第二節(jié)-色譜理論基礎(chǔ)3課件

一、氣相色譜流出曲線1.基線

無試樣通過檢測器時(shí)，檢測到的信號即為基線

2.保留值

（1）時(shí)間表示的保留值死時(shí)間（tM）：不與固定相作用的惰性物質(zhì)的保留時(shí)間。保留時(shí)間（tR）：組分從進(jìn)樣到柱后出現(xiàn)濃度極大值時(shí)所需的時(shí)間。

調(diào)整保留時(shí)間（tR＇

)：tR＇=

tR－tM

2023/7/31(2)用體積表示的保留值死體積（VM）：VM=

tM×F0保留體積（VR）：VR=tR×F0(F0為色譜柱出口處的載氣流量，單位：mL/min)

調(diào)整保留體積（VR＇）：V

R＇=VR－VM

2023/7/313.相對保留值r21組分2與組分1調(diào)整保留值之比：

r21=t’R2

/t’R1=V’R2/V’

R1相對保留值只與柱溫和固定相性質(zhì)有關(guān)，與其他色譜操作條件無關(guān)，它表示了固定相對這兩種組分的選擇性。2023/7/31

4.區(qū)域?qū)挾扔脕砗饬可V峰寬度的參數(shù)，有三種表示方法：（1）標(biāo)準(zhǔn)偏差()：

即0.607倍峰高處色譜峰寬度的一半。（2）半峰寬(Y1/2)：

色譜峰高一半處的寬度Y1/2=2.354（3）峰底寬(Wb)：

Wb

=42023/7/31二、容量因子與分配系數(shù)

分配系數(shù)K：組分在兩相間的濃度比；容量因子k：平衡時(shí)，組分在各相中的質(zhì)量比；

k=MS/MmMS為組分在固定相中的質(zhì)量，Mm為組分在流動相中的質(zhì)量。容量因子k與分配系數(shù)K的關(guān)系為：式中β為相比。填充柱相比：6～35；毛細(xì)管柱的相比：50～1500容量因子越大，保留時(shí)間越長。可由保留時(shí)間計(jì)算出容量因子，兩者有以下關(guān)系：2023/7/31塔板理論基本假設(shè)：將色譜柱視為精餾塔1）塔板之間不連續(xù)；2）塔板之間無分子擴(kuò)散；3）組分在各塔板內(nèi)兩相間的分配瞬間達(dá)至平衡，達(dá)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)相同；5）流動相以不連續(xù)方式加入，即以一個(gè)一個(gè)的塔板體積加入。三、塔板理論-柱分離效能指標(biāo)2023/7/312023/7/312023/7/31色譜柱長：L，虛擬的塔板間距離：H，色譜柱的理論塔板數(shù)：n，則三者的關(guān)系為：

n=L/H理論塔板數(shù)與色譜參數(shù)之間的關(guān)系為：2023/7/31有效塔板數(shù)和有效塔板高度單位柱長的塔板數(shù)越多，表明柱效越高。用不同物質(zhì)計(jì)算可得到不同的理論塔板數(shù)。組分在tM時(shí)間內(nèi)不參與柱內(nèi)分配。需引入有效塔板數(shù)和有效塔板高度：2023/7/31塔板理論的特點(diǎn)和不足：

(1)當(dāng)色譜柱長度一定時(shí)，塔板數(shù)n

越大(塔板高度H越小)，被測組分在柱內(nèi)被分配的次數(shù)越多，柱效能則越高，所得色譜峰越窄。

(2)不同物質(zhì)在同一色譜柱上的分配系數(shù)不同，用有效塔板數(shù)和有效塔板高度作為衡量柱效能的指標(biāo)時(shí)，應(yīng)指明測定物質(zhì)。

(3)柱效不能表示被分離組分的實(shí)際分離效果，當(dāng)兩組分的分配系數(shù)K相同時(shí)，無論該色譜柱的塔板數(shù)多大，都無法分離。

(4)(不足)該理論是在理想情況下導(dǎo)出的，未考慮分子擴(kuò)散因素、其它動力學(xué)因素對柱內(nèi)傳質(zhì)的影響。因此它不能解釋：

a.峰形為什么會擴(kuò)張？

b.影響柱效的動力學(xué)因素是什么？2023/7/31四、速率理論-影響柱效的因素

速率方程（也稱范·弟姆特方程式）:

H=A+B/u+C·u

H：理論塔板高度，u：載氣的線速度(cm/s)

減小A、B、C三項(xiàng)可提高柱效；存在著最佳流速；

A、B、C三項(xiàng)各與哪些因素有關(guān)？2023/7/311.渦流擴(kuò)散項(xiàng)－A

A=2λdp

dp：固定相的平均顆粒直徑λ：固定相的填充不均勻因子

固定相顆粒越小dp↓，填充得越均勻，A↓，H↓，柱效n↑。表現(xiàn)在渦流擴(kuò)散所引起的色譜峰變寬現(xiàn)象減輕，色譜峰較窄。2023/7/312.

分子擴(kuò)散項(xiàng)—BB=2νDgν

：彎曲因子，填充柱色譜，ν<1。Dg：試樣組分分子在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)（cm2·s-1）。由于柱中存在著濃度差，產(chǎn)生縱向擴(kuò)散：a.擴(kuò)散導(dǎo)致色譜峰變寬，H↑(n↓)，分離變差。b.分子擴(kuò)散項(xiàng)與流速有關(guān)，流速↓，滯留時(shí)間↑，擴(kuò)散↑c(diǎn).擴(kuò)散系數(shù)：Dg∝（M載氣）-1/2；M載氣↑，B值↓2023/7/313.傳質(zhì)阻力項(xiàng)—C

組分在氣相和液相兩相間進(jìn)行反復(fù)分配時(shí)，遇到阻力。傳質(zhì)阻力包括氣相傳質(zhì)阻力Cg和液相傳質(zhì)阻力CL，液相傳質(zhì)阻力大于氣相傳質(zhì)阻力。即：C=（Cg+CL）2023/7/314.載氣流速與柱效-最佳流速

載氣流速高時(shí)：

傳質(zhì)阻力項(xiàng)是影響柱效的主要因素，流速，柱效,右圖曲線的右邊。

載氣流速低時(shí)：

H-u曲線與最佳流速：

由于流速對這兩項(xiàng)完全相反的作用，流速對柱效的總影響使得存在著一個(gè)最佳流速值，即速率方程式中塔板高度對流速的一階導(dǎo)數(shù)有一極小值。

以塔板高度H對應(yīng)載氣流速u作圖，曲線最低點(diǎn)的流速即為最佳流速。

分子擴(kuò)散項(xiàng)成為影響柱效的主要因素，流速，柱效

，右圖曲線的坐邊。2023/7/315.速率理論的要點(diǎn)(1)組分分子在柱內(nèi)運(yùn)行的多路徑與渦流擴(kuò)散、濃度梯度所造成的分子擴(kuò)散及傳質(zhì)阻力使氣液兩相間的分配平衡不能瞬間達(dá)到等因素是造成色譜峰擴(kuò)展柱效下降的主要原因。(2)通過選擇適當(dāng)?shù)墓潭ㄏ嗔６?、載氣種類、液膜厚度及載氣流速可提高柱效。(3)速率理論為色譜分離和操作條件選擇提供了理論指導(dǎo)。闡明了流速和柱溫對柱效及分離的影響(選擇柱溫的根據(jù)是混合物的沸點(diǎn)范圍，固定液的配比和檢測器的靈敏度。提高柱溫可縮短分析時(shí)間；降低柱溫可使色譜柱選擇性增大，有利于組分的分離和色譜柱穩(wěn)定性提高，柱壽命延長。一般采用等于或高于數(shù)十度于樣品的平均沸點(diǎn)的柱溫為較合適，對易揮發(fā)樣用低柱溫，不易揮發(fā)的樣品采用高柱溫)。(4)各種因素相互制約，如載氣流速增大，分子擴(kuò)散項(xiàng)的影響減小，使柱效提高，但同時(shí)傳質(zhì)阻力項(xiàng)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(kuò)散的影響，選擇最佳條件，才能使柱效達(dá)到最高。2023/7/31五、分離度

塔板理論和速率理論都難以描述難分離物質(zhì)對的實(shí)際分離程度。即柱效為多大時(shí)，相鄰兩組份能夠被完全分離。難分離物質(zhì)對的分離度大小受色譜過程中兩種因素的綜合影響：保留值之差──色譜過程的熱力學(xué)因素(組分與固定液的結(jié)構(gòu)和性質(zhì))；區(qū)域?qū)挾醛ぉどV過程的動力學(xué)因素(兩項(xiàng)中的運(yùn)動阻力和擴(kuò)散)。

色譜分離中的四種情況如圖所示：①柱效較高，△K(分配系數(shù))較大,完全分離；②△K不是很大，柱效較高，峰較窄，基本上完全分離；③柱效較低，△K較大,但分離的不好；④△K小，柱效低，分離效果更差。2023/7/31分離度的表達(dá)式：R=0.8：兩峰的分離程度可達(dá)89%；R=1.0：分離程度98%；R=1.5：達(dá)99.7%（相鄰兩峰完全分離的標(biāo)準(zhǔn)）。2023/7/31令Wb(2)=Wb(1)=Wb（相鄰兩峰的峰底寬近似相等），引入相對保留值和塔板數(shù)，可導(dǎo)出下式：2023/7/31分離度與柱效的關(guān)系

雖說用較長的柱可以提高分離度，但延長了分析時(shí)間。因此提高分離度的好方法是制備出一根性能優(yōu)良的柱子，通過降低板高，以提高分離度。2023/7/31分離度與相對保留值r21的關(guān)系

由基本色譜方程式判斷，當(dāng)r21=1時(shí)，R=0，這時(shí)，無論怎樣提高柱效也無法使兩組分分離。顯然，r21大，選擇性好。研究證明，r21的微小變化，就能引起分離度的顯著變化。措施：一般通過改變固定相和流動相的性質(zhì)和組成或降低柱溫，可有效增大r21值。2023/7/31例1：在一定條件下，兩個(gè)組分的調(diào)整保留時(shí)間分別為85秒和100秒，要達(dá)到完全分離，即R=1.5。計(jì)算需要多少塊有效塔板。若填充柱的塔板高度為0.1cm，柱長是多少？解：分離度應(yīng)用示例2023/7/31例1：在一定條件下，兩個(gè)組分的調(diào)整保留時(shí)間分別為85秒和100秒，要達(dá)到完全分離，即R=1.5。計(jì)算需要多少塊有效塔板。若填充柱的塔板高度為0.1cm，柱長是多少？解：γ2,1

=100/85=1.18

n有效=16R2[γ2,1/(γ2,1

—1)]2=16×1.52×(1.18/0.18)2

=1548（塊）

L有效=n有效·H有效=1548×0.1=155cm

即柱長為1.55米時(shí)，兩組分可以得到完全分離。2023/7/31[例2]已知一色譜柱在某溫度下的速率方程的A=0.08cm;B=0.65cm2/s;C=0.003s,求最佳線速度u和最小塔板高H.2023/7/31[例2]已知一色譜柱在某溫度下的速率方程的A=0.08cm;B=0.65cm2/s;C=0.003s,求最佳線速度u和最小塔板高H.

解:欲求u最佳和H最小,要對速率方程微分,即

dH/du＝d(A+B/u+Cu)/du

＝-B/u2+C＝0

而,最佳線速:u最佳＝(B/C)1/2

最小板高:H最?。紸+2(BC)1/2

可得u最佳＝(0.65/0.003)1/2＝14.7cm/sH最?。?.08+2(0.65×0.003)1/2＝0.17cm2023/7/31[例3]已知物質(zhì)A和B在一個(gè)30.0cm柱上的保留時(shí)間分別為16.40和17.63min.不被保留組分通過該柱的時(shí)間為1.30min.峰寬為1.11和1.21min,計(jì)算:

(1)柱的分離度;

(2)柱的平均有效塔板數(shù)目;

(3)平均有效塔板高度;

2023/7/31

解:

(1)R=2(17.63-16.40)/(1.11+1.21)=1.06(2)nA=16[(16.40-1.30)/1.11]2=2961

nB=16[(17.63-1.30)/1.21]2=2915

nav=(2961+2914)/2=2938(3)H=L/n=30.0/2938=1.02×10-2cm

[例3]已知物質(zhì)A和B在一個(gè)30.0cm柱上的保留時(shí)間分別為16.40和17.63min.不被保留組分通過該柱的時(shí)間為1.30min.峰寬為1.11和1.21min,計(jì)算:

(1)柱的分離度;

(2)柱的平均有效塔板數(shù)目;

(3)平均有效高度;2023/7/31例2：在根長為1米的填充柱上，空氣的保留時(shí)間為5s，苯和環(huán)己烷的保留時(shí)間分別為45s和49s，環(huán)己烷色譜峰峰底寬為5s。欲得到R＝1.2的分離度，有效塔板數(shù)應(yīng)為多少？需要的柱長應(yīng)為多少？解：2023/7/31精品課件！2023/7/31精品課件！202