也称：容量因子容量因子(capacity factor)、容量比、容量比(capacity factor)2023/4/15第29页，共56页，编辑于2022年，星期二（1）容量因子与分配系数的关系）容量因子与分配系

30、数的关系 式中：式中：为为相比相比，即，即=Vm/Vs 。填充柱填充柱相比相比：635；毛细管柱的相比：；毛细管柱的相比：501500。容量因子越大，保留时间越长。容量因子越大，保留时间越长。VM为为流动相流动相体积，即柱内固定相颗粒间的体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积空隙体积；VS为为固定相固定相体积，对不同类型色谱柱，体积，对不同类型色谱柱，VS的含义不同的含义不同:气气-液色谱柱：液色谱柱：VS为固定液体积；为固定液体积；气气-固色谱柱：固色谱柱：VS为吸附剂表面容量。为吸附剂表面容量。2023/4/15第30页，共56页，编辑于2022年，星期二（2）分配比与保留时间的关系分配比与保

31、留时间的关系某组分的某组分的k值可由实验测得，等于该组分的值可由实验测得，等于该组分的调整调整保留时间与保留时间与死死时间的时间的比比值值：（3）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r2,1的关系的关系如果两组分的如果两组分的K或或k值相等，则值相等，则r2,1=1，两组分的色谱峰必将重合，说明分，两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或或k值值相差相差越大，则分离得越好越大，则分离得越好。因此两组分具有不同的分。因此两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先决条件。配系数是色谱分离的先决条件。2023/4/15第31页，共56页，编辑于2022年，星期

32、二 基本保留方程可表示为：基本保留方程可表示为：tR=t0(1+k)若载气流量若载气流量F0恒定，也可用保留体积表示，则恒定，也可用保留体积表示，则 VR=Vm+KVs 上上式式说说明明，色色谱谱柱柱确确定定后后，Vm和和Vs即即为为定定值值。由由此此可可见见，分分配配系系数数不不同同的的各各组组分分具具有有不不同同的的保保留留值值，因因而而在在色色谱谱图图上上有有不不同同位置位置的色谱峰。的色谱峰。（4）基本保留方程）基本保留方程2023/4/15第32页，共56页，编辑于2022年，星期二例：例：用一根固定相的体积为用一根固定相的体积为0.148mL，流动相的体积为，流动相的体积为1.26

33、mL的色谱的色谱柱分离柱分离A,B两个组分，它们的保留时间分别为两个组分，它们的保留时间分别为14.4min，15.4min，不被保，不被保留组分的保留时间为留组分的保留时间为4.2min，试计算：，试计算：（1）各组分的容量因子）各组分的容量因子（2）各组分的分配系数）各组分的分配系数（3）AB两组分的选择因子两组分的选择因子rB,A解：解：（1）kA=(14.4min-4.2min)/4.2min=2.43kB=(15.4min-4.2min)/4.2min=2.67(2)K=k=kVm/VsKA=kAVm/Vs=2.431.26mL/0.148mL=20.7KB=kBVm/Vs=2.67

34、1.26mL/0.148mL=22.7(3)rB,A=KB/KA=22.7/20.7=1.102023/4/15第33页，共56页，编辑于2022年，星期二色谱理论：色谱理论：色色谱谱理理论论需需要要解解决决的的问问题题：色色谱谱分分离离过过程程的的热热力力学学和和动动力力学学问问题题。影影响响分分离离及及柱柱效效的的因因素素与与提提高高柱柱效效的的途途径径，柱柱效效与与分分离离度度的的评评价价指指标标及及其关系。其关系。组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？组分保留时间组分保留时间：色谱过程的：色谱过程的热力学热力学因素控制；因素控制；（组分和固定相的结

35、构和性质（组分和固定相的结构和性质,如分配系数）如分配系数）色谱峰变宽色谱峰变宽：色谱过程的：色谱过程的动力学动力学因素控制；因素控制；（两相中的运动阻力，扩散）（两相中的运动阻力，扩散）两种色谱理论：两种色谱理论：塔板理论和速率理论塔板理论和速率理论2023/4/15第34页，共56页，编辑于2022年，星期二 塔板理论的假设：塔板理论的假设：(1)在在每每一一个个平平衡衡过过程程间间隔隔内内，平平衡衡可可以以迅迅速速达达到到；这这一一小小段间隔的柱长称为段间隔的柱长称为理论塔板高度理论塔板高度。(2)(2)将载气看作成将载气看作成脉动脉动（间歇）过程；（间歇）过程；(3)(3)试样沿色谱柱

36、方向的试样沿色谱柱方向的扩散扩散可可忽略忽略；(4)(4)每次每次分配的分配的分配系数相同分配系数相同。（二）塔板理论（二）塔板理论（二）塔板理论（二）塔板理论-柱分离效能指标柱分离效能指标柱分离效能指标柱分离效能指标 1.1.塔板理论塔板理论（plate theory）半半经经验验理理论论，最最早早由由Martin等等人人提提出出塔塔板板理理论论，把把色色谱柱比作一个精馏塔。谱柱比作一个精馏塔。将将色色谱谱分分离离过过程程比比拟拟作作蒸蒸馏馏过过程程，将将连连续续的的色色谱谱分分离离过过程程分分割割成成多多次次的的平平衡衡过过程程的的重重复复（类类似似于于蒸蒸馏馏塔塔塔塔板板上上的的平平衡衡

37、过过程程）；在在每每一一个个塔塔板板上上，被被分分离离组组分分达达到到一一次次分分配配平衡。平衡。2023/4/15第35页，共56页，编辑于2022年，星期二 色谱柱长：色谱柱长：L，虚拟的塔板间距离（虚拟的塔板间距离（理论塔板高度理论塔板高度）：）：H，色谱柱的色谱柱的理论塔板数理论塔板数：n，则三者的关系为：则三者的关系为：n=L/H理论塔板数与色谱参数之间的关系为：理论塔板数与色谱参数之间的关系为：保留时间包含死时间，在死时间内不参与分配保留时间包含死时间，在死时间内不参与分配!单位柱长的单位柱长的塔板数越多塔板数越多，表明，表明柱效越高柱效越高。用用不同物质不同物质计算可得到计算可得

38、到不同的理论塔板数不同的理论塔板数。2023/4/15第36页，共56页，编辑于2022年，星期二2.2.有效塔板数和有效塔板高度有效塔板数和有效塔板高度 组组分分在在t0时时间间内内不不参参与与柱柱内内分分配配。需需引引入入有有效效塔塔板板数数和有效塔板高度：和有效塔板高度：2023/4/15第37页，共56页，编辑于2022年，星期二例：例：用一根柱长为用一根柱长为1m的色谱柱分离含有的色谱柱分离含有A，B，C，D四个组分的混合物，四个组分的混合物，它们的保留时间它们的保留时间tR分别为分别为6.4min,14.4min,15.4min,20.7min,其峰底宽其峰底宽Wb分别为分别为0.

39、45min,1.07min,1.16min,1.45min。试计算：各谱峰的理论塔板数。试计算：各谱峰的理论塔板数。解：解：2023/4/15第38页，共56页，编辑于2022年，星期二3.3.塔板理论的特点和不足塔板理论的特点和不足（1）当当色色谱谱柱柱长长度度一一定定时时，塔塔板板数数 n 越越大大(塔塔板板高高度度 H 越越小小)，被被测测组组分分在在柱柱内内被被分分配配的的次次数数越越多多，柱柱效效能能则则越越高高，即即使使分分配配系系数数只只有有微微小小的的差差别别，仍仍可获得可获得好好的分离效果。的分离效果。所得色谱峰越窄。所得色谱峰越窄。（2 2）不不同同物物质质在在同同一一色色

40、谱谱柱柱上上的的分分配配系系数数不不同同，用用有有效效塔塔板板数数和和有有效效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。（3 3）柱柱效效不不能能表表示示被被分分离离组组分分的的实实际际分分离离效效果果，当当两两组组分分的的分分配配系系数数K K相相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。（4 4）塔塔板板理理论论无无法法解解释释同同一一色色谱谱柱柱在在不不同同的的载载气气流流速速下下柱柱效效不不同同的的实实验验结果，也结果，也无法无法指出影响柱效（如塔板高度指出影响柱效（如塔板高度H H）的

41、因素及提高柱效的途径。）的因素及提高柱效的途径。2023/4/15第39页，共56页，编辑于2022年，星期二二、二、速率理论速率理论-影响柱效的因素影响柱效的因素 19561956年年荷荷兰兰学学者者范范弟弟姆姆特特（Van Van Deemter)Deemter)等等提提出出了了色色谱谱过过程程的的动动力力学学理理论论，他他们们吸吸收收了了塔塔板板理理论论的的概概念念，并并把把影影响响塔塔板板高高度度的的动动力力学学因因素素结结合合进进去去，导导出出了了塔塔板板高高度度H H与与载载气气线线速速度度u u的关系。的关系。1.1.速率方程（也称范速率方程（也称范.弟姆特方程式）弟姆特方程式）

42、H=A+B/u+Cu H：理论塔板高度：理论塔板高度;u：载气的线速度：载气的线速度(cm/s)减小减小A、B、C三项可提高柱效三项可提高柱效；存在着最佳流速存在着最佳流速；A、B、C三项常数各与哪些因素有关？三项常数各与哪些因素有关？2023/4/15第40页，共56页，编辑于2022年，星期二A涡流扩散项：涡流扩散项：A=2dp dp：固定相的平均颗粒直径固定相的平均颗粒直径：固定相的填充不均匀因子固定相的填充不均匀因子 固固定定相相颗颗粒粒越越小小dp，填填充充的的越越均均匀匀，A，H，柱柱效效n。表表现现在在涡涡流流扩扩散散所所引引起起的的色色谱谱峰峰变变宽宽现现象象减减轻轻，色色谱谱

43、峰峰较较窄窄。对对于于空空心心毛毛细细管管柱柱，A项为零。项为零。2023/4/15第41页，共56页，编辑于2022年，星期二B/u 分子扩散项分子扩散项 B=2 Dg：弯曲因子，空心毛细管弯曲因子，空心毛细管,=1；填充柱色谱填充柱色谱,11。Dg：试样组分分子在气相中的扩散系数（：试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2s-1）(1)存在着浓度差，产生纵向扩散存在着浓度差，产生纵向扩散;(2)扩散导致色谱峰变宽，扩散导致色谱峰变宽，H(n)，分离变差分离变差;(3)分子扩散项与流速有关，流速分子扩散项与流速有关，流速，滞留时间，滞留时间，扩散，扩散;(4)扩散系数扩散系数Dg与组分及载气的

44、性质有关：与组分及载气的性质有关：Dg(M载气载气)-1/2；M载气载气，B值值。Dg（M组分组分）-1（5）扩散系数扩散系数Dg随柱温升高而增加。随柱温升高而增加。2023/4/15第42页，共56页，编辑于2022年，星期二 k为容量因子；为容量因子；Dg、DL为扩散系数。为扩散系数。减小担体粒度，选择小分子量的气体作载气，可降低传质阻力。减小担体粒度，选择小分子量的气体作载气，可降低传质阻力。C u 传质阻力项传质阻力项 传质阻力系数包括气相传质阻力传质阻力系数包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力和液相传质阻力CL系数，系数，即：即：C=（Cg+CL）2023/4/15第43页，共56页，

45、编辑于2022年，星期二2.2.载气流速与柱效载气流速与柱效最佳流速最佳流速载气流速高时：载气流速高时：传传质质阻阻力力项项是是影影响响柱柱效效的的主主要要因因素素，流速流速，柱效，柱效。载气流速低时：载气流速低时：分分子子扩扩散散项项成成为为影影响响柱柱效效的的主主要要因素，因素，流速流速,柱效柱效 。H-u曲线与最佳流速：曲线与最佳流速：由于流速对这两项由于流速对这两项完全相反的作用完全相反的作用，流速对柱效的总影响使得存在着一，流速对柱效的总影响使得存在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对流速的一阶导数有零值点。个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对流速的一阶导数有零值点。以塔板高

46、度以塔板高度H对应载气流速对应载气流速u作图，曲线最低点的流速即为作图，曲线最低点的流速即为最佳流速最佳流速。2023/4/15第44页，共56页，编辑于2022年，星期二最佳流速最佳流速u uoptopt与最小理论塔板高度与最小理论塔板高度H Hminmin：2023/4/15第45页，共56页，编辑于2022年，星期二3.3.速率理论的要点速率理论的要点（1 1）组组分分分分子子在在柱柱内内运运行行的的多多路路径径与与涡涡流流扩扩散散、浓浓度度梯梯度度所所造造成成的的分分子子扩扩散散及及传传质质阻阻力力使使气气液液两两相相间间的的分分配配平平衡衡不不能能瞬瞬间间达达到到等等因因素素是是造造

47、成成色色谱谱峰峰扩扩展展，柱效下降柱效下降的主要原因。的主要原因。（2）通过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。）通过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。（2 2）速速率率理理论论为为色色谱谱分分离离和和操操作作条条件件选选择择提提供供了了理理论论指指导导。阐阐明明了了流流速和柱温对柱效及分离的影响。速和柱温对柱效及分离的影响。（4）各各种种因因素素相相互互制制约约，如如载载气气流流速速增增大大，分分子子扩扩散散项项的的影影响响减减小小，使使柱柱效效提提高高，但但同同时时传传质质阻阻力力项项的的影影响响增增大大，又又使使柱柱效效下下降降；柱柱

48、温温升升高高，有有利利于于传传质，但又加剧了分子扩散的影响，质，但又加剧了分子扩散的影响，选择最佳条件选择最佳条件，才能使柱效达到最高。，才能使柱效达到最高。2023/4/15第46页，共56页，编辑于2022年，星期二三、三、分离度分离度 塔板理论和速率理论都塔板理论和速率理论都难以描述难以描述难分离物质对的难分离物质对的实际分离程度实际分离程度。即柱。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响：难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响：保留值之差保留值之差色谱过程的热力学因素；色谱过程

49、的热力学因素；区域宽度区域宽度色谱过程的动力学因素。色谱过程的动力学因素。色谱分离中的四种情况如图所示：色谱分离中的四种情况如图所示：2023/4/15第47页，共56页，编辑于2022年，星期二讨论：讨论：色谱分离中的四种情况的讨论：色谱分离中的四种情况的讨论：柱效较高，柱效较高，K(分配系数分配系数)较大较大,完全分离；完全分离；K不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；柱效较低，柱效较低，K较大较大,但分离的不好；但分离的不好；K小，柱效低，分离效果更差。小，柱效低，分离效果更差。2023/4/15第48页，共56页，编辑于2022年，星期

50、二分离度的表达式分离度的表达式：R=0.8：两峰的分离程度可达：两峰的分离程度可达89%，有部分重叠；，有部分重叠；R=1：分离程度：分离程度98%；R=1.5：达：达99.7%（相邻两峰完全分离的标准）。（相邻两峰完全分离的标准）。定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与两个组分色谱峰峰底定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与两个组分色谱峰峰底宽度总和一半的比值。宽度总和一半的比值。2023/4/15第49页，共56页，编辑于2022年，星期二不同分离度时色谱峰分离的程度不同分离度时色谱峰分离的程度2023/4/15第50页，共56页，编辑于2022年，星期二色谱基本分离方程式：色谱基本分离方程式：令