仪器分析第十一章色谱法分离原理.

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1、第十一章 色谱法分离原理学习目的通过本章学习，应了解色谱法的分类，理 解色谱法分离过程及分离原理，掌握色谱图及相关术语，掌握分离度概论及应用,掌握色谱法定性及定量分析 O O本章主要内容 11.111.1 色谱法概述11.211.2 线性洗脱色谱及相关术语 11.311.3 色谱法基本理论 11.411.4 分离度 11.511.5 色谱法定性和定量分析11.1色谱法概述、历史回顾二、色谱法(Chromatography)(Chromatography) 色谱法的实质是色谱法的实质是分分离，离，是一种重要的是一种重要的分离、分离、分析技术。它是根据混合物各组分在互不相溶的两相一固定相与流动相中

2、吸附能力、分配系数或其它亲合作用性能的差异作为 分离的依据。当混合物各组分随着流动相通过固定相时, 在流动相与固定相之间进行反复多次的分 配，这样就使得那些吸附能力或分配系数只有微小差别的物质，在移动速度上产生 了较大的差别，从而得到分离。三、色谱法的分类色谱法有许多类型，从不同的角度可以有 不同的分类方法，主要包括以下几类：超临界流体色谱r柱色谱I薄层色谱J排阻色谱r迎头色谱：以试样混合物作流动相的色谱法顶替色谱：用含吸附能力或其它作4按色谱动力学过程 t tR1R1r r）a a 称为选择因子（oc1oc1）注：a a 值越大，越容易分离，若 a=1,a=1,情况 如何？保留因子 k k

3、（又称分配比、容量因子）组分在固定相和流动相中的分配量之比k k = = n ns s/ / n n保留值与分配系数 K K 之间的关系当某一组分的色谱峰最高点出现时，说明 该组分恰好有一半的量洗脱在保留体积的 流动相中，刚好流出色谱柱，其余一半则 仍留在柱内。根据物料等衡原理得:RmRm= =mmmm+ +ssss V VR R=V=Vm+m+(c(cs s/c/cm m)V)Vs sV VR R=V=Vm+m+KVKVs s- -XVXVM MVVm mA AVR=VM+KVS VR KVsKVs以上说明了色谱行为的保留值（VR、VM.VR）与反映物质的热力学常数 K K 之间的关 系。保

4、留值与容量因子 k k 之间的关系由 K=cK=cs s/c/cm m得匕V k-K“又因为V - VK -RMV匕m则kyK-yM匕匕又将上式改写VR=VM(l + k)tR=tM(l + k)又切=贝 U U 4=(1+4=(1+ ) )UU注：k是色谱柱对组分保留能力的参数，kT，则保留时间越长.YR_JRJR-Gb b切切又因为相对保留值(选择性因子)a = 依据k = -得a = t &切&依据K = k 0 a = K%VRk2K2%a =十=亠=h 一 h %匕k、K匕(4)(4)区域宽度：即色谱峰的宽度，有三种表 示法。峰底宽度 Y(W)Y(W)(基线宽度)在色谱峰两边的转折点

5、所画的切线与基线 相交的截距。转折点也称拐点，是指流出曲线上二阶导数为零的那两个点，经计算：拐点位于0.607h0.607h 处。半峰宽 Y Y1/21/2(2AX(2AX1/21/2) )：即峰高一半处对应 的峰宽。标准偏差 b:拐点间距离的一半。注：Y=4QY1/2=2.354Q当标准偏差以时间为单位时，用I表示，Y Yt t=4z=4z (5)(5)峰面积 A A：峰与基线延长线所包围的面积称为峰的面积。A=1.065h-YA=1.065h-Y1/21/2总结：从色谱流出曲线上，可以得到的重要信息:(1)(1)混合组分中含有最小个数;(2)(2)可进行定性分析；可用于定量分析;(4)(4

6、)保留值及区域宽度是评价色谱柱分离效能的依据;(5)(5)两峰的间距是评价固定相选择是否合理。11.3色谱法基本理论色谱法是一种分离分析技术，无论定性还下列几点:两组分的分配系数不等，即KAHKB峰扩宽的速率应小于峰分离的速率 一、塔板理论 塔板理论是将一根色谱柱视为一个精憾塔。即把一根连续的色谱柱设想成由许多小段 （称塔板）组成，每块塔板高度用 H H 表示。在每一小段内，组分在两相间很快达到分 配平衡，然后随流动相按一个一个塔板的 方式向前移动，并不断达到新的分配平衡。是定量分析，前提条件都必须使两组分分开。要使两组分 A A、完全分开，必须满足在保证快速分离的前提下，有一定长度的色若色谱

7、柱的长度为 L,L,则理论塔板数 n n 为:n=L/Hn=L/H当 n50n50 时，即可得到基本对称的峰形曲 线。对于色谱柱，riri 值都很人，GCGC 中，n n 值约 为 103103106,106,则流出曲线可趋近于正态分布。 当 A A、B B 两试样的 K K 值有微小差异时，也能 得到很好的分离。由塔板理论，可导出理论塔板数 n n 的计算 公式：54x54x（护（涉在实际工作中，上式计算的结果不能充分反映色谱柱的柱效, 因为tR没有扣除tM，扣除后计算的结果为有效塔板数，因此I力效=5.54（知21/2/_（ k 2% 效=IIIto塔板理论的特点和不足(1)(1) 当色谱

8、柱长度一定时，塔板数n越大(塔板 高度 H H越小)，被测组分在柱内被分配的次 数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。(2)(2) 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。(3)(3)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 K 相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。(4)(4)塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气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。二、速率理论 19561956 年，荷兰学者 VanVan DeemteDeemter r等人在研 究气液色谱时，

9、 提出了色谱过程动力学理论一速率理论。它吸收了塔板理论的有益 成果一塔板高度的概论，并把影响塔板高 度的动力学因素结合进去，提出理论塔板 高度 H H 是色谱峰展宽的量度，导出了塔板高 度 H H 与载气线速度 U U 的关系: H H = = A A + + B/u+B/u+ CuCu （式中 ABCABC 均为常数） C C传质阻力项系数流动相的平均线流速.即单位时间内流动相在色谱柱中流动的距离 cm/scm/s由上式，要降低 H H 的数值，提高柱效，需降 低式中各项系数值。 1 1 涡流扩散项 A A在填充色谱柱中，流动相（载有组分分子） 通过填充物的不规则空隙及填充物颗粒时, 不断改

10、变流动方向，形成紊乱的类似“涡 流”的流动。由于填充物颗toA AB B粒大小的不同,以及填充的不均匀性，使组分分子通过填 充柱时，有许多长短不等的路径。因此，同一组分的不同分子，到达柱尾出口处的勰啟霸了一个统计分布色 A=2XdpA=2Xdp九一填充不规则因子（包括固定相颗粒大小、 几何形状及装填紧密程度）。 dpdp填充物颗粒的平均直径。注：A A 与流动相的性质、线速度和组分性质无关。2 2分子扩散项 B/dB/d （又称纵向扩散项） 当试样被载气带入色谱柱后，以“塞子”的形式存在于色谱柱的很小一段空间，便 在色谱柱的轴向上造成浓度梯度， 使组分 分子产生浓差扩散。 B=2yDB=2yD

11、g gY-Y-填充柱内气体扩散路径弯曲的因素，也 称弯曲因子。 DgDg组分分子在气相中的扩散系数 cmZscmZs Y Y 与柱子的装填质量有关，若无填充物丫日, 当有填充物时丫小，但对不同的材料丫值不 同。 DgDg 除与组分性质有关外，还与组分在气相 中的停留时间、载气的性质、柱温等有关。 即柱压 PfPf，DgJDgJ；T T 笃 DgfDgf；Dg8Dg8 4/7|V|4/7|V|由上分析，若要减小分子扩散项，可采取 那些措施？ 3 3 传质阻力项 COCO物质系统由于浓度不均而发生的物质迁移 过程称为传质。 影响该过程进行速度的阻 力， 叫传质阻力。包括流动相和固定相。III对于气

12、液色谱气相中的传质过程是在气相和气液界面 上进行的，由于传质阻力的影响，使试样 在两相界面不能达到瞬时的分配平衡，出 现超前或滞后现象，使色谱峰展宽。因此，气相的传质阻力项为：C Cg gu u-=o1oiT(1 + Q2 q CgUCgU 与 dp2dp2 成正比，与 DgDg 成反比，因此，釆 用粒度小的填充物和相对分子量小的气体 (H(H2 2) )作载气，可提高柱效。固定相中的传质发生在气液界面，这一过程也会引起峰展宽，其传质阻力相为:Czw=-_匚13 (1 + Q2di固定液的液膜厚度Di组分在液相中的扩散系数因此，传质阻力项系数盅,2k4- 1- - - -Q 3 (1 + Q2

13、p若通过降低 dfdf 来减小 C,C,贝!JkJk 值随之变小，C C 会增大。因此，在不减少固定液用量的同 时，用比表面积较大的载体来达到降低 dfdf 的 目的。提高柱温，D|D|会增大，但会使 k k 减小，故应 控制适当的柱温。当固定液含量较高、U U 大小适中时，H H 主要 受 C|UC|U 控制，此时 CgDCgD 可忽略。当固定液含量较低，很快时，则 CgUCgU 的影 响会大增。c = q+q =O01P 4.Van4.Van DeemterDeemter 方程（速率理论方程）范氏方程指出了色谱柱填充的均匀程度、填料粒度的大小、 流动相的种类及流速、固定相的液膜厚度等对柱效

14、的影响。 除此之外，还应考虑柱径、柱长对峰展宽的影响。范氏方程并非完美，其他学者对它进行了修正 GC中，以HU作图得到双曲线为范氏方程曲线。0.012 (1+ Q2空+?k d瓦+亍（1+幻彳远速率理论的要点 (1)(1)组分分子在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平衡不能瞬间达到 等因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要 原因。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。供了理论指导。阐明了流速和柱温对柱效 及分离的影响。 各种因素相互制约，如载气流速增大,分子扩散项的影响减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使

15、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，选择最佳条件，才能使 柱效达到最高。(3)(3)速率理论为色谱分离和操作条件选择提11.4分离度 一、柱效和选择性在色谱分析中，常遇到难分离物质对的分 离问题。要将二组分进行分离左间的距离薯大，即二者娜 差要大，可用 0 0C C表示；二是色 1 1 柱效要高，可用 H H来量度。潼蠶醪鶴藕鶴质保留值的差别 勢華曇腸了峰扩展的程度，是色谱过程动但二者都不能表示色谱柱的总分离效能，考虑二者的综合影响，需引入分离度的概 /、O O二、分离度（RsRs）的定义録鎏锄册霾色谱峰保II即乂（开）两峰间的分离程度受两峰尖的距离和两峰各自峰宽的制约，如图所示 一般来说:当两峰部分重叠;（当 RsRs时，两峰能明显分离；（约 2%2%的相 互重叠）当 R Rs s=1-5=1-5 时，两峰已完全分离.（约 1%1%的相互重叠请问是否 FUFU 越大越好?=1