第十章 色谱分离过程

第四节 色谱分离过程基础理论
色谱理论研究色谱过程中分子运动的规律，探讨微
观分子运动与色谱分离的内在联系。它包括三个基
本理论问题：
(1)色谱过程热力学——高选择性色谱分离的理论基础； ⑵ 色谱过程动力学——高效色谱分离的理论基础； ⑶ 色谱分离条件的选择——多元混合物分离最优化理论。
一、色谱过程
组 分 在 色 谱 柱 内 运 动
三.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μ g.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量。 （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：沸点低于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。
峰宽分离度R 国家标准分离度
2(t R 2 t R1 ) t R 2 t R1 R W1 W2 W
当两峰高相差不大,
且峰型接近时 可以认为W1=W2 =W 当R=1时，分离程度达到94% 当R=1.5时，分离程度达到100%
3.柱效应 色谱柱的理论塔板数、塔板高度 反应不同时刻溶质在色谱柱中的分布以及分离度与柱高之间 的关系 理论塔板数的计算方法：
分配系数的微小差异→吸附能力的微小差异 微小差异积累→较大差异→吸附能力弱的组分先流出； 吸附能力强的组分后流出
二、固定相（色谱柱填料）
1.固体固定相
a 常用的固体吸附剂：活性炭，硅胶，氧化铝，分子筛等
作用机理：吸附占主导地位 b 新型的固体固定相：高分子多孔微球 低温时，吸附占主导地位，高温时分配占主导地位 c 化学键合固定相：分配占主导地位
固定液的选择原则：
“相似相溶”，选择与试样性质相近的固定相。
A 非极性样品选用非极性固定液（主要作用力为色散力） 流出顺序：沸点低的先流出，同沸点的极性组分先流出 B 中等极性样品选用中等极性固定液（主要作用力为静电力）
流出顺序：沸点低的先流出，同沸点的极性小的组分先流出
C 强极性样品选用强极性固定液（主要作用力为静电力） 流出顺序：极性低的先流出
3.按色谱过程的机理分类：
吸附色谱：用固体吸附剂作固定相，利用组分在吸附剂上吸附 力的不同，因而吸附平衡常数不同而将组分分离
分配色谱：用液体作固定相，利用组分在液相中的溶解度不同， 因而分配系数不同进行分离 离子交换色谱：利用离子交换原理 排阻色谱：利用分子大小不同 电色谱：利用带电物质在电场作用下移动速度不同进行分离
色谱柱
检测器
色谱图
色谱仪
溶质浓度分布 柱内：谱带 柱后：色谱峰
差速迁移指不同组分通过色谱柱时的移动速度不同。样品注入
色谱柱时，由于流动相以一定速度通过固定相，使样品中各组 分在两相之间进行连续多次的分配。 由于组分与固定相和流动相作用力的差别，在两相中的分配系 数不同。
在固定相溶解或吸附大的，即分配系数大的组分，迁移速度？
从平衡色谱理论导出的溶质谱带迁移速率方程及相应的保 留时间、保留体积表达式，初步揭示了物质在色谱柱的差速 迁移过程。非线性等温线比较好地解释了不对称色谱峰，特 别是拖尾峰的成因。但它未能阐明色谱流出曲线，实际应用 比较有限。
四、塔板理论 (the plate model)
1941 年， Martin 和 Synge 阐明了色谱、 蒸馏和萃取之间的相似性，将色谱柱设想 成由许多液液萃取单元或理论塔板组成； 与精馏相似，色谱分离也是一个分配平衡 过程。这就是 Martin 等人提出的塔板理 论。掌握这一理论的要点是：
第一节 概 述
一、色谱法的由来 1．1906年由俄国植物学家Tsweet创立 植物色素分离见图示
40年代 TLC，纸色谱 50年代 GC出现使色谱具备分离和在线分析功能 60年代末 HPLC出现，使色谱分析范围进一步扩大
2．现在：一种重要的分离、分析技术 分离混合物各组分并加以分析
图示

固定相——CaCO3颗粒 流动相——石油醚
色带
二、色谱法定义、实质和目的



定义：利用物质的物理化学性质建立的分离、分析 方法 实质：分离 目的：定性分析或定量分析
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。 固定相——除了固体，还可以是液体 流动相——液体或气体 色谱柱——各种材质和尺寸 被分离组分——不再仅局限于有色物质

N---理论塔板数 tR---保留时间 W1/2---半峰宽 Wb---峰底宽度 理论塔板高度：L---柱长
tR 2 N 5.54( ) W1/ 2
tR 2 N 16( ) Wb
L H N
三、平衡色谱理论
Wilson等人提出的平衡色谱理论的三个基本假设： l. 溶质在流动相和固定相之间的分配平衡在整个色谱 过程中都能瞬间实现； 2.传质阻力，纵向扩散对平衡的影响可以忽略； 3.溶质在色谱柱迁移过程中，在一定时间内，色谱柱 每一小段溶质量的变化符合物料平衡原理。
1.模拟移动床色谱的原理
SMB色谱由多根色谱柱（大多为512根）组成。每根柱子之间用多位阀和 管子连接在一起，每根柱子均设有样品 的进出口，并通过多位阀沿着流动相的 流动方向，周期性地改变样品进出口位 置，以此模拟固定相与流动相之间的逆 流移动，实现组分的连续分离
第二节 色谱分离过程的基本原理
一、分离原理
色谱分离过程的实质是溶质在不互溶的固定相和流动相 之间进行的一种连续多次的交换过程，它借助溶质在亮相 间分配行为的差别而使不同的溶质分离。

以吸附色谱为例 吸附→ 解吸→再吸附 →再解吸 →反复多次洗脱→ 被测组分分配系数不同→ 差速迁移 → 分离

假设→二项式分布（概率密度函数） →流出曲线→实验事实
塔板理论基本假设
l 色谱柱由一系列塔板组成
l 塔板内，组分在两相间迅速达到 平衡（理想色谱） l 组分的分配系数不随它的浓度变 化而变化（线性分布等温线） l 组分的轴向扩散为零 l 流动相的流动是跳跃过程
固定相， 流动相， H, vm， v3
主要用于分析永久性气体，如低级烷烃、氢、氧、一氧 化碳、二氧化碳、氮氧化物、硫化氢等。
2.液体固定相 组成结构：担体+固定液，前者是具有较大比表面、 化学呈惰性的一类物质，后者在色谱使用温度下呈 液体膜状态，化学性质稳定，不流失或挥发，主要 用于分析较高沸点的有机物。 对固定液的基本要求： a 蒸汽压要低，使用温度下为液体 b 热稳定要好，不挥发 c 惰性，与分析物质不产生化学反应。
4.可按仪器分:
a 气相色谱( Gas chromatography ) 填充柱气相色谱（Packed column gas chromatography） 毛细管气相色谱 (Capillary column gas chromatography) 裂解气相色谱(Pyrolysis gas chromatography ) 顶空气相色谱 ( Headspace gas chromatography) 气相质谱联用技术（Gas chromatography-Mass spectrometry） b 液相色谱仪( Liquid chromatography ) 高效液相色谱( High performance liquid chromatography) 超临界流体色谱( Supercritical fluid chromatography) 高效毛细管电泳(High performance capillary electrophoresis) 毛细管电色谱(Capillary electrochromatography) 液相质谱联用技术（Liquid chromatography- Mass spectrometry c 平面色谱法（Planar chromatography） 薄层色谱 ( Thin layer chromatography) 薄层电泳色谱 (Thin layer electrophoresis ) 纸色谱( Paper chromatography)
慢 在固定相溶解或吸附小，即分配系数小的组分，迁移速度？
快
结果是样品各组分同时进入色谱柱，而以不同的
速度在色谱柱内迁移，导致各组分分离。组分通过
色谱柱的速度，取决于各组分在色谱体系中的平衡 分布。因此，影响平衡分布的因素，即流动相和固 定相的性质、色谱柱柱温等影响组分的迁移速度。
二、保留值、分离度和柱效率
流动相 固定相
塔板号 0
1
2
3
r-1
r
塔板理论示意图
如果把上述错流萃取过程继续下去，即“平衡→ 转移→再平衡→再转移→。。。”
流动
流动
0 加样
0 平衡
0 1
0 1 再平衡
0 1
2
塔板理论示意图
第五节 典型制备色谱工艺及应用
一、模拟移动床色谱（simulated moving bed,SMD） SMB 色谱分离技术是20 世纪60 年代发展起来的一种现 代化分离技术,具有分离能力强,设备体积小,投资成本低,便 于实现自动控制并特别有利于分离热敏性及难以分离的物 系等优点,在制备色谱技术中最适用于进行连续性大规模 工业化生产。
dx ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
流动相
C m quadt
固定相
qdx(
C m ) xdt t
C s ) x dt t
(C m dCm )qudt
(1 )qdx(
平衡色谱理论物料平衡示意图
根据物料平衡：
C C C audt (C dC )audt adx( ) dt (1 )adx( ) dt t t
t r t 0 Vr V0 k t0 V0
恒流速 t0 的测定
tr = t0 (1＋k)
Vr = F tr
基本保留方程 分离因子
Vr V0 (1 k ) V0 KVs
K2 k 2 t r1 K1 k1
t r2
2.分离度
分离条件的选择主要是提高“难分离物质对”的分离度
当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发 生相互作用。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异 ，与固定相之间产生的作用力的大小、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，从而按一定次序由 固定相中流出。


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
m s m m m x x
溶质在两相间的分配或吸附平衡常数：
C s K ( ) C m
通过数学处理，
组分的保留值为：
L 1 t [1 ( )K ] u V Lq La(1 ) K
R R
根据平衡色谱理论，当分布等温线呈线性时，溶质的K为常 数，谱带迁移速率不变，不产生色谱谱带扩张。若分布等温线 为非线性，则K随Cm变化溶质迁移速度亦变化，引起色谱峰扩 张，形成不对称色谱峰。
1.保留值 通常以保留时间tR及容量 因子k’表示 保留时间tR：从进样开始到 某组分色谱峰顶（浓度极 大点）的时间，即组分在 色谱柱中的停留时间或组 分流经色谱柱所需要的时 间。
容量因子(新定义为保留因子，Retention factor) 在色谱法中，保留值是表示组分在色谱柱内滞留状况的一 个指标。而容量因子（k）是一个具有普遍意义的色谱保留值， 它指在一定柱温下 , 溶质在两相间达到分配平衡时 , 分配在固 定相和流动相中的总量之比。 k = ws /wm = K· Vs/ Vm = K / 可见，k与组分的分配系数 K和相比 有关，但与流动相流速 无关。k值大小可直接从色谱图上测量。有关计算式如下：
三、色谱柱及柱技术
色谱柱的性能依赖于三个因素：色谱柱填充技术、柱设 计和生产 1.色谱柱装填方法 高压匀浆填充 干法填充 径向压缩法 轴向压缩法 环形压缩技术 2.色谱柱的设计 多采用大直径、短柱长的“饼式”柱
第三节 色谱的分类
1. 按固定相及流动相的状态分类：液相色谱、 气相色谱 2. 按固定相形状性质分类：柱色谱、纸色谱、 薄层色谱