（材料学专业论文）塔板理论对毛细管色谱程序升温保留时间预测的研究.pdf

天津大学硕士论文摘要 摘要 在气相色谱分离条件的选择中，为了达到一个最优的分离效果我们往往采用 程序升温的方法。人们为了选择合适的升温程序，往往需要做很多重复性的工作。 因此，为了在最短的时间内和最少的原料消耗条件下确定最适宜的分离条件，如 何利用少数几个实验点完成对整个分离温度范围最优分离条件的选择就显得十 分必要。 目前对于程序升温保留时间的研究，无论是从保留值方程与温度之间关系的 角度考察，还是从建立保留时间结构参数的定量关系方程出发，预测方法都比 较复杂，很多情况下用于预测计算的时间会大于实际摸索条件需要的时间。本文 以塔板理论为基础，对程序升温保留时间的预测进行了研究。这种全新方法不仅 预测精度高，并且预测过程时间短，是一种非常理想的预测方法。 为了能够使预测结果更加贴近真实值，首先建立了一个精确模拟抽随r 变化 的数学模型。在这一过程中我们比较了文献中采用的方法以及我们提出的一些方 法，并最终确定了拟合精度最高的三阶方程胁t = 口，怕严+ c 升d 作为预测的基础。 目前塔板理论一直认为分配系数是恒定的，因此不能够用来进行程序升温保 留时间的预测，但是在塔板理论的深入研究中，我们认为分配系数完全可以是变 化的，并且可以利用这一方法进行程序升温的预测。因此在预测方法的研究中， 我们对塔板理论的原有假设进行了修正，并在这一修正的理论基础上对2 0 种不 同结构类型的化合物在不同极性色谱柱上的单阶和多阶程序升温的保留时间进 行了预测，预测结果达到了相当高的精度。 利用塔板理论对化合物程序升温保留时间进行预测，不仅在实际的气相色谱 分离中帮助实验人员选择最好的分离条件，更重要的是我们在这一过程中对于塔 板理论有了更加深刻的认识，这不仅对塔板理论本身而且对于其他应用塔板理论 进行的研究都有非常重大的意义。 关键词：保留时间预测 塔板理论气相色谱 鲞鲨叁堂婴主丝苎塑圣 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , am e t h o d f o rt h e p r e d i c t i o n a n a l y z e dd u r i n gp r o g r a m m e d - t e m p e r a t u r e g a s c o l u m n si sd e s e r i b e d ， o fr e t e n t i o nt i m e so fc o m p o u n d s c h r o m a t o g r a p h y w i t h c a p i l l a r y f i r s t ，w e s h o u l d e m p l o y a l l e x p l i c i t m a t h e m a t i c sm o d e lf o r t h e p r e c i s e c a l c u l a t i o no ft h er e t e n t i o nt i m e s i nt h i s p r o g r e s s ，w ec o m p a r e s e v e r a lm o d e l s p r o v i d e db y t h er e f e r e n c e sa n do u r s e l v e sa n d f i n a l l ye m p l o y t h e e q u m i o n l n k = 口，+ 6 r 十c ? + d a st h eb a s i cm o d e l a tt h ep r e s e n tt i m e ，c a p a c i t yf a c t o rk i sc o n s i d e r e da sac o n s t a n ta n dc a r l tb e u s e dt op r e d i c tt h er e t e n t i o nt i m e s h o w e v e lw h e nw ei n v e s t i g a t e dt h ep l a t et h e o r y , w ef o u n dt h a tc a p a c i t yf a c t o rk i sv a r i a t i o n a l ，s ot h et h e o r yc a n p r e d i c tt h er e t e n t i o n t i m e s i nt h i ss t u d y , w ec o r r e c tt h eh y p o t h e s i so f p l a t et h e o r ya n de s t a b l i s han e w m e t h o df o rt h ep r e d i c t i o no fr e t e n t i o nt i m e so fd i f f e r e n tc o m p o u n d sa n a l y z e dd u r i n g p r o g r a m m e d t e m p e r a t u r eg a sc h r o m a t o g r a p h yw i t hc a p i l l a r yc o l u m n s t h ed a t as h o w t h a tt h ep r e c i s i o n sa r ec o n s i d e r a b l e p r e d i c t i o no fr e t e n t i o nt i m e sb yu s i n gp l a t et h e o r yi sn o to n l yh e l p f u lt ot h e p r a c t i c a la n a l y t i c a lw o r k ，b u t i ti sa l s os i g n i f i c a n tt ot h e d e v e l o p m e n to f p l a t et h e o r y k e y w o r d s ：r e t e n t i o n t i m e p l a t et h e o r yp r e d i c t i o n g c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名导师签名： 签字日期：年月e t 签字日期：年月日 天津火学硕士论文第一章 1 1 引言 第一章文献综述 自然界里的物质绝大多数是以混合状态存在的，但在很多情况下我们需要的 是不合杂质的纯物质，因此将混合物进行快速有效地分离，并获得所需要的组份， 一直是人们想要解决的问题。另外人们为了认识和了解某些复杂体系，也需要对 它们进行分离。蒸馏、萃取、结晶等传统分离方法虽然能满足一般的要求，但是 操作繁琐、费时，分离效率不高，尤其是对一个复杂样品进行的分析往往需要一 天，甚至几星期。色谱法是分析化学领域里一项伟大的发明，它的出现在很大程 度上弥补了传统方法的不足。 从茨维特于1 9 0 3 年第一次提出色谱的概念，至今色谱法已经经历了百年的 发展历程。在整整一个世纪中，色谱法不断发展、进步，逐渐成为分析化学的重 要组成部分。它不仅在理论上得到更加深入的研究，在实际应用中各种色谱技 术也是不断涌现，日臻成熟，并在各种科学研究中发挥着重要的作用。 自从m a r t i n 年n j a m e s l 9 5 2 年发明了现代气相色谱法，它日趋成为现代科学 中一种非常重要的并且应用广泛的分析技术。由于气相色谱分析的物质范围非常 广泛，而色谱仪本身又具有优异的性价比e 2 , 3 它不仅仅应用于石油化工工业的 分析检测【4 】，在人们非常关注的环境、医药、生命科学、材料科学和食品等 5 1 1 领域也充当着越来越重要的角色。它的作用不仅体现于高效的分离效果，更重要 是能够对痕量物质进行检测【1 2 】。 然而，在气相色谱的分离过程中，常常会出现一些组份的保留时间非常接近 的情况，导致分离不彻底，或完全不分离的现象。尤其对含痕量物质的分析，如 果出现不完全分离的现象，痕量的组份很有可能被其他含量高的组份的色谱峰所 掩盖，以致无法判别。如何选择一个最优的色谱分离条件，这需要色谱操作人员 根据经验进行摸索。其中在色谱分离条件的选择中一个很重要的参数就是温度的 天津大学硕七论文 第一苹 选择，在温度条件的选择操作模式中，需要多次对柱温改变，才能达到一个令人 满意的分离效果。为了节约时间与科研经费，如何利用少数几个实验点完成对整 个分离温度范围的最优分离条件的选择就显得十分必要。而进行这项工作的基础 就是要通过少数实验数据对整个温度范围内各种组份保留行为进行理论计算和 预测。这项工作不仅具有重要的应用价值，同时对恒温、程序升温保留时间进行 预测的过程也是对色谱理论深入研究的过程，这也必将对色谱理论的深刻认识产 生积极的影响。 1 2 研究目的 保留时间是溶质通过色谱柱所需要的时间即从进样到柱后洗出组份浓度最 大值的时间。保留时间是由分配系数决定的，取决于色谱过程的热力学因素。在 一定的色谱体系和特定的色谱操作条件下，不同的化合物在固定相和流动相间有 不同的分配系数，从而使每一组份都有一个特定的保留时间。因此，保留时间不 仅是色谱定性分析的重要依据 1 33 也是色谱分离好坏的一个重要指标。所以任 何对保留时间产生影响的因素都是色谱工作者极为关心和研究的对象。 在气相色谱中，柱温的变化直接影响样品组份的保留时间。为了将样品中复 杂的组份分离开，通常采用调整柱温的方法，来获得最佳的分离效果和分析速度。 但是当柱温非常高的时候，各种物质的保留时间会很接近，色谱峰相互重叠，很 难达到一个理想的分离度；如果柱温降到较低的温度，组份在色谱柱内迁移的时 间将会延长甚至滞留在色谱柱内，难以获得较快的分析速度：同时保留时间过长 也会导致色谱峰的展宽，造成分析灵敏度的下降。因此，在实际的分离操作中为 了将复杂组份分离开、同时节省时间，一般采用程序升温的操作模式。如图1 1 、 1 2 和1 3 为一未知混合样品在同一根色谱柱上以4 09 c $ h2 2 0 。c 恒温及7 0 。c 始温 保持5 m i n ，再塔1 0 c m i n 升温速率的程序升温条件进行分离的结果。 天津大学硕士论文第一章 f c 汀瓦可砸丽面广一 j 1 4 0 j ji ； t _ |8； i ，、。l - 一 ，。 1 52 02 5 3 03 5m i rrf rt t r 一 图1 1 未知样品恒温4 0 。c 条件下的分离色谱图 曩 5 0 0 ( ) o 4 0 0 ( 抽 d 1 一 一一 导 c ! 川 2 0 82 1 2 1 如l 图1 2 未知样品恒温2 2 0 * o 条件下的分离色谱图 图1 3 未知样品程序升温条件下的分离色谱图 一 卜甘nlj屿 np，i一州1酬j叫jd蠹_一 o 2 2 1 1 n 。亍 o 天津大学硕士论文第一章 对比上面一组色谱图的峰面积、峰宽以及分离度，可以看出对于相同的样品 较低温度的恒温条件，虽然样品完全分离开，但用了相当长的时间，不仅色谱峰 相对程序升温的分离结果展宽了1 0 倍，响应值也降低了近l o 倍；较高的恒温条 件下混合样品则完全没有分离开；而条件适宜的程序升温条件不仅可以使分析样 品中的各种组份在很短的时间内完全分离丌，并且最后流出的组份也不会因为流 出时间相对较长而使谱带展宽。 程序升温的过程中，始温、终温和升温速率都将影响分析的分辨率和速度， 选择一个合适的程序升温条件是决定分离效果好坏的关键。通常实验人员会根据 自己的经验来选择升温程序，这种经验式的操作模式往往带有偶然性，而且因为 个人经验的不同，为得到一个相对满意的分析效果，他们所付出的代价会相差很 大，很可能要做很多重复的工作。因此，为了在最短的时间内和原料消耗最少的 条件下确定最适宜的分离条件，我们的研究方向选择为在整个分离温度范围内对 保留时间进行理论预测的研究。 1 3 研究的现状 因为保留时间是色谱定性分析、分离的重要依据，对保留时间进行预测成为 近几年色谱理论研究的一个热点。目前文献上所报道的保留时间预测的研究方法 很多，但考查的角度基本有两种。一是利用保留值方程与温度之间的关系，建立 二者之间的数学模型，并以此为基础进行保留时间的预测：另一种是根据分子的 微观结构特征，建立保留时间结构参数的定量关系方程。 1 3 1 利用保留值方程与温度关系的预测 利用保留值与温度关系进行程序升温的预测通常先建立容量因子与温度之 间的数学模型，用以确定不同温度下的保留因子，然后才能根据不同的方法预测 化合物的保留时间。 天津人学硕士论文第一章 1 3 1 1 保留时间与温度之间的数学模型 在气相色谱中，溶质组份分离的过程是其在色谱柱固定相和流动相中的多次 反复分配的复杂过程。从物理化学的角度讲，它既有溶解平衡，也有吸附平衡“”。 塔板理论假设在每一块塔板内，溶质分子是在两相间瞬间达到平衡的，此时自由 能不再变化，即溶质在两相中的化学位相等。在溶液浓度非常稀的情况下，溶质 可以看作理想稀溶液，活度系数可用浓度代替，因此可以近似得到自由能如下的 表达式： a g = 一r t i n( 1 1 ) 根据物理化学中热力学知识 ag a h - t a s ( 1 2 ) 因此可将方程( 1 一1 ) 改写为， i n k = 一4 h 傻7 1 + a s r ( 1 3 ) 已知色谱中平衡常数与容量因子成正比， k 砘卢 ( 1 - 4 ) 由以上的关系得到 i n k = 一4 舢7 t + d s r i n 口( 1 5 ) 其中a g 为自由能的变化，r 为气体常数，功绝对温度，眉为溶质分子在两相中 的平衡常数，4 日为色谱过程中的焓变，4 s 为色谱过程中的熵变，t 为容量因子， 卢为相比。 式( 卜5 ) 即是由热力学推导出的保留值方程，也是人们在预测程序升温时 通常采用的保留时间与温度的数学模型1 51 。在假设4 所口d s 不变的情况下， 通过两三个实验点的测试即可确定容量因子j i 与温度r 的关系。有的预测方法在 上述保留值方程的基础上对其进行了简化或改进，采用线性i n k - ：口t + 6 73 或 是多阶函数l n k = a t + 6 + c t 1 9 3 i n k = a t2 + b t + c 6 3 的表达方法作为 预测的数学模型，再通过公式 天津大学硕士论文第一章 ，一， t ：上二( t 一6 ) f 将气相色谱操作温度和保留时间二者关联起来。其中a 、6 平口c 是方程的系数， 是保留时间， 是保留时间。 1 3 1 2 程序升温保留时间预测的方法 程序升温保留时间的预测，从上个世纪六十年代始就有许多科研工作者对 其进行研究，直到色谱技术高度发展的今天，它仍然是一个研究的热点。目前文 献上所报道的各种程序升温保留时间的预测方法均是以上述的保留值与温度的 数学模型为基础的方法，在程序升温保留时间的预测中基本上都采用了微分的思 想。如文献”7 1 在对保留时间的预测中 一d x ：l ： 墨 d t 1 十k ( 1 + 七) ，。 将组份在谱带内移动的速度表达为 ( 1 7 ) 式中u 为载气平均线速度，k 为容量因子，l 为柱长，k 为死时间。在预测程序 升温保留时间的计算过程中将整个分离过程分成小的时间间隔，4 垂- - 4 、段时间内 某一组份在柱内移动的距离为x ，则 脯2r 志础s ， 当升温速率为，时有 趟，：托d t ( 1 - 9 ) 1 。 l 止 ( + 七) r 。 其中正、l + ，分别为升温段开始温度和终止温度。 当程序升温经历了个阶梯后，组份所经过的柱长分数m 女可由下式求出 叩抬击+ 赢( 1 - 1 0 ) 式中脚为经历了k - 1 个阶梯后此组份走过的柱长分数，女i z d 为柱温巩时的容 量因子， s 。为第k 阶的等温段时间。因此当计算出柱长分数后就可以求程序升 温的保留时间值，当棚产1 时，组份从柱子流出。保留时间由下式求出： 天津大学硕士论文第一章 “加r ( 。1 + 半+ ( 1 训“瓦) ( 1 - 1 1 ) 或 “p ) i k 。，+ 乏鱼 ( 1 - 1 2 ) 式中m 为组份q 经历了“1 个阶梯及第k 阶的升温段后经历的柱长分数；t r ( t k ) 为柱温死时的等温保留时间；l 为组份p 的流出温度。 这种方法在预测程序升温保留时间的过程中对保留值方程进行了简化，同时 忽略了温度变化对载气线速度的影响，即整个计算过程采用的都是同一死时问。 虽然这些近似的计算会使预测过程得以简化，但是保留值方程并非完全线性，同 时不同温度下死时间变化很大，利用同一死时间计算出的a x i 误差就会相当显著， 因此这种方法预测的结果难以达到很高的精度。 考虑到温度改变后载气线速度和死时间也会随之改变的影响因素，一些学者 对保留时间预测的方法作了更加深入的研究。他们在预测中加入了对载气线速度 的修正，测量或计算了不同温度下的死时间。由于这些方法的原理更接近色谱分 离的真实过程，因此预测的结果更加准确。如文献”5 1 的研究。当色谱分离采用 程序升温对，由于载气的线速度和容量因子受到温度的影响，载气的线速度是逐 渐变化的。因此在程序升温的模式下，他们在计算保留时间时采用了一个数学上 的近似，即把溶质的色谱过程分割成非常小的时间段。当这种分割足够小时，在 每一个小时间段f 内，容量因子女和载气的线速度五可以看作是恒定的。在恒 温条件下对于气相色谱，一种组份在色谱柱的保留时间可以表达为 = f 。( 1 + ) = 兰( 1 + k ) r “ ( 1 1 3 ) 因此，若一个时间段内的温度是已知的，这段时间内组份在色谱柱内通过的距离 址：兰坠 1 1 + k ， ( 1 1 4 ) 女二可由方程i n k 得出。但是要计算这段内载气的线速度魄就要考虑到它随温度 天津大学硕士论文第一章 和压力而产生的变化。在程序升温过程中，载气的粘度是逐渐增大的，导致流动 相平均线速度减小。压力的影响是流动相的可压缩性引起的，因此在每个时间间 隔内都要对线速度和压力进行校正。在任一给定的小段内，对载气的线速度进行 校正， “，= “。一r o ( 1 1 5 ) 其中目。是初始温度时载气的粘度，1 7 ，是第z 时间段内载气的粘度。载气粘度计 算是由文献 2 0 3 方法得到。u o 是柱出口载气的线速度，它与载气的平均线速度有 关。 “。：五，：三_，(1-16)“。刮7 2 i 7 其中，是载气压缩校正因子。 为计算压缩校正因子，定义p = p i p o 作为柱进口和柱出口的压力比，校正因 ( 1 1 7 ) 除了粘度对线速度的影响，流动相的压缩性也要考虑。t n i k 在每一段的计算中压 力的校正不可缺少。每个位置的压力可由下式计算 只= _ 。一 jp 2 一主( _ 1 ) 在第工段，经温度和压力校正后的线速度可以表达为 ( 1 1 8 ) “，：鱼塑( 1 1 9 ) p ，玑 最后溶剂在柱内流经的整个距离可由每一时间段内流经的距离加合而得，即 争坐生：三 智1 + k ， ( 1 ，2 0 ) 这样保留时间就可以通过公式( 1 - 2 1 ) 把所有的时间段加合得到溶质流经整根色 谱柱的保留时间。 得像 叫棚 歌 妒一妒 i i 子 天津大学硕士论文 第一章 a t = f 。 j ：1 ( 1 2 1 ) 文献5 1 的方法虽然预测上能够达到很高的精度，但是需要测量不同温度的 死时间，加大了预测的工作量。事实上不同温度下的死时间是可以计算的，如文 献“引的方法。这种程序升温保留时间预测方法的基础是方程是g = f 7 裔匝1 ， 其中g 是温度梯度，正和巧分别为线性程序升温过程中的始温和终温，t r ( 丁) 是一个给定化合物的保留时间，它是温度的函数，表示为f ，= ，。，( 7 1 ) ( 1 + 七( 丁) ) ， 其中( 是色谱柱的死时间，它也是温度的函数。容量因子与温度的关系采用 的数学模型为j i ( r ) = e x p ( a + b + c 丁) ，其中、b 和c 是与热力学有关的参数。 s v e z z a r i 等人在预测时考虑到粘度受温度变化的影响，并由此推导出岛的计算 方法，它可以从以下的方程中得出： 一生垒 ( 1 - 2 2 ) “= 一一 l 3 2 r d 其中，是柱半径，“是气体线速度，刁是变化着的载气的粘度，d p d l 是随距离改 变的压力。因此t m ( 丁) 可真接表达为 k = 争丽蒜h 产等帆) f “2 z s ， 其中f 是从进样口算起，组份流经的柱长，p 是柱内f 点的- 压, j 3 ，p o 是柱出口的 压力，“o 是柱出口气体的线速度，r ( 力是气体在温度7 的粘度。 载气的粘度随温度的变化，二者的关系可以表达为指数关系 2 0 3 r ( t ) = 口t 9 ( 1 - 2 4 ) 其中r 是绝对温度，a 和卢是与气体性质有关的常数。柱出口的气体线速度可由 方程求得 “。：去垡二盟 ( 1 _ 2 5 ) ” 1 6 l 刁( ，) p o 其中是柱长，p ，是柱入口的压力。由下面的公式可以得到柱内，点的压力 天津大学硕士论文 第章 p ：p 卜丛窖盟 ( 1 _ 2 6 ) s v e z z a r i 等采用不同的升温程序来评估预测方法的准确性和精确性。总的保 留时间是化合物在恒温段、单阶或多阶程序升温段和温度最高的恒温段保留时间 的加合。因此为了预测每种化合物的程序升温保留时间，有必要计算出程序升温 模式改变时组份在柱内的位置以及这一点的压力，如最初恒温段结束时，梯度程 序升温开始时，梯度程序升温变化时，最终恒温阶段开始时。这里可以采用一个 通用的方程： = f ，+ t e + t 3 + t 4 * t 5 ( 1 2 7 ) 其中t l 是程序升温过程中最初恒温段的保留时间：t 2 = ( t y - t o g 是程序升温段初温 一与终温乃之间温度梯度为g 的保留时间；t 3 = c r c 一彤信，“= f 黟7 b 是程序升 温中间过程中初温正、中温疋和终温z s ：l f 司n 度梯度为g t 和9 2 的保留时间；t j 是以终温t z 为恒温过程的保留时间。不同的程序升温过程可以由下面的方法算 出： t a p ya ：线性升温过程，t , = t 2 t a p yb ：线性升温之后连接恒温过程“= 幻+ 如 t a p yc ：最初一段恒温之后连接一个线性升温，t r = t ，+ t 2 t a p yd ：最初恒温之后连接线性升温，最终恒温过程t r = h + t 2 + t 5 t a p ye ：最初线性升温，梯度为g ，然后连接另一个线性升温过程，梯度为9 2 ( 多阶程序升温) = r 3 + t 4 t y p ef ：最初恒温过程然后连接线性升温过程，升温梯度g ，之后再接另一个线 性升温过程，梯度为9 2 ，最终恒温结束t r = t ，+ t 3 + t 4 + t j 当一个样品含有的化合物具有很宽的沸点范围和不同的极性时，有些组份 因沸点很低，容量因子很小，会在最初的恒温过程中流出，这样的样品就可以按 照恒温过程的方法计算得到。另一些组份会因分子量高，很有可能在程序升温过 程中或结束以后才流出色谱柱，这样根据不同升温程序的类型就可以通过上述的 方法计算出组份的保留时间。 天津大学硕士论文第一章 类似的，s , v e z z a r i 等在优化色谱分离条件的研究过程中还采用了压力程序的 方法9 3 ，并对此方法下的保留时间进行了预测，同样取得了很好的预测结果。 在前面所提到的各种预测方法中，为了计算不同化合物的保留时间，载气通 过色谱柱的死时间必须是已知的，而死时间的数值是通过直接的测量或是根据载 气的线速度求出的。 1 3 2 分子结构一色谱保留相关( q s p r ) 的研究 物质的宏观性质是由其微观结构决定的。就色谱保留时间而言，在柱温、载 气流速等外界条件相同的情况下，用同一色谱柱对混合样品进行分离，各组份的 保留时间主要是由组份与固定相间相互作用的强弱决定的。而导致作用力强弱差 异的根本原因是不同的分子具有不同的结构特征，不同的微观因素对色谱保留时 间的影响也不尽相同。研究分子结构与色谱保留行为的定量相关性，不仅有助于 了解色谱过程的机理，而且还可以借助相关方程式从结构参数预测色谱保留行为 眩2 q 。为建立性能优良的保留时间与结构参数关系方程，应该尽可能多地计算 从不同角度反映分子微观特征的结构参数。 1 3 2 1 分子模拟 分子模拟是随着计算机技术和计算化学的发展逐渐成熟起来的一门新兴学 科。它采用量子化学、分子力学、分子动力学等方法 3 23 借助计算机强大的图 形处理和计算能力，模拟原子、分子的静态及动态行为，使人们能够对分子的微 观性能有更加深刻的理解。采用分子模拟技术可计算出偶极矩、分子内电荷分布、 分子表面积、分子体积等一系列反映分子微观特征的结构参数，而这些参数与分 子间的作用力如范德华力、静电力有着密切的关系。用这些参数作自变量，可将 保留时间与结构参数以方程的形式定量地联系起来，从而找出影响色谱保留时间 的微观结构因素，并对同系物的保留时间进行预测。 茎堡盔堂堡主堡苎 兰二兰一 1 3 2 2b e n s o n 基团加合法 基团加合法主要考虑的是功能基团、取代基对保留时间的影响 3 3 3 0b e n s o n 基团加合法是在原有的基团加合法基础上发展起来的，但它与一般的加合法又有 所不同，一般的基团加合法主要考虑功能基团、取代基对保留值的影响阻4 3 53 o 而b e n s o n 基团加合法充分考虑了各原子在分子中所处的化学环境，用其定义的基 团考察对化合物理化性质的影响，并进一步考察其对保留时间的影响。因此，它 比一般的基团加合法对物性参量的估算更为准确，更加适用于保留时间的预测。 1 3 2 3 分子拓扑法 用拓扑指数进行分子结构与色谱保留相关性研究，这也是一种有效的研究方 法 3 6 “4 1 3o 分子拓扑法是以图论为基础，将化合物的分子结构看作原子间特定的 连通图( 分子拓扑图) ，图中的顶点代表原子，边则代表化学键。它可以不同程 度地反映分子的大小、形状和分枝等结构特征。分子拓扑图的数值化多是借助数 学上的邻接矩阵、距离矩阵、特征多项式等实现。通过对分子拓扑图的种种矩阵 实施一些数学运算就可得到不同的分子拓扑指数，利用不同的分子拓扑指数就可 以建立起它们与保留时间的关系。 1 3 2 4 灰色模型法 灰色模型法是在部分组份已知的灰色体系中，利用已知组份的保留指数和保 留时间推算死时间和正构烷烃的保留时间，再计算未知组份保留时间的方法 4 2 - - 4 4 。在灰色分析体系中，一部分组份是己知的，比较容易从文献上查到这些 组份的保留指数，而这些已知组份包含着正构烷烃的保留值信息，可以由已知组 份的保留时间和保留指数计算出正构烷烃的保留值，未知组份的保留指数就可以 由这些正构烷烃的保留值计算出。 1 3 3 人工神经网络 神经网络的模型是由大量的简单单元或神经元所构成的 系列层状网络结 构 4 53 。第一层是输入层，由表示数据的变化或特征的神经元构成。最底层是输 出层，由一个表示每一个待考察的变量的神经元构成。中间是隐含层，由大量用 于学习的神经元构成。任何一层的神经元全部的或部分的与其相连层的神经元相 接，每一个连接称为连接权重。米白外部环境的信号通过输入层中的神经元传入 网络中，网络的信号通过输出层的神经元传递到外部环境。 在以神经网络进行程序升温保留时问预测的方法中，输入层的自变量可以是 一些微观的分子结构参数h 6 。”，也可以是宏观的物理参数h 5 5 23 , 输出层则是化 合物的保留时间。通过几组已知样本对人工神经网络进行训练，再给定网络一个 只有输入值而没有目标输出的样本后，网络便可以产生一个输出结果，这样便达 到了预测的目的。 1 4 液相色谱保留时间的预测 程序升温在气相色谱的分离中发挥了巨大的作用，同样温度程序也能够应用 于液相色谱分离条件的优化 5 3 3o 但是在液相色谱中由于晟低温度和最高温度受 到流动相的粘度和沸点的限制，因此在液相色谱中采用温度程序对分离条件进行 优化的结果并不十分理想，而且对容量因子k 分布范围宽的样品效果也不显著 ”。相比而言，液相色谱常常采用梯度洗脱的方法。在梯度洗脱的过程中，容 量冈子k 足关于强溶剂浓度中的函数，溶剂的强度随时问逐渐增加，溶质的容量 因子k 值随时问的增加而减小。这种对应的变化关系可以由确定的方程近似表达 出来，因此类似于气相色谱程序升温保留时间的预测方法，可以进行液相色谱梯 度洗脱保留时间的预测e 5 5 - 5 9 , 1 5 小结 近年来，无论是从保留值方程还是从分子结构一色谱保留相关的角度进行保 天津大学硕士论文第一章 留时间的预测，国内外的研究都取得了相当大的进展，对于色谱过程的认识和模 拟也都更加贴近真实的情况，预测的结果都达到了相当高的准确度。但是从预测 的原理上看，所使用的方法都是将变温过程通过微分处理近似简化成恒温过程完 成的，所以这些方法并未反映出色谱分离过程最本质的内容，因此在预测的过程 中加入了很多参数，导致应用过于繁琐，同时因采用微分计算方法也使计算过程 变得复杂，用时过长。塔板理论是描述色谱过程本质的理论之一，它将色谱柱想 象成一个由若干层塔板组成的分馏塔，并根据平衡过程考察色谱柱内溶质的分布 情况。色谱的分配是一个动态的过程，每块塔板内溶质分子在两相瞬间达到平衡。 可以想象，随着溶质在色谱柱内迁移，各块塔板上的溶质在固定相的量和流动相 的量也是随时变化的，当组份最高浓度流出色谱柱时，在色谱图上显示为色谱峰 的最高值，此时对应的时间即为此组份的保留时间。因此完全有可能通过塔板理 论的计算完成对程序升温保留时间的预测。本文对此进行了研究并得到了满意的 结果。在本文中我们对塔板理论进行适当的修改，即随着溶剂组份在塔板上的跳 动，容量因子k 也是逐渐改变的。我们将这一想法在计算机上进行了模拟，并用 i 砖s u a l b a s i c 语言编程对程序升温的保留时间进行了预测。在以后的各章中，我们 将以此作为理论基础进行程序升温保留时间预测的研究。 墨堂查堂堡圭丝茎箜三兰 第二章建立和考察不同的保留行为数学模型 2 1 实验 为建立和考察不同的保留行为数学模型，本章实验选用2 0 种不同类别的有 机化合物，测定不同恒温条件下它们在弱极性h p 一5 和强极性f f a p 毛细管色谱 柱上的保留时间。 2 1 1 样品 生产厂家级别 1 ，3 一丁二烯北京标气中心化学纯 乙醛天津市化学试剂二厂分析纯 甲基叔丁基醚天津市化学试剂一厂化学纯 甲醇天津市康科德科技有限公司分析纯 甲醛天津化学试剂二厂分析纯 无水乙醇天津市化学试剂三厂分析纯 苯 天津市化学试剂二厂分析纯 碳酸二甲酯天津市化学试剂一厂化学纯 正庚烷天津市博迪化工有限公司分析纯 1 ，4 一二氧六环天津市化学试剂六厂三分厂分析纯 乙酸丁酯天津市化学试剂二厂色谱标样 异戊醇上海试剂一厂色谱标样 乙酸异戊酯天津市化学试剂二厂色谱标样 正丁酸天津市化学试剂一厂化学纯 邻二氯苯天津市化学试剂二厂色谱标样 苯甲酸甲酯天津市化学试剂一厂化学纯 天津大学硕十论文第二章 苯甲醇天津市化学试剂一厂化学纯 萘天津市化学试剂一厂化学纯 正庚酸天津市化学试剂一厂化学纯 蒽醌天津市化学试剂一厂化学纯 二氯甲烷天津大学科威公司化学纯 注1 ：室温下，萘与葸醌均为固体，将萘溶于无水乙醇中，蒽醌溶于二氯甲烷溶 齐u 中。 2 1 2 实验仪器 h p 6 8 9 0 气相色谱仪 检测器：f i d 检测器，温度2 5 0 。c 进样器：分流进样方式，分离比1 ：5 0 ，温度2 5 0 。c 色谱柱：h p 一5 ( c r o s s l i n k e d5 p h m es i l o x a n e ) 3 0 m o 3 2 m m 0 2 5 m f f a p ( c o l u m nc p - w a x 5 8 ) 2 5 m 0 2 5 r a m 0 2 0 m 恒流操作模式：即载气在柱出i s l 处，质量流量保持恒定，流量1 m l m i n 2 1 3 色谱条件 由于不同色谱柱的固定液不同，它们的最高使用温度也有所不同。h p 一5 色 谱柱最高使用温度是3 2 0 。c ，f f a p 最高使用温度是2 5 0 。c 。鉴于二者的使用温度 范围不同，在恒温实验时叵温点的设置也有所不同。 2 1 3 1 h p 一5 恒温实验 分别在2 5 0 。c ，2 0 0 。c ，1 5 0 。c ，1 0 0 。c ，5 0 。c 和3 0 。c 的恒定温度下，进样量 为0 2 , a l 的条件下，各种物质进行两次平行实验。 天津大学硕士论文 第二章 21 3 2f f a p 恒温实验 分别在2 2 0 。c ，2 0 0 。c ，1 5 0 。c ，1 0 0 。c ，5 0 。c ：g 3 0 。c 的恒定温度下，进样量 为0 2 p , l 条件下，各种物质进行两次平行实验。 2 2 保留时间结果 表2 1 恒温条件下2 0 种样品在h p 5 毛细管柱上的保留时间( r a i n l 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 3 0 l 3 丁二烯 2 0 0 32 1 5 92 3 5 22 6 3 43 0 6 3 2 0 0 22 ：1 6 12 3 5 52 6 3l3 0 6 3 乙醛 2 0 0 92 1 5 72 ，5 l l2 6 4 93 。1 4 73 。5 3 7 2 0 0 32 1 6 12 5 0 72 6 4 83 1 4 43 5 5 0 甲基叔丁基醚 2 0 0 42 1 6 22 3 8 22 7 2 63 5 7 04 5 1 7 2 0 0 42 1 6 42 3 7 92 7 2 63 5 7 14 5 0 0 甲醇1 9 8 22 1 4 02 3 3 6 2 5 9 53 0 1 2 3 。3 2 8 1 9 9 32 1 4 l2 3 3 92 5 9 73 0 1 23 3 6 4 甲醛 2 0 1 02 1 6 92 3 6 62 6 2 93 0 3 93 3 0 9 2 0 1 02 1 6 72 3 6 12 6 3 43 ，0 3 83 3 1 5 乙醇2 0 0 2 2 1 5 42 3 5 92 6 4 23 1 5 83 。6 0 4 2 0 0 22 1 5 82 3 5 62 6 4 63 1 5 93 ，6 l o m1 9 9 72 1 6 52 4 1 52 8 8 3 4 5 36 7 4 7 1 9 9 72 1 6 62 4 1 42 8 8 74 5 3 36 7 3 6 碳酸二甲酯 2 0 1 02 1 7 32 4 0 02 7 9 44 0 4 l5 6 2 2 2 0 0 82 17 22 3 9 92 7 9 24 0 4 05 6 3 0 正庚烷 2 0 1 02 1 9 02 4 5 72 9 9 85 1 6 68 4 3 0 2 0 1 22 1 8 82 4 5 82 9 9 95 1 7 58 4 2 3 鲞鲨叁堂堡主堡奎墨三生 1 4 一二氧六坏2 ，0 2 52 , 2 0 3 2 4 6 2 3 0 1 6 5 , 3 6 08 9 11 2 0 2 52 2 0 0 2 4 6 4 3 0 1 65 3 6 7 8 9 0 4 乙酸丁酯 2 0 1 92 2 0 92 5 3 2 3 4 3 69 0 9 62 0 2 5 1 2 0 2 0 2 2 1 22 5 3 2 3 4 3 89 1 1 22 0 2 6 1 异戊醇 2 0 2 22 1 9 6 2 4 6 83 0 9 1 6 1 3 51 1 5 6 4 2 0 2 52 1 9 72 4 6 9 3 0 8 96 1 4 61 1 6 5 2 乙酸异戊酯 2 0 3 62 2 4 12 6 2 3 3 8 9 91 3 4 7 73 4 6 0 2 2 0 3 62 2 4 0 2 6 2 33 9 0 813 5 2 43 4 2 2 7 丁酸 2 0 2 02 2 0 12 5 3 53 6 9 5 1 7 7 1 2 2 0 1 82 2 0 32 5 3 33 7 0 6 1 7 4 8 6 邻二氯苯2 0 9 6 2 3 9 83 1 8 46 8 2 24 0 7 9 1 2 0 9 52 3 9 23 1 8 9 6 8 2 54 0 6 8 1 苯甲酸甲酯2 0 9 2 2 4 2 33 4 0 98 6 6 71 7 1 0 42 6 0 0 6 ( 8 0o c )( 7 0o c ) 2 0 9 02 4 3 53 4 1 28 6 7 0 1 7 1 0 0 2 6 0 1 8 ( 8 06 c ) ( 7 0 。c ) 苯甲醇2 0 9 9 2 3 8 73 1 3 46 8 0 74 7 2 5 4 2 0 9 72 3 8 43 1 3 16 7 4 04 6 5 4 4 萘2 1 7 42 6 2 74 0 8 51 2 5 8 8 2 6 8 0 5 ( 8 0o c ) 2 1 82 6 2 54 0 8 51 2 6 0 42 6 7 0 9 ( 8 0o c ) 正庚酸 2 0 8 12 3 7 43 3 4 71 0 4 1 7 2 0 7 62 3 7 83 3 0 71o 4 0 1 蒽醌 3 7 8 09 7 8 25 531 18 6 9 2 4 3 ，7 5 79 7 7 9 ( 1 5 0 j 。c )( 1 4 0 。c ) 8 茎鲨查堂堡主堡壅兰三兰 表2 2 恒温条件下2 0 种样品在f f a p 毛细管柱上的保留时i n ( r a i n ) 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 3 0 1 3 - 丁二烯1 4 6 91 4 9 9 1 6 0 01 7 3 11 9 2 62 0 3 9 1 4 6 81 4 9 91 5 9 8 1 。7 3 11 9 2 52 。0 3 9 乙醛1 3 5 91 3 9 5 1 5 1 41 ，7 5 42 7 9 74 4 8 7 1 3 6 21 3 9 51 5 1 31 7 5 52 7 9 74 4 7 8 甲基叔丁基醚 1 4 7 01 5 0 21 ，6 0 81 7 4 22 0 4 32 2 7 9 1 4 6 81 。5 0 21 。6 0 21 。7 5 72 0 4 02 2 8 4 甲醇1 4 7 51 5 1 01 6 3 11 ，8 6 42 8 3 34 2 8 7 1 4 7 51 5 1 21 6 3 51 8 5 92 8 3 74 2 7 7 甲醛1 3 6 51 3 9 51 5 0 71 7 2 52 5 2 83 6 8 8 1 3 6 5l 。3 9 61 5 0 81 ，7 2 52 5 2 43 7 1 2 乙醇1 3 6 41 3 9 61 5 0 41 7 3 82 8 8 44 7 3 7 1 3 6 31 3 9 71 5 0 71 7 4 32 9 0 94 7 4 1 苯 1 3 7 81 4 0 61 5 3 51 ，8 0 02 9 5 84 7 2 7 1 3 7 41 4 0 61 5 3 21 8 0 02 9 7 2 4 7 1 2 碳酸二甲酯1 4 9 11 5 3 11 6 7 62 0 3 23 9 2 7 7 0 1 4 1 4 9i 5 3 11 6 8 02 0 3 23 9 1 7 7 1 6 5 正庚烷1 3 5 31 3 8 41 4 7 51 6 1 11 8 9 5 2 1 6 4 1 3 5 41 3 8 41 4 7 61 6 0 9l 。8 9 4 2 1 6 3 1 , 4 一二氧六环 1 5 0 51 5 5 41 7 3 5 2 2 5 35 2 5 41 0 4 3 7 1 5 0 6 1 。5 5 11 7 3 72 2 5 35 2 5 0 1 04