第九章、色谱分析导论

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D—组分在流动相中的扩散系数。组份为气体或液体时,分别以Dg或Dm表示;
3)传质阻力项(Mass-transfer term, Cu) a)气液色谱:传质阻力项C包括气相传质阻力系数Cs和液相传质阻力系数Cl。
2 dp d2 0.01k 2 2 k f C C g Cl [ ] [ ] 2 2 3 ( 1 k ) Dl ( 1 k ) Dg
注意:r2,1只与柱温和固定相性质有关,在色谱分析中,尤其是GC中广泛用于 定性的依据!
h. 区域宽度:用于衡量柱效及反映色谱操作条件下的动力学因素。通常有 三种表示方法: 标准偏差:0.607倍峰宽处的一半。 半峰宽W1/2:峰高一半处的峰宽。W1/2=2.354 峰底宽W:色谱峰两侧拐点上切线与基线的交点间的距离。W= 4
第九章 色谱分析方法导论
9.1 概述
历史、色谱分离过程、分类
9.2 色谱流出曲线 色谱图及相关术语 9.3 色谱法基本原理 描述分配过程参数、峰间距、峰形状和峰宽的理论描述(塔板理论及速率 理论) 9.4 分离度及色谱分离方程 分离度及色谱分离方程、影响分离的因素
9.1 概述
(一)发展史:
•1903年,俄国植物学家Mikhail Tswett 最先发明; •50年代,色谱发展最快(一些新型色谱技术的发展 ;复杂组分分析发展的要求; • 1937-1972年,15年中有12个Nobel奖是有关色谱研 究的!
二、色谱分离方程
R 的定义并未反映影响分离度的各种因素。也就是说,R 未与影响其大小 的因素:柱效n、选择因子 和保留因子 k 联系起来。 对于相邻的难分离组分,由于它们的分配系数 K 相差小,可合理假设 k1k2=k,W1 W2=W。因此可导出R与n(neff)、 和 k 的关系:
n 1 k R ( )( ) 4 1 k
3 按两相的状态分为:
• 气相色谱 • 液相色谱
9.2 色谱流出曲线(色谱图)
混合组分的分离过程及检测器对各组份在不同阶段的响应
色谱术语: 1)基线:在实验条件下,色谱柱后仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线 称为基线, 2)峰高:色谱峰顶点与基线的距离。 3)保留值(Retention value, R)
K
溶质在固定相中的浓度 c s 溶质在流动相中的浓度 cm
K 只与固定相和温度有关,与两相体积、柱管特性和所用仪器无关。
2. 分配比(Retention factor or capacity factor, k):
在一定温度和压力下,组份在两相间的分配达平衡时,分配在固定相和 流动相中的质量比,称为分配比。它反映了组分在柱中的迁移速率。又称保 留因子。

R neff 4
1 ( )
概念、表示方法及计算公式汇总
参数 死时间 (迁移时间),不参 t 0 与分配组分 保留时间,组分 1 和 2 符号 测定或计算 色谱图 色谱图
t r1, t r2
t 'r1
W1,W2 L Fco Vm,Vs cm,cs
表-1
调整保留时间,组分 1 峰宽,组分 1 和 2 柱长 流速 流(固)定相体积 流(固)定相浓度
(三) 色谱分类方法: 1. 按固定相外形分: 柱色谱(填充柱、空心柱)、平板色谱(薄层色谱和纸色谱)。 2. 按组份在固定相上的分离机理分: 吸附色谱:不同组份在固定相的吸附作用不同; 分配色谱:不同组份在固定相上的溶解能力不同;
离子交换色谱:不同组份在固定相(离子交换剂)上的亲和 力不同;
凝胶色谱(尺寸排阻色谱)不同尺寸分子在固定相上的渗透作 用。
Cg
组分分子
流动相
讨论: 减小填充颗粒直径dp; 采用分子量小的流动相,使Dg增加; 减小液膜厚度 df , Cl 下降。 但此时 k 又减小。
固液界面
固定液
因此,当保持固定液含量不变时,可通过
增加固定液载体的比表面来降低df。但比 表面过大又会因吸附过强使峰拖尾。 增加柱温,可增加Dl,但k值也减小,为保
n 5.54(
若柱长为L,则每块理论塔板高度H为
tr 2 t ) 16( r )2 W1 / 2 W
H
L n
通常以有效塔板数neff 和有效塔板高度Heff 表示:
neff
t 'r 2 t 'r 2 5.54( ) 16( ) W1 / 2 W L neff
H eff
2. 速率理论(Rate theory) 吸收了塔板理论中的板高H概念,考虑了组分在两相间的扩散和传质过 程,从而给出了van Deemter方程:
Cl
持合适Cl值,应控制柱温。
b)液液色谱:传质阻力项 C包括流动相传质阻力系数 Cm和固定相传质阻力
系数Cs。
C Cm C s
讨论:
2 ( m sm )d p
Dm

s d 2 f
Ds
sm
流动相传质阻力包括两方面:流动相中的传质阻力Cm、滞留的流动相传
质阻力Cs 。分别与填充物大小 dp、扩散系数(Dm)、微孔大小及其数量等 有关。 因此,降低流动相传质阻力的方法有:细颗粒固定相、增加组分在 固定相和流动相中的扩散系数D、适当降低线速度、短柱。 固定相传质阻力与液膜厚度df、保留因子 k 和扩散系数Ds等有关。 因此,降低固定相传质阻力的方法有:与气液色谱中液相传质阻力的 表述相同。
塔板理论假定:
1)塔板之间不连续; 2)塔板之间无分子扩散; 3)组分在各塔板内两相间的分配瞬间达至平衡,达一次平衡所需柱长为理论 塔板高度H; 4)某组分在所有塔板上的分配系数相同; 5)流动相以不连续方式加入,即以一个一个的塔板体积加入。
根据呈正态分布的色谱流出曲线可以导出计算塔板数n的公式,用以评价一根柱 子的柱效。塔板数又称理论塔板数:
t r2 t 0 t r1 t 0
k2 K 2 k1 K1
R
2( tr 2 tr 1 ) W1 W2
n 1 k ( )( ) 4 1 k
n 16(
tr 2 ) W
n 16R2 (
1
)2 (
1 k 2 ) k
H L N
保留 ( 分析 ) 16R2 H 2 ( 1 k )3 tr ( ) 时间 u 1 k2
e. 保留体积Vr:指从进样到待测物在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相
的体积。
Vr tr Fco
f. 调整保留体积 Vr' :某组份的保留体积扣除死体积后的体积。
Vr' Vr V0 t'r Fco
g. 相对保留值r2,1:组份2的调整保留值与组份1的调整保留值之比。
t'r 2 Vr'2 r2 ,1 ' ' t r 1 Vr 1

2( t r2 t r1 ) W1 W2

( t r2 t r1 ) W
利用此式,可直接从色谱流出曲线上求出分离度R。
R 越大,相邻组分分离越好。当 R=1.5 时,分离程度可达 99.7% ,因此
R=1.5通常用作是否分开的判据。
R=0.75
响应信号
R=1.0
R=1.5
保留时间 t, min
d. 死体积V0:色谱柱管内固定相颗粒间空隙、色谱仪管路和连接头间空隙 和检测器间隙的总和。忽略后两项可得到:
V0 t0 Fco
Fco F0 Tc p0 pw Tr p0
其中,Fco为柱出口的载气流速(mL/min),其值为:
F0-检测器出口流速;Tr-室温;Tc-柱温;p0-大气压;pw-室温时水蒸汽压。
t 'r1 t r1 t0
色谱图 直接测量 直接测量 填充制备记录 分析和制备记录
参数 线速
流动相体积
符号
测定或计算
u L/ t0
Vm t0 Fco
k ( t r t0 ) / t0
K

k KVs Vm
保留因子 分配系数
表-2
kVm Vs
K

R
cs cm
选择因子 分离度 塔板数 板高
(二)色谱分离基本原理
使用外力使含有样品的流动相(气体、液体或超临界
流体)通过一固定于柱或平板上、与流动相互不相溶的
固定相表面。样品中各组份在两相中进行不同程度的作 用。与固定相作用强的组份随流动相流出的速度慢,反 之,与固定相作用弱的组份随流动相流出的速度快。由 于流出的速度的差异,使得混合组份最终形成各个单组 份的“带(band)”或“区(zone)”,对依次流出的各个单组 份物质可分别进行定性、定量分析。
a. 死时间(Dead time, t0) :不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大值时
的时间,它与色谱柱的空隙体积成正比。
u
b. 保留时间tr:试样从进样到出现峰极大值时的时间。 c. 调整保留时间 :某组份的保留时间扣除死时间后的保留时间,它是组份在 t 'r 固定相中的滞留时间。即
t'r tr t0
H A
B Cu u
u 为流动相线速度; A,B,C为常数,其中 A—分别表示涡流扩散系数; B—分子扩散系数; C—传质阻力系数(包括液相和固相传质阻力系数)。
1)涡流扩散项(Multipath term, A) 从图中可见,因填充物颗粒大小及填充的不均匀性 ——同一组分运行路线长短不同 ——流出时间不同 ——峰形展宽。 展宽程度以A表示:
色谱流出曲线的意义:
色谱峰数=样品中单组份的最少个数; 色谱保留值——定性依据; 色谱峰高或面积——定量依据; 色谱保留值或区域宽度——色谱柱分离效能评价指标;
色谱峰间距——固定相或流动相选择是否合适的依据。
9.3 色谱法基本原理
两组份峰间距足够远:由各组份在两相间的分配系数决定,即由色谱过程的 热力学性质决定。 每个组份峰宽足够小:由组份在色谱柱中的传质和扩散决定,即由色谱过程 动力学性质决定。 因此,研究、解释色谱分离行为应从热力学和动力学两方面进行。 一、描述分配过程的参数 1. 分配系数(Distribution constant, K): 描述组份在固定相和流动相间的分配过程或吸附 - 脱附过程的参数,称 为分配系数。
例 : 两 物 质 A 和 B 在 30cm 长 的 色 谱 柱 上 的 保 留 时 间 分 别 为 16.4 和 17.63min,有一不与固定相作用的物质,其在此柱上的保留时间为 1.30 min。物质A和B的峰底宽分别为1.11和1.21min。试问: 1)柱分辨率R; 2)柱平均理论塔板数nav 3)平均塔板高度Hav 4)若要求R达到1.5,则柱长至少应为多少? 5)使用上述较长的柱进行分析时,其分析时间为多长? 6)不增加柱长,要求在原来的分析时间内R达到1.5,该柱的塔板高度 应为多少?
k
cV 组分在固定相中的质量 ms s s 组分在流动相中的质量 mm cmVm
其中VmV0,Vs为固定相体积。
此外,分配比也可以用组分停留在两相之间的保留值来表示: k=t’r/t0=V’r/V0,; k越大,说明组分在色谱柱中停留时间越长
二、色谱分析的基本理论 1. 塔板理论(Plate theory)
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4)流速u 由van Deemter方程 H = A + B/u + Cu知道: 当u一定时,仅在A、B、C较小时,H较小,柱效较高;反之则柱效较低, 色谱峰将展宽。 以u对H作图,可得H-u曲线(如图),从该曲线得到:
涡流扩散项A与流速u无关; 低流速区(u小),B/u大,分子扩散项占主导,
流动方向
A=2dp
其中dp—填充物平均直径;—填充不规则因子。
可见,使用细粒的固定相并填充均匀可减小 A,提高柱效。对于空心毛细 管柱,无涡流扩散,即A=0。
2)分子扩散项(Longitudinal diffusion term, B/u) 是由于浓度梯度引起的。范氏方程式为:B=2D
—称为弯曲因子,它表示固定相几何形状对自由分子扩散的阻碍情况;
BC ); B / C)
Hmin
下的
LC的Hmin和uopt均比GC的小一个数量级,即在 LC中,较低流速可获得较大的柱效。
9.4 分离度及色谱分离方程 一、分离度(Resolution, R) 同时反映色谱柱效能和选择性的一个综合指标。也称总分离效能指标或分 辨率。其定义为:
R
t r2 t r1 1 ( W1 W2 ) 2
板高,H(cm)
此时选择分子量大的气体如N2和Ar为载气,可 减小扩散,提高柱效; 高流速区(u大),Cu大,传质阻力项占主导,
Csu Cmu A B/u
此时选择分子量小的气体如H2和He为载气, 可增加扩散系数,提高柱效; 曲线的最低点对应最佳线速uopt( 最小板高Hmin( A 2
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