第14章色谱法导论

柱
检测器 记录仪
现代色谱， 在线检测
温控
概述 色谱法是一种分离技术，是混合物最有效的分离、
分析方法。
试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在称之为色
谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程。
其中的一相固定不动，称为固定相；
另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体（气体
或液体），称为流动相。
色谱法原理
2. 分配系数与分配比都是衡量色谱柱对组分保留能力的
参数，数值越大，该组分的保留时间越长。 3. 分配比可以由实验测得。
容量因子与分配系数的关系 mS cs VS K k' mm cm Vm
式中β为相比，即β=Vm/Vs 。 填充柱相比：6～35；毛细管柱的相比：50～1500。
dR为保留距离
理论塔板数越多
理论塔板高度越小 色谱峰越窄
L H n
采用塔板数来评价色 谱柱柱效时，必须指明
表明柱效越高
塔板理论优缺点 优点：简明、直观
组分 固定相 流动相 操作条件
缺点：理想假设，未反映色谱条件
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，柱效则越高，即使 分配系数只有微小的差别，仍可获得好的分离效果。 (2)不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用塔板数和 塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。 (3)n和H不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分分 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（如塔板高度H）的 因素及提高柱效的途径。
（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。
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。 塔板理论的假设： (1) 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；
流动相
气体 气体 液体 液体
固定相
固体 液体 固体 液体
种类
气固色谱法 气液色谱法 液固色谱法 液液色谱法
气相色谱法 液相色谱法
（2） 按固定相使用的形式可分为
柱色谱（Column Chromatography）
将固定相装在色谱柱内 纸色谱（Paper Chromatography） 用滤纸做固定相或固定相载体的色谱 薄层色谱（Thin Lay Chromatography） 固定相均匀涂在玻璃板或塑料板上
(4) 每次分配的分配系数相同。
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 色谱峰的方差 与柱长或保留时间的关系为：
H
2 L
L

t2 L
t
2 R
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
第14章
色谱分析导论
主要内容：色谱法分类，塔板理论，速率理论，分离度 及基本分离方程。
重点： （1）影响色谱分离的热力学和动力学因素，速率理论 方程式对分离的指导意义； （2）柱效及分离度的表示及计算方法
问题
问题1：什么是色谱法？ 问题2：为什么色谱法能将混合物分开？ 问题3：色谱法的分类？
问题4：各种色谱法的应用范围？
L
2rDm u Dm
速率理论方程
H 2d p
d p 2 u

qk d f u
2
(1 k ) 2 DS
简写为
H A B C m u C s u A B Cu u u
由该式知,u一定时，当A、B、C较小时，H才能较小；反之，则相反。 即柱效较低，色谱峰将展宽
2
固定相传质 (1 k ) 2 D S
① 涡流扩散
e 2d p L
λ ：填充不规律因子，λ ＜1 选择细而均匀的颗粒
d p：固定相颗粒平均直径
L ：柱长 尽可能使用短柱
2
涡流扩散与
组分 流动相 无关 线速度
② 纵向分子扩散

1
2
L 2Dm u
u
L
Dm
弯曲因子 流动相线速度
VM为流动相体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积；
VS为固定相体积，对不同类型色谱柱，VS的含义不同:
气-液色谱柱： VS为固定液体积； 气-固色谱柱： VS为吸附剂表面容量；
• 色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组分要
达到完全分离，两峰间的距离必须足够远，两峰间的 距离是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱 过程的热力学性质有关。 • 但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致 彼此重叠，还是不能分开。这些峰的宽或窄是由组分 在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即与色谱过程的 动力学性质有关。因此，要从热力学和动力学两方面 来研究色谱行为。
色谱流出曲线的意义
由色谱流出曲线可以实现以下目的： （1）根据色谱峰的数目，可以判断试样中所含 组分的最少个数。 （2）根据色谱峰的保留值进行定性分析。 （3）依据色谱峰的面积或峰高进行定量分析。 （4）依据色谱峰的保留值以及峰宽评价色谱柱 的分离效能。
三. 色谱分析基本原理
热力学因素 色谱分离是一个非常复杂的过程：
柱长 组分在流动相中的扩散系数 与组分、流动相性质及柱温有关
1 M
Dm
流动相相对分子质量
氢、氮
↑ Dm ：Tc ↑ 而 Dm
Dm↓ 柱压↑，
在液相色谱中，Dm很小（1/105), 纵向分子扩散忽略
③ 流动相传质阻力
m
2
d p Lu
2
Dm

由柱填充性质决定
组分从流动相
↓ 扩散 固定相界面
色谱理论需要解决的问题？
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；
（3） 分析速度快
一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。
（4） 应用范围广
气相色谱：沸点<400℃的各种有机或无机试样的分析。 液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。 不足之处： 被分离组分的定性较为困难。
二. 色谱流出曲线和术语
⒈ 色谱流出曲线 或
溶解、挥发
吸附、解吸
利用各组分在固定相中的分配系数不同，就可达到分
分配系数和分配比
动力学因素
分配系数（ partition factor） K
组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、挥 发的过程叫做分配过程。在一定温度下，组分在两相间分 配达到平衡时的浓度（单位：g / mL）比，称为分配系数， 用K 表示，即：
组分在固定相中的浓度 cs 组分在流动相中的浓度 cM
保留体积（VR）：
VR = tR×F0
F0为柱出口处的载气流量，
单位：m L / min。
死体积（V0）：
V0 = t0 ×F0
调整保留体积(VR＇)：
V R＇ = VR －V0
组分的线速度（cm/s）：
L r tR
流动相的线速度（cm/s）：
L为柱长
L u t0
5. 相对保留值α2，1
组分2与Biblioteka Baidu分1调整保留值之比：
⑵ 如何获得高柱效
应与实际条件结合——（提出速率理论） 塔板理论忽略了在色谱分 配过程中，组分在两相中的 扩散 传质
的动力学因素
Van Deemter在1956年提出速率理论 涡流扩散
2
方差
2d p L
e
1
m
S
四种动力学过程
L 纵向分子扩散 2rDm u
流动相传质
wd p Lu Dm
2 qk d f Lu
4.保留值
表示试样中各组分在色谱柱 中滞留时间的数值 。 （1）时间表示的保留值 保留时间（tR）：组分从 进样到柱后出现浓度极大 值（即色谱峰顶值）时所 需的时间； 死时间（t0）：不与固 定相作用的气体（如空 调整保留时间（tR ＇）：
气）的保留时间；
tR ＇ = tR － t0
（2）用体积表示的保留值
α 2，1 = t´R2 / t´R1= V´R2 / V´R1 相对保留值只与柱温和固 定相性质有关，与其他色 谱操作条件无关，它表示 了固定相对这两种组分的 选择性，所以又称为选择 因子。
6. 区域宽度
用来衡量色谱峰宽度的参数，有 三种表示方法： （ 1 ）标准偏差 ( ) ：即 0.607 倍峰 高处色谱峰宽度的一半。 （ 2 ）半峰宽 (W1/2) ：色谱峰高一 半处的宽度 W1/2 =2.354 （3）峰底宽(Wb)：Wb=4
混合物中各组分性质和结构上的差异，与固定相之间的 作用力强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过 反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同 ，从而按一定次序从色谱柱中流出。 与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组 分的分离与检测。

两相及两相的相对运动构
成了色谱法的基础
2. 色谱法的分类 从不同角度，可将色谱法分类如下： （1） 按两相状态分类
(3)其他色谱方法
凝胶色谱法：测聚合物分子 量分布。 超临界色谱: CO2流动相。
高效毛细管电泳:
九十年代快速发展、特别 适合生物试样分析分离的高 效分析仪器。
色谱法的特点
（1）分离效率高
复杂混合物，有机同系物、异构体，手性异构体。
（2） 灵敏度高
可以检测出μg·g-1(10-6)级甚至ng· g-1(10-9)级的物质量。
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。 • 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
分配比（容量因子）k’
在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的质量比：
组分在固定相中的时间 tR t0 t 'R k' 组分在流动相中的时间 t0 t0 固定相中组分的摩尔数 固定相中组分的质量 ms 流动相中组分的摩尔数 流动相中组分的质量 mM
1. 分配系数与分配比都是与组分及固定相的热力学性质 有关的常数，随分离柱温度、柱压的改变而变化。
n有效
' ' tR t 5.54( ) 2 16( R ) 2 Y1/ 2 Wb
H 有效
L n有效
如何表示柱效?
n 5.54( tR 2 V d ) 5.54( R ) 2 5.54( R ) 2 W1 W1 W1
2 2 2
或
tR 2 VR 2 dR 2 n 16( ) 16( ) 16( ) Wb Wb Wb
离的目的。 分配系数大的组分，滞留在固定相中的时间长，在柱
内移动的速度慢，后流出柱子；
分配系数小的组分，则相反。
1.基线
无试样通过检测器时，检测到的信号即为基线。
2.色谱峰
当某组分从色谱柱流出时，检测器对该组分的响应信号随时间 变化所形成的峰形曲线称为该组分的色谱峰。
3.峰高(h)
色谱峰顶到基 线的垂直距离
K
分配系数是色谱分离的依据。 G 0 Tc↑ K↓ ln K RTc
分配系数 K 的讨论
组分在固定相中的浓度 K 组分在流动相中的浓度
一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢； 试样一定时，K主要取决于固定相性质； 同一个组份在不同的固定相上的分配系数K不同； 选择适宜的固定相可改善分离效果； 试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础； 某组分的K = 0时，即不被固定相保留，最先流出。
↓
的传质过程所受到的 阻力，称为流动相传 质阻力。
④ 固定相传质阻力
q
与固定相性质、构型有关
s
2
qk d f Lu
2
k 分配比
d f 有效平均液膜厚度
DS 组分在固定液中扩散系数
(1 k ) 2 DS
2 速率理论方程： 具有加和性
H
2
L

e 2 12 m 2 s 2
色谱法发展史
色谱法创立于1906年，当时俄国植物学家 茨维特(Tswett)在研究植物色素成分时发现 的。 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！
一. 色谱法及其分类
经典色谱，
离线检测
气体 或 液体