第15章 色譜分析方法導(dǎo)論

1、第第15章章 色譜分析方法導(dǎo)論色譜分析方法導(dǎo)論8.1 概述概述歷史、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8.1 概述概述 化學(xué)分析方法的基本要求是其選擇性要高。即，在分析過程中，待化學(xué)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(cè)物與潛在的干擾物的分離是最為重要的步驟！測(cè)物與潛在的干擾物的分離是最為重要的步驟！20 世紀(jì)中期，大量采用一些經(jīng)典的分離方法：沉淀、蒸餾和萃

2、取世紀(jì)中期，大量采用一些經(jīng)典的分離方法：沉淀、蒸餾和萃取 現(xiàn)代分析中，大量采用色譜和電泳分離方法。迄今為止，色譜方法現(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(yīng)用涉及每個(gè)科學(xué)領(lǐng)域。是最為有效的分離手段！其應(yīng)用涉及每個(gè)科學(xué)領(lǐng)域。歷史：歷史：1903年，俄國(guó)植物學(xué)家年，俄國(guó)植物學(xué)家Mikhail Tswett 最先發(fā)明。他采用填充有固最先發(fā)明。他采用填充有固體體CaCO3細(xì)粒子的玻璃柱，將植物色素的混合物細(xì)粒子的玻璃柱，將植物色素的混合物(葉綠素和葉黃素葉綠素和葉黃素 chlorophylls & xanthophylls)加于柱頂端，然后以溶劑淋洗

3、，被分加于柱頂端，然后以溶劑淋洗，被分 離的組份在柱中顯示了不同的色帶，他稱之為色譜離的組份在柱中顯示了不同的色帶，他稱之為色譜 (希臘語中希臘語中 “chroma”=color; “graphein”=write) 。 50年代，色譜發(fā)展最快（一些新型色譜技術(shù)的發(fā)展；復(fù)雜組分分年代，色譜發(fā)展最快（一些新型色譜技術(shù)的發(fā)展；復(fù)雜組分分析發(fā)展的要求。析發(fā)展的要求。 1937-1972年，年，15年中有年中有12個(gè)個(gè)Nobel獎(jiǎng)是有關(guān)色譜研究的！獎(jiǎng)是有關(guān)色譜研究的！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(dòng)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(dòng)相互不相溶的固定

4、相表面。樣品中各組份在兩相中進(jìn)行不同程度的作用。與固定相作用強(qiáng)的組份隨流動(dòng)相流出的速度慢，反之，與固定相作用弱的組份隨流動(dòng)相流出的速度快。由于流出的速度的差異，使得混合組份最終形成各個(gè)單組份的“帶(band)”或“區(qū)(zone)”，對(duì)依次流出的各個(gè)單組份物質(zhì)可分別進(jìn)行定性、定量分析。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（薄層色譜和紙色譜。2. 按組份在固定相上的分離機(jī)理分：按組份在固定相上的分離機(jī)理分： 吸附色譜：不同組份在固定相的吸附作用不同； 分配色譜：不同組份在固定相上的溶解能力不同； 離子交換色譜：不同組份在固定相（離子

5、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。3. 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 吸附吸附 氣氣 相相 色色 譜譜 氣相鍵合色譜氣相鍵合色譜 有機(jī)組份鍵合于有機(jī)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

6、合色譜 有機(jī)組份鍵合于有機(jī)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 分配分配/篩析篩析 超臨界超臨界流體流體 有機(jī)組份鍵合于有機(jī)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 8.2 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(cè)器對(duì)各組份在不同階段的響應(yīng)混合組分的分離過程及檢測(cè)器對(duì)各組份在不同階段的響應(yīng)色譜術(shù)語：色譜術(shù)語：1）基

7、線：）基線：在實(shí)驗(yàn)條件下，色譜柱后僅有純流動(dòng)相進(jìn)入檢測(cè)器時(shí)的流出曲線稱為基線，S/N大的、穩(wěn)定的基線為水平直線。2）峰高：）峰高：色譜峰頂點(diǎn)與基線的距離。u0tLu 死時(shí)間死時(shí)間柱長(zhǎng)柱長(zhǎng)3）保留值）保留值(Retention value, R) a. 死時(shí)間死時(shí)間(Dead time, t0) ：不與固定相作用的物質(zhì)從進(jìn)樣到出現(xiàn)峰極大值時(shí)的時(shí)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，因此，其流速與流動(dòng)相的流速相近。據(jù) t0 可求出流動(dòng)相平均流速 b. 保留時(shí)間保留時(shí)間tr：試樣從進(jìn)樣到出現(xiàn)峰極大值時(shí)的時(shí)間。它包括組份隨流動(dòng)相：試樣從進(jìn)樣到出現(xiàn)峰極大值時(shí)的時(shí)間。它包括組份隨流動(dòng)相

8、通過柱子的時(shí)間通過柱子的時(shí)間t0和組份在固定相中滯留的時(shí)間。和組份在固定相中滯留的時(shí)間。 c. 調(diào)整保留時(shí)間調(diào)整保留時(shí)間 ：某組份的保留時(shí)間扣除死時(shí)間后的保留時(shí)間，它是組：某組份的保留時(shí)間扣除死時(shí)間后的保留時(shí)間，它是組份在固定相中的滯留時(shí)間。即份在固定相中的滯留時(shí)間。即 由于時(shí)間為色譜定性依據(jù)。但同一組份的保留時(shí)間與流速有關(guān)，因此有時(shí)由于時(shí)間為色譜定性依據(jù)。但同一組份的保留時(shí)間與流速有關(guān)，因此有時(shí)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、色譜儀管路和連接頭間空隙：色譜柱管內(nèi)固定相顆粒間空隙、色譜儀管路和連接頭間空隙和檢測(cè)器間隙的總

9、和。勿略后兩項(xiàng)可得到：和檢測(cè)器間隙的總和。勿略后兩項(xiàng)可得到：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(cè)器出口流速；檢測(cè)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(shí)水蒸汽壓。室溫時(shí)水蒸汽壓。rt0rrttt co00FtV 0w0rc0copppTTFF e. 保留體積保留體積Vr：指從進(jìn)樣到待測(cè)物在柱后出現(xiàn)濃度極大點(diǎn)時(shí)所通過的流動(dòng)相：指從進(jìn)樣到待測(cè)物在柱后出現(xiàn)濃度極大點(diǎn)時(shí)所通過的流動(dòng)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

10、后的體積。 g. 相對(duì)保留值相對(duì)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(zhǎng)只與柱溫和固定相性質(zhì)有關(guān)，而與柱內(nèi)徑、柱長(zhǎng)L、填充情況及流動(dòng)、填充情況及流動(dòng)相流速無關(guān)，因此，在色譜分析中，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)！具體做法：固定一個(gè)色譜峰為標(biāo)準(zhǔn)具體做法：固定一個(gè)色譜峰為標(biāo)準(zhǔn)s，然后再求其它峰，然后再求其它峰 i 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)峰的相對(duì)保留值對(duì)標(biāo)準(zhǔn)峰的相對(duì)保留值，此時(shí)以，此時(shí)以 表示：表示： 1, 又稱選擇因子又稱選擇因子(

11、Selectivity factor)。cor0FtV rVcor0rrFtVVV 1r2r1r2r1 , 2VVttr )s(t)i (tsr h. 區(qū)域?qū)挾龋河糜诤饬恐Ъ胺从成V操作條件下的動(dòng)力學(xué)因素。通常有區(qū)域?qū)挾龋河糜诤饬恐Ъ胺从成V操作條件下的動(dòng)力學(xué)因素。通常有三種表示方法：三種表示方法：標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)上切線與基線的交點(diǎn)間的距離。：色譜峰兩側(cè)拐點(diǎn)上切線與基線的交點(diǎn)間的距離。W= 4 色譜流出曲線的意義：色譜流出曲線的意義：

12、 色譜峰數(shù)色譜峰數(shù)=樣品中單組份的最少個(gè)數(shù)；樣品中單組份的最少個(gè)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(píng)價(jià)指標(biāo)；色譜柱分離效能評(píng)價(jià)指標(biāo)； 色譜峰間距色譜峰間距固定相或流動(dòng)相選擇是否合適的依據(jù)。固定相或流動(dòng)相選擇是否合適的依據(jù)。8.3 色譜法基本原理色譜法基本原理兩組份峰間距足夠遠(yuǎn)：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(yuǎn)：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(xué)熱力學(xué)性質(zhì)決定。性質(zhì)決定。每個(gè)組份峰寬足夠?。河山M份在色譜柱中的傳質(zhì)和擴(kuò)散決定，即由

13、色譜過程每個(gè)組份峰寬足夠?。河山M份在色譜柱中的傳質(zhì)和擴(kuò)散決定，即由色譜過程 動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)決定。性質(zhì)決定。 因此，研究、解釋色譜分離行為應(yīng)從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩方面進(jìn)行。因此，研究、解釋色譜分離行為應(yīng)從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩方面進(jìn)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(dòng)相間的分配過程或吸附描述組份在固定相和流動(dòng)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)。只與固定相和溫度有關(guān)，與兩相體積、柱管特性和

14、所用儀器無關(guān)。msccK 溶質(zhì)在流動(dòng)相中的濃度溶質(zhì)在流動(dòng)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2. 分配比分配比(Retention factor or capacity factor, k)： 在一定溫度和壓力下，組份在兩相間的分配達(dá)平衡時(shí)，分配在固定相和在一定溫度和壓力下，組份在兩相間的分配達(dá)平衡時(shí)，分配在固定相和流動(dòng)相中的質(zhì)量比，稱為分配比。它反映了組分在柱中的遷移速率。又稱保流動(dòng)相中的質(zhì)量比，稱為分配比。它反映了組分在柱中的遷移速率。又稱保留因子。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：

15、2）又，）又，3）因此，）因此，mmssmsVcVcmmk 組組分分在在流流動(dòng)動(dòng)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k11mmmuuRsmmss 流動(dòng)相線速度流動(dòng)相線速度組分線速度組分線速度0rstLu，tLu 0r0r00r0rVVtttttk)k1(tt 或或3. K 與與 k 的關(guān)系：的關(guān)系： 稱為相比率，它也是反映色譜柱柱型特點(diǎn)的參數(shù)。對(duì)填充柱，稱為相比率，它也是反映色譜柱柱型特點(diǎn)的參數(shù)。對(duì)填充柱， =635；對(duì)毛細(xì)管柱，；對(duì)毛細(xì)管柱， =60600。4. 選擇因子選擇因子 ：色譜柱對(duì)：色譜柱對(duì)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：A為先流

16、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(dāng)兩組分離情況！當(dāng)兩組分 K 或或 k 相同時(shí)，相同時(shí)， =1 時(shí)，兩組分不能分開；當(dāng)兩組分時(shí)，兩組分不能分開；當(dāng)兩組分 K 或或 k 相差越大時(shí)，相差越大時(shí)， 越大，分離得越好。也就是說，兩組分在兩相間的分配越大，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。系數(shù)不同，是色譜分離的先決條件。 和和 k 是計(jì)算色譜柱分離效能的重要參數(shù)！是計(jì)算色譜柱分離效能的重要參數(shù)！

17、kVVkV/mV/mccKsmmmssmsABABrrKKkk)A(t)B(t 二、峰間距、峰形狀和峰寬的理論描述二、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(dāng)作一個(gè)由許多塔板組等人提出的塔板理論將一根色譜柱當(dāng)作一個(gè)由許多塔板組成的精餾塔，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成的精餾塔，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(yàn)理論，但它成功地解釋了色譜流出曲線呈正態(tài)分布。的，是一種半經(jīng)驗(yàn)理論，但它成功地解釋了色譜流出曲線呈正態(tài)分布。 塔板理論假

18、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(kuò)散；）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(zhǎng)為理論）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(zhǎng)為理論 塔板高度塔板高度H；4）某組分在所有塔板上的分配系數(shù)相同；）某組分在所有塔板上的分配系數(shù)相同；5）流動(dòng)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。）流動(dòng)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。 當(dāng)塔板數(shù)當(dāng)塔板數(shù)n較少時(shí)，組分在柱內(nèi)達(dá)分配平衡的次數(shù)較少，流出曲線呈峰形，較少時(shí)，組分在柱內(nèi)達(dá)分配平衡的次數(shù)較少，流出曲線呈峰形，但不對(duì)稱；當(dāng)塔板數(shù)但不對(duì)稱

19、；當(dāng)塔板數(shù)n50時(shí)，峰形接近正態(tài)分布。時(shí)，峰形接近正態(tài)分布。 根據(jù)呈正態(tài)分布的色譜流出曲線可以導(dǎo)出計(jì)算塔板數(shù)根據(jù)呈正態(tài)分布的色譜流出曲線可以導(dǎo)出計(jì)算塔板數(shù)n的公式，用以評(píng)價(jià)一根柱的公式，用以評(píng)價(jià)一根柱子的柱效。由于色譜柱并無真正的塔板，故塔板數(shù)又稱理論塔板數(shù)：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)：可見理論塔板數(shù)由組分保留值和峰寬決定。可見理論塔板數(shù)由組分保留值和峰寬決定。 若柱長(zhǎng)為若柱長(zhǎng)為L(zhǎng)，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、理論塔板高度越多、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

20、效越高。效越高。 但上述兩式包含死時(shí)間但上述兩式包含死時(shí)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。通常以有效塔板數(shù)譜柱的柱效。通常以有效塔板數(shù)neff 和有效塔板高度和有效塔板高度Heff 表示：表示：2r22/1r)Wt(16)Wt(54. 5n nLH effeff2r22/1reffnLH)Wt(16)Wt(54. 5n 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(shí)，必須注明該柱效是針對(duì)何種物質(zhì)、固定液種類及其含）說明柱效時(shí)，必須注明該柱效是針對(duì)何種物質(zhì)、固定液種類及其含量、流動(dòng)相種類及流速、操作條件等；量、流

21、動(dòng)相種類及流速、操作條件等；2）應(yīng)定期對(duì)柱效進(jìn)行評(píng)價(jià)，以防柱效下降、延長(zhǎng)柱壽命。）應(yīng)定期對(duì)柱效進(jìn)行評(píng)價(jià)，以防柱效下降、延長(zhǎng)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(dǎo)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(dǎo)出流出曲線的數(shù)學(xué)模型、解釋了流出曲線形狀和位置、提出了計(jì)算和評(píng)價(jià)柱效的的數(shù)學(xué)模型、解釋了流出曲線形狀和位置、提出了計(jì)算和評(píng)價(jià)柱效的參數(shù)。參數(shù)。 但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(dòng)力但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(dòng)力學(xué)因素對(duì)柱內(nèi)傳質(zhì)的影響。因此它不能解釋：學(xué)因素對(duì)柱內(nèi)傳質(zhì)的影響。因此它不能解釋：v 峰形為什么會(huì)擴(kuò)

22、張？峰形為什么會(huì)擴(kuò)張？v 影響柱效的動(dòng)力學(xué)因素是什么？影響柱效的動(dòng)力學(xué)因素是什么？2. 速率理論速率理論（Rate theory） 1956年，荷蘭化學(xué)工程師年，荷蘭化學(xué)工程師van Deemter提出了色譜過程動(dòng)力學(xué)速率理提出了色譜過程動(dòng)力學(xué)速率理論：吸收了塔板理論中的板高論：吸收了塔板理論中的板高H概念，考慮了組分在兩相間的擴(kuò)散和傳概念，考慮了組分在兩相間的擴(kuò)散和傳質(zhì)過程，從而給出了質(zhì)過程，從而給出了van Deemter方程：方程： u 為流動(dòng)相線速度；為流動(dòng)相線速度； A，B，C為常數(shù)，其中為常數(shù)，其中 A分別表示渦流擴(kuò)散系數(shù)；分別表示渦流擴(kuò)散系數(shù)； B分子擴(kuò)散系數(shù)；分子擴(kuò)散系數(shù)； C

23、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(dòng)力學(xué)角度很好地解釋了影響板高（柱效）的各種因素！任該式從動(dòng)力學(xué)角度很好地解釋了影響板高（柱效）的各種因素！任何減少方程右邊三項(xiàng)數(shù)值的方法，都可降低何減少方程右邊三項(xiàng)數(shù)值的方法，都可降低H，從而提高柱效。，從而提高柱效。CuuBAH 1）渦流擴(kuò)散項(xiàng)）渦流擴(kuò)散項(xiàng)(Multipath term, A) 在填充柱中，由于受到固定相顆粒的阻礙，組份在填充柱中，由于受到固定相顆粒的阻礙，組份在遷移過程中隨流動(dòng)相不斷改變方向，形成紊亂的在遷移過程中隨流動(dòng)相不斷改變方向，形成紊亂的“渦流渦流”：從圖中可見，因填充

24、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(yùn)行路線長(zhǎng)短不同同一組分運(yùn)行路線長(zhǎng)短不同流流出時(shí)間不同出時(shí)間不同峰形展寬。峰形展寬。展寬程度以展寬程度以A表示：表示：A=2 dp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(xì)粒的固定相并填充均勻可減小可見，使用細(xì)粒的固定相并填充均勻可減小A，提高柱效。對(duì)于空心毛細(xì)，提高柱效。對(duì)于空心毛細(xì)管柱，無渦流擴(kuò)散，即管柱，無渦流擴(kuò)散，即A=0。流動(dòng)方向流動(dòng)方向2）分子擴(kuò)散項(xiàng)）分子擴(kuò)散項(xiàng)(Longitudinal diffusion term, B/u) 縱向分子擴(kuò)散是由于濃度梯

25、度引起的。當(dāng)樣品被注入色譜柱時(shí)，它呈縱向分子擴(kuò)散是由于濃度梯度引起的。當(dāng)樣品被注入色譜柱時(shí)，它呈“塞塞子子”狀分布。隨著流動(dòng)相的推進(jìn)，狀分布。隨著流動(dòng)相的推進(jìn)， “塞子塞子”因濃度梯度而向前后自發(fā)地?cái)U(kuò)散因濃度梯度而向前后自發(fā)地?cái)U(kuò)散，使譜峰展寬。其大小為，使譜峰展寬。其大小為B=2 D 稱為彎曲因子，它表示固定相幾何形狀對(duì)自由分子擴(kuò)散的阻礙情況；稱為彎曲因子，它表示固定相幾何形狀對(duì)自由分子擴(kuò)散的阻礙情況；D組分在流動(dòng)相中的擴(kuò)散系數(shù)。組份為氣體或液體時(shí)，分別以組分在流動(dòng)相中的擴(kuò)散系數(shù)。組份為氣體或液體時(shí)，分別以Dg或或Dm表示；表示；討論：討論：q 分子量大的組分，分子量大的組分，Dg小，即小，即

26、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，隨柱壓降低而減小；q 流動(dòng)相分子量大，流動(dòng)相分子量大，Dg 小，即小，即 B ??；??；q u 增加，組份停留時(shí)間短，縱向擴(kuò)散??；增加，組份停留時(shí)間短，縱向擴(kuò)散?。唬˙/u）q 對(duì)于液相色譜，因?qū)τ谝合嗌V，因Dm 較小，較小，B 項(xiàng)可勿略。項(xiàng)可勿略。)M/1D(g流動(dòng)相流動(dòng)相因?yàn)橐驗(yàn)?球狀顆粒；球狀顆粒；大分子量流動(dòng)相；大分子量流動(dòng)相；適當(dāng)增加流速；適當(dāng)增加流速；短柱；短柱；低溫。低溫。3）傳質(zhì)阻力項(xiàng)）傳質(zhì)阻力項(xiàng)(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

27、間”達(dá)至平衡，因此產(chǎn)生峰形展寬。達(dá)至平衡，因此產(chǎn)生峰形展寬。氣相色譜以氣體為流動(dòng)相，液相色譜以液體為流動(dòng)相，二者傳質(zhì)過程不完全相氣相色譜以氣體為流動(dòng)相，液相色譜以液體為流動(dòng)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(xiàng)）氣液色譜：傳質(zhì)阻力項(xiàng)C包括氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)包括氣相傳質(zhì)阻力系數(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(dòng)相流動(dòng)相固液界面固液界面固定固定液液組分分子組分分子ClCg討論：討論：F 減小填充顆粒直徑減小填充顆粒直徑dp；F 采用分子量小的流動(dòng)相，使采用分子量小

28、的流動(dòng)相，使Dg增加；增加；F 減小液膜厚度減小液膜厚度df，Cl下降。下降。但此時(shí)但此時(shí)k又減小。又減小。 因此，當(dāng)保持固定液含量不變時(shí)，可通過因此，當(dāng)保持固定液含量不變時(shí)，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(huì)因吸附過強(qiáng)使峰拖尾。表面過大又會(huì)因吸附過強(qiáng)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(yīng)控制柱溫。值，應(yīng)控制柱溫。b）液液色譜：傳質(zhì)阻力項(xiàng)）液液色譜：傳質(zhì)阻力項(xiàng)C包括流動(dòng)相傳質(zhì)阻力系數(shù)包括流動(dòng)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

29、論：v 流動(dòng)相傳質(zhì)阻力包括兩方面：流動(dòng)相中的傳質(zhì)阻力流動(dòng)相傳質(zhì)阻力包括兩方面：流動(dòng)相中的傳質(zhì)阻力Cm、滯留的流動(dòng)相傳、滯留的流動(dòng)相傳 質(zhì)阻力質(zhì)阻力Cs 。分別與填充物大小。分別與填充物大小 dp、擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)(Dm)、微孔大小及其數(shù)量等、微孔大小及其數(shù)量等 有關(guān)。有關(guān)。 因此，降低流動(dòng)相傳質(zhì)阻力的方法有：細(xì)顆粒固定相、增加組分在因此，降低流動(dòng)相傳質(zhì)阻力的方法有：細(xì)顆粒固定相、增加組分在 固定相和流動(dòng)相中的擴(kuò)散系數(shù)固定相和流動(dòng)相中的擴(kuò)散系數(shù)D、適當(dāng)降低線速度、短柱。、適當(dāng)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(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)

30、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。表述相同。s2fsm2psmmsmDdDd)(CCC sm4）流速）流速 u 由由van Deemter方程方程 H = A + B/u + Cu知道：知道： 當(dāng)當(dāng)u一定時(shí)，僅在一定時(shí)，僅在A、B、C較小時(shí)，較小時(shí)，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(píng)對(duì)對(duì)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(kuò)散項(xiàng)渦流擴(kuò)散項(xiàng)A與

31、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(kuò)散項(xiàng)占主導(dǎo)，大，分子擴(kuò)散項(xiàng)占主導(dǎo)， 此時(shí)選擇分子量大的氣體如此時(shí)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(kuò)散，提高柱效；減小擴(kuò)散，提高柱效； 高流速區(qū)高流速區(qū)(u大大)，Cu大，傳質(zhì)阻力項(xiàng)占主導(dǎo)，大，傳質(zhì)阻力項(xiàng)占主導(dǎo)， 此時(shí)選擇分子量小的氣體如此時(shí)選擇分子量小的氣體如H2和和He為載氣，為載氣， 可增加擴(kuò)散系數(shù)，提高柱效；可增加擴(kuò)散系數(shù)，提高柱效； 曲線的最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)最佳線速曲線的最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(gè)數(shù)量級(jí)

32、，即在的小一個(gè)數(shù)量級(jí)，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/u5）固定相顆粒大小對(duì)板高的影響）固定相顆粒大小對(duì)板高的影響 實(shí)驗(yàn)表明，顆粒越細(xì)，板高越小，受線速影響越小。即，在實(shí)驗(yàn)表明，顆粒越細(xì)，板高越小，受線速影響越小。即，在HPLC分析中采分析中采用細(xì)粒作固定相的理論根據(jù)！用細(xì)粒作固定相的理論根據(jù)！ 但顆粒細(xì)導(dǎo)致柱流速慢，當(dāng)采用高壓技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)但顆粒細(xì)導(dǎo)致柱流速慢，當(dāng)采用高壓技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)HPLC的分析要求。的分析要求。 上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，但是上面分別介

33、紹了影響色譜分離的基本原理以及影響柱效的各種因素，但是如何從總體上定量描述色譜分離效能？如何將各種影響因素對(duì)分離的影響定量如何從總體上定量描述色譜分離效能？如何將各種影響因素對(duì)分離的影響定量地表述出來呢？地表述出來呢？板高板高, H(cm)8.4 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(shí)反映色譜柱效能和選擇性的一個(gè)綜合指標(biāo)。也稱總分離效能指標(biāo)或分同時(shí)反映色譜柱效能和選擇性的一個(gè)綜合指標(biāo)。也稱總分離效能指標(biāo)或分辨率。其定義為：辨率。其定義為： 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

34、，相鄰組分分離越好。當(dāng)越大，相鄰組分分離越好。當(dāng)R=1.5時(shí)，分離程度可達(dá)時(shí)，分離程度可達(dá)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 R=1.5R=0.75R=1.0響應(yīng)信號(hào)保留時(shí)間保留時(shí)間 t, min)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 未與影響其大小未與影響其大小的因素：柱效的因素：柱效n、選擇因子、選擇因子 和保留因子和保留因子 k

35、 聯(lián)系起來。聯(lián)系起來。 對(duì)于相鄰的難分離組分，由于它們的分配系數(shù)對(duì)于相鄰的難分離組分，由于它們的分配系數(shù) K 相差小，可合理假設(shè)相差小，可合理假設(shè)k1 k2=k，W1 W2=W。因此可導(dǎo)出。因此可導(dǎo)出R與與n（neff）、）、 和和 k 的關(guān)系：的關(guān)系：k1k14nkk1114nk)k1(k)kk(4n)k1(t)kk(t4nt2)tt (24nR WW)tt (2R)k1(ttt14nW1)Wt16(n 222221220120rrr21rr0rrr21212 ：并整理如下并整理如下代入到代入到將上式及將上式及因因附附, 具體推導(dǎo)過程如下：具體推導(dǎo)過程如下：有關(guān)色譜方程的討論：有關(guān)色譜方程的

36、討論：1）分離度）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(xué)性質(zhì)的影響。受熱力學(xué)性質(zhì)的影響。 對(duì)具一定相對(duì)保留值對(duì)具一定相對(duì)保留值 的物質(zhì)對(duì)，的物質(zhì)對(duì)，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可正確代可正確代表柱效能。表柱效能。 由色譜方程可得：由色譜方程可得： 因此可通過增加柱長(zhǎng)提高分離度。然而，分析時(shí)間也相應(yīng)增加，且峰寬也展因此可通過增加柱長(zhǎng)提高分離度。然而，分析時(shí)間也相應(yīng)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(zhǎng)更有效。的方法比增加柱長(zhǎng)更有效。2）分離度

37、）分離度R與保留因子與保留因子 的關(guān)系的關(guān)系 越大，柱選擇性越好，對(duì)分離有利。越大，柱選擇性越好，對(duì)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。較大改變。如，當(dāng)如，當(dāng) 從從1.01增加至增加至1.10(增加增加9%)時(shí)，時(shí)，R 則增加則增加 9 倍倍(但但 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(dòng)相及固定相的性質(zhì)和組成改變流動(dòng)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(dāng)增加，但當(dāng)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。

38、之間。 改變改變 k 的方法有：適當(dāng)增加柱溫的方法有：適當(dāng)增加柱溫(GC)、改變流動(dòng)相性質(zhì)和組成改變流動(dòng)相性質(zhì)和組成(LC)以及固定以及固定相含量。相含量。2121221LLnn)RR( 70%CH3OH+30H2O60%CH3OH+40H2O50%CH3OH+50H2O40%CH3OH+60H2O溶劑溶劑( (流動(dòng)相流動(dòng)相) )組成對(duì)色譜分離的影響組成對(duì)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

39、；改變組成使 k 最佳色譜分離中的問題色譜分離中的問題 由于分析物組成復(fù)雜，以某一組成的流動(dòng)相可能使部分待測(cè)物得到好的分離，由于分析物組成復(fù)雜，以某一組成的流動(dòng)相可能使部分待測(cè)物得到好的分離，但同時(shí)出使其它待測(cè)物的分離不令人滿意！實(shí)際工作中采用程序升溫但同時(shí)出使其它待測(cè)物的分離不令人滿意！實(shí)際工作中采用程序升溫（GC）和梯和梯度淋洗度淋洗（LC）來解決這個(gè)問題。來解決這個(gè)問題。三、分析時(shí)間三、分析時(shí)間 t 分析時(shí)間通常指最后一個(gè)組分出峰的時(shí)間。分析時(shí)間通常指最后一個(gè)組分出峰的時(shí)間。由以下三式：由以下三式：得到得到 可見，分析時(shí)間與可見，分析時(shí)間與R， ，k、H/u等參數(shù)有關(guān)。等參數(shù)有關(guān)。R增加

40、增加1倍，分析時(shí)間則是倍，分析時(shí)間則是原來的原來的 4 倍。倍。 實(shí)際工作中，即要能獲得有效的分離，又要在較短時(shí)間內(nèi)完成分析。實(shí)際工作中，即要能獲得有效的分離，又要在較短時(shí)間內(nèi)完成分析。)3.().k1k)(1(4nR)2.(.HLn)1.().k1(uL)k1(tt0r 2322rk)k1()1(uHR16t 參數(shù)參數(shù) 符號(hào)符號(hào) 測(cè)定或計(jì)算測(cè)定或計(jì)算 死時(shí)間死時(shí)間(遷移時(shí)間遷移時(shí)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(shí)間，組分保留時(shí)間，組分 1 和和 2 21rrt，t 色色譜譜圖圖 調(diào)整保留時(shí)間，組分調(diào)整保留時(shí)間，組分 1 r1t 0rrttt11 峰寬，組分峰寬，

41、組分 1 和和 2 W1，W2 色色譜譜圖圖 柱長(zhǎng)柱長(zhǎng) L 直接直接測(cè)測(cè)量量 流速流速 Fco 直接直接測(cè)測(cè)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(jì)算公式匯總概念、表示方法及計(jì)算公式匯總表表-1參數(shù)參數(shù) 符號(hào)符號(hào) 測(cè)定或計(jì)算測(cè)定或計(jì)算 線速線速 0t /Lu 流動(dòng)相體積流動(dòng)相體積 co0mFtV 保留因子保留因子 00rt/)tt (k msVKVk 分配系數(shù)分配系數(shù) smVkVK msccK 選擇因子選擇因子 0r0rtttt12 1212KKkk 分離度分離度 211r2rWW)tt(2R )k1k)(1(4nR 塔板數(shù)塔板數(shù) 2r)Wt(16n 222)kk1()1(R16n 板高板高 NLH 保留保留(分析分析)時(shí)間時(shí)間 2322rk)k1()1(uHR16t 表表-2例：兩物質(zhì)例：兩物質(zhì)A和和B在在30cm長(zhǎng)的色譜柱上的保留時(shí)間分別為長(zhǎng)的色譜柱上的保留時(shí)間分別為16.4和和17.63min，有一不與固定相作用的物質(zhì)，其在此柱上的保留時(shí)間為，有一不與固定相作用的物質(zhì)，其在此柱上的保留時(shí)間為1.30 min。物質(zhì)。物質(zhì)A和和B的峰底寬