第1章 色谱法引论

（8）分配系数K
样品组分在固定相和流动相之间发生的反复多次的吸附、 脱附和溶解、挥发的过程，叫做分配过程。 分配系数K：在一定温度下，组分在两相之间分配达到
平衡时的浓度比，是色谱分离的依据
组分在固定相中的浓度 CS K 组分在流动相中的浓度 CM
分配系数是由组分和两相的热力学性质决定的。在一定温度下，各物质在两 相之间的分配系数是不同的。具有小的分配系数的组分，每次分配后，在气 相中的浓度较大，较早地流出色谱柱；而分配系数大的组分，由于每次分配 后，在气相中的浓度较小，较晚流出色谱柱。当分配次数足够多时，就能将 不同的组分分离开来。
色谱峰两峰间的距离，是评价固定相和流动选 择是否合适的依据。
塔板理论
塔板理论假设： ⑴ 在每块塔板上，两相间的分配平衡是瞬间建立的， 因此定义达到分配平衡的一小段柱长称为理论塔板高 度H，因而理论塔板数 n = L/H ⑵ 载气进入色谱柱，不是连续的，而是脉动的，每次 进气量为一个板体积△V。 ⑶ 试样开始时所有组分都加在第0号塔板上，且试样 在色谱柱方向的扩散可忽略不计。 ⑷分配系数在各塔板上是常数，与组分的量无关。 为简单起见，设色谱柱为5块塔板（n = 5）组成，并以r 表示塔板编号r = 0、1、2、3、4，某组分在两相间的分 配系数K = 1，设该组分进样量为1000μɡ，根据上述假 设，在色谱分离过程中该组分在各塔板上的分配如下：
色谱法分离原理
概述及分类
有关的术语
色谱法的基本理论 分离度 定性和定量分析
概述及分类
色谱法chromatography与蒸馏，重结晶，溶剂
萃取，化学沉积及电解沉积法一样，也是一种分离技 术。特别适宜分离多组分的试样，是各种分离技术中 效率最高和应用最广的一种方法。 最早创立色谱法的是俄国植物学家茨维特Tsweet 将填入玻璃柱内静止不动的一相固相或液相称为固

2
消除了死时 间的影响
优点：（1）描述了溶质在色谱柱内的分配平衡和分离过程
总 结
（2）解释了流出曲线的形状及浓度极大值的位置，提出评价柱效的方法
缺点：（1）该假设不符合柱内实际发生的分离过程
（2）无法解释谱带扩宽的原因和影响板高的因素 （3）不能解释不同流速具有不同的塔板高度
速率理论
吸收了塔板理论中板高的概念，并Fra Baidu bibliotek时考虑影响板高的 动力学因素，指出:填充柱的柱效受涡流扩散，分子扩 散，传质阻力，流动相的流速等因素的控制，从而较好 地解释了影响板高的各种因素。
van Deemter 速率理论方程
板高
分子扩散项系数
涡流扩散项系数
流速
传质阻力项系数
指出了色谱柱填充的均匀程度，填料粒度的大小，流 动相的种类及流速，固定相的液膜厚度对柱效的影响。
分 离 方 法
气相色谱法gas chromatography, GC 气相色谱与质谱联用GC-MS 高效液相色谱 high performance liquid chromatography, HPLC 分离分析中的新技术
毛细管电泳capillary electrophoresis, CE
超临界流体色谱法
3
按 色 谱 动 力 学 过 程
迎头色谱
顶替色谱
线性洗脱色谱
洗脱色谱
非线性洗脱色谱
吸附色谱
4
按 所 利 用 的 物 理 化 学 原 理
分配色谱
离子交换色谱 凝胶渗透色谱 形成络合物色谱
色谱流出曲线及有关术语
基线是柱中仅有流动相通过时，检测器响应信号的记录值。 峰高: 色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以 h 表示。 保留值: 1 死时间tM，不被固定相吸附或溶解的物质 2 保留时间tR，试样从进入开始到柱后出现峰极大值
塔板理论导出理论塔板数的公式：
tR n理 5.54 Y 1/ 2
2
tR 16 Y

2
H理 L
n理
峰越窄，n越多，H越小，此时柱效能越高，因而n或 H可作为描述柱效能的一个指标。
n有效 n有效
' ' tR tR 5.54 Y Y 16 1/ 2 L n有效 2
Vs CS V K k M k CM q VS Vm
p
相比，反 映各种色 谱柱柱型 的特点
分配比也决定于组分及固定相热力学性质，不仅随柱 温、柱压变化而变化，而且还与流动相及固定相的体 积有关。
对两组分的选择因子，
tr' (2) k (2) K (2) r2,1 a ' tr (1) k (1) K (1)
⑴ 涡流扩散项（A）
A = 2λdp 式中dp为填充物的平均直径，λ为填充不规则因子。
因此，A与流动相的性质及线速度无关。
结论：① 使用粒度细及颗粒均匀的填料。 ② 均匀填充。
⑵ 分子扩散项（B）
B 2 Dg
式中Dg为组分在气相中的扩散系 数，它除与组分的性质有关外，还 与组分在柱中的停留时间、载气的 性质、柱温等因素有关。 γ指填充柱内气体扩散路径弯曲的 因素（弯曲因子）。 结论：① 采用较高的载气流速。 ② 控制较低的柱温。 ③ 使用相对分子量较大的 载气，如因N2为分子量大，纵向扩 散小
定相
自上而下运动的一相一般是气体，液体或超临界流 体称为流动相 装有固定相的柱子玻璃或不锈钢称为色谱柱
色谱法是一种物理、化学 的分离、分析方法。利用 混合物各组分在互相接触 的固定相和流动相中有不 同的分配比（或不同的吸 附能力），当两相作相对 运动时，这些组分在两相 中进行多次反复分配平衡 （或吸附或解吸），从而 使各组分得到分离，然后 按顺序被检测。
1v 2v 3v 4v 5v
样品载气进入时状态
1000
每个单元体积内上层为流动相 下层为固定相
62.5 125 125 156.3 156.3 156.3 156.3 136.7 136.7 109.4 109.4 82 82 58.5 58.5 40.2 40.2 26.8 26.8 31.25 31.25 78.1 78.1 117.2 117.2 136.7 136.7 136.7 136.7 123.1 123.1 102.5 102.5 80.5 80.5 60.3 60.3
分离植物色素实验
色谱的分类
按 照 分 离 过 程 中 相 系 统 的 形 式 和 特 征 填充柱色谱法
柱色谱法
毛细管色谱法
1
纸色谱法
平板色谱法
薄层色谱法
2
依 据 色 谱 过 程 中 流 动 相 和 固 定 相 的 物 理 状 态
流动相
气相色谱法
固定相
气固色谱法 气液色谱法
液固色谱法
液相色谱法
液液色谱法
31.25
15.6 15.6 7.8 7.8 3.9 3.9
78.1
117.2
136.7
1.98 1.98
136.7
0.99 0.99
123.1
0.5 0.5
102.5
0.25 0.25
80.5
单一组分在色谱柱内的分配过程。若试样为多组分 混合物，则经过很多次的分配平衡后，如果各组分 的分配系数有差异，则在柱出口处出现最大浓度时 所需的载气板体积数亦将不同。由于色谱柱的塔板 数相当多，因此，分配系数有微小差别，仍可获得 好的分离效果。
达到分配平衡状态
6v 7v 8v 9v 10v 11v 12v 13v
187.5 125 156.3 156.3 117.2 156.3 82 136.7 54.65 109.4 35.1 82 22 58.8 13.5 40.2
125 31.25 156.3 78.1 156.3 117.2 136.7 136.7 109.4 136.7 82 123.1 58.8 102.5 40.2 80.5
3 调整保留时间 t'R = tR
－ tM
4 分配比k，也称容量因子。为组分在固定相和流动相中分 配量之比,k = p/q= t'R / tM 。
（5）保留体积VR：组分从进样开始到柱后出现 浓度最大值时所通过的载气体积（ml）。
VR = tR * FC FC为校正到柱温、柱压下， 载气在柱内的平均流速 死体积VM：色谱柱内除了填充固定相以外 的空隙体积。 VM = tM * FC 调整保留体积VM′：扣除死体积后的保留体 积。
组份在塔板中的分配
r=0 r=1 r=2 r=3 r = 4 进入检测器 r=0 500 500 500 500 250 250 250 125 125 250 62.5 62.5 187.5 31.25 31.25 125 15.6 15.6 78.1 7.8 7.8 46.85 3.9 3.9 27.3 1.98 1.98 15.6 0.99 0.99 8.8 0.5 0.5 4.9 0.25 0.25 2.7 250 125 187.5 187.5 125 187.5 78.1 156.3 46.85 117.2 27.3 82 15.6 54.65 8.8 35.1 4.9 22 2.7 13.5 187.5 62.5 62.5 125 250 250 250 125 125 62.5 62.5 31.25 31.25 250 250 250 250 187.5 187.5 125 125 78.1 78.1 46.85 46.85 27.3 27.3 15.6 15.6 8.8 8.8 4.9 4.9 2.7 2.7 1.5 1.5 125 125 187.5 187.5 187.5 187.5 156.3 156.3 117.2 117.2 82 82 54.65 54.65 35.1 35.1 22 22 13.5 13.5 8.1 8.1 62.5 r=1 r=2 r=3 r=4
VR′= tR′* FC = VR―VM
（6）相对保留值（r2‚1）：组分２的调整保留值 与组分１的调整保留值之比。
r2.1
' tR 2
t
' R1

VR' 2 VR'1
r2‚1可用来表示色谱柱即固定相的选择性，又称选 择因子。r2‚1值越大，两组分的tR′相差越大，分离 越好，r2‚1=1时，两组分不能分离。 相对保留值的特点：r2‚1只与柱温及固定相的性质 有关，而与柱径、柱长、填充情况及流动相无关。 因此，它是GC中广泛使用的定性依据。
（7）区域宽度:是组分在色谱柱中谱带扩张的函数，反
映了色谱操作条件的动力学因素。度量法有:标准偏差；
半峰宽W1/2；基线宽度Y。 标准偏差：0.607倍峰高处色谱峰宽的一半； 半峰宽W1/2：峰高一半处对应的峰宽度；
W1/2 = 2.354
基线宽度W: 色谱峰两侧拐点上的切线在基线上的截距。 W=4
⑶ 传质阻力相C
传质阻力系数C = 气相传质阻力Cg + 液相传质阻力Cl
0.01 k 2 dp2 Cg 2 1 k Dg
df 2 k Cl 2 3 1 k Dl
2
液膜 厚度
结论：① 采用粒度 小的填充物。
结论：① 降低固定相的含 量，以降低液膜厚度。
② 采用相对分子
两相中的相对量，而不是相对浓度，因此，分配比是衡
量色谱柱对组分保留能力的重要参数，k值越大，保留 时间越长。
色谱流出曲线可以得到的重要信息
根据色谱峰的个数，可以判断试样中所含组分 的最少个数。
根据色谱峰的保留值或位置，可以进行定性分 析。 根据色谱峰下的面积或峰高，可以进行定量分 析。 色谱峰的保留值及其区域宽度，是评价色谱柱 分离效能的依据。
量小的气体作载气， 可减小Cg，提高柱
② 采用比表面积较大的
载体来降低液膜厚度。 ③ 控制适当的柱温。
效。
范第姆特方程式对选择色谱分离条件具有指导意义。它 指出了色谱柱填充的均匀程度、填料粒度的大小、流动 相的种类及流速、固定相的液膜厚度等对柱效的影响。
（4）载气流速对板高的影响
由范第姆特方程H = A + B/U + CU 绘制的H——U曲线， 曲线的最低点对应的塔板高度最小，该点的流速为流动 相的最佳流速。 为了缩短分析时间，往往使流
两组分具有不同的分配系数是色谱分离的 先决条件。
⑴ 分配系数是组分在两相中的浓度比，分配比则是组分
在两相中分配总量之比。它们都与组分及固定相的热力
学性质有关，并随柱温、柱压的变化而变化。 ⑵ 分配系数只决定于组分和两相性质，与两相体积无关。 分配比不仅决定于组分和两相性质，且与相比有关。 ⑶ 对于一给定色谱体系，组分的分离最终决定于组分在