色譜理論基礎(chǔ)

關(guān)于色譜理論基礎(chǔ)第1頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月1952年，Martin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，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出曲線呈正態(tài)分布。一、塔板理論（Platetheory）第2頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月塔板理論假定:①塔板之間不連續(xù)；②塔板之間無分子擴散；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)K相同；⑤流動相以不連續(xù)方式加入，即以一個一個的塔板體積加入。當塔板數(shù)n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)n>50時，峰形接近正態(tài)分布。第3頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)：

上式中，tR為保留時間；W1/2為半峰寬（以時間為單位）；Wb為峰底寬度（以時間為單位）?？梢姡碚撍鍞?shù)n由組分保留值和峰寬決定。

第4頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

若柱長為L，則每塊理論塔板高度H為：

由上述兩式知道，理論塔板數(shù)n越多、理論塔板高度H越小、色譜峰越窄，則柱效越高。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譜柱的柱效。通常以有效理論塔板數(shù)neff和有效理論塔板高度Heff表示：第5頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)、固定液種類及其含量、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。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)。第6頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

但該理論是在理想情況下導出的，未考慮分子擴散因素、其它動力學因素對柱內(nèi)傳質(zhì)的影響。因此它不能解釋：峰形為什么會擴張？影響柱效的動力學因素是什么？第7頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

1956年，荷蘭化學工程師VanDeemter等在研究氣-液色譜時，提出了色譜過程動力學理論--速率理論。該理論吸收了塔板理論中的塔板高度H的概念，同時考慮了組分在兩相間的擴散和傳質(zhì)過程，導出了速率理論方程式，較完善地解釋了影響塔板高度的各種因素。適用于氣相色譜和液相色譜。二、速率理論（Ratetheory）第8頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月VanDeemter方程：

式中，

u為流動相線速度；A、B、C為常數(shù)。

A—分別表示渦流擴散項系數(shù)；B—分子擴散項系數(shù)；

C—傳質(zhì)阻力項系數(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數(shù)值的方法，都可降低H，從而提高柱效。第9頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.渦流擴散項A（Multipathterm）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動相不斷改變方向，形成紊亂的“渦流”。從圖中可見，因填充物顆粒大小及填充的不均勻性——同一組分運行路線長短不同——流出時間不同——峰形展寬。流動方向第10頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月展寬程度以A表示：

A=2dp其中dp—填充物平均直徑；—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A，提高柱效。對于空心毛細管柱，無渦流擴散，即A=0。流動方向第11頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.縱向擴散項B/u（Longitudinaldiffusionterm）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“塞子”狀分布。隨著流動相的推進，“塞子”因濃度梯度而向前后自發(fā)地擴散，使譜峰展寬。其大小

B=2Dm—彎曲因子，表示固定相幾何形狀對自由分子擴散的阻礙情況；Dm—組分在流動相中的擴散系數(shù)。第12頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月討論流動相分子量大，Dg小，即B小

Dg隨柱溫升高而增加，隨柱壓降低而減小；

u增加，組分停留時間短，縱向擴散??；（B/u）

對于液相色譜，因Dm

較小，B

項可忽略。球狀顆粒大分子量流動相適當增加流速短柱低溫B=2Dm第13頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.傳質(zhì)阻力項Cu（Mass-transferterm）因傳質(zhì)阻力的存在，使分配不能“瞬間”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)過程不完全相同。傳質(zhì)阻力項C包括流動相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cm和固定相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cs。第14頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月討論減小填充顆粒直徑dp。采用分子量小的流動相，使組分在氣相中的擴散系數(shù)Dg增加。減小液膜厚度df，液相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cl下降。但此時k又減小。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df。但比表面過大又會因吸附過強使峰拖尾。增加柱溫，可增加組分在液相中的擴散系數(shù)Dl，但k值也減小，為保持合適Cl值，應控制柱溫。第15頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

當u一定時，僅在A、B和C較小時，H較小，柱效較高；反之，則柱效較低，色譜峰將展寬。以u對H作圖，可得H-u曲線（如左圖），從該曲線得到：板高，H(cm)HminA+B/u+CuCmuCsuAB/u4.流速u由VanDeemter方程H=A+B/u+Cu可知第16頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月渦流擴散項A與流速u無關(guān)；低流速區(qū)（u?。?，B/u大，分子擴散項占主導，此時選擇分子量大的氣體如N2和Ar為載氣，可減小擴散，提高柱效；高流速區(qū)（u大），Cu大，傳質(zhì)阻力項占主導，此時選擇分子量小的氣體如H2和He為載氣，可增加擴散系數(shù)，提高柱效；曲線的最低點對應最佳線速（uopt）下的最小板高Hmin

。H=A+B/u+Cu第17頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

單獨用柱效或選擇性不能真實反映組分在色譜柱中的分離情況，需要引進一個綜合指標—分離度，作為色譜柱總分離效能的指標。三、分離度（Resolution）R=1.5R=0.75R=1.0響應信號保留時間t,min第18頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

是同時反映色譜柱效能和選擇性的綜合性指標，也稱總分離效能指標或分辨率。定義為：

利用此式，可直接從色譜流出曲線上求出分離度

R越大，相鄰組分分離越好。當R=1.5時，分離程度可達99.7%，R=1.5通常用作是否分開的判據(jù)。第19頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月R=1.5R=0.75R=1.0響應信號保留時間t,min第20頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

分離度R是柱的總分離效能指標，既反映兩組分保留值的差值，即固定液對兩組分的選擇性r2,1的大?。ㄓ晒潭ㄒ旱臒崃W性質(zhì)決定），又考慮到色譜峰寬度對分離的影響，即柱效能neff的高低（取決于色譜過程的動力學因素）。對于相鄰的兩組分，假設(shè)其色譜峰底寬相等，即Wb1=Wb2，可導出R與neff、和r2,1的關(guān)系式第21頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月色譜基本分離方程第22頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月70%CH3OH+30%H2O60%CH3OH+40%H2O50%CH3OH+50%H2O40%CH3OH+60%H2O溶劑(流動相)組成對色譜分離的影響1：9,10-蒽醌；2：2-甲基-9,10-蒽醌；3：2-乙基-9,10-蒽醌4：1,4-二甲基-9,10-蒽醌；5：2-特丁基甲基-9,10-蒽醌改變組成使k

最佳第23頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月色譜分離中的問題由于分析物組成復雜，以某組成的流動相可能使部分待測物得到好的分離，但同時出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（GC）和梯度淋洗（LC）來解決這個問題。第24頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月§15-4色譜定性定量分析一、定性分析

色譜定性分析就是確定各色譜峰所代表的化合物。

1.利用保留值定性

（1）利用已知物保留值對照定性

當有待測組分的純樣品時，用對照法進行定性極為簡單。用已知物質(zhì)與未知樣對照定性，是色譜分析中最可靠的定性方法。定性依據(jù)是保留值。第25頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）相對保留值法

由于絕對保留值受操作條件的影響較大，重復性較差?？刹捎孟鄬ΡＡ糁底鳛槎ㄐ灾笜?，消除操作條件的影響。相對保留值是某組分i與基準物s的調(diào)整保留值的比值：第26頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

（3）利用雙柱保留值法定性

雙柱定性是利用兩根極性差別較大的色譜柱對混合物進行分離，然后用純物質(zhì)分別在兩根柱子上進行保留值對照定性。如果得到的結(jié)果一致，即可確定該組分，結(jié)果較可靠。第27頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2.利用文獻保留數(shù)據(jù)定性

在實際工作中遇到未知試樣時，利用文獻上的保留值定性是一種較為方便的方法。只要文獻中所用的固定相和柱溫相同，某一組分的相對保留值和保留指數(shù)都是基本不變的。目前，保留指數(shù)定性已成為廣泛應用的一種色譜定性方法。第28頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月3.利用選擇性檢測器定性

各種類型的檢測器對不同類別的化合物有選擇性響應。火焰光度檢測器—有機物。電子捕獲檢測器—含電負性強的原子或基團。氮磷檢測器—含氮、磷的化合物。第29頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月4.利用與其他儀器聯(lián)用定性

色譜與一些結(jié)構(gòu)分析儀器聯(lián)