第08章 色譜分析導論

1、2022-4-101第八章第八章 色譜分析方法導論色譜分析方法導論Chromatography8.1 概述概述 歷史、色譜分離過程、分類歷史、色譜分離過程、分類8.2 色譜流出曲線色譜流出曲線 色譜圖及相關(guān)術(shù)語色譜圖及相關(guān)術(shù)語8.3 色譜法基本原理色譜法基本原理 描述分配過程參數(shù)、峰間距、峰形狀和峰寬的理論描述（塔板理論描述分配過程參數(shù)、峰間距、峰形狀和峰寬的理論描述（塔板理論及速率理論）及速率理論）8.4 分離度及色譜分離方程分離度及色譜分離方程 分離度及色譜分離方程、影響分離的因素分離度及色譜分離方程、影響分離的因素2022-4-1028.1 概述概述 化學分析方法的基本要求是其選擇性要高

2、。即，在分析化學分析方法的基本要求是其選擇性要高。即，在分析過程中，待測物與潛在的干擾物的分離是最為重要的步驟！過程中，待測物與潛在的干擾物的分離是最為重要的步驟！ 20 世紀中期，大量采用一些經(jīng)典的分離方法：沉淀、蒸世紀中期，大量采用一些經(jīng)典的分離方法：沉淀、蒸餾和萃取。餾和萃取。 現(xiàn)代分析中，大量采用色譜和電泳分離方法。迄今為止現(xiàn)代分析中，大量采用色譜和電泳分離方法。迄今為止，色譜方法是最為有效的分離手段！其應用涉及每個科學領，色譜方法是最為有效的分離手段！其應用涉及每個科學領域。域。 1903年，由俄國植物學家年，由俄國植物學家Mikhail Tswett 最先發(fā)明：他采最先發(fā)明：他采用

3、填充有固體用填充有固體CaCO3細顆粒物的玻璃柱，將植物色素的混合細顆粒物的玻璃柱，將植物色素的混合物物（葉綠素和葉黃素葉綠素和葉黃素chlorophylls & xanthophylls）加于柱頂加于柱頂端，然后以溶劑淋洗，被分離的組份在柱中顯示了不同的色端，然后以溶劑淋洗，被分離的組份在柱中顯示了不同的色帶，他稱之為色譜帶，他稱之為色譜 （希臘語中（希臘語中 “chroma”=color; “graphein”=write） 。 2022-4-103色譜分析術(shù)語：色譜分析術(shù)語： 按現(xiàn)代色譜學術(shù)語，按現(xiàn)代色譜學術(shù)語，Tswett 實驗中的實驗中的相對與石油醚而固定不動的碳酸鈣稱為相對

4、與石油醚而固定不動的碳酸鈣稱為固定相（固定相（stationary phase），），裝有固定裝有固定相的管子稱為相的管子稱為色譜柱（色譜柱（column），），沖洗沖洗過程稱為過程稱為洗脫（洗脫（elution），），洗脫液稱為洗脫液稱為流動相（流動相（mobile phase），），得到的圖譜稱得到的圖譜稱為為色譜圖（色譜圖（chromatogram）。）。 50年代，色譜發(fā)展最快（一些新型色年代，色譜發(fā)展最快（一些新型色譜技術(shù)的發(fā)展；復雜組分分析發(fā)展的要譜技術(shù)的發(fā)展；復雜組分分析發(fā)展的要求）。求）。 1937-1972年，年，15年中有年中有12個個Nobel獎是有關(guān)色譜研究的！獎是有關(guān)

5、色譜研究的！2022-4-104色譜分析的定義：色譜分析的定義： 初期初期Keuleman定義為組分在固定相和流動相之間被分離的一種物定義為組分在固定相和流動相之間被分離的一種物理方法。隨著科學的進步，色譜分析不再單純是一種分離方法，它已與理方法。隨著科學的進步，色譜分析不再單純是一種分離方法，它已與分析儀器相連接，成為既分離又分析的一種綜合分析方法。分析儀器相連接，成為既分離又分析的一種綜合分析方法。 因此，色譜法是一種利用樣品中各組分在固定相與流動相中受到的因此，色譜法是一種利用樣品中各組分在固定相與流動相中受到的作用力不同，而將待分析樣品中各組分依次分離，然后按順序檢測各組作用力不同，而

6、將待分析樣品中各組分依次分離，然后按順序檢測各組分的分離分析方法。分的分離分析方法。2022-4-105色譜分離基本原理：色譜分離基本原理： 使用外力使含有樣品的流動相（氣體、液體或超臨界流體）通過使用外力使含有樣品的流動相（氣體、液體或超臨界流體）通過一固定于柱或平板上、與流動相互不相溶的固定相表面。由于處于柱一固定于柱或平板上、與流動相互不相溶的固定相表面。由于處于柱起始端樣品中各組份與兩相（流動相與固定相）的作用程度不同，因起始端樣品中各組份與兩相（流動相與固定相）的作用程度不同，因此，與固定相作用強的組份隨流動相流出的速度較慢，而與固定相作此，與固定相作用強的組份隨流動相流出的速度較慢

7、，而與固定相作用弱的組份隨流動相流出的速度較快。由于流出的速度的差異，使得用弱的組份隨流動相流出的速度較快。由于流出的速度的差異，使得混合組份最終形成各個單組份的混合組份最終形成各個單組份的“帶帶（band）”或或“區(qū)區(qū)（zone）”，對依次流出的各個單組份物質(zhì)可分別進行定性、定量分析。對依次流出的各個單組份物質(zhì)可分別進行定性、定量分析。2022-4-106色譜分類方法：色譜分類方法：1. 按固定相外形分：按固定相外形分： 柱色譜（填充柱、空心柱）、平板色譜。柱色譜（填充柱、空心柱）、平板色譜。2. 按組份在固定相上的分離機理分：按組份在固定相上的分離機理分： 吸附色譜：不同組份在固定相的吸附

8、作用不同；吸附色譜：不同組份在固定相的吸附作用不同； 分配色譜：不同組份在兩相中的溶解能力不同；分配色譜：不同組份在兩相中的溶解能力不同； 離子交換色譜：不同組份在固定相（離子交換劑）上的親和力不同；離子交換色譜：不同組份在固定相（離子交換劑）上的親和力不同； 凝膠色譜（尺寸排阻色譜）：不同尺寸分子在固定相上的滲透作用。凝膠色譜（尺寸排阻色譜）：不同尺寸分子在固定相上的滲透作用。2022-4-1073. 按兩相狀態(tài)分按兩相狀態(tài)分分類分類 方法方法 固定相固定相 平衡類型平衡類型 氣液色譜氣液色譜 液體吸附液體吸附于于固體固體 氣液間分配氣液間分配 氣固色譜氣固色譜 固體吸附劑固體吸附劑 吸附吸

9、附 氣氣 相相 色色 譜譜 氣相鍵合色譜氣相鍵合色譜 有機組份鍵合于有機組份鍵合于固體表面固體表面 液體和鍵合體液體和鍵合體表面間的分配表面間的分配 液液色譜液液色譜 液體吸附液體吸附于于固體固體 不相溶液體間不相溶液體間的分配的分配 液固液固 (吸附吸附)色色譜譜 固體吸附劑固體吸附劑 吸附吸附 液相鍵合色譜液相鍵合色譜 有機組份鍵合于有機組份鍵合于固體表面固體表面 液體和鍵合體液體和鍵合體表面間的分配表面間的分配 離子交換色譜離子交換色譜 離子交換樹脂離子交換樹脂 離子交換離子交換 液液 相相 色色 譜譜 凝膠滲透凝膠滲透(尺寸尺寸排阻排阻)色譜色譜 液體附于多孔聚液體附于多孔聚合物合物

10、分配分配/篩析篩析 超臨界超臨界流體流體 有機組份鍵合于有機組份鍵合于固固體表面體表面 超臨界流體和超臨界流體和鍵合相間鍵合相間分配分配 2022-4-1088.2 色譜流出曲線（色譜圖）色譜流出曲線（色譜圖） 混合組分的分離過程及檢測器對各組份在不同階段的響應混合組分的分離過程及檢測器對各組份在不同階段的響應2022-4-109色譜圖術(shù)語：色譜圖術(shù)語： 色譜峰中的參數(shù)：色譜峰色譜峰中的參數(shù)：色譜峰的位置、寬度、高度和峰形以的位置、寬度、高度和峰形以基線、峰寬、半峰寬、峰高和基線、峰寬、半峰寬、峰高和保留時間等描述保留時間等描述1）基線（）基線（baseline）：）：在實驗在實驗條件下，色譜

11、柱后僅有純流動條件下，色譜柱后僅有純流動相進入檢測器時的流出曲線稱相進入檢測器時的流出曲線稱為基線，為基線，S/N大的、穩(wěn)定的基大的、穩(wěn)定的基線為水平直線。線為水平直線。2）峰高（）峰高（peak height）：）：色色譜峰頂點與基線的距離。譜峰頂點與基線的距離。u0tLu 死時間死時間柱長柱長3）保留值）保留值（Retention value, R） a. 死時間死時間（Dead time, t0） ：不與固定相作用的物質(zhì)從進樣到出現(xiàn)峰極大不與固定相作用的物質(zhì)從進樣到出現(xiàn)峰極大值時的時間，它與色譜柱的空隙體積成正比。由于該物質(zhì)不與固定相作用，因值時的時間，它與色譜柱的空隙體積成正比。由于該

12、物質(zhì)不與固定相作用，因此，其流速與流動相的流速相近。據(jù)此，其流速與流動相的流速相近。據(jù) t0 可求出流動相平均流速可求出流動相平均流速 :橫坐標為時間，縱坐標為信號2022-4-1010 b. 保留時間保留時間 tr：試樣從進樣到出現(xiàn)峰極大值時的時間。它包括組分隨流動相試樣從進樣到出現(xiàn)峰極大值時的時間。它包括組分隨流動相通過柱子的時間通過柱子的時間 t0 和組分在固定相中滯留的時間。和組分在固定相中滯留的時間。 c. 調(diào)整保留時間調(diào)整保留時間 ：某組分的保留時間扣除死時間后的保留時間，它是組分某組分的保留時間扣除死時間后的保留時間，它是組分在固定相中的滯留時間。即在固定相中的滯留時間。即 保留

13、時間為色譜定性依據(jù)，但同一組分的保留時間與流速有關(guān)，因此有時保留時間為色譜定性依據(jù)，但同一組分的保留時間與流速有關(guān)，因此有時需用保留體積來表示保留值。需用保留體積來表示保留值。 d. 死體積死體積 V0：色譜柱管內(nèi)固定相顆粒間空隙，相當于除固定相外，流動相所色譜柱管內(nèi)固定相顆粒間空隙，相當于除固定相外，流動相所占的體積。表達式：占的體積。表達式：其中，其中，F(xiàn)co為柱出口的載氣流速為柱出口的載氣流速（mL/min)，其值為：，其值為：F0-檢測器出口流速；檢測器出口流速；Tr-室溫；室溫；Tc-柱溫；柱溫；p0-大氣壓；大氣壓；pw-室溫時水蒸汽壓。室溫時水蒸汽壓。rt0rrttt co00F

14、tV 0w0rc0copppTTFF 2022-4-1011 e. 保留體積保留體積Vr：指從進樣到待測物在柱后出現(xiàn)濃度極大點時所通過的流動相指從進樣到待測物在柱后出現(xiàn)濃度極大點時所通過的流動相的體積。的體積。 f. 調(diào)整保留體積調(diào)整保留體積 ：某組份的保留體積扣除死體積后的體積。某組份的保留體積扣除死體積后的體積。 g. 相對保留值相對保留值r2,1：組份組份2的調(diào)整保留值與組份的調(diào)整保留值與組份1的調(diào)整保留值之比。的調(diào)整保留值之比。注意：注意：r2,1只與柱溫和固定相性質(zhì)有關(guān)，而與柱內(nèi)徑、柱長只與柱溫和固定相性質(zhì)有關(guān)，而與柱內(nèi)徑、柱長L、填充情況及流動、填充情況及流動相流速無關(guān)，因此，在色

15、譜分析中，尤其是相流速無關(guān)，因此，在色譜分析中，尤其是GC中廣泛用于定性的依據(jù)！中廣泛用于定性的依據(jù)！具體求法：固定一個色譜峰為標準（具體求法：固定一個色譜峰為標準（s），然后再求其它峰（，然后再求其它峰（i） 對標準峰的相對標準峰的相對保留值，此時以對保留值，此時以 表示：表示： 1, 又稱選擇因子又稱選擇因子(Selectivity factor)。cor0FtV rVcor0rrFtVVV 1r2r1r2r1 , 2VVttr )s(t)i (tsr 2022-4-1012 h. 區(qū)域?qū)挾龋簠^(qū)域?qū)挾龋河糜诤饬恐Ъ胺从成V操作條件下的動力學因素對用于衡量柱效及反映色譜操作條件下的動力學因

16、素對分離的影響。通常有三種表示方法：分離的影響。通常有三種表示方法： 標準偏差標準偏差 ：0.607倍峰寬處的一半。倍峰寬處的一半。 半峰寬半峰寬W1/2：峰高一半處的峰寬。：峰高一半處的峰寬。W1/2=2.354 峰底寬峰底寬W：色譜峰兩側(cè)拐點上切線與基線的交點間的距離：色譜峰兩側(cè)拐點上切線與基線的交點間的距離(W= 4 )色譜流出曲線的意義：色譜流出曲線的意義： 色譜峰數(shù)色譜峰數(shù) = 樣品中單組份的最少個數(shù)；樣品中單組份的最少個數(shù)； 色譜保留值色譜保留值定性依據(jù)；定性依據(jù)； 色譜峰高或面積色譜峰高或面積定量依據(jù)；定量依據(jù)； 色譜保留值或區(qū)域?qū)挾壬V保留值或區(qū)域?qū)挾壬V柱分離效能評價指標；色

17、譜柱分離效能評價指標； 色譜峰間距色譜峰間距固定相或流動相選擇是否合適的依據(jù)。固定相或流動相選擇是否合適的依據(jù)。2022-4-10138.3 色譜法基本原理色譜法基本原理兩組份峰間距足夠遠：由各組份在兩相間的分配系數(shù)決定，即由色譜過程的兩組份峰間距足夠遠：由各組份在兩相間的分配系數(shù)決定，即由色譜過程的 熱力學熱力學性質(zhì)決定。性質(zhì)決定。每個組份峰寬足夠?。河山M份在色譜柱中的傳質(zhì)和擴散決定，即由色譜過程每個組份峰寬足夠?。河山M份在色譜柱中的傳質(zhì)和擴散決定，即由色譜過程 動力學動力學性質(zhì)決定。性質(zhì)決定。 因此，研究、解釋色譜分離行為應從因此，研究、解釋色譜分離行為應從熱力學和動力學熱力學和動力學兩方

18、面進行。兩方面進行。一、描述分配過程的參數(shù)一、描述分配過程的參數(shù) 分配系數(shù)分配系數(shù)（Distribution constant, K）：）： 描述組份在固定相和流動相間的分配過程或吸附描述組份在固定相和流動相間的分配過程或吸附-脫附過程的參數(shù)，稱脫附過程的參數(shù)，稱為分配系數(shù)。為分配系數(shù)。1.K 只與固定相性質(zhì)和溫度有關(guān)，與兩相體積、柱管特性和所用儀器無關(guān)。只與固定相性質(zhì)和溫度有關(guān)，與兩相體積、柱管特性和所用儀器無關(guān)。msccK 溶質(zhì)在流動相中的濃度溶質(zhì)在流動相中的濃度溶質(zhì)在固定相中的濃度溶質(zhì)在固定相中的濃度2022-4-10142. 分配比分配比（Retention factor or cap

19、acity factor, k）：）： 在一定溫度和壓力下，組分在兩相間的分配達平衡時，分配在固定相和在一定溫度和壓力下，組分在兩相間的分配達平衡時，分配在固定相和流動相中的質(zhì)量比，稱為流動相中的質(zhì)量比，稱為分配比分配比。它反映了組分在柱中的遷移速率。又稱。它反映了組分在柱中的遷移速率。又稱保保留因子留因子。其中其中Vm V0，Vs 為固定相體積。為固定相體積。分配比分配比 k 的求算：的求算：1）組分滯留因子：）組分滯留因子：2）根據(jù)定義，）根據(jù)定義，3）因此，）因此，mmssmsVcVcmmk 組組分分在在流流動動相相中中的的質(zhì)質(zhì)量量組組分分在在固固定定相相中中的的質(zhì)質(zhì)量量k11mmmuu

20、Rsmmss 流動相線速度流動相線速度組分線速度組分線速度0rstLu，tLu 0r0r00r0rVVtttttk)k1(tt 或或2022-4-10153. K 與與 k 的關(guān)系：的關(guān)系： 稱為相比率稱為相比率，它也是反映色譜柱柱型特點的參數(shù)。對填充柱，它也是反映色譜柱柱型特點的參數(shù)。對填充柱， =635；對毛細管柱，；對毛細管柱， =60600。4. 選擇因子選擇因子 ：色譜柱對：色譜柱對A、B兩組分的選擇因子兩組分的選擇因子 定義如下：定義如下：其中其中，A為先流出的組分，為先流出的組分，B為后流出的組分。為后流出的組分。注意：注意：K 或或 k 反映的是某一組分在兩相間的分配；而反映的

21、是某一組分在兩相間的分配；而 是反映兩組分間的分是反映兩組分間的分離情況！當兩組分離情況！當兩組分 K 或或 k 相同時相同時 =1 ，兩組分不能分開；當兩組分，兩組分不能分開；當兩組分 K 或或 k 相差越大時，相差越大時， 越大，分離得越好。也就是說，兩組分在兩相間的分配系數(shù)越大，分離得越好。也就是說，兩組分在兩相間的分配系數(shù)不同，是色譜分離的先決條件。不同，是色譜分離的先決條件。 和和 k 是計算色譜柱分離效能的重要參數(shù)！是計算色譜柱分離效能的重要參數(shù)！ kVVkV/mV/mccKsmmmssmsABABrrKKkk)A(t)B(t 2022-4-1016二、峰間距、峰形狀和峰寬的理論描

22、述二、峰間距、峰形狀和峰寬的理論描述1. 塔板理論塔板理論（Plate theory) 1952年，年，Martin等人提出的塔板理論將一根色譜柱當作一個由許多等人提出的塔板理論將一根色譜柱當作一個由許多塔板組成的精餾塔，并用塔板概念來描述組分在柱中的分配行為。塔塔板組成的精餾塔，并用塔板概念來描述組分在柱中的分配行為。塔板是從精餾中借用的，是一種半經(jīng)驗理論，但它成功地解釋了色譜流板是從精餾中借用的，是一種半經(jīng)驗理論，但它成功地解釋了色譜流出曲線的形狀是呈正態(tài)分布的。出曲線的形狀是呈正態(tài)分布的。 塔板理論假定：塔板理論假定：1）塔板之間不連續(xù)；）塔板之間不連續(xù)；2）塔板之間無分子擴散；）塔板之

23、間無分子擴散；3）組分在各塔板內(nèi)兩相間的分配瞬間達至平）組分在各塔板內(nèi)兩相間的分配瞬間達至平衡，達一次平衡所需柱長為理論塔板高度衡，達一次平衡所需柱長為理論塔板高度H；4）某組分在所有塔板上的分配系數(shù)）某組分在所有塔板上的分配系數(shù)K相同；相同；5）流動相以不連續(xù)方式加入，即以一個個的）流動相以不連續(xù)方式加入，即以一個個的塔板體積加入。塔板體積加入。 2022-4-1017 色譜流出曲線的數(shù)學描述色譜流出曲線的數(shù)學描述22R2)tt(0e2cc 當色譜峰為非當色譜峰為非正態(tài)分布時，可按正態(tài)分布函數(shù)正態(tài)分布時，可按正態(tài)分布函數(shù)加指數(shù)衰減函數(shù)構(gòu)建關(guān)系式。加指數(shù)衰減函數(shù)構(gòu)建關(guān)系式。 當塔板數(shù)當塔板數(shù)n

24、較少時，組分在柱內(nèi)達分配平衡的次數(shù)較少，流出曲線較少時，組分在柱內(nèi)達分配平衡的次數(shù)較少，流出曲線呈峰形，但不對稱；當塔板數(shù)呈峰形，但不對稱；當塔板數(shù)n50時，峰形接近正態(tài)分布。時，峰形接近正態(tài)分布。色譜峰為色譜峰為正態(tài)分布時，色譜流出曲線上的濃度與時間的關(guān)系為：正態(tài)分布時，色譜流出曲線上的濃度與時間的關(guān)系為：理論踏板數(shù)理論踏板數(shù)n的物理意義的物理意義 說明組分在柱中反復分配平衡次數(shù)的多少，說明組分在柱中反復分配平衡次數(shù)的多少，n越大，越大，平衡次數(shù)越多，柱效越高，組分間熱力學性質(zhì)（表現(xiàn)在平衡次數(shù)越多，柱效越高，組分間熱力學性質(zhì)（表現(xiàn)在分配系數(shù)分配系數(shù)K）的差異表現(xiàn)得越充分，組分與固定相的相）的

25、差異表現(xiàn)得越充分，組分與固定相的相互作用力越明顯，分離得越好?；プ饔昧υ矫黠@，分離得越好。2022-4-1018 根據(jù)呈正態(tài)分布的色譜流出曲線可以導出計算塔板數(shù)根據(jù)呈正態(tài)分布的色譜流出曲線可以導出計算塔板數(shù)n的公式，用以評價一根柱的公式，用以評價一根柱子的柱效。由于色譜柱并無真正的塔板，故塔板數(shù)又稱子的柱效。由于色譜柱并無真正的塔板，故塔板數(shù)又稱理論塔板數(shù)理論塔板數(shù)：可見理論塔板數(shù)由組分保留值（可見理論塔板數(shù)由組分保留值（tr）和峰寬（）和峰寬（W）決定。）決定。 若柱長為若柱長為L，則每塊理論塔板高度，則每塊理論塔板高度H為為 由上述兩式知道，理論塔板數(shù)由上述兩式知道，理論塔板數(shù)n越多或理論

26、塔板高度越多或理論塔板高度H越小、色譜峰越窄，則柱越小、色譜峰越窄，則柱效越高。效越高。 但上述兩式包含死時間但上述兩式包含死時間t0，它與組分在柱內(nèi)的分配無關(guān)，因此不能真正反映色，它與組分在柱內(nèi)的分配無關(guān)，因此不能真正反映色譜柱的柱效。通常以譜柱的柱效。通常以有效塔板數(shù)有效塔板數(shù)neff 和和有效塔板高度有效塔板高度Heff 表示：表示：2r22/1r)Wt(16)Wt(54. 5n nLH effeff2r22/1reffnLH)Wt(16)Wt(54. 5n 2022-4-1019有關(guān)塔板理論的說明：有關(guān)塔板理論的說明：1）說明柱效時，必須注明該柱效是針對何種物質(zhì)、固定相種類及其含）說明

27、柱效時，必須注明該柱效是針對何種物質(zhì)、固定相種類及其含量、流動相種類及流速、操作條件等；量、流動相種類及流速、操作條件等；2）應定期對柱效進行評價，以防柱效下降，延長柱壽命；）應定期對柱效進行評價，以防柱效下降，延長柱壽命；3）塔板理論描述了組分在柱內(nèi)的分配平衡和分離過程、導出流出曲線）塔板理論描述了組分在柱內(nèi)的分配平衡和分離過程、導出流出曲線的數(shù)學模型、解釋了流出曲線形狀和位置、提出了計算和評價柱效的的數(shù)學模型、解釋了流出曲線形狀和位置、提出了計算和評價柱效的參數(shù)。參數(shù)。 但該理論是在理想情況下導出的，未考慮分子擴散以及其它動力學但該理論是在理想情況下導出的，未考慮分子擴散以及其它動力學因素

28、對柱內(nèi)傳質(zhì)的影響。因此它不能解釋：因素對柱內(nèi)傳質(zhì)的影響。因此它不能解釋：v 峰形為什么會擴張（變寬）？峰形為什么會擴張（變寬）？v 影響柱效的動力學因素是什么？影響柱效的動力學因素是什么？2022-4-10202. 速率理論速率理論（Rate theory） 1956年，荷蘭化學工程師年，荷蘭化學工程師van Deemter提出了色譜過程動力學速率提出了色譜過程動力學速率理論：吸收了塔板理論中的理論：吸收了塔板理論中的板高板高H 概念，考慮了組分在兩相間的擴散概念，考慮了組分在兩相間的擴散和傳質(zhì)過程，從而給出了和傳質(zhì)過程，從而給出了van Deemter方程：方程： u 為流動相線速度；為流動

29、相線速度； A，B，C為常數(shù)，其中為常數(shù)，其中 A渦流擴散系數(shù)；渦流擴散系數(shù)； B分子擴散系數(shù)；分子擴散系數(shù)； C傳質(zhì)阻力系數(shù)（包括液相和固相傳質(zhì)阻力系數(shù)）。傳質(zhì)阻力系數(shù)（包括液相和固相傳質(zhì)阻力系數(shù)）。 該式從動力學角度解釋了影響板高（柱效）的各種因素！任何減該式從動力學角度解釋了影響板高（柱效）的各種因素！任何減少方程右邊三項數(shù)值的方法，少方程右邊三項數(shù)值的方法，都可降低都可降低H，從而提高柱效。，從而提高柱效。CuuBAH 2022-4-10211）渦流擴散項）渦流擴散項（Eddy diffusion term, A） 在填充柱中，由于受到固定相顆粒的阻礙，組分在遷移過程中隨流在填充柱中，

30、由于受到固定相顆粒的阻礙，組分在遷移過程中隨流動相不斷改變方向，形成紊亂的動相不斷改變方向，形成紊亂的“渦流渦流”！其中其中dp填充物平均直徑；填充物平均直徑； 填充不規(guī)則因子。填充不規(guī)則因子。 可見，使用細粒的固定相并填充均勻可減小可見，使用細粒的固定相并填充均勻可減小A，提高柱效。對于空，提高柱效。對于空心毛細管柱，無渦流擴散，即心毛細管柱，無渦流擴散，即A=0。流流動動方方向向CuuBAH 從圖中可見，因填充物顆粒大小及填充從圖中可見，因填充物顆粒大小及填充的不均勻性的不均勻性同一組分運行路線長短不同同一組分運行路線長短不同流出時間不同流出時間不同峰形展寬。峰形展寬。展寬程度以展寬程度以

31、A表示：表示： A=2 dp 2022-4-1022 縱向分子擴散是由于濃度梯度引起的。當縱向分子擴散是由于濃度梯度引起的。當樣品被注入色譜柱時，它呈樣品被注入色譜柱時，它呈“塞子塞子”狀分布狀分布。隨著流動相的推進，。隨著流動相的推進，“塞子塞子”因濃度梯度因濃度梯度而向前后自發(fā)地擴散，使譜峰展寬。其大小而向前后自發(fā)地擴散，使譜峰展寬。其大小為為 B = 2 D)M/1D(g流動相流動相因為因為 提高柱效或降低提高柱效或降低H的措施的措施:a.均勻球狀顆粒；均勻球狀顆粒；b.大分子量流動相；大分子量流動相；c.適當增加流速；適當增加流速；d.短柱；短柱；e.低柱溫。低柱溫。CuuBAH討論：

32、討論：q 分子量大的組分，分子量大的組分，Dg小，即小，即B小小q Dg 隨柱溫升高而增加，隨柱壓降低而減??；隨柱溫升高而增加，隨柱壓降低而減?。籷 流動相分子量大，流動相分子量大，Dg 小，即小，即 B 小；?。籷 u 增加，組分停留時間短，縱向擴散??；增加，組分停留時間短，縱向擴散??；(B/u)q 對于液相色譜，因?qū)τ谝合嗌V，因Dm 較小，較小，B 項可忽略。項可忽略。 稱為彎曲因子稱為彎曲因子，它表示固定相幾何形狀對自由分子擴散的阻礙情況；，它表示固定相幾何形狀對自由分子擴散的阻礙情況；D組分在流動相中的擴散系數(shù)組分在流動相中的擴散系數(shù)。組份為氣體或液體時，分別以。組份為氣體或液體時，

33、分別以Dg或或Dm表示；表示；2）分子擴散項）分子擴散項（Molecular diffusion term, B/u）2022-4-10233）傳質(zhì)阻力項）傳質(zhì)阻力項（Mass-transfer term, Cu） 因傳質(zhì)阻力的存在，使分配不能因傳質(zhì)阻力的存在，使分配不能“瞬間瞬間”達至平衡，因此產(chǎn)生峰形展寬。達至平衡，因此產(chǎn)生峰形展寬。氣相色譜以氣體為流動相，液相色譜以液體為流動相，二者傳質(zhì)過程不完全相氣相色譜以氣體為流動相，液相色譜以液體為流動相，二者傳質(zhì)過程不完全相同。下面分別作討論。同。下面分別作討論。a）氣液色譜：傳質(zhì)阻力項）氣液色譜：傳質(zhì)阻力項C包括氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)包括氣相傳質(zhì)阻力

34、系數(shù)Cs和液相傳質(zhì)阻力系數(shù)和液相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cl。Dd)k1(k32Dd)k1(k01. 0CCCl2f2g2p22lg 流動相流動相固液界面固液界面固定固定液液組份分子組份分子ClCg討論：討論：F 減小減小填充顆粒直徑填充顆粒直徑 dp；F 采用分子量小的流動相，使采用分子量小的流動相，使 Dg 增加；增加；F 減小減小液膜厚度液膜厚度df，Cl下降。下降。但此時但此時 k 又減小。又減小。 因此，當保持固定液含量不變時，可通過因此，當保持固定液含量不變時，可通過 增加固定液載體的比表面來降低增加固定液載體的比表面來降低 df。但比。但比 表面過大又會因吸附過強使峰拖尾。表面過大又會因吸附

35、過強使峰拖尾。F 增加柱溫，可增加增加柱溫，可增加 Dl，但，但k值也減小，為保值也減小，為保 持合適持合適 Cl 值，應控制柱溫。值，應控制柱溫。CuuBAH2022-4-1024b）液液色譜：傳質(zhì)阻力項）液液色譜：傳質(zhì)阻力項C包括流動相傳質(zhì)阻力系數(shù)包括流動相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cm和固定相傳質(zhì)阻力和固定相傳質(zhì)阻力系數(shù)系數(shù)Cs。討論：討論：v 流動相傳質(zhì)阻力包括兩方面：流動的流動相中的傳質(zhì)阻力系數(shù)流動相傳質(zhì)阻力包括兩方面：流動的流動相中的傳質(zhì)阻力系數(shù)Cm、滯留、滯留的流動相傳質(zhì)阻力系數(shù)的流動相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cs 。分別與填充物大小。分別與填充物大小 dp、擴散系數(shù)、擴散系數(shù)（Dm）、微孔、微孔大小及其

36、數(shù)量等有關(guān)。大小及其數(shù)量等有關(guān)。 因此，降低流動相傳質(zhì)阻力的方法有：細顆粒固定相、增加組分在固定因此，降低流動相傳質(zhì)阻力的方法有：細顆粒固定相、增加組分在固定相和流動相中的擴散系數(shù)相和流動相中的擴散系數(shù)D、適當降低線速度、短柱。、適當降低線速度、短柱。v 固定相傳質(zhì)阻力與液膜厚度固定相傳質(zhì)阻力與液膜厚度df、保留因子、保留因子 k 和擴散系數(shù)和擴散系數(shù)Ds等有關(guān)。等有關(guān)。 因此，降低固定相傳質(zhì)阻力的方法有：與氣液色譜中液相傳質(zhì)阻力的表因此，降低固定相傳質(zhì)阻力的方法有：與氣液色譜中液相傳質(zhì)阻力的表述相同。述相同。s2fsm2psmmsmDdDd)(CCC sm2022-4-10254）流速）流速

37、u 由由van Deemter方程方程 H = A + B/u + Cu 知道：知道： 當當u一定時，僅在一定時，僅在A、B、C較小時，較小時，H較小，柱效較高；反之則柱效較低，較小，柱效較高；反之則柱效較低，色譜峰將展寬。色譜峰將展寬。 以以u對對H作圖，可得作圖，可得H-u曲線（如圖），從該曲線得到：曲線（如圖），從該曲線得到：C/B BC2A 渦流擴散項渦流擴散項A與流速與流速u無關(guān)；無關(guān)；低流速區(qū)低流速區(qū)(u小小)，B/u大，分子擴散項占主導，大，分子擴散項占主導， 此時選擇分子量大的氣體如此時選擇分子量大的氣體如N2和和Ar為載氣，可為載氣，可 減小擴散，提高柱效；減小擴散，提高柱效

38、； 高流速區(qū)高流速區(qū)(u大大)，Cu大，傳質(zhì)阻力項占主導，大，傳質(zhì)阻力項占主導， 此時選擇分子量小的氣體如此時選擇分子量小的氣體如H2和和He為載氣，為載氣， 可增加擴散系數(shù)，提高柱效；可增加擴散系數(shù)，提高柱效； 曲線的最低點對應最佳線速曲線的最低點對應最佳線速uopt( ) 下的下的 最小板高最小板高Hmin( )； LC的的Hmin和和uopt均比均比GC的小一個數(shù)量級，即在的小一個數(shù)量級，即在 LC中，較低流速可獲得較大的柱效。中，較低流速可獲得較大的柱效。板高，板高，H(cm)HminA+B/u+CuCmuCsuAB/u2022-4-10265）固定相顆粒大小對板高的影響）固定相顆粒大

39、小對板高的影響 實驗表明，顆粒越細，板高實驗表明，顆粒越細，板高H越小，受線速越小，受線速u影響越小。即，在影響越小。即，在HPLC分析中采用細粒作固定相的理論根據(jù)！分析中采用細粒作固定相的理論根據(jù)！ 但顆粒細導致柱流速慢，需采用高壓技術(shù)，才能實現(xiàn)但顆粒細導致柱流速慢，需采用高壓技術(shù)，才能實現(xiàn)HPLC的分析的分析要求。要求。2000mm1 . 0mm200HLn 2000mm1.0mm200HLn 板高板高, H(cm)2022-4-1027有關(guān)速率理論的說明：有關(guān)速率理論的說明： 由以上討論可知：由以上討論可知：(1) 組分分子在柱內(nèi)運行的多路徑、渦流擴散、濃度梯度所造成的分子組分分子在柱內(nèi)

40、運行的多路徑、渦流擴散、濃度梯度所造成的分子 擴散以及傳質(zhì)阻力使氣液兩相間分配不能擴散以及傳質(zhì)阻力使氣液兩相間分配不能瞬間瞬間達至平衡等等因素，達至平衡等等因素，是造成色譜峰擴展、柱效下降的主要原因；是造成色譜峰擴展、柱效下降的主要原因；(2) 通過選擇適當?shù)墓潭ㄏ嗔６?、載氣種類、液膜厚度及載氣流速可提通過選擇適當?shù)墓潭ㄏ嗔６?、載氣種類、液膜厚度及載氣流速可提高柱效高柱效-即色譜分離條件優(yōu)化過程；即色譜分離條件優(yōu)化過程；(3) 速率理論為色譜分離和操作條件選擇提供了理論指導。闡明了流速速率理論為色譜分離和操作條件選擇提供了理論指導。闡明了流速和柱溫對柱效及分離的影響；和柱溫對柱效及分離的影響；

41、(4) 各種因素相互制約，如載氣流速增大，分子擴散項的影響減小，使各種因素相互制約，如載氣流速增大，分子擴散項的影響減小，使柱效提高，但同時傳質(zhì)阻力項的影響增大，又使柱效下降；柱溫升柱效提高，但同時傳質(zhì)阻力項的影響增大，又使柱效下降；柱溫升高，有利于傳質(zhì)，但又加劇了分子擴散的影響，選擇最佳條件，才高，有利于傳質(zhì)，但又加劇了分子擴散的影響，選擇最佳條件，才能使柱效達到最高。能使柱效達到最高。2022-4-10288.4 分離度及色譜分離方程分離度及色譜分離方程一、分離度一、分離度（Resolution, R） 同時反映色譜柱同時反映色譜柱效能和選擇性效能和選擇性的一個綜合指標。也稱總分離效能指標

42、或分的一個綜合指標。也稱總分離效能指標或分辨率。其定義為：辨率。其定義為： tr-保留時間；保留時間；W峰寬峰寬 利用此式，可直接從利用此式，可直接從色譜流出曲線上求出分離度色譜流出曲線上求出分離度R。 R 越大，相鄰組分分離越好。當越大，相鄰組分分離越好。當R=1.5時，分離程度可達時，分離程度可達99.7%，因此，因此R=1.5 通常用作是否分開的判據(jù)。通常用作是否分開的判據(jù)。W)tt (WW)tt (2)WW(21ttR121212rr21rr21rr 前面分別介紹了影響色譜分離的基本原理以及影響柱效的各種因素，但是前面分別介紹了影響色譜分離的基本原理以及影響柱效的各種因素，但是如何從總

43、如何從總體上定量描述色譜分離效能體上定量描述色譜分離效能？如何將各種影響因素對分離的影響定量地表述出來呢如何將各種影響因素對分離的影響定量地表述出來呢？2022-4-1029R=1.5R=0.75R=1.0響應信號保留時間保留時間 t, min分離度分離度 R2022-4-1030)1(4nR)k1k)(1(4nReff 或或二、色譜分離方程二、色譜分離方程 R 的定義并未反映影響分離度的各種因素。也就是說，的定義并未反映影響分離度的各種因素。也就是說，R 未與影未與影響其大小的因素：響其大小的因素：柱效柱效n、選擇因子、選擇因子 和保留因子和保留因子 k 聯(lián)系起來。聯(lián)系起來。 對于相鄰的難分

44、離組分，由于它們的對于相鄰的難分離組分，由于它們的分配系數(shù)分配系數(shù) K 相差小，可合理相差小，可合理假設假設k1 k2=k，W1 W2=W。因此可導出。因此可導出R與與n(neff )、 和和 k 的關(guān)系：的關(guān)系：2022-4-1031k1k14nkk1114nk)k1(k)kk(4n)k1(t)kk(t4nt2)tt(24nR WW)tt(2R)k1(ttt14nW1)Wt16(n 222221220120rrr21rr0rrr21212 ：并并整整理理如如下下代代入入到到將將上上式式及及因因上式推導過程：上式推導過程：2022-4-1032有關(guān)色譜方程的討論：有關(guān)色譜方程的討論：1）分離度

45、）分離度R與柱效的關(guān)系與柱效的關(guān)系 分離度分離度R與理論塔板數(shù)與理論塔板數(shù) n 有關(guān)，即有關(guān)，即 R 受熱力學性質(zhì)的影響。受熱力學性質(zhì)的影響。 對具一定相對保留值對具一定相對保留值 的物質(zhì)，的物質(zhì)，R與有效塔板數(shù)與有效塔板數(shù)neff 有關(guān)，說明有關(guān)，說明neff 可正確代表可正確代表柱效能。柱效能。 由色譜方程可得：由色譜方程可得： 因此可通過增加柱長提高分離度。然而，分析時間也相應增加，且峰寬也展因此可通過增加柱長提高分離度。然而，分析時間也相應增加，且峰寬也展寬！為提高柱效，用減小塔板高度寬！為提高柱效，用減小塔板高度 H 的方法比增加柱長更有效。的方法比增加柱長更有效。2）分離度）分離度

46、R與選擇因子與選擇因子 的關(guān)系的關(guān)系 越大，柱選擇性越好，對分離有利。越大，柱選擇性越好，對分離有利。 的微小變化可引起的微小變化可引起 R 較大改變。如，較大改變。如，當當 從從1.01增加至增加至1.10（增加（增加9%）時，）時，R 則增加則增加 9 倍（但倍（但 1.5, R增加不大）增加不大） 。 改變改變 的方法有：降低柱溫、的方法有：降低柱溫、改變流動相及固定相的性質(zhì)和組成改變流動相及固定相的性質(zhì)和組成。 3）分離度）分離度R 分配比分配比 k 的關(guān)系的關(guān)系 k 增加，分離度增加，分離度R 增加，但當增加，但當k10，則，則R的增加不明顯。通常的增加不明顯。通常k在在210之間。

47、之間。 改變改變 k 的方法有：適當增加柱溫的方法有：適當增加柱溫（GC）、改變流動相性質(zhì)和組成改變流動相性質(zhì)和組成（LC）以及以及固定相含量。固定相含量。2121221LLnn)RR( )k1k)(1(4nR HLn 2022-4-1033氣相色譜分離中的問題氣相色譜分離中的問題 由于分析物組成復雜（沸點或由于分析物組成復雜（沸點或 k 相差較大），以某一組成的流動相可能使部相差較大），以某一組成的流動相可能使部分待測物得到好的分離，但同時也使其它待測物的分離不令人滿意！實際工作中分待測物得到好的分離，但同時也使其它待測物的分離不令人滿意！實際工作中采用程序升溫采用程序升溫（GC）和梯度淋洗

48、和梯度淋洗（LC）來解決這個問題。來解決這個問題。程序升溫程序升溫低溫恒溫低溫恒溫高溫恒溫高溫恒溫GC圖圖2022-4-103470%CH3OH+30H2O60%CH3OH+40H2O50%CH3OH+50H2O40%CH3OH+60H2O溶劑溶劑( (流動相流動相) )組成對色譜分離的影響組成對色譜分離的影響( (梯度淋洗梯度淋洗) )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；改變組成使 k 最佳LC圖圖2022-4-1035三、分析

49、時間三、分析時間 t 分析時間通常指最后一個組分出峰的時間。分析時間通常指最后一個組分出峰的時間。由以下三式：由以下三式：得到得到 可見，分析時間與可見，分析時間與R， ，k、H/u等參數(shù)有關(guān)。等參數(shù)有關(guān)。R增加增加1倍，分析時間則是倍，分析時間則是原來的原來的 4 倍。倍。 實際工作中，即要能獲得有效的分離，又要在較短時間內(nèi)完成分析。實際工作中，即要能獲得有效的分離，又要在較短時間內(nèi)完成分析。)3.().k1k)(1(4nR)2.(.HLn)1.().k1(uL)k1(tt0r 2322rk)k1()1(uHR16t 2022-4-1036參數(shù)參數(shù) 符號符號 測定或計算測定或計算 死時間死時

50、間(遷移時間遷移時間)，不參，不參與分配組分與分配組分 0t 色色譜譜圖圖 保留時間，組分保留時間，組分 1 和和 2 21rrt，t 色色譜譜圖圖 調(diào)整保留時間，組分調(diào)整保留時間，組分 1 r1t 0rrttt11 峰寬，組分峰寬，組分 1 和和 2 W1，W2 色色譜譜圖圖 柱長柱長 L 直接直接測測量量 流速流速 Fco 直接直接測測量量 流流(固固)定相體積定相體積 Vm，Vs 填填充充制制備備記錄記錄 流流(固固)定相濃度定相濃度 cm，cs 分析分析和和制制備備記錄記錄 概念、表示方法及計算公式匯總概念、表示方法及計算公式匯總表表-12022-4-1037參數(shù)參數(shù) 符號符號 測定或計算測定或計算 線速線速 0t /Lu 流動相體積流動相體積 co0mFtV 保留因子保