色谱分析法概论

10-2-2 速率理论-影响柱效的因素
1. 速率方程
H = A + B/u + C· u
H：理论塔板高度，
u：载气的线速度(cm/s) 减小A、B、C三项可提高柱效； 存在着最佳流速； A、B、C三项各与哪些因素有关？
A─涡流扩散项
A = 2λdp
dp：固定相的平均颗粒直径 λ：固定相的填充不均匀因子
色谱过程
• 组分的结构和性质微小差异
相作用差异
与固定
随流动相移动的速度不
等
差速迁移
色谱分离。
1. 气相色谱分离过程 当试样由载气携带进入色 谱柱与固定相接触时，被固定 相溶解或吸附; 随着载气的不断通入，被 溶解或吸附的组分又从固定相 中挥发或脱附; 挥发或脱附下的组分随着 载气向前移动时又再次被固定 相溶解或吸附; 随着载气的流动，溶解、 挥发，或吸附、脱附的过程反 复地进行。
tR=t0(1+ k)
t0 ' R tR
V tR=t0(1+K ) V
s m
t t t k t t
R 0 0
'
R 0
Байду номын сангаас
分配系数与色谱分离
（三）色谱分离的前提
• KA≠KB 或kA≠kB 是色谱分离的前提。
推导过程：
V tR = t0(1+KA V )
s
A
m
t R B= t0(1+KB
Vs ) Vm
色谱法
是一种重要的分离、分析技术 混合试样→分离→单组分 →检测→定性、定量分析
色 谱 法 的 由 来
色谱法的创始人 －俄国植物学家 茨维特(M.Tswett)
色谱法的由来
在茨维特的实中： 装有CaCO3的玻璃管 ——色谱柱 CaCO3 ——固定相 纯石油醚 —— 流动相
色谱法的由来
在该实验中，碳酸钙 上混合色素被分成不同色 带的现象，像一束光线通 过棱镜时被分成不同色带 的光谱现象一样，因此茨 维特把这种现象称为色谱， 相应的分离方法称为色谱 法（色层法，层析法）
色谱图及常用术语
色谱峰
在一定色谱条件下， 组分通过检测器时，响应 信号随时间而变化的曲线 称为色谱峰。 色谱过程按近理想条件 和分配系数恒定时的流出 曲线为对称的高斯分布曲 线，对应的高斯分布函数 为： 2 ( t i tR ) A ht exp 2 2 2
k为容量因子； Dg 、DL为扩散系数。 减小担体粒度，选择小分子量的气体作载气，可降低传质 阻力。
2 df
2
2 dp
2.载气流速与柱效——最佳流速 载气流速高时： 传质阻力项是影响柱效的 主要因素，流速，柱效。 载气流速低时： 分子扩散项成为影响柱效 的主要因素，流速,柱效 。 H - u曲线与最佳流速： 由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影 响使得存在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对 流速的一阶导数有一极小值。 以塔板高度H对应载气流速u作图，曲线最低点的流速即 为最佳流速。
• 保留值的定义 2.死时间
t
M
不被固
定相保留的组分，从 进样开始到色谱峰最 大值出现时所需的时 间 。(空气、甲烷或乙
醚峰的保留时间）。
实际上为流动相流
经色谱柱所需要的时
间： t
M
L ——柱长（cm) u ——流动相平均
线速度(cm/s)
保留值的定义
3.调整保留时间 t 组分的保留时间与 死时间之差
固定相颗粒越小 dp↓，填充的越均匀， A↓， H↓ ，柱效 n↑ 。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻，色谱 峰较窄。
B/u —分子扩散项
B = 2 νDg
ν
：弯曲因子，填充柱色谱，ν <1。
Dg：试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2· s-1）
(1) 存在着浓度差，产生纵向扩散;
(2) 扩散导致色谱峰变宽，H↑(n↓)，分离变差;
色谱柱长：L，
虚拟的塔板间距离：H，
色谱柱的理论塔板数：n， 则三者的关系为： n=L/H 理论塔板数与色谱参数之间的关系为：
tR 2 tR 2 n 5.54( ) 16( ) Y1/ 2 Wb
保留时间包含死时间，在死时间内不参与分配!
2.有效塔板数和有效塔板高度 • 单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。
m k m
s
m
CV Vs K CV Vm
s s m m
分配系数与色谱分离
（二）分配系数和容量因子与保留时间的关系
v R u
'
v=L/tR u=L/t0
t0 R tR
'
tm Nm CmVm R t m t s N m N S C mVm CsVs
'
1 ' R 1 k
色 谱 法 分 类
按分离过程机制分 色 谱 法 分 类
吸附色谱法—利用吸附剂表面对不同
组分物理吸附性能的差异
分配色谱法—组分在两相中分配系数
不同
离子交换色谱法—利用离子交换原理
排阻色谱法—利用多孔性物质对不
同大小分子的排阻作用
等等
色谱法分类
• 按固定相的固定形式分
柱色谱
色谱法
纸色谱 薄层色谱 （平板色谱）
F
c
5.死体积
在GC中为校正到柱稳住压下 的平均流速
V
M
6.调整保留体积
V R F c t R V R V M
' '
• 相对保留值
某一组分与基准物质的调整 保留值之比：
t V K r t V K
is i ' i ' s s
'
'
i s
t R tR t
i
tM
M
is
s
R '
t
' R
tR tM
色 表明色谱峰在色谱图中的位置 谱 常 （可用时间t、体积V、距离d表 用 示）。它是由色谱分离过程中 术 的热力学因素所决定的。 语
色谱保留值
保留值的定义
4.保留体积 V
R
从进样开始到色谱峰
在LC中为实测值（mL/min)
最大值出现时所需通过的流动相的体
积
V
R
F ctR
(3) 分子扩散项与流速有关，流速↓，滞留时间↑，扩散↑;
(4) 扩散系数：Dg ∝(M载气)-1/2 ； M载气↑，B值↓。
C· u —传质阻力项 传质阻力包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力CL即：
C =（Cg + CL）
0.01k Cg 2 (1 k ) Dg
2 k CL 2 3 (1 k ) DL
b
区域宽度 2.半峰宽
w1 2
峰高一半处的宽 度GH
w
1
2
2.354
3.标准偏差 σ 两个拐点E和F之间的距离 的 一半 4.峰面积 A 色谱峰与基 线延长线所包围的面积， 精确计算时
A 1.065 h w1
2
• 保留值的定义 1.保留时间
t
R
从进样开始到色
谱峰最大值出现
时所需的时间
Cs K = Cm
分配系数仅与组分、固定相和流动相的性质 及温度（和压力）有关。是组分的特征常数。
分配系数与色谱分离
• 容量因子(capacity factor；k)：在一定温度和压力
下，达到分配平衡时，组分在固定相和流 动相中的质量(m)之比。（摩尔数？） • 又称为质量分配系数或分配比。 还与固定相和流动相的体积有关。 容量因子与分配系数的关系

• 基线
在色谱操作条件 下仅有流动相通过 检测器时，反映检 测器噪声随时间变 化的曲线。 稳定的基线是 一条直线。
• 峰高
从色谱峰顶点到基 线的距离
h AB'
区域宽度 1.峰底宽度 w 在色谱峰两边的转 折点(也叫拐点即E F)所画的切线与基 线相交的截距。 两个拐点E和F之间 的距离为 EF= 2 ， 分别位于 0.607 h 处。
色谱法的特点:
高分离效能、高灵敏度、高选择性、
分析速度快、
应用范围广
色谱学的重要作用
• 诺贝尔化学奖：1948年，瑞典提塞留斯 (Tiselius)， 电 泳和吸附分析；1952年，英国马丁 (Martin) 和辛格(Synge)，分配色谱。 • 应用的科学领域：生命科学、材料科学、环 境科 学等。（科学的科学） • 药学（药物分析）：各国药典收载了许多色 谱分 析方法。中国药典二部，700多，纯 度 检 查 、 定性鉴别或含量测定，一部， 600 多 鉴 别 或 含 量测定。 • 中药复方制剂质量测检和中药配伍中的应用
3. 速率理论的要点
(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。 (2)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。 (3)速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导。 阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。
色 谱 法 实 质 是 分 离
色谱分离的基本条件：
1.互不相溶的两相（流 动相、固定相）；
2.被分离组分在两相之
间作相对运动
色 • 分离依据： 谱 各组分在两相之间作用力 法 不同 (吸附能力 分配系 实 数 离子交换能力大小排阻 质 能力 其他亲合作用) — 分 • 各组分差速异行→分离 离
按两相状态分
当试样由载气携带进入色谱柱与固定相接触 时，被固定相溶解或吸附;
随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组分又从固 定相中挥发或脱附;
色谱图及常用术语
色谱图
被分析试样从进样开 始，经 色谱柱分离，到 各组分全部流过检测器 在此期间所记录下 来的响应信号随时间而 变化的曲线（分布的图 像），称为色谱流出曲 线或色谱图。
•
用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。
• 组分在tM时间内不参与柱内分配。需引入有效 塔板数和有效塔板高度：
tR 2 tR 2 n理 5.54( ) 16( ) Y1 / 2 Wb
' ' tR t n有效 5.54( ) 2 16( R ) 2 Y1 / 2 Wb
H 有效
L n有效
Vs tR= t0 (KA－KB) Vm
tR≠0
KA≠KB
kA≠kB
色谱理论需要解决的问题：色谱分离过程的热力学和动
力学问题。影响分离及柱效的因素与提高柱效的途径，柱效 与分离度的评价指标及其关系。 组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？ 组分保留时间：色谱过程的热力学因素控制； （组分和固定液的结构和性质） 色谱峰变宽：色谱过程的动力学因素控制；
（两相中的运动阻力，扩散）
两种色谱理论：塔板理论和速率理论；
10-2-1 塔板理论-柱分离效能指标
1.塔板理论（plate theory） 半经验理论； 将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续 的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复 （类似于蒸馏塔塔板上的平衡过程）； 塔板理论的假设： (1) 在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅 速达到； (2) 将载气看作成脉动（间歇）过程； (3) 试样沿色谱柱方向的扩散可忽略； (4) 每次分配的分配系数相同。
R＜1, 峰重叠，未分开 R = 1, 认为基本分开，4σ分 离 R = 1.5, 两峰完全分离，6σ分 离
三、分配系数与色谱分离
(一) 分配系数和容量因子
• 分配系数 (distribution coefficient；K) 是在 一定温度和压力下，达到分配平衡时，组分 在固定相 (s) 与流动相 (m) 中的浓度 (C) 之比。
• 总分离效能指标
• 分离度(resolution；R)：又称分辨率。是相邻两色 谱峰保留时间之差与两色谱峰峰宽均值之比。
R＝
t R 2 t R1 (W1 W2 ) / 2
＝
2(t R 2 t R1 ) W1 W2
• 设正常峰，W1≈W2= 4σ ， • 则R=1.5时，99.7%面积(tR ±3σ)被分开， ∆ tR =6 σ ，称 6 σ分离 。
3.塔板理论的特点和不足 (1)当色谱柱长度一定时，塔板数 n 越大(塔板高度 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)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)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相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分 离。 (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。
色 谱 法 分 类
附：根据所使用的技术不同分
高效液相色谱(HPLC) 化学键合相色谱
衍生气相(液相)色谱
裂解色谱
顶空气相色谱
色谱制备 色谱分析
第二节 色谱过程
一、色谱过程
实现色谱操作的基本条件是必须具备相对
运动的两相，固定相(stationary phase)和流
动相(mobile phase)。 色谱过程是组分的分子在流动相和固定相 间多次“分配”的过程。