2-3色谱分析导论-2学时-√分离度及分离条件选择-09-9-22

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R1 / R2 = ( n1 / n2 )1/2 n2 = 3445 (1.5 / 1.06)2 = 6898 L = nH = 6898(300 /3445) = 60 cm
§2-4 色谱条件选择(分离条件和操作条件)
分离条件: 指色谱柱。 操作条件: 指载气流速、柱温、进样条件及检测器等。
2.4.1、操作条件选择
d
2 p
Dg
+
2kd
2 f
3(1+ k)2 DI
B H = A + + Cu
u
= 2λdp
+ CdDm u
+
Cm
d
2 p
Dm
+
Csmd
2 p
+
Dm
Cs
d
2 f
Ds
u
H最小 A 2 BC
复习
u最佳
B C
图3-1
四、分离度理论
塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实 际分离程度。即柱效为多大时,相邻两组份能够被完全 分离。
∴R =
n ×(
k2
α -1 )×( )
4 1+k2 α
n
=
16R
2 s
×(
α )2 α -1
1 ×(
+ k2 k2
)2
n = 1+k 2 k
n eff
∴ n 有效
=
16R
2 s
•( α )2 α -1
∴R =
n eff
α -1 ×( )

∴R =
n α -1 k
•( )•(
) 色谱分离方程式
4 α 1+k
⑤分离组成复杂的难分离试样,通常使用特殊固定液,或混合固 定相。
二.固定液配比(涂渍量)的选择
配比:固定液在担体上的涂渍量,一般指的是固定液与 担体的百分比,配比通常在5%~25%之间。配比低,担体 上形成的液膜薄,传质阻力越小,柱效高,分析速度也 越快。但固定相的负载量低,允许进样量较小。通常使 用较低的配比。
A
B
C
A—柱效项,B—柱选择项,C—为柱容量项
分离度Rs受——柱效(n)、选择因子(α)和容量因子(k)
三个参数的控制。
分离度R的影响因素
容量因子k 柱效n 分配比α( r21)
① 分离度与柱效的关系(柱效因子)
R∝ n
限制:L过长,保留时 间延长,分析时间延长, 色谱峰扩展
增加柱长L n R 减小塔板H高度 n
L2
=
R2 R1
2
×L1
=
1.5 2 ×1 =
0.72
4.34
m
塔板数增加一倍,分离度增加多少?
例4 已知物质A和B在一根30.00 cm长的柱上的保留时间分 别为16.40 min和17.63 min。不被保留组分通过该柱的时 间为1.30 min。峰底宽度分别为1.11 min和1.21 min。 试计算:
使用普通色谱柱,有效塔板高度为0.1cm, 故所需柱长应为:
L = 2112×0.1cm≈2m
例题2:在一定条件下,两个组分的调整保留时间分别为85 秒和100秒,要达到完全分离,即R=1.5 。计算需要多少块 有效塔板。若填充柱的塔板高度为0.1 cm,柱长是多少? 解:r21= 100 / 85 = 1.18
①分离非极性组分,通常选用非极性固定相。各组分按 沸点顺序 出峰,低沸点组分先出峰。
② 分离极性组分,一般选用极性固定液。各组分按极性大小顺序 流出色谱柱,极性小的先出峰。
③分离非极性和极性(或易被极化的)混合物,一般选用极性固 定液。此时,非极性组分先出峰,极性的(或易被极化的)组分后出 峰。
④分离醇、胺、水等强极性和能形成氢键的化合物,通常选择极 性或氢键性的固定液。
三、速率理论
复习
B H = A + + Cu
u
A-涡流扩散项;B/u-分子扩散项;C u-传质阻力项; 式中:A、B、C为常数,
u 为载气线速度,单位为cm/s。
气-液(固)色谱速率理论公式可写为:
复习
B H = A + + Cu
u
=
2λd p
+
2γDg u
+
0.01k 2 (1+ k)2
液-液(固)色谱速率理论公式可写为:
n有效 = 16R2 [r21/(r21 -1)]2 = 16×1.52 ×(1.18 /0.18 ) 2 = 1547(块)
L有效 = n有效·H有效 =1547×0.1cm≈155cm=1.55m
即柱长为1.55米时,两组分可以得到完全分离。
例题3:在一定条件下,如果n=3600,L=1m,两个组分的
(2)方程式说明,k值增大也对分离有利,但k值太大会延长分离时间,增 加分析成本.
(3)提高柱选择性,可以提高分离度,分离效果越好,因此可以通过选择 合适的固定相,增大不同组分的分配系数差异,从而实现分离.
例题1:设有一对物质,其r2,1(=α)=1.15,要求在Heff=0.1cm
的某填充柱上得到完全分离,试计算至少需要多长的色谱 柱? 解:要实现完全分离,R≈1.5,故所需有效理论塔板数为:
2、检测器要求:对热导检测ห้องสมุดไป่ตู้使用热导系数较大的氢气 有利于提高检测灵敏度。对氢焰检测器,氮气仍是首选。
3、载气性质:应综合考虑载气的安全性、经济性及来源 是否广泛等因素。
在最佳流速时,柱效率高,但分析时间过长,分析速 度与柱效哪一个为主。
流速较小时:分子扩散项B/u是峰扩展的主要因素应采用 N2,Ar等相对分子量较大的载气 流速较大时:传质阻力项cu的影响大,采用相对分子质 量较小的 载气如H2,He等
三.柱长和柱内径的选择 增加柱长利于提高分离度,但柱阻力增加,组分的保
留时间tR 增加 ,不便操作。 选择原则:在能满足分离目的的前提下,尽可能选用较短
的色谱柱,可缩短分析时间。 填充色谱柱的柱长通常为2~4米,内径3~4厘米。
四.柱温的选择
柱温应控制在固定液的最高使用温度(超过该温度固定液易 流失)和最低使用温度(低于此温度固定液以固体形式存在) 之间。
R tR2 - tR1
Y Y 1
2
1 2
(1)
1 2
(
2)
R′与R的物理意义是一致的,但R = 0.59R′
两组分怎样才算达到完全分离?
R=0.75时A、B峰不能分离 R=1.0时 A、B峰中互含4%
R=1.5时 A、B峰中互含0.3%
R tR2 - tR1
1 2
Y1 Y2
R
复习
n = 5.54( tR )2 = 16( tR )2
Y1/ 2
Y
H = L = L ( Y )2 n 16 tR
②有效塔板数neff和有效塔板高度Heff计算公式
n eff
= 5.54( t′R )2 Y1/ 2
= 16( t′R )2 Y
Heff
L =
n eff
=
L 16
(
Y t′R )
2
L一定,H↘ n↗ 分配平衡的次数↗ 柱效↗ tR一定,峰宽↘ 则n↗ 柱效↗
四、气化温度的选择:
色谱仪进样口下端有一气化器,液体试样进样后,在此瞬间气化; 气化温度一般较柱温高30~70℃防止气化温度太高造成试样分解。
五、检测器选择
检测器 灵敏度、适用范围、操作难易、稳定性等各不相同。 根据分析对象和分析要求合理选择。
2.4.2、分离条件选择
一. 固定相的选择:
对气-固色谱一般根据样品性质,参照常用固体吸附剂的使用 范围选择;对气-液色谱,则根据“相似相溶”的原则进行选择:
R ∝ -1
增大α的最有效方法是:
选择合适的固定液
α是柱选择性的量度,α越大,柱选择性越好,分离效果越好。 α的微小增大,都会使分离度得到较大的改善,
当α>2时,在很短的时间内组分就会完全分离。 α =1(K1=K2)时,则 R=0,无法分离 如果两个相邻峰的选择因子足够大,则即使色谱柱的理论塔
可合理地假设 k1 ≈k2 =k, Y1≈Y2 =Y。
由n = 16( tR )2 Y
Y=
16t
2 R
= 4tR
n
n
另 t′R = tR - tM = k tM tM
tR = tM(1+ k)
t′R 2 t′R1
=
tR2 - tM tR1 - tM
=
k2 k1
= r2,1

( ) 公式推倒 R = 2 tR2 - tR1 Y1 + Y2
使用性能优良的色谱柱 并选择最佳分离条件 设法降低板高H,才是增 大n的最好办法。
R
② 分离度与容量比的关系(容量因子)
R∝ k k 1
k值增大,有利于分离,但k >10时,对R的增加不 明显,同时会显著增加分析时间
通常k值选在1~10,适宜的k一般为2~7。
③分离度与柱选择性的关系(选择因子α)
tR2 - tR1
1 2
Y1
2
(1)
Y1
2
(
2)
R=1, 基本达到分离,分离效果达到98%
R=1.5 全分离(基线分离),分离效果达到99.7%
R=2, 充分而完全分离,分离效果为99.9%
所以R=1.5时,可认为色谱峰已完全分开。
2、色谱分离方程式
公式推倒
对于难分离物质对,由于它们的分配系数差别小,
板数较小,也可以实现分离。
1.试述色谱分离基本方程式的含义,它对色谱分离有什么指导意义?
答:色谱分离基本方程式如下:
1 α -1 k
R = n( )( )
4
α 1+k
它表明分离度随体系的热力学性质(和k的变化而变化,同时与 色谱柱条件(n改变)有关。
(1)当体系的热力学性质一定时(即组分和两相性质确定),分离度与n 的平方根成正比,对于选择柱长有一定的指导意义,增加柱长可改进分 离度。但过分增加柱长会显著增长保留时间,引起色谱峰扩张.
R tR2 - tR1
1 2
Y1 Y2
两峰之间的距离要大,即两组分保留时间有足够大的差值,且峰要窄
选择性:反映了色谱柱对物质保留值的差别,热力学因素
柱效率:反映了峰扩展的程度
动力学因素
( ) R
=
tR2 - tR1
1 2
Y1 + Y2
峰形不对称或两峰有重叠,峰底宽度难于测量时,可用
半峰宽代替峰底宽度,并认为Y=2Y1/2
保留时间分别为12.2s和12.8s,计算分离度。要达到完全分
离,即R=1.5,所需要的柱长。
解:
Y1
=
4
t R1 n
4 ×12.2
=
= 0.8133
3600
Y2
= 4 tR2 n
=
4 ×12.8 3600
= 0.8533
分离度: R = 2×(12.8 -12.2) = 0.72 0.8533 + 0.8133
1. 载气种类的选择 2.载气流速的选择 3.进样方式和进样量的选择 4.气化温度的选择
2.4.2、分离条件选择 1. 固定相的选择 2.固定液配比的选择 3.柱长和柱内径的选择 4.柱温的确定
2.4.1、操作条件选择
一、载气种类的选择(考虑三个方面因素)
操作条件
1、载气对柱效的影响:载气流速低时,大质量分子可抑制 试样的纵向扩散,提高柱效;载气流速高时,传质阻力项起主 要作用,采用较小摩尔质量的载气(如H2,He),可减小传质 阻力,提高柱效。
难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素 的综合影响:
保留值之差──色谱过程的热力学因素; 区域宽度──色谱过程的动力学因素。
1、分离度R
分离度也称分辨率或分辨度,是指相邻两组分色谱峰保 留值 (峰顶间距离)之差与两组分色谱峰峰底宽度总和之半(平 均值)的比值。它是色谱图中相邻两峰分离程度的量度。
选择载气时还必须考虑与检测器相适应
二、载气流速的选择(与分析时间、柱效有关)
理论上应采用最佳流速。实际流速通常稍大于最佳流速以缩短分析时间
三、进样方式和进样量的选择:
液体试样采用色谱微量进样器进样,规格有1μL、5μL、10μL等 进样量应控制在柱容量允许范围及检测器线性检测范围之内。进样要 求动作快、时间短。进样方法包括注射深度、位置、速度几方面 。 气体试样应采用气体进样阀(六通阀)进样。
分配在固定相和流动相中的质量比,称为分配比。
k=
mS
=
cSvS
= K× vs
K =
C、β称为相比 β = vM 相比 mM cMvM
vM β
vS
填充柱, =6~35; 毛细管柱, =60~600。
二、塔板理论
复习
c=
c0
(t-tR )2
e 2σ2
σ 2π
① 理论塔板数n 和理论塔板高度H 的计算公式
一、分配理论(K——k——β )
复习
A、分配系数K(又称平衡常数)
在一定温度和压力下,组分在两间达到分配平衡时,组分在固定
相中的浓度CS与在流动相中的浓度KCM=比c值S,=用mKs表vM示= k ×β cM mMvs
B、分配比k (容量因子或容量比)
在一定温度和压力下,组份在两相间的分配达平衡时,
(1)柱的分离度; (2)柱的平均塔板数; (3)达到1.5分离度所需的柱长度。
解 :(1)柱的分离度 R = 2(17.63 - 16.40)/(1.11 + 1.21)= 1.06
(2)柱的平均塔板数
nA = 16 (16.40 /1.11)2 = 3493 nB = 16 (17.63 /1.21)2 = 3397 n平均 =(3493 + 3397)/2 = 3445 (3)达到1.5分离度所需的柱长度
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