018第十八章-1

1、 18-1 概概 述述 色谱法色谱法(Chromatography)同蒸馏、同蒸馏、 重结晶等一样，也是一种分离技术，但重结晶等一样，也是一种分离技术，但 其是一种效率最高、使用最广泛的分离其是一种效率最高、使用最广泛的分离 技术。技术。 最早创立色谱法的是俄国植物学家最早创立色谱法的是俄国植物学家 Tsweett 。 色谱法中，静止不动的一相称为固色谱法中，静止不动的一相称为固 定相，流动的一相称为流动相，装有固定相，流动的一相称为流动相，装有固 定相的管子称为色谱柱。定相的管子称为色谱柱。 玻璃管内装玻璃管内装 有碳酸钙，将植有碳酸钙，将植 物叶子萃取液从物叶子萃取液从 玻璃管上端倒入，玻

2、璃管上端倒入， 然后再倒入石油然后再倒入石油 醚，结果植物色醚，结果植物色 素互相分离形成素互相分离形成 各种不同颜色的各种不同颜色的 谱带。色谱法的谱带。色谱法的 名称即由此而来名称即由此而来 并一直沿用至今。并一直沿用至今。 色谱法分离多组分-示意图 18.1.4 色谱法分类色谱法分类 一、按照流动相和固定相的物理状态分类一、按照流动相和固定相的物理状态分类 按流动相的物态可以将色谱法分为气相按流动相的物态可以将色谱法分为气相 色谱法和液相色谱法。前者的流动相为气体，色谱法和液相色谱法。前者的流动相为气体， 后者的流动相为液体。后者的流动相为液体。 气相色谱法按照固定相的物态不同，又气相色

3、谱法按照固定相的物态不同，又 可分为气固色谱法和气液色谱法，前者的固可分为气固色谱法和气液色谱法，前者的固 定相为固体物质，后者是将不挥发液体固定定相为固体物质，后者是将不挥发液体固定 在适当的固体载体上作为固定相。在适当的固体载体上作为固定相。 同理，液相色谱按照固定相的物态不同，同理，液相色谱按照固定相的物态不同， 又可分为液固色谱和液液色谱法，前者的固又可分为液固色谱和液液色谱法，前者的固 定相为固体，后者是将固定液固定在适当的定相为固体，后者是将固定液固定在适当的 固相载体上作为固定相。固相载体上作为固定相。 二、按照产生分离过程的相系统的模式分类二、按照产生分离过程的相系统的模式分类

4、 按照产生分离过程的相系统的形式和特按照产生分离过程的相系统的形式和特 征，可以把色谱法分为征，可以把色谱法分为柱色谱法柱色谱法、毛细管色毛细管色 谱法谱法、平板色谱法。、平板色谱法。柱色谱法是将很细的固柱色谱法是将很细的固 定相装入玻璃管或金属管内，流动相依靠自定相装入玻璃管或金属管内，流动相依靠自 身的重力或外加压力通过固定相，随其固定身的重力或外加压力通过固定相，随其固定 相装填方法不同，又将柱色谱法分为填充柱相装填方法不同，又将柱色谱法分为填充柱 色谱法和毛细管色谱法，前者是是将固定相色谱法和毛细管色谱法，前者是是将固定相 填充于一根下班或金属管内，后者是将固定填充于一根下班或金属管内

5、，后者是将固定 相附着在一根细而长的管子内壁上。相附着在一根细而长的管子内壁上。 在平板色谱法中，固定相可以是多孔的在平板色谱法中，固定相可以是多孔的 滤纸；也可将吸附剂或载体均匀地铺在一块滤纸；也可将吸附剂或载体均匀地铺在一块 玻璃板或塑料板上，让流动相通过毛细现象玻璃板或塑料板上，让流动相通过毛细现象 或重力作用携带样品通过固定相，前者称为或重力作用携带样品通过固定相，前者称为 纸色谱法，后者称为薄层色谱法。纸色谱法，后者称为薄层色谱法。 三、按照分离过程原理分类三、按照分离过程原理分类 在色谱法中，通常根据物质的吸附性能、在色谱法中，通常根据物质的吸附性能、 溶解度差异等物理化学原理进行

6、分离，因而溶解度差异等物理化学原理进行分离，因而 得到所谓吸附色谱法，分配色谱法等。表得到所谓吸附色谱法，分配色谱法等。表19- 1列出了按照分离过程原理分类的各种色谱列出了按照分离过程原理分类的各种色谱 方法。方法。 四、按照展开程序分类四、按照展开程序分类 按照展开程序的不同，可将色谱法分为按照展开程序的不同，可将色谱法分为 洗脱法，顶替法和迎头法。洗脱法，顶替法和迎头法。 用吸附或溶解能力比试样弱得多的气体用吸附或溶解能力比试样弱得多的气体 或液体作冲洗剂，由于各组份在固定相的吸或液体作冲洗剂，由于各组份在固定相的吸 附或溶解能力不同，被冲洗剂带出的先后次附或溶解能力不同，被冲洗剂带出的

7、先后次 序也就不同，从而使组份彼此分离，这种方序也就不同，从而使组份彼此分离，这种方 法能使样品各组份获得良好的分离，色谱峰法能使样品各组份获得良好的分离，色谱峰 清晰，此外，除去冲洗剂后，可获得纯度较清晰，此外，除去冲洗剂后，可获得纯度较 高的物质，目前，这种方法是色谱法中最常高的物质，目前，这种方法是色谱法中最常 用的一种方法用的一种方法。 图图18-增增- 1 各种展开方法的流出曲线各种展开方法的流出曲线 (a)(d)(c) A B A B AA+B 表 19-1 按照分离过程原理分的色谱分类法 序号序号方方 法法 名名 称称主要分离过程的性主要分离过程的性 质质 测量被分离物对两相测量

8、被分离物对两相 亲和力大小的单位亲和力大小的单位 1 2 3 4 5 吸附色谱法吸附色谱法 分配色谱法分配色谱法 离子交换色离子交换色 谱法谱法 凝胶色谱法凝胶色谱法 生物亲和色生物亲和色 谱法谱法 吸附吸附 萃取萃取 静电作用和扩散静电作用和扩散 扩散扩散 与亲和剂的生物与亲和剂的生物 特征的相互作用特征的相互作用 吸附系数吸附系数 分配常数分配常数 电荷电离常数和有电荷电离常数和有 效的离子直径效的离子直径 有效分子尺寸有效分子尺寸 无通用单位无通用单位 顶替法顶替法是将样品加到色谱柱头后，在惰是将样品加到色谱柱头后，在惰 性流动相中加入对固定相的吸附或溶解等能性流动相中加入对固定相的吸附

9、或溶解等能 力比所有试样组份都强的物质为顶替剂（或力比所有试样组份都强的物质为顶替剂（或 直接用顶替和流动相），通过色谱柱，将各直接用顶替和流动相），通过色谱柱，将各 组份按吸附或溶解能力的强弱顺序，依次顶组份按吸附或溶解能力的强弱顺序，依次顶 替出固定相替出固定相 ，如图，如图18增增-1（b） 所示。所示。 迎头法迎头法是将试样混合物连续通过色谱柱，是将试样混合物连续通过色谱柱， 吸附或溶解能力最弱的第一组份首先以纯物吸附或溶解能力最弱的第一组份首先以纯物 质的状态流出，其次则是第一组份和吸附或质的状态流出，其次则是第一组份和吸附或 溶解能力较弱的第二组份的混合物，以此类溶解能力较弱的第二

10、组份的混合物，以此类 推，流出曲线如图推，流出曲线如图18增增-1（c）所示所示 。 18-2色谱法基础知识、概念及名词术语色谱法基础知识、概念及名词术语 什么是线性色谱什么是线性色谱？ 样品在固定相样品在固定相 和流动相之间的平和流动相之间的平 衡可以用分配系数衡可以用分配系数 来进行定量讨论。来进行定量讨论。 K = cs/cm 若分配系数若分配系数K与与 浓度无关，则分配浓度无关，则分配 等温线是线性的，等温线是线性的， 如图如图183的的C cM cs A B C D 图18-3 典型分配等温线 吸附线一般是吸附线一般是A或或B型的，但当溶质浓度型的，但当溶质浓度 低时，低时， cs基

11、本上正比于基本上正比于cm ，曲线近似于直线，曲线近似于直线， 在一般情况下，由于色谱柱中溶质的浓度较低，在一般情况下，由于色谱柱中溶质的浓度较低， 因此可以认为因此可以认为K为常数，为常数，K为常数时所进行的为常数时所进行的 色谱过程称为色谱过程称为线性色谱线性色谱。 容易理解，溶质流过色谱柱时，分配系数容易理解，溶质流过色谱柱时，分配系数 大的组份通过色谱柱所需要的时间长，分配系大的组份通过色谱柱所需要的时间长，分配系 数小的组份需要的时间短。数小的组份需要的时间短。 一、基线一、基线 柱中仅有流动相通过时，检测器响应讯的柱中仅有流动相通过时，检测器响应讯的 记录值，即图记录值，即图192

12、中中Ot线，稳定的基线应线，稳定的基线应 该是一条水平直线。该是一条水平直线。 图18-4 色谱流出曲线 W W 二、峰高二、峰高 色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以h表示。表示。 三、保留值三、保留值 1、死时间、死时间tM,不被固定相吸附或溶解的物质入不被固定相吸附或溶解的物质入 色谱柱时，从进样到出现峰极大的值所需的色谱柱时，从进样到出现峰极大的值所需的 时间称为死时间，如图时间称为死时间，如图192中中OA,因为这因为这 种物质不被固定相吸附或溶解，故其流动速种物质不被固定相吸附或溶解，故其流动速 度将与流动相的流动速度相近，测定流动相度将与流动相的流

13、动速度相近，测定流动相 平均线速平均线速时，可用柱长时，可用柱长L与与tM的比值计算。的比值计算。 U = L/tM 2、保留时间、保留时间tR试样从进样开始到柱后出现峰试样从进样开始到柱后出现峰 极大点所经历的时间，称为保留时间，如图极大点所经历的时间，称为保留时间，如图 192 OB，它相应于样品到达柱末端的检，它相应于样品到达柱末端的检 测器所需的时间。测器所需的时间。 3、调整保留时间、调整保留时间tR某组份的保留时间扣除死某组份的保留时间扣除死 时间后称为该组份的调整保留时间，即时间后称为该组份的调整保留时间，即 tR = tR - tM 由于组份在色谱柱中的保留时间由于组份在色谱柱

14、中的保留时间tR包含了包含了 组份随流动相通过柱子所需的时间和组份在组份随流动相通过柱子所需的时间和组份在 固定相中滞留所需的时间，所以固定相中滞留所需的时间，所以tR实际上是实际上是 组份在固定相中停留的总时间，保留时间可组份在固定相中停留的总时间，保留时间可 用时间单位（如用时间单位（如 s）或距离单位（如）或距离单位（如cm）表）表 示。示。 4、死体积、死体积VM指色谱柱在填充后，柱管内固定指色谱柱在填充后，柱管内固定 相颗粒间所剩留的空间，色谱仪中管路和连相颗粒间所剩留的空间，色谱仪中管路和连 接头间的空间以及检测器的空间的总和，当接头间的空间以及检测器的空间的总和，当 后两项很小而

15、可忽略不计时，死体积可由死后两项很小而可忽略不计时，死体积可由死 时间与流动相体积流速时间与流动相体积流速F0(ml/min)计算：计算： VM = tM F0 5、保留体积、保留体积VR指从进样开始到被测组份在柱指从进样开始到被测组份在柱 后出现浓度极大点时所通过的流动相体积，后出现浓度极大点时所通过的流动相体积， 保留体积与保留时间保留体积与保留时间tR的关系如下的关系如下 : VR = tR F0 6、调整保留体积、调整保留体积VR某组份的保留体积扣除死某组份的保留体积扣除死 体积后，称该组份的调整保留体积，即体积后，称该组份的调整保留体积，即 VR= VR - VM 7、相对保留值、相

16、对保留值2.1某组份某组份2的调整保留值与组的调整保留值与组 份份1调整保留值之比，称为相对保留值：调整保留值之比，称为相对保留值： 2.1 = tR2 / tR1 由于相对保留值只与柱温及固定相的性由于相对保留值只与柱温及固定相的性 质有关，而与柱径、柱长、填充情况及流动质有关，而与柱径、柱长、填充情况及流动 相流速无关，因此，它是色谱法中，特别是相流速无关，因此，它是色谱法中，特别是 气相色谱法中，广泛使用的定性数据。气相色谱法中，广泛使用的定性数据。 必须注意，相对保留值绝对不是两个组必须注意，相对保留值绝对不是两个组 份保留时间或保留体积之比。份保留时间或保留体积之比。 在定性分析中，

17、通常固定一个色谱峰作在定性分析中，通常固定一个色谱峰作 为标准（为标准（S），然后再求其它峰（），然后再求其它峰（i）对这个）对这个 峰的相对保留值，此时，峰的相对保留值，此时，ri/s可能大于可能大于1，也可，也可 能小于能小于1，在多元混合物分析中，通常选择一，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对最难分离的物质对，将它们的相对保留值 作为重要参数，在这种特殊情况下，可用符作为重要参数，在这种特殊情况下，可用符 号号表示：表示： = tR2 / tR1 式中为出峰后的调整保留时间，所以这时式中为出峰后的调整保留时间，所以这时总总 是大于是大于1的。的。 8

18、保留因子（分配比保留因子（分配比k也称容量因子）也称容量因子），它是，它是 衡量色谱柱对被分离组份保留能力的重要参衡量色谱柱对被分离组份保留能力的重要参 数，并定义它为组份在固定相和流动相中的数，并定义它为组份在固定相和流动相中的 分配量之比。分配量之比。 k = 组分在固定相中的量组分在固定相中的量/组分在流动相中的量组分在流动相中的量 = ns/nm 设柱中流动相的速为设柱中流动相的速为u，试样谱带，试样谱带X的平均线速的平均线速 是是ux,显然显然ux的大小取决于样品分子的大小取决于样品分子X分配在分配在 流动相中的分数流动相中的分数R和流动相的线速和流动相的线速u，即，即 ux = u

19、 R 根据前面公式，有根据前面公式，有 k + 1 = (ns/nm ) + (nm/nm ) = (ns+ nm ) / nm R = 1/(k + 1 ) tR = tM(1+k) k = tR / tM 相对保留值相对保留值 2.1 = k2 / k1= K2 / K1 从上式中可以看出，从上式中可以看出，k不仅与物质的热力不仅与物质的热力 学性质有关，同时也与色谱柱的柱型及其结学性质有关，同时也与色谱柱的柱型及其结 构有关，构有关，k是色谱理论中一个重要的基本参数。是色谱理论中一个重要的基本参数。 四、区域宽度四、区域宽度 色谱峰的区域宽度是组份在色谱柱中谱色谱峰的区域宽度是组份在色谱

20、柱中谱 带扩张的函数，它反映了色谱操作条件的动带扩张的函数，它反映了色谱操作条件的动 力学因素，度量色谱峰区域宽度通常有三种力学因素，度量色谱峰区域宽度通常有三种 方法：方法： 1.标准偏差标准偏差即即0.607倍峰高处色谱峰宽的一半，倍峰高处色谱峰宽的一半， 如图如图192中中EF距离的一半。距离的一半。 2.半峰宽半峰宽W1/2即峰高一半处对应的峰宽，如图即峰高一半处对应的峰宽，如图 192中中GH间的距离，它与标准偏差的关系间的距离，它与标准偏差的关系 为：为： W1/2 = 2.354 3.基线宽度基线宽度W：即色谱峰两侧拐点上的切线在：即色谱峰两侧拐点上的切线在 基线上的截距，如图基

21、线上的截距，如图192中中IJ的距离，它的距离，它 与标准偏差与标准偏差的关系是的关系是: W = 4 从色谱流出曲线上，可以得到许多重要信息：从色谱流出曲线上，可以得到许多重要信息： (1)(1)根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组 份最少个数；份最少个数； (2)(2)根据色谱峰的保留值（或位置），可以进行根据色谱峰的保留值（或位置），可以进行 定性分析；定性分析； (3)(3)根据色谱峰下的面积或峰高，可以进行定量根据色谱峰下的面积或峰高，可以进行定量 分析；分析； (4)(4)色谱峰的保留值及其区域宽度，是评价色谱色谱峰的保留值及其区域宽度，是评

22、价色谱 柱分离效能的依据；柱分离效能的依据； (5)(5)色谱峰两峰间的距离，是评价固定相（和流色谱峰两峰间的距离，是评价固定相（和流 动相）选择是否合适的依据。动相）选择是否合适的依据。 18-3 色谱动力学基本理论色谱动力学基本理论 图图193是是A、B两组份沿色谱柱移动时，两组份沿色谱柱移动时， 不同位置处的浓度轮廓，图中不同位置处的浓度轮廓，图中KAKB因此因此A组组 份在移动过程中滞后，随着两组份在色谱柱份在移动过程中滞后，随着两组份在色谱柱 中移动距离的增中，两峰间的距离逐渐变大，中移动距离的增中，两峰间的距离逐渐变大， 同时每一组分的浓度轮廓（即区域宽度）也同时每一组分的浓度轮廓

23、（即区域宽度）也 慢慢变宽，显然，区域扩宽对分离是不利的，慢慢变宽，显然，区域扩宽对分离是不利的， 但又不是不可避免的，若要使但又不是不可避免的，若要使A、B两组份完两组份完 全分离，必须满足以下三点：全分离，必须满足以下三点： 第一，两组份的分配系数必须有差异；第一，两组份的分配系数必须有差异； 第二，区域扩宽的速率应小于区域分离的速度；第二，区域扩宽的速率应小于区域分离的速度； 第三，在保证快速分离的前提下，提供足第三，在保证快速分离的前提下，提供足 够长的色谱柱。够长的色谱柱。 浓度 沿柱移动的距离L KAKB A A B B 图图19-3溶质溶质A和溶质和溶质B在沿柱移动时不同位置处的

24、浓度轮廓在沿柱移动时不同位置处的浓度轮廓 第一，二点是完成分离的必要条件，作第一，二点是完成分离的必要条件，作 为一个色谱理论，它不仅应说明组份在色谱为一个色谱理论，它不仅应说明组份在色谱 柱中移动的速率，而且应说明组份在移动过柱中移动的速率，而且应说明组份在移动过 程中引起区域扩宽的各种因素，塔板理论和程中引起区域扩宽的各种因素，塔板理论和 速率理论均以色谱过程中分配系数恒定为前速率理论均以色谱过程中分配系数恒定为前 提，故称为线性色谱理论。提，故称为线性色谱理论。 一、塔板理论一、塔板理论 塔板模型将一根色谱柱视为一个精馏塔，塔板模型将一根色谱柱视为一个精馏塔， 即色谱柱是由一系列连续的、

25、相等的水平塔即色谱柱是由一系列连续的、相等的水平塔 板组成，每一块塔板的高度为板组成，每一块塔板的高度为H表示，称为表示，称为 塔板高度、简称板高。塔板高度、简称板高。 塔板理论假设：在每一块塔板上，溶质在塔板理论假设：在每一块塔板上，溶质在 两相间很快到分配平衡，然后随着流动相按两相间很快到分配平衡，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：的色谱柱，溶质平衡的次数应为： H = L / N n称为理论塔板数，与精馏塔一样，色谱称为理论塔板数，与精馏塔一样，色谱 柱的柱效随理论塔板数柱的柱效随理论塔板数n的

26、增加而增加，随板的增加而增加，随板 高高H的增大而减小的增大而减小 . 塔板理论指出：塔板理论指出： 第一，当溶质在柱中的平衡次数，即理论塔板第一，当溶质在柱中的平衡次数，即理论塔板 数数n大于大于50时，可得到基本对称的峰形曲线，时，可得到基本对称的峰形曲线， 在色谱柱中，在色谱柱中，n值一般是很大的，如气相色谱值一般是很大的，如气相色谱 柱的柱的n约为约为103106，因而这时的流出曲线可，因而这时的流出曲线可 趋近于正态分布曲线。趋近于正态分布曲线。 第二，当样品进入色谱柱后，只要各组份在两第二，当样品进入色谱柱后，只要各组份在两 相同的分配系数有微小差异，经过反复多次相同的分配系数有微

27、小差异，经过反复多次 的分配平衡后，仍可获得良好的分离。的分配平衡后，仍可获得良好的分离。 第三，第三，n与半峰宽及峰底宽的关系式为：与半峰宽及峰底宽的关系式为： n = 5.54(tR/W 1/2)2 = 16 (tR/W )2 式中式中tR或或Y 1/2应采取同一时间单位。从上式可应采取同一时间单位。从上式可 以看出，在以看出，在 tR 一定时，如果色谱峰越窄，说一定时，如果色谱峰越窄，说 明明n越大，柱效越高。越大，柱效越高。 在实际工作中，按前面式计算出来的在实际工作中，按前面式计算出来的n 和和H值有时并不能充分地反映色谱柱的分离值有时并不能充分地反映色谱柱的分离 效能，因为采用效能

28、，因为采用tR计算时，没有扣除死时间计算时，没有扣除死时间 tM,所以常用有效塔板数所以常用有效塔板数n有效表示柱效：有效表示柱效： Neff= 5.54(tR/2t 1/2)2 = 16 (tR/W)2 (18-49) 有效板高为：有效板高为： Heff = L / Neff (18-50) 因为在相同的色谱条件下，对不同物质因为在相同的色谱条件下，对不同物质 计算所得的塔板数不一样，因此，在说明柱计算所得的塔板数不一样，因此，在说明柱 效时，除注明色谱条件外，还应指出用什么效时，除注明色谱条件外，还应指出用什么 物质来进行测量的。物质来进行测量的。 塔板理论是一种半经验性的理论，它用塔板理

29、论是一种半经验性的理论，它用 热力学的观点定量说明了溶质在色谱柱中移热力学的观点定量说明了溶质在色谱柱中移 动的速率，解释了流出曲线的形状，并提出动的速率，解释了流出曲线的形状，并提出 计算和评价柱效高低的参数，但是，色谱过计算和评价柱效高低的参数，但是，色谱过 程不仅受热力学的因素影响，而且还与分子程不仅受热力学的因素影响，而且还与分子 的扩散，传质等动力学因素有关，因此塔板的扩散，传质等动力学因素有关，因此塔板 理论只能定性地测得不同的理论塔板数，因理论只能定性地测得不同的理论塔板数，因 而限制了它的应用。而限制了它的应用。 二、速率理论二、速率理论 1956年，荷兰者范第姆特（年，荷兰者

30、范第姆特（van Deemter）等人的研究气液色谱时，提出色）等人的研究气液色谱时，提出色 谱过程的动力学理论谱过程的动力学理论速率理论，他们吸速率理论，他们吸 收了塔板理论中板高的概念，并同时考虑影收了塔板理论中板高的概念，并同时考虑影 响板高的动力学因素，指出：填充柱的效受响板高的动力学因素，指出：填充柱的效受 分子扩散，传质阻力，载气流等因素的控制，分子扩散，传质阻力，载气流等因素的控制， 从而较好地解释了影响板高的各种因素从而较好地解释了影响板高的各种因素 速度理论指出，谱峰扩宽受三个动力学速度理论指出，谱峰扩宽受三个动力学 因素控制，即涡流扩散项，分子扩散项，传因素控制，即涡流扩散

31、项，分子扩散项，传 质阻力顶，用板高方程表示为：质阻力顶，用板高方程表示为： H =A + (B/ U) + C U (一一)涡流扩散项涡流扩散项A 在填充色谱柱中，流动相通过填物的不规在填充色谱柱中，流动相通过填物的不规 则空隙时，其流动方向不断地改变，因则形成则空隙时，其流动方向不断地改变，因则形成 紊乱的类似紊乱的类似“涡流涡流”的流动，如图所示，由于的流动，如图所示，由于 填充物的大小，形状各异以及填充的不均匀性，填充物的大小，形状各异以及填充的不均匀性， 使组份各分子在色谱柱中经过的通道直径和长使组份各分子在色谱柱中经过的通道直径和长 度不同，从而使它们在柱中的停留时间不等，度不同，

32、从而使它们在柱中的停留时间不等， 其结果使色谱峰变宽，色谱峰变宽的程度由下其结果使色谱峰变宽，色谱峰变宽的程度由下 式决定：式决定： A = 2 dp A与填充物的平均直径与填充物的平均直径dp的大小和填充不的大小和填充不 规则因子规则因子有关与流动相的性质、线速度和组有关与流动相的性质、线速度和组 份性质无关。份性质无关。 使用粒度细和颗粒均匀的填料，均匀填使用粒度细和颗粒均匀的填料，均匀填 充，是减少涡流扩散和提高柱效的有效途径。充，是减少涡流扩散和提高柱效的有效途径。 (二二)纵向扩散项纵向扩散项 B/ U 当样品以当样品以“塞子塞子”形式进入色谱柱后，形式进入色谱柱后， 便在色谱柱的轴

33、向上造成浓度梯度，使组份便在色谱柱的轴向上造成浓度梯度，使组份 分子产生浓差扩散，其方向是沿着纵向扩散，分子产生浓差扩散，其方向是沿着纵向扩散， 故该项也称为纵向扩散项，扩散项系数为：故该项也称为纵向扩散项，扩散项系数为： B = 2 Dm/u 是填充柱内气体扩散路径弯曲的因素，也是填充柱内气体扩散路径弯曲的因素，也 称弯曲因子，称弯曲因子，Dg除组份性质有关外，还与组除组份性质有关外，还与组 份在气相中的停留时间，载气的性质，柱温份在气相中的停留时间，载气的性质，柱温 等因素有关，因此，为了减小等因素有关，因此，为了减小B项，可采用项，可采用 较高的载气流速，使用相对分子质量较大的较高的载气

34、流速，使用相对分子质量较大的 载气（如载气（如N2）控制较低的柱温。）控制较低的柱温。 (三三)传质项传质项 C U 物质系统由于浓度不均匀而发生的物质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，影响这个过程进行速迁移过程，称为传质，影响这个过程进行速 度的阻力，叫传质阻力，传质阻力系数度的阻力，叫传质阻力，传质阻力系数C包括包括 气相传质阻力系数气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数和液相传质阻力系数C1 ， 即即C= Cg + C1 。 气相传质过程是指试样在气相和气液介面气相传质过程是指试样在气相和气液介面 上的传质，由于传质阻力的存在，使得试样上的传质，由于传质阻力的存在，

35、使得试样 在两相界面上不能瞬间达到分配平衡。所以，在两相界面上不能瞬间达到分配平衡。所以， 有的分子还来不及进入两相界面，就被气相有的分子还来不及进入两相界面，就被气相 带走，出现超前现象，当然，有的分子在进带走，出现超前现象，当然，有的分子在进 入两相界面后还来不及返回到气相，这就引入两相界面后还来不及返回到气相，这就引 起滞后现象。起滞后现象。 上面这些现象均将造成谱峰扩宽，对于填充上面这些现象均将造成谱峰扩宽，对于填充 性，气相传质阻力系数性，气相传质阻力系数Cg 为：为： Cg = 0.01k2/(1 + k2) (d2p/Dg) 式中式中k为容量因子，从上式可以看出，为容量因子，从上

36、式可以看出， 气相传质阻力与填充物粒度的平方成正比，气相传质阻力与填充物粒度的平方成正比， 与组份在载气流中的扩散系数成反比，因此，与组份在载气流中的扩散系数成反比，因此， 采用粒度小的填充物和相对分子质量小的气采用粒度小的填充物和相对分子质量小的气 体（如氢气）作载气，可减小体（如氢气）作载气，可减小Cg ，提高柱效，提高柱效 与气相传质阻力一样，在气液色谱中，与气相传质阻力一样，在气液色谱中， 液相传质阻力也会引起谱峰的扩张，不过它液相传质阻力也会引起谱峰的扩张，不过它 是发生在气液界面和固定相之间，液相传质是发生在气液界面和固定相之间，液相传质 阻力系数阻力系数C1 为：为： Cl =

37、(2/3) k/(1+k)2 (d2f/Dl) 由上式可见，减小固定液的液膜厚度由上式可见，减小固定液的液膜厚度df , 增大组份在液相中扩散系数增大组份在液相中扩散系数D1 ，可以减小，可以减小 C1 ，显然，降低固定液的含量，可以降低液，显然，降低固定液的含量，可以降低液 膜厚度，但膜厚度，但 k 值随之变小，又会使值随之变小，又会使C1增大。增大。 当固定液含量较高，液膜较厚，载气又当固定液含量较高，液膜较厚，载气又 在中等的线速度下时，板高主要受液相传质在中等的线速度下时，板高主要受液相传质 系数系数C1 的控制，此时，气相传质系数值很小，的控制，此时，气相传质系数值很小， 可以忽略，

38、然而，随着快速色谱的发展，当可以忽略，然而，随着快速色谱的发展，当 采用低固定液含量柱和高载气线速进行分析采用低固定液含量柱和高载气线速进行分析 时，气相传质阻力就会成为影响塔板高度的时，气相传质阻力就会成为影响塔板高度的 重要因素。重要因素。 将将 A、B、 C代入上面式中，可以得到：代入上面式中，可以得到： H = 2 dp +(2 Dg/u ) +0.01k2/(1+k)2 (d2p/Dg)+2k d2f/ 3(1+k)2Dl 这一方程对选择色谱分离条件具有实际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，指导意义，它指出了色谱柱填充的均匀程度， 填料程度的

39、大小，流动相的种类及流速，固填料程度的大小，流动相的种类及流速，固 定相的膜厚度等柱效的影响。定相的膜厚度等柱效的影响。 三、液相色谱中的速率理论三、液相色谱中的速率理论 速率理论虽然是在研究报液色谱时提出速率理论虽然是在研究报液色谱时提出 的，但作适当修改后，也适用于其它色谱方的，但作适当修改后，也适用于其它色谱方 法，在液相色谱中，板高方程可写成如下形法，在液相色谱中，板高方程可写成如下形 式：式：(见见P386 21-1) 图 18-10 van Deemter 方程H随u变化曲线 H Cu A B/u u/cms-1 I和和III项分别表示涡流扩散项和分子扩散项，项分别表示涡流扩散项和

40、分子扩散项， 由于由于Dm 比比Dg 小小45个数量极，因此在液相个数量极，因此在液相 色谱中，分子扩散项通常可以忽略不计。色谱中，分子扩散项通常可以忽略不计。 IV项为固定相传质阻力，该项与气液色谱中项为固定相传质阻力，该项与气液色谱中 液相传质阻力项相应液相传质阻力项相应 II项是在流动区域内，流动相的传质阻力。它项是在流动区域内，流动相的传质阻力。它 指出流动相通过同一流路时，在接近固定相指出流动相通过同一流路时，在接近固定相 表面的流速比在流路中间的要漫一些。表面的流速比在流路中间的要漫一些。 V项是在流动相停滞区域内的传质阻力。固定项是在流动相停滞区域内的传质阻力。固定 相孔穴中的流

41、相，一般是不移动的，流动相相孔穴中的流相，一般是不移动的，流动相 中的溶质分子与固定相进行交换时，必须首中的溶质分子与固定相进行交换时，必须首 先扩散进入滞留区，若固定相的微孔小且深，先扩散进入滞留区，若固定相的微孔小且深， 就会大大减慢传质速率。就会大大减慢传质速率。 以上各种传质阻力都将导致谱峰变宽。以上各种传质阻力都将导致谱峰变宽。 从（从（1824）式可以看出，在液相色谱法中，）式可以看出，在液相色谱法中， 可采用如下方法降低板高来提高柱效：可采用如下方法降低板高来提高柱效： （1）减小填料孔穴深度；）减小填料孔穴深度； （2）减小填料粒度）减小填料粒度dp ； （3）用低粘度溶剂作流

42、动相；）用低粘度溶剂作流动相； （4）采用低流速流动相；）采用低流速流动相； （5）适当提高柱温。）适当提高柱温。 18-4 基本分离方程基本分离方程 一、柱效和选择性一、柱效和选择性 从前面讨论可知，衡量柱效的指标是理从前面讨论可知，衡量柱效的指标是理 论塔板数论塔板数n(或或n有效 有效)，反映了色谱分离过程的 ，反映了色谱分离过程的 动力学性质。动力学性质。 在色谱法中，常用色谱图上两峰间的距在色谱法中，常用色谱图上两峰间的距 离衡量色谱柱的选择性，其距离越大说明柱离衡量色谱柱的选择性，其距离越大说明柱 子的选择性越好，一般用相对保留值子的选择性越好，一般用相对保留值表示表示 两组份在给

43、定柱子上的选择性，柱子的选择两组份在给定柱子上的选择性，柱子的选择 性主要取决于组份在固定相上的热力学性质。性主要取决于组份在固定相上的热力学性质。 二、分离度二、分离度 图图196是两相邻组份在不同色谱条件下的是两相邻组份在不同色谱条件下的 分离情况。（分离情况。（a）中两组件没有完全分离，）中两组件没有完全分离， (b)和（和（c）中两组份完全分离，前者的柱效）中两组份完全分离，前者的柱效 虽不高，但选择性好；后者的选择性较差，虽不高，但选择性好；后者的选择性较差， 但柱效高，由此可见，单独用柱效或柱选择但柱效高，由此可见，单独用柱效或柱选择 性并不能真实地反映组份在色谱柱中的分离性并不能

44、真实地反映组份在色谱柱中的分离 情况，所以，在色谱分析中，需要引入分离情况，所以，在色谱分析中，需要引入分离 度（度（Rs ）这一概念。）这一概念。 分离度也称分辨率或分辨度，它是指相邻分离度也称分辨率或分辨度，它是指相邻 两色谱峰保留值之差与两峰底宽平均值之比两色谱峰保留值之差与两峰底宽平均值之比。 Rs = (tR2 tR1)/1/2(W1 +W2) = 2(tR2 tR1 ) / (W1 +W2) (a) (b) (c) 一般来说，当一般来说，当Rs 10时，分离度的提高并不明显，时，分离度的提高并不明显， 而当而当 k2时，洗脱时间会出现极小值，在此，时，洗脱时间会出现极小值，在此，

45、在色谱分离中，通常将在色谱分离中，通常将 k 控制在控制在15之间。之间。 第三，选择性参数第三，选择性参数的微小增大，都会使分离的微小增大，都会使分离 度得到较大的改善，当度得到较大的改善，当大于大于2时，即使在很时，即使在很 短的时间内，组份也会完全分离，当短的时间内，组份也会完全分离，当接近接近1 时，要完成分离，必须增加柱长，延长分析时，要完成分离，必须增加柱长，延长分析 时间，例如，为了达到同样的分离度，当时间，例如，为了达到同样的分离度，当 =1.01时，所需的时间是时，所需的时间是=1.1时的时的84倍，显倍，显 然，当然，当=1时，无论怎样提高柱效，加大容时，无论怎样提高柱效，

46、加大容 量因子量因子，Rs 均为零，在这种情况下，两组份均为零，在这种情况下，两组份 的分离是不可能的。的分离是不可能的。 在选择操作条件时，首先应确定欲达到在选择操作条件时，首先应确定欲达到 分离度，然后用公式进行有关计算，求得所分离度，然后用公式进行有关计算，求得所 需的塔板数和分析时间。需的塔板数和分析时间。 18-6 定性和定量分析定性和定量分析 一、定性分析一、定性分析 定性分析的任务是确定色谱图上每一个定性分析的任务是确定色谱图上每一个 峰所代表的物质，在色谱条件一定时，任何峰所代表的物质，在色谱条件一定时，任何 一种物质都有确定的保留时间，因此，在相一种物质都有确定的保留时间，因

47、此，在相 同色谱条件下，通过比较已知物和未知物的同色谱条件下，通过比较已知物和未知物的 保留参数或在固定相上的位置，即可确定未保留参数或在固定相上的位置，即可确定未 知物是何种物质，但是，一般来说，色谱法知物是何种物质，但是，一般来说，色谱法 是分离复杂混合物的有效工具，如果将色谱是分离复杂混合物的有效工具，如果将色谱 与质谱或其它光谱联用，则是目前解决复杂与质谱或其它光谱联用，则是目前解决复杂 混合物中未知物定性的最有效的方法混合物中未知物定性的最有效的方法。 二、定量分析二、定量分析 在一定色谱条件下，组份在一定色谱条件下，组份i的质量（的质量（m1 ） 或其在流动相中的浓度，与检测器应讯

48、号或其在流动相中的浓度，与检测器应讯号 （峰面积（峰面积A1 或峰高或峰高h1 ）成正比。）成正比。 mi = fiA Ai mi = fih hi 式中式中 fiA 和和fih 是绝对校正因子。上式是定量是绝对校正因子。上式是定量 分析的依据。分析的依据。 （一）响应信号的测量（一）响应信号的测量 色谱峰的高是其峰项与基线之间的距离，色谱峰的高是其峰项与基线之间的距离， 测量方法比较简单。测量方法比较简单。 测量峰面积的方法分为手工测量和自动测量峰面积的方法分为手工测量和自动 测量两大类，现代色谱仪中一般都装有准确测量两大类，现代色谱仪中一般都装有准确 测量色谱峰面积有电学积分仪，如果没有积

49、测量色谱峰面积有电学积分仪，如果没有积 分装置，可用手工测量，再用有关公式计算分装置，可用手工测量，再用有关公式计算 峰面积，对于对称的峰，近似计算公式为峰面积，对于对称的峰，近似计算公式为: Ai = 1.065 hiW 不对称的峰的近似计算公式为：不对称的峰的近似计算公式为： Ai = 0.5 hi(W 0.15 + W 0.85 ) 峰面积的大小不易受操作条件如柱温，峰面积的大小不易受操作条件如柱温， 流动相的流速、进样速度等影响，从这一点流动相的流速、进样速度等影响，从这一点 来看，峰面积更适于作为定量分析的参数。来看，峰面积更适于作为定量分析的参数。 （二）定量校正因子（二）定量校正

50、因子 1、绝对校正因子从（、绝对校正因子从（1930）和（）和（1931） 式可知，组份式可知，组份i的峰面积峰高的绝对校正因子的峰面积峰高的绝对校正因子 分别为分别为: mi / Ai = fiA mi / hi = fih 由此可见，绝对校正因子是指某份由此可见，绝对校正因子是指某份i通通 过检测器的量与检测器对该组份的响应信号过检测器的量与检测器对该组份的响应信号 之比，之比，mi 的单位用的单位用g、 mol L-1或体积表示相或体积表示相 应的校正因子分别称为质量校正因子（应的校正因子分别称为质量校正因子（fm），）， 摩尔校正因子（摩尔校正因子（fv）。）。 很明显，绝对校正因子受

51、仪器及操作条很明显，绝对校正因子受仪器及操作条 件的影响很大，故其应用受到限制，在实际件的影响很大，故其应用受到限制，在实际 定量分断中，一般常采用相对校正因子。定量分断中，一般常采用相对校正因子。 2、相对校正因子、相对校正因子 相以校正因子是指组份相以校正因子是指组份i与与 基准组份基准组份s的绝对性校正因子之比：的绝对性校正因子之比： fisA = fiA / fsA = mi As/ ms Ai fish = fih / fsh = mi hs/ ms hi 必须注意，相对校正因子是一个无因次必须注意，相对校正因子是一个无因次 量，但它的数值与采用的计量单位有关。量，但它的数值与采用的计量单位有关。 3、相对响应值、相对响应值 相以响应值（相以响应值（Sis）也叫相对应）也叫相对应 答值，答值， 即相对灵敏度，当计量单位相同时，即相对灵敏度