第08章 色谱分析导论

1、2022-4-101第八章第八章 色谱分析方法导论色谱分析方法导论Chromatography8.1 概述概述 历史、色谱分离过程、分类历史、色谱分离过程、分类8.2 色谱流出曲线色谱流出曲线 色谱图及相关术语色谱图及相关术语8.3 色谱法基本原理色谱法基本原理 描述分配过程参数、峰间距、峰形状和峰宽的理论描述（塔板理论描述分配过程参数、峰间距、峰形状和峰宽的理论描述（塔板理论及速率理论）及速率理论）8.4 分离度及色谱分离方程分离度及色谱分离方程 分离度及色谱分离方程、影响分离的因素分离度及色谱分离方程、影响分离的因素2022-4-1028.1 概述概述 化学分析方法的基本要求是其选择性要高

2、。即，在分析化学分析方法的基本要求是其选择性要高。即，在分析过程中，待测物与潜在的干扰物的分离是最为重要的步骤！过程中，待测物与潜在的干扰物的分离是最为重要的步骤！ 20 世纪中期，大量采用一些经典的分离方法：沉淀、蒸世纪中期，大量采用一些经典的分离方法：沉淀、蒸馏和萃取。馏和萃取。 现代分析中，大量采用色谱和电泳分离方法。迄今为止现代分析中，大量采用色谱和电泳分离方法。迄今为止，色谱方法是最为有效的分离手段！其应用涉及每个科学领，色谱方法是最为有效的分离手段！其应用涉及每个科学领域。域。 1903年，由俄国植物学家年，由俄国植物学家Mikhail Tswett 最先发明：他采最先发明：他采用

3、填充有固体用填充有固体CaCO3细颗粒物的玻璃柱，将植物色素的混合细颗粒物的玻璃柱，将植物色素的混合物物（叶绿素和叶黄素叶绿素和叶黄素chlorophylls & xanthophylls）加于柱顶加于柱顶端，然后以溶剂淋洗，被分离的组份在柱中显示了不同的色端，然后以溶剂淋洗，被分离的组份在柱中显示了不同的色带，他称之为色谱带，他称之为色谱 （希腊语中（希腊语中 “chroma”=color; “graphein”=write） 。 2022-4-103色谱分析术语：色谱分析术语： 按现代色谱学术语，按现代色谱学术语，Tswett 实验中的实验中的相对与石油醚而固定不动的碳酸钙称为相对

4、与石油醚而固定不动的碳酸钙称为固定相（固定相（stationary phase），），装有固定装有固定相的管子称为相的管子称为色谱柱（色谱柱（column），），冲洗冲洗过程称为过程称为洗脱（洗脱（elution），），洗脱液称为洗脱液称为流动相（流动相（mobile phase），），得到的图谱称得到的图谱称为为色谱图（色谱图（chromatogram）。）。 50年代，色谱发展最快（一些新型色年代，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谱技术的发展；复杂组分分析发展的要求）。求）。 1937-1972年，年，15年中有年中有12个个Nobel奖是有关色谱研究的！奖是有关

5、色谱研究的！2022-4-104色谱分析的定义：色谱分析的定义： 初期初期Keuleman定义为组分在固定相和流动相之间被分离的一种物定义为组分在固定相和流动相之间被分离的一种物理方法。随着科学的进步，色谱分析不再单纯是一种分离方法，它已与理方法。随着科学的进步，色谱分析不再单纯是一种分离方法，它已与分析仪器相连接，成为既分离又分析的一种综合分析方法。分析仪器相连接，成为既分离又分析的一种综合分析方法。 因此，色谱法是一种利用样品中各组分在固定相与流动相中受到的因此，色谱法是一种利用样品中各组分在固定相与流动相中受到的作用力不同，而将待分析样品中各组分依次分离，然后按顺序检测各组作用力不同，而

6、将待分析样品中各组分依次分离，然后按顺序检测各组分的分离分析方法。分的分离分析方法。2022-4-105色谱分离基本原理：色谱分离基本原理： 使用外力使含有样品的流动相（气体、液体或超临界流体）通过使用外力使含有样品的流动相（气体、液体或超临界流体）通过一固定于柱或平板上、与流动相互不相溶的固定相表面。由于处于柱一固定于柱或平板上、与流动相互不相溶的固定相表面。由于处于柱起始端样品中各组份与两相（流动相与固定相）的作用程度不同，因起始端样品中各组份与两相（流动相与固定相）的作用程度不同，因此，与固定相作用强的组份随流动相流出的速度较慢，而与固定相作此，与固定相作用强的组份随流动相流出的速度较慢

7、，而与固定相作用弱的组份随流动相流出的速度较快。由于流出的速度的差异，使得用弱的组份随流动相流出的速度较快。由于流出的速度的差异，使得混合组份最终形成各个单组份的混合组份最终形成各个单组份的“带带（band）”或或“区区（zone）”，对依次流出的各个单组份物质可分别进行定性、定量分析。对依次流出的各个单组份物质可分别进行定性、定量分析。2022-4-106色谱分类方法：色谱分类方法：1. 按固定相外形分：按固定相外形分： 柱色谱（填充柱、空心柱）、平板色谱。柱色谱（填充柱、空心柱）、平板色谱。2. 按组份在固定相上的分离机理分：按组份在固定相上的分离机理分： 吸附色谱：不同组份在固定相的吸附

8、作用不同；吸附色谱：不同组份在固定相的吸附作用不同； 分配色谱：不同组份在两相中的溶解能力不同；分配色谱：不同组份在两相中的溶解能力不同； 离子交换色谱：不同组份在固定相（离子交换剂）上的亲和力不同；离子交换色谱：不同组份在固定相（离子交换剂）上的亲和力不同； 凝胶色谱（尺寸排阻色谱）：不同尺寸分子在固定相上的渗透作用。凝胶色谱（尺寸排阻色谱）：不同尺寸分子在固定相上的渗透作用。2022-4-1073. 按两相状态分按两相状态分分类分类 方法方法 固定相固定相 平衡类型平衡类型 气液色谱气液色谱 液体吸附液体吸附于于固体固体 气液间分配气液间分配 气固色谱气固色谱 固体吸附剂固体吸附剂 吸附吸

9、附 气气 相相 色色 谱谱 气相键合色谱气相键合色谱 有机组份键合于有机组份键合于固体表面固体表面 液体和键合体液体和键合体表面间的分配表面间的分配 液液色谱液液色谱 液体吸附液体吸附于于固体固体 不相溶液体间不相溶液体间的分配的分配 液固液固 (吸附吸附)色色谱谱 固体吸附剂固体吸附剂 吸附吸附 液相键合色谱液相键合色谱 有机组份键合于有机组份键合于固体表面固体表面 液体和键合体液体和键合体表面间的分配表面间的分配 离子交换色谱离子交换色谱 离子交换树脂离子交换树脂 离子交换离子交换 液液 相相 色色 谱谱 凝胶渗透凝胶渗透(尺寸尺寸排阻排阻)色谱色谱 液体附于多孔聚液体附于多孔聚合物合物

10、分配分配/筛析筛析 超临界超临界流体流体 有机组份键合于有机组份键合于固固体表面体表面 超临界流体和超临界流体和键合相间键合相间分配分配 2022-4-1088.2 色谱流出曲线（色谱图）色谱流出曲线（色谱图） 混合组分的分离过程及检测器对各组份在不同阶段的响应混合组分的分离过程及检测器对各组份在不同阶段的响应2022-4-109色谱图术语：色谱图术语： 色谱峰中的参数：色谱峰色谱峰中的参数：色谱峰的位置、宽度、高度和峰形以的位置、宽度、高度和峰形以基线、峰宽、半峰宽、峰高和基线、峰宽、半峰宽、峰高和保留时间等描述保留时间等描述1）基线（）基线（baseline）：）：在实验在实验条件下，色谱

11、柱后仅有纯流动条件下，色谱柱后仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线称相进入检测器时的流出曲线称为基线，为基线，S/N大的、稳定的基大的、稳定的基线为水平直线。线为水平直线。2）峰高（）峰高（peak height）：）：色色谱峰顶点与基线的距离。谱峰顶点与基线的距离。u0tLu 死时间死时间柱长柱长3）保留值）保留值（Retention value, R） a. 死时间死时间（Dead time, t0） ：不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大值时的时间，它与色谱柱的空隙体积成正比。由于该物质不与固定相作用，因值时的时间，它与色谱柱的空隙体积成正比。由于该

12、物质不与固定相作用，因此，其流速与流动相的流速相近。据此，其流速与流动相的流速相近。据 t0 可求出流动相平均流速可求出流动相平均流速 :横坐标为时间，纵坐标为信号2022-4-1010 b. 保留时间保留时间 tr：试样从进样到出现峰极大值时的时间。它包括组分随流动相试样从进样到出现峰极大值时的时间。它包括组分随流动相通过柱子的时间通过柱子的时间 t0 和组分在固定相中滞留的时间。和组分在固定相中滞留的时间。 c. 调整保留时间调整保留时间 ：某组分的保留时间扣除死时间后的保留时间，它是组分某组分的保留时间扣除死时间后的保留时间，它是组分在固定相中的滞留时间。即在固定相中的滞留时间。即 保留

13、时间为色谱定性依据，但同一组分的保留时间与流速有关，因此有时保留时间为色谱定性依据，但同一组分的保留时间与流速有关，因此有时需用保留体积来表示保留值。需用保留体积来表示保留值。 d. 死体积死体积 V0：色谱柱管内固定相颗粒间空隙，相当于除固定相外，流动相所色谱柱管内固定相颗粒间空隙，相当于除固定相外，流动相所占的体积。表达式：占的体积。表达式：其中，其中，Fco为柱出口的载气流速为柱出口的载气流速（mL/min)，其值为：，其值为：F0-检测器出口流速；检测器出口流速；Tr-室温；室温；Tc-柱温；柱温；p0-大气压；大气压；pw-室温时水蒸汽压。室温时水蒸汽压。rt0rrttt co00F

14、tV 0w0rc0copppTTFF 2022-4-1011 e. 保留体积保留体积Vr：指从进样到待测物在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相指从进样到待测物在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积。的体积。 f. 调整保留体积调整保留体积 ：某组份的保留体积扣除死体积后的体积。某组份的保留体积扣除死体积后的体积。 g. 相对保留值相对保留值r2,1：组份组份2的调整保留值与组份的调整保留值与组份1的调整保留值之比。的调整保留值之比。注意：注意：r2,1只与柱温和固定相性质有关，而与柱内径、柱长只与柱温和固定相性质有关，而与柱内径、柱长L、填充情况及流动、填充情况及流动相流速无关，因此，在色

15、谱分析中，尤其是相流速无关，因此，在色谱分析中，尤其是GC中广泛用于定性的依据！中广泛用于定性的依据！具体求法：固定一个色谱峰为标准（具体求法：固定一个色谱峰为标准（s），然后再求其它峰（，然后再求其它峰（i） 对标准峰的相对标准峰的相对保留值，此时以对保留值，此时以 表示：表示： 1, 又称选择因子又称选择因子(Selectivity factor)。cor0FtV rVcor0rrFtVVV 1r2r1r2r1 , 2VVttr )s(t)i (tsr 2022-4-1012 h. 区域宽度：区域宽度：用于衡量柱效及反映色谱操作条件下的动力学因素对用于衡量柱效及反映色谱操作条件下的动力学因

16、素对分离的影响。通常有三种表示方法：分离的影响。通常有三种表示方法： 标准偏差标准偏差 ：0.607倍峰宽处的一半。倍峰宽处的一半。 半峰宽半峰宽W1/2：峰高一半处的峰宽。：峰高一半处的峰宽。W1/2=2.354 峰底宽峰底宽W：色谱峰两侧拐点上切线与基线的交点间的距离：色谱峰两侧拐点上切线与基线的交点间的距离(W= 4 )色谱流出曲线的意义：色谱流出曲线的意义： 色谱峰数色谱峰数 = 样品中单组份的最少个数；样品中单组份的最少个数； 色谱保留值色谱保留值定性依据；定性依据； 色谱峰高或面积色谱峰高或面积定量依据；定量依据； 色谱保留值或区域宽度色谱保留值或区域宽度色谱柱分离效能评价指标；色

17、谱柱分离效能评价指标； 色谱峰间距色谱峰间距固定相或流动相选择是否合适的依据。固定相或流动相选择是否合适的依据。2022-4-10138.3 色谱法基本原理色谱法基本原理两组份峰间距足够远：由各组份在两相间的分配系数决定，即由色谱过程的两组份峰间距足够远：由各组份在两相间的分配系数决定，即由色谱过程的 热力学热力学性质决定。性质决定。每个组份峰宽足够小：由组份在色谱柱中的传质和扩散决定，即由色谱过程每个组份峰宽足够小：由组份在色谱柱中的传质和扩散决定，即由色谱过程 动力学动力学性质决定。性质决定。 因此，研究、解释色谱分离行为应从因此，研究、解释色谱分离行为应从热力学和动力学热力学和动力学两方

18、面进行。两方面进行。一、描述分配过程的参数一、描述分配过程的参数 分配系数分配系数（Distribution constant, K）：）： 描述组份在固定相和流动相间的分配过程或吸附描述组份在固定相和流动相间的分配过程或吸附-脱附过程的参数，称脱附过程的参数，称为分配系数。为分配系数。1.K 只与固定相性质和温度有关，与两相体积、柱管特性和所用仪器无关。只与固定相性质和温度有关，与两相体积、柱管特性和所用仪器无关。msccK 溶质在流动相中的浓度溶质在流动相中的浓度溶质在固定相中的浓度溶质在固定相中的浓度2022-4-10142. 分配比分配比（Retention factor or cap

19、acity factor, k）：）： 在一定温度和压力下，组分在两相间的分配达平衡时，分配在固定相和在一定温度和压力下，组分在两相间的分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比，称为流动相中的质量比，称为分配比分配比。它反映了组分在柱中的迁移速率。又称。它反映了组分在柱中的迁移速率。又称保保留因子留因子。其中其中Vm V0，Vs 为固定相体积。为固定相体积。分配比分配比 k 的求算：的求算：1）组分滞留因子：）组分滞留因子：2）根据定义，）根据定义，3）因此，）因此，mmssmsVcVcmmk 组组分分在在流流动动相相中中的的质质量量组组分分在在固固定定相相中中的的质质量量k11mmmuu

20、Rsmmss 流动相线速度流动相线速度组分线速度组分线速度0rstLu，tLu 0r0r00r0rVVtttttk)k1(tt 或或2022-4-10153. K 与与 k 的关系：的关系： 称为相比率称为相比率，它也是反映色谱柱柱型特点的参数。对填充柱，它也是反映色谱柱柱型特点的参数。对填充柱， =635；对毛细管柱，；对毛细管柱， =60600。4. 选择因子选择因子 ：色谱柱对：色谱柱对A、B两组分的选择因子两组分的选择因子 定义如下：定义如下：其中其中，A为先流出的组分，为先流出的组分，B为后流出的组分。为后流出的组分。注意：注意：K 或或 k 反映的是某一组分在两相间的分配；而反映的

21、是某一组分在两相间的分配；而 是反映两组分间的分是反映两组分间的分离情况！当两组分离情况！当两组分 K 或或 k 相同时相同时 =1 ，两组分不能分开；当两组分，两组分不能分开；当两组分 K 或或 k 相差越大时，相差越大时， 越大，分离得越好。也就是说，两组分在两相间的分配系数越大，分离得越好。也就是说，两组分在两相间的分配系数不同，是色谱分离的先决条件。不同，是色谱分离的先决条件。 和和 k 是计算色谱柱分离效能的重要参数！是计算色谱柱分离效能的重要参数！ kVVkV/mV/mccKsmmmssmsABABrrKKkk)A(t)B(t 2022-4-1016二、峰间距、峰形状和峰宽的理论描

22、述二、峰间距、峰形状和峰宽的理论描述1. 塔板理论塔板理论（Plate theory) 1952年，年，Martin等人提出的塔板理论将一根色谱柱当作一个由许多等人提出的塔板理论将一根色谱柱当作一个由许多塔板组成的精馏塔，并用塔板概念来描述组分在柱中的分配行为。塔塔板组成的精馏塔，并用塔板概念来描述组分在柱中的分配行为。塔板是从精馏中借用的，是一种半经验理论，但它成功地解释了色谱流板是从精馏中借用的，是一种半经验理论，但它成功地解释了色谱流出曲线的形状是呈正态分布的。出曲线的形状是呈正态分布的。 塔板理论假定：塔板理论假定：1）塔板之间不连续；）塔板之间不连续；2）塔板之间无分子扩散；）塔板之

23、间无分子扩散；3）组分在各塔板内两相间的分配瞬间达至平）组分在各塔板内两相间的分配瞬间达至平衡，达一次平衡所需柱长为理论塔板高度衡，达一次平衡所需柱长为理论塔板高度H；4）某组分在所有塔板上的分配系数）某组分在所有塔板上的分配系数K相同；相同；5）流动相以不连续方式加入，即以一个个的）流动相以不连续方式加入，即以一个个的塔板体积加入。塔板体积加入。 2022-4-1017 色谱流出曲线的数学描述色谱流出曲线的数学描述22R2)tt(0e2cc 当色谱峰为非当色谱峰为非正态分布时，可按正态分布函数正态分布时，可按正态分布函数加指数衰减函数构建关系式。加指数衰减函数构建关系式。 当塔板数当塔板数n

24、较少时，组分在柱内达分配平衡的次数较少，流出曲线较少时，组分在柱内达分配平衡的次数较少，流出曲线呈峰形，但不对称；当塔板数呈峰形，但不对称；当塔板数n50时，峰形接近正态分布。时，峰形接近正态分布。色谱峰为色谱峰为正态分布时，色谱流出曲线上的浓度与时间的关系为：正态分布时，色谱流出曲线上的浓度与时间的关系为：理论踏板数理论踏板数n的物理意义的物理意义 说明组分在柱中反复分配平衡次数的多少，说明组分在柱中反复分配平衡次数的多少，n越大，越大，平衡次数越多，柱效越高，组分间热力学性质（表现在平衡次数越多，柱效越高，组分间热力学性质（表现在分配系数分配系数K）的差异表现得越充分，组分与固定相的相）的

25、差异表现得越充分，组分与固定相的相互作用力越明显，分离得越好。互作用力越明显，分离得越好。2022-4-1018 根据呈正态分布的色谱流出曲线可以导出计算塔板数根据呈正态分布的色谱流出曲线可以导出计算塔板数n的公式，用以评价一根柱的公式，用以评价一根柱子的柱效。由于色谱柱并无真正的塔板，故塔板数又称子的柱效。由于色谱柱并无真正的塔板，故塔板数又称理论塔板数理论塔板数：可见理论塔板数由组分保留值（可见理论塔板数由组分保留值（tr）和峰宽（）和峰宽（W）决定。）决定。 若柱长为若柱长为L，则每块理论塔板高度，则每块理论塔板高度H为为 由上述两式知道，理论塔板数由上述两式知道，理论塔板数n越多或理论

26、塔板高度越多或理论塔板高度H越小、色谱峰越窄，则柱越小、色谱峰越窄，则柱效越高。效越高。 但上述两式包含死时间但上述两式包含死时间t0，它与组分在柱内的分配无关，因此不能真正反映色，它与组分在柱内的分配无关，因此不能真正反映色谱柱的柱效。通常以谱柱的柱效。通常以有效塔板数有效塔板数neff 和和有效塔板高度有效塔板高度Heff 表示：表示：2r22/1r)Wt(16)Wt(54. 5n nLH effeff2r22/1reffnLH)Wt(16)Wt(54. 5n 2022-4-1019有关塔板理论的说明：有关塔板理论的说明：1）说明柱效时，必须注明该柱效是针对何种物质、固定相种类及其含）说明

27、柱效时，必须注明该柱效是针对何种物质、固定相种类及其含量、流动相种类及流速、操作条件等；量、流动相种类及流速、操作条件等；2）应定期对柱效进行评价，以防柱效下降，延长柱寿命；）应定期对柱效进行评价，以防柱效下降，延长柱寿命；3）塔板理论描述了组分在柱内的分配平衡和分离过程、导出流出曲线）塔板理论描述了组分在柱内的分配平衡和分离过程、导出流出曲线的数学模型、解释了流出曲线形状和位置、提出了计算和评价柱效的的数学模型、解释了流出曲线形状和位置、提出了计算和评价柱效的参数。参数。 但该理论是在理想情况下导出的，未考虑分子扩散以及其它动力学但该理论是在理想情况下导出的，未考虑分子扩散以及其它动力学因素

28、对柱内传质的影响。因此它不能解释：因素对柱内传质的影响。因此它不能解释：v 峰形为什么会扩张（变宽）？峰形为什么会扩张（变宽）？v 影响柱效的动力学因素是什么？影响柱效的动力学因素是什么？2022-4-10202. 速率理论速率理论（Rate theory） 1956年，荷兰化学工程师年，荷兰化学工程师van Deemter提出了色谱过程动力学速率提出了色谱过程动力学速率理论：吸收了塔板理论中的理论：吸收了塔板理论中的板高板高H 概念，考虑了组分在两相间的扩散概念，考虑了组分在两相间的扩散和传质过程，从而给出了和传质过程，从而给出了van Deemter方程：方程： u 为流动相线速度；为流动

29、相线速度； A，B，C为常数，其中为常数，其中 A涡流扩散系数；涡流扩散系数； B分子扩散系数；分子扩散系数； C传质阻力系数（包括液相和固相传质阻力系数）。传质阻力系数（包括液相和固相传质阻力系数）。 该式从动力学角度解释了影响板高（柱效）的各种因素！任何减该式从动力学角度解释了影响板高（柱效）的各种因素！任何减少方程右边三项数值的方法，少方程右边三项数值的方法，都可降低都可降低H，从而提高柱效。，从而提高柱效。CuuBAH 2022-4-10211）涡流扩散项）涡流扩散项（Eddy diffusion term, A） 在填充柱中，由于受到固定相颗粒的阻碍，组分在迁移过程中随流在填充柱中，

30、由于受到固定相颗粒的阻碍，组分在迁移过程中随流动相不断改变方向，形成紊乱的动相不断改变方向，形成紊乱的“涡流涡流”！其中其中dp填充物平均直径；填充物平均直径； 填充不规则因子。填充不规则因子。 可见，使用细粒的固定相并填充均匀可减小可见，使用细粒的固定相并填充均匀可减小A，提高柱效。对于空，提高柱效。对于空心毛细管柱，无涡流扩散，即心毛细管柱，无涡流扩散，即A=0。流流动动方方向向CuuBAH 从图中可见，因填充物颗粒大小及填充从图中可见，因填充物颗粒大小及填充的不均匀性的不均匀性同一组分运行路线长短不同同一组分运行路线长短不同流出时间不同流出时间不同峰形展宽。峰形展宽。展宽程度以展宽程度以

31、A表示：表示： A=2 dp 2022-4-1022 纵向分子扩散是由于浓度梯度引起的。当纵向分子扩散是由于浓度梯度引起的。当样品被注入色谱柱时，它呈样品被注入色谱柱时，它呈“塞子塞子”状分布状分布。随着流动相的推进，。随着流动相的推进，“塞子塞子”因浓度梯度因浓度梯度而向前后自发地扩散，使谱峰展宽。其大小而向前后自发地扩散，使谱峰展宽。其大小为为 B = 2 D)M/1D(g流动相流动相因为因为 提高柱效或降低提高柱效或降低H的措施的措施:a.均匀球状颗粒；均匀球状颗粒；b.大分子量流动相；大分子量流动相；c.适当增加流速；适当增加流速；d.短柱；短柱；e.低柱温。低柱温。CuuBAH讨论：

32、讨论：q 分子量大的组分，分子量大的组分，Dg小，即小，即B小小q Dg 随柱温升高而增加，随柱压降低而减小；随柱温升高而增加，随柱压降低而减小；q 流动相分子量大，流动相分子量大，Dg 小，即小，即 B 小；小；q u 增加，组分停留时间短，纵向扩散小；增加，组分停留时间短，纵向扩散小；(B/u)q 对于液相色谱，因对于液相色谱，因Dm 较小，较小，B 项可忽略。项可忽略。 称为弯曲因子称为弯曲因子，它表示固定相几何形状对自由分子扩散的阻碍情况；，它表示固定相几何形状对自由分子扩散的阻碍情况；D组分在流动相中的扩散系数组分在流动相中的扩散系数。组份为气体或液体时，分别以。组份为气体或液体时，

33、分别以Dg或或Dm表示；表示；2）分子扩散项）分子扩散项（Molecular diffusion term, B/u）2022-4-10233）传质阻力项）传质阻力项（Mass-transfer term, Cu） 因传质阻力的存在，使分配不能因传质阻力的存在，使分配不能“瞬间瞬间”达至平衡，因此产生峰形展宽。达至平衡，因此产生峰形展宽。气相色谱以气体为流动相，液相色谱以液体为流动相，二者传质过程不完全相气相色谱以气体为流动相，液相色谱以液体为流动相，二者传质过程不完全相同。下面分别作讨论。同。下面分别作讨论。a）气液色谱：传质阻力项）气液色谱：传质阻力项C包括气相传质阻力系数包括气相传质阻力

34、系数Cs和液相传质阻力系数和液相传质阻力系数Cl。Dd)k1(k32Dd)k1(k01. 0CCCl2f2g2p22lg 流动相流动相固液界面固液界面固定固定液液组份分子组份分子ClCg讨论：讨论：F 减小减小填充颗粒直径填充颗粒直径 dp；F 采用分子量小的流动相，使采用分子量小的流动相，使 Dg 增加；增加；F 减小减小液膜厚度液膜厚度df，Cl下降。下降。但此时但此时 k 又减小。又减小。 因此，当保持固定液含量不变时，可通过因此，当保持固定液含量不变时，可通过 增加固定液载体的比表面来降低增加固定液载体的比表面来降低 df。但比。但比 表面过大又会因吸附过强使峰拖尾。表面过大又会因吸附

35、过强使峰拖尾。F 增加柱温，可增加增加柱温，可增加 Dl，但，但k值也减小，为保值也减小，为保 持合适持合适 Cl 值，应控制柱温。值，应控制柱温。CuuBAH2022-4-1024b）液液色谱：传质阻力项）液液色谱：传质阻力项C包括流动相传质阻力系数包括流动相传质阻力系数Cm和固定相传质阻力和固定相传质阻力系数系数Cs。讨论：讨论：v 流动相传质阻力包括两方面：流动的流动相中的传质阻力系数流动相传质阻力包括两方面：流动的流动相中的传质阻力系数Cm、滞留、滞留的流动相传质阻力系数的流动相传质阻力系数Cs 。分别与填充物大小。分别与填充物大小 dp、扩散系数、扩散系数（Dm）、微孔、微孔大小及其

36、数量等有关。大小及其数量等有关。 因此，降低流动相传质阻力的方法有：细颗粒固定相、增加组分在固定因此，降低流动相传质阻力的方法有：细颗粒固定相、增加组分在固定相和流动相中的扩散系数相和流动相中的扩散系数D、适当降低线速度、短柱。、适当降低线速度、短柱。v 固定相传质阻力与液膜厚度固定相传质阻力与液膜厚度df、保留因子、保留因子 k 和扩散系数和扩散系数Ds等有关。等有关。 因此，降低固定相传质阻力的方法有：与气液色谱中液相传质阻力的表因此，降低固定相传质阻力的方法有：与气液色谱中液相传质阻力的表述相同。述相同。s2fsm2psmmsmDdDd)(CCC sm2022-4-10254）流速）流速

37、u 由由van Deemter方程方程 H = A + B/u + Cu 知道：知道： 当当u一定时，仅在一定时，仅在A、B、C较小时，较小时，H较小，柱效较高；反之则柱效较低，较小，柱效较高；反之则柱效较低，色谱峰将展宽。色谱峰将展宽。 以以u对对H作图，可得作图，可得H-u曲线（如图），从该曲线得到：曲线（如图），从该曲线得到：C/B BC2A 涡流扩散项涡流扩散项A与流速与流速u无关；无关；低流速区低流速区(u小小)，B/u大，分子扩散项占主导，大，分子扩散项占主导， 此时选择分子量大的气体如此时选择分子量大的气体如N2和和Ar为载气，可为载气，可 减小扩散，提高柱效；减小扩散，提高柱效

38、； 高流速区高流速区(u大大)，Cu大，传质阻力项占主导，大，传质阻力项占主导， 此时选择分子量小的气体如此时选择分子量小的气体如H2和和He为载气，为载气， 可增加扩散系数，提高柱效；可增加扩散系数，提高柱效； 曲线的最低点对应最佳线速曲线的最低点对应最佳线速uopt( ) 下的下的 最小板高最小板高Hmin( )； LC的的Hmin和和uopt均比均比GC的小一个数量级，即在的小一个数量级，即在 LC中，较低流速可获得较大的柱效。中，较低流速可获得较大的柱效。板高，板高，H(cm)HminA+B/u+CuCmuCsuAB/u2022-4-10265）固定相颗粒大小对板高的影响）固定相颗粒大

39、小对板高的影响 实验表明，颗粒越细，板高实验表明，颗粒越细，板高H越小，受线速越小，受线速u影响越小。即，在影响越小。即，在HPLC分析中采用细粒作固定相的理论根据！分析中采用细粒作固定相的理论根据！ 但颗粒细导致柱流速慢，需采用高压技术，才能实现但颗粒细导致柱流速慢，需采用高压技术，才能实现HPLC的分析的分析要求。要求。2000mm1 . 0mm200HLn 2000mm1.0mm200HLn 板高板高, H(cm)2022-4-1027有关速率理论的说明：有关速率理论的说明： 由以上讨论可知：由以上讨论可知：(1) 组分分子在柱内运行的多路径、涡流扩散、浓度梯度所造成的分子组分分子在柱内

40、运行的多路径、涡流扩散、浓度梯度所造成的分子 扩散以及传质阻力使气液两相间分配不能扩散以及传质阻力使气液两相间分配不能瞬间瞬间达至平衡等等因素，达至平衡等等因素，是造成色谱峰扩展、柱效下降的主要原因；是造成色谱峰扩展、柱效下降的主要原因；(2) 通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载气流速可提通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载气流速可提高柱效高柱效-即色谱分离条件优化过程；即色谱分离条件优化过程；(3) 速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导。阐明了流速速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导。阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响；和柱温对柱效及分离的影响；

41、(4) 各种因素相互制约，如载气流速增大，分子扩散项的影响减小，使各种因素相互制约，如载气流速增大，分子扩散项的影响减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使柱效下降；柱温升柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使柱效下降；柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的影响，选择最佳条件，才高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的影响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。能使柱效达到最高。2022-4-10288.4 分离度及色谱分离方程分离度及色谱分离方程一、分离度一、分离度（Resolution, R） 同时反映色谱柱同时反映色谱柱效能和选择性效能和选择性的一个综合指标。也称总分离效能指标

42、或分的一个综合指标。也称总分离效能指标或分辨率。其定义为：辨率。其定义为： tr-保留时间；保留时间；W峰宽峰宽 利用此式，可直接从利用此式，可直接从色谱流出曲线上求出分离度色谱流出曲线上求出分离度R。 R 越大，相邻组分分离越好。当越大，相邻组分分离越好。当R=1.5时，分离程度可达时，分离程度可达99.7%，因此，因此R=1.5 通常用作是否分开的判据。通常用作是否分开的判据。W)tt (WW)tt (2)WW(21ttR121212rr21rr21rr 前面分别介绍了影响色谱分离的基本原理以及影响柱效的各种因素，但是前面分别介绍了影响色谱分离的基本原理以及影响柱效的各种因素，但是如何从总

43、如何从总体上定量描述色谱分离效能体上定量描述色谱分离效能？如何将各种影响因素对分离的影响定量地表述出来呢如何将各种影响因素对分离的影响定量地表述出来呢？2022-4-1029R=1.5R=0.75R=1.0响应信号保留时间保留时间 t, min分离度分离度 R2022-4-1030)1(4nR)k1k)(1(4nReff 或或二、色谱分离方程二、色谱分离方程 R 的定义并未反映影响分离度的各种因素。也就是说，的定义并未反映影响分离度的各种因素。也就是说，R 未与影未与影响其大小的因素：响其大小的因素：柱效柱效n、选择因子、选择因子 和保留因子和保留因子 k 联系起来。联系起来。 对于相邻的难分

44、离组分，由于它们的对于相邻的难分离组分，由于它们的分配系数分配系数 K 相差小，可合理相差小，可合理假设假设k1 k2=k，W1 W2=W。因此可导出。因此可导出R与与n(neff )、 和和 k 的关系：的关系：2022-4-1031k1k14nkk1114nk)k1(k)kk(4n)k1(t)kk(t4nt2)tt(24nR WW)tt(2R)k1(ttt14nW1)Wt16(n 222221220120rrr21rr0rrr21212 ：并并整整理理如如下下代代入入到到将将上上式式及及因因上式推导过程：上式推导过程：2022-4-1032有关色谱方程的讨论：有关色谱方程的讨论：1）分离度

45、）分离度R与柱效的关系与柱效的关系 分离度分离度R与理论塔板数与理论塔板数 n 有关，即有关，即 R 受热力学性质的影响。受热力学性质的影响。 对具一定相对保留值对具一定相对保留值 的物质，的物质，R与有效塔板数与有效塔板数neff 有关，说明有关，说明neff 可正确代表可正确代表柱效能。柱效能。 由色谱方程可得：由色谱方程可得： 因此可通过增加柱长提高分离度。然而，分析时间也相应增加，且峰宽也展因此可通过增加柱长提高分离度。然而，分析时间也相应增加，且峰宽也展宽！为提高柱效，用减小塔板高度宽！为提高柱效，用减小塔板高度 H 的方法比增加柱长更有效。的方法比增加柱长更有效。2）分离度）分离度

46、R与选择因子与选择因子 的关系的关系 越大，柱选择性越好，对分离有利。越大，柱选择性越好，对分离有利。 的微小变化可引起的微小变化可引起 R 较大改变。如，较大改变。如，当当 从从1.01增加至增加至1.10（增加（增加9%）时，）时，R 则增加则增加 9 倍（但倍（但 1.5, R增加不大）增加不大） 。 改变改变 的方法有：降低柱温、的方法有：降低柱温、改变流动相及固定相的性质和组成改变流动相及固定相的性质和组成。 3）分离度）分离度R 分配比分配比 k 的关系的关系 k 增加，分离度增加，分离度R 增加，但当增加，但当k10，则，则R的增加不明显。通常的增加不明显。通常k在在210之间。

47、之间。 改变改变 k 的方法有：适当增加柱温的方法有：适当增加柱温（GC）、改变流动相性质和组成改变流动相性质和组成（LC）以及以及固定相含量。固定相含量。2121221LLnn)RR( )k1k)(1(4nR HLn 2022-4-1033气相色谱分离中的问题气相色谱分离中的问题 由于分析物组成复杂（沸点或由于分析物组成复杂（沸点或 k 相差较大），以某一组成的流动相可能使部相差较大），以某一组成的流动相可能使部分待测物得到好的分离，但同时也使其它待测物的分离不令人满意！实际工作中分待测物得到好的分离，但同时也使其它待测物的分离不令人满意！实际工作中采用程序升温采用程序升温（GC）和梯度淋洗

48、和梯度淋洗（LC）来解决这个问题。来解决这个问题。程序升温程序升温低温恒温低温恒温高温恒温高温恒温GC图图2022-4-103470%CH3OH+30H2O60%CH3OH+40H2O50%CH3OH+50H2O40%CH3OH+60H2O溶剂溶剂( (流动相流动相) )组成对色谱分离的影响组成对色谱分离的影响( (梯度淋洗梯度淋洗) )1：9,10-蒽醌；蒽醌；2：2-甲基甲基-9,10-蒽醌；蒽醌；3：2-乙基乙基-9,10-蒽醌蒽醌4：1,4-二甲基二甲基-9,10-蒽醌；蒽醌；5：2-特丁基甲基特丁基甲基-9,10-蒽醌；蒽醌；改变组成使 k 最佳LC图图2022-4-1035三、分析

49、时间三、分析时间 t 分析时间通常指最后一个组分出峰的时间。分析时间通常指最后一个组分出峰的时间。由以下三式：由以下三式：得到得到 可见，分析时间与可见，分析时间与R， ，k、H/u等参数有关。等参数有关。R增加增加1倍，分析时间则是倍，分析时间则是原来的原来的 4 倍。倍。 实际工作中，即要能获得有效的分离，又要在较短时间内完成分析。实际工作中，即要能获得有效的分离，又要在较短时间内完成分析。)3.().k1k)(1(4nR)2.(.HLn)1.().k1(uL)k1(tt0r 2322rk)k1()1(uHR16t 2022-4-1036参数参数 符号符号 测定或计算测定或计算 死时间死时

50、间(迁移时间迁移时间)，不参，不参与分配组分与分配组分 0t 色色谱谱图图 保留时间，组分保留时间，组分 1 和和 2 21rrt，t 色色谱谱图图 调整保留时间，组分调整保留时间，组分 1 r1t 0rrttt11 峰宽，组分峰宽，组分 1 和和 2 W1，W2 色色谱谱图图 柱长柱长 L 直接直接测测量量 流速流速 Fco 直接直接测测量量 流流(固固)定相体积定相体积 Vm，Vs 填填充充制制备备记录记录 流流(固固)定相浓度定相浓度 cm，cs 分析分析和和制制备备记录记录 概念、表示方法及计算公式汇总概念、表示方法及计算公式汇总表表-12022-4-1037参数参数 符号符号 测定或计算测定或计算 线速线速 0t /Lu 流动相体积流动相体积 co0mFtV 保留因子保