色谱法概论课件

W Y
40
塔板理论
一种半经验性的平衡理论
贡献
• 用热力学的观点阐明了溶质在色谱柱中的分配平衡 和分离过程
• 解释了流出曲线的形状及浓度极大值的位置
缺点
• 提出了计算和评价柱效的参数
• 不能解释造成谱带扩张的原因和影响板高的各种因素 • 不能说明同一溶质为什么在不同的流速下，可以测得不同的理论塔板数
程。
Cg
0.01k'2 (1k')2
• dp2 Dg
采用粒度小的填充物和相对分子质量小的气体（如氢气）做载气，可使Cg减小， 提高柱效。
液相传质过程是指试样组分从固定相的气/液界面 移动到液相内部，并发生质量交换，达到分配平衡，然 后又返回气/液界面的传质过程。
Cl
2• k' 3 (1k')2
•d2f Dl
保留值。
'
tR2
2,1
'
tR1
V' R2
V' R1
由于相对保留值只与柱温及固定相性质有关，而与柱径、柱 长、填充情况及流动相流速无关，因此，它在色谱法中，特别是 在气相色谱法中，广泛用作定性的依据。
在定性分析中，通常固定一个色谱峰作为标准（s），然
后再求其它峰（i）对这个峰的相对保留值 i / s 。
9.2 色谱分离原理
一、分离过程
特点：不同组分在柱中移动速度不等； 各组分沿柱子扩散分布。
二、色谱图及常用术语
由检测器输出的信号强度对时间作图，所得 曲线称为色谱流出曲线。曲线上突起部分就是 色谱峰。
如果进样量很小，浓度很低，在吸附等温线 （气固吸附色谱）或分配等温线（气液分配色 谱）的线性范围内，则色谱峰是对称的。
van Deemter方程的数学简化式为
HABCu u
ū 为流动相的平均线速度，单位：cm/s； A、B、C、为常数，分别代表涡流扩散系数、分子 扩散项系数、传质阻力项系数。
（1）涡流扩散项 A
在填充色谱柱中，当组分随流动相向柱出口迁移时，流动 相由于受到固定相颗粒障碍，不断改变流动方向，使组分分子在 前进中形成紊乱的类似涡流的流动，故称涡流扩散。
n L H
n 称为理论塔板数 n 越大或 H 越小,柱效率越高,分离能力越强.
塔板理论指出：
第一，当溶质在柱中的平衡次数，即理论塔板数 n 大于50时， 可得到基本对称的峰形曲线。在色谱柱中，n 值一般很大， 如气相色谱柱的 n 约为103 -106 ，因而这时的流出曲线可 趋近于正态分布曲线。
第二，当样品进入色谱柱后，只要各组分在两相间的分配系
(1) 根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组分的最少个数； (2) 根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析； (3) 根据色谱峰的面积或峰高，可以进行定量分析； (4) 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； (5) 色谱峰两峰间的距离，是评价固定相（或流动相）选择是否合
适的依据。
Wb = 4
（四）保留值 1.保留值的定义
(1)死时间tM 不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时，从进样到出现
峰极大值所需的时间称为死时间.
tM
L u
L为柱长(cm) ū为流动相平均线速度(cm/s)
(2) 保留时间tR 试样从进样到柱后出现峰极大点时所经过的时间，称为保留时间.
(3)调整保留时间tR´ tR´= tR tM
柱温、柱压等因素有关。
宜采用相对分子质量较大的 载气（如N2），较高载气线速度， 较低柱温。
(3) 传质阻力项 Cū
物质系统由于浓度不均匀而发生的物质迁移过程，称为传质。影响 该过程的阻力，称为传质阻力。
传质阻力系数C包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数C1两项，
即
C = Cg+ C1
气相传质过程是指试样组分从气相移动到固定相表面的过
t' R2
k2'
K2
t' R1
k1'
K1
(k '
t' R2
)
tM
α是两个组分平衡常数或容量因子之比，是两组分在色谱体系中平衡分配差异的量度， 是热力学参数。它是柱温、组分的性质、固定相和流动相的性质的函数。而与其它实验条 件，如柱径、柱长、填充情况及流动相流速等无关。是广泛使用的定性数据。
从色谱流出曲线中，可得许多重要信息：
n有效 5.54W t1R '/2216W tR 'b2
有效板高 ：
H 有效
L n有效
在相同的色谱条件下，对不同的物质计算的塔板数不一样，
因此，在说明柱效时，除注明色谱条件外，还应指出用什么物质 进行测量。比较柱效时，必须把操作条件固定下来，用同一种物 质通过不同的色谱柱,分别计算出n有效进行比较.
三、速率理论
1956年荷兰学者van Deemter（范第姆特）等在研究 气液色谱时，提出了色谱过程动力学理论——速率理论。 他们吸收了塔板理论中板高的概念，并充分考虑了组分在 两相间的扩散和传质过程，从而在动力学基础上较好地解 释了影响板高的各种因素。该理论模型对气相、液相色谱 都适用。
1 气相色谱的速率理论
这一方程对选择色谱分离条件具有实际指导意义，它指 出了色谱柱填充的均匀程度，填料颗粒的大小，流动相的种 类及流速，固定相的液膜厚度等对柱效的影响。
在多元混合物分析中，通常选择一对最难分离的物质对，
将它们的相对保留值作业重要参数，称选择因子，用符号表示，
即
t' R2
t' R1
式中tR (2)为后出峰的调整保留时间，所以总是大于1的。 可作为衡量固定相选择性的指标。
越大，越容易分离。=1，分离不能实现。
k'pcsVs KVs K
q cmVm Vm
K 与 k' 是两个不同的参数，但在表征组分的分离行为时，二者完全等效。 k' 可以方便地从色谱图直接求得，所以它是一个重要的色谱参数。
二、塔板理论
把色谱柱比作一个精馏塔，即色谱柱是由一系列连续 的、相等的水平塔板组成。每一块塔板的高度用 H 表示， 称为塔板高度，简称板高。
塔板理论假设：在每一块塔板上，溶质在两相间很快 达到分配平衡，然后随着流动相按一个一个塔板的方式向 前转移。对一根长为 L 的色谱柱，溶质平衡的次数应为：
9.3 色谱基本理论
分配系数和容量因子 塔板理论 速率理论 分离度
9.3 色谱基本理论
一、分配系数和容量因子
1. 分配系数（平衡常数）K
指在一定和温度和压力下，组分在两相间达到 分配平衡时，组分在固定相中的浓度cs与组分在流 动相中的浓度cm之比。
K cs cm
K： 与温度、压力有关外，还与组分性质、固定相 和流动相性质有关。
不同组分K值的差异，是实现色谱分离的先决条件。
2、容量因子（分配比）k 指在一定温度和压力下，组分在两相间达到分配
平衡时，组分在固定相中的质量 p 与组分在流动相 中的质量 q 之比。
k' p q
分配系数与容量因子关系：
Kcs p/Vs pVmk'
cm q/Vm q Vs
Vm/Vs 称为相比
k'：与温度、压力有关外，还与组分性质、固 定相和流动相性质及 有关。
可以互相讨论下，但要小声点
色谱法的特点和应用
1.分离效能高 2.灵敏度高 可检测10-11~10-13g,适于痕量分析.色
谱分析需试样量极少(g或ng). 3.分析速度快 4.应用范围广
缺点：对未知物的定性分析比较困难。 方向：高选择性检测器；联用技术（ GC-MS、 GC-FTIR、LC-MS、LC-NMR等）。
3. 保留值与容量因子的关系
k' K1KVs KVs
Vm VM
将色谱过程基本方程代入：
k' VR VM Vs
Vs VM
可得： k' VRVMVR ' tR ' tRtM
VM VM tM tM
将该式改为：
VR VM(1k')
tR tM(1k')
tR
L u
(1
k
')
4.相对保留值 2 ,1
某组分2的调整保留值与组分1的调整保留值之比，称为相对
数有微小差异，经过反复多次的分配平衡后，仍可获得良
好的分离。
第三，n 与半峰宽及峰底宽的关系式为：
n5.54W t1R/2
2
16W tRb2
式中tR 与W1/2 ( Wb )应采用同一单位（时间或距离）。 tR 一定时，色谱峰越窄，n 越大，H 越小，柱效能越高。
在实际工作中，计算出来的 n 和 H 值有时并不能 充分地反映色谱柱的分离效能，因为采用tR计算时，没 有扣除死时间tM， 所以常用有效塔板数 n有效 表示柱效：
2. 保留值与平衡常数K 的关系
根据物料平衡： 两边同除以cm:
VRcmV m cmV scs
VR
Vm
cs cm
Vs
平衡常数K＝cs/cm，且Vm≈VM:
VR VMKVs
或:
VR' KVs
该式是色谱过程的基本方程，它将反映色谱行为的保留值（ VR、 V'R 、 VM） 与反映物质性质的热力学常数K联系起来。
（一） 基线
当没有待测组分进入检测器时,在实验操作条件下， 反映检测器噪声随时间变化的曲线称为基线，稳定的基 线应该是一条水平直线。
（二）峰高
色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以（h）表示。
（三）区域宽度
用于衡量柱效率及反映色谱操作条件的动力学因素。 表示色谱峰区域宽度通常有三种方法: 1)标准偏差---即0.607倍峰高处色谱峰宽的一半。 2)半峰宽W1/2---即峰高一半处的峰宽度。它与标准偏差的关系 为: W1/2=2.354 3)峰底宽度Wb--即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上截距间的 距离。它与标准偏差的关系是