色谱分析基本原理

1、色谱分析基本原理热力学过流动相和固定相三者的热力学性质使不同组分在流动相和固定中或 吸附 -解吸的能力。因此在柱内的移动速由于分配系数的差别，使各组分在柱内形成差速移行，. 分配过程2 色谱主柱内的分配平衡-挥发或吸附 -分配系数K( distribution coefficient ) ：分配系数也称为平衡常数。是指在一定的温度和压力下，在两相之间达到平衡时，组分溶解在固定相中的平均浓度与其在流动相中的平均浓度之比。(7)式中：cL为组分在固定相中的平均浓度；cG 为组分在流动相中的平均浓度，K 是一个无因次量，它是由组分及固定液的热力学性质决定的，只随柱温和柱压而变化，与色谱柱中气相和液相

2、的体积无关。分配系数K 是气一液分配色谱中的重要参数。如果两个组分的分配系数相同，则它们的色谱峰完全重合；反之，分配系数相差越大，相应的色谱峰相距越远，分离越好。分配比k( partition ration ) ：又称 “容量因子 ”。即在一定的温度和压力下，组分在两相间达到分配平衡时，组分在固定相和流动相中的质量比：(8)式中：p 组分在固定相中的质量，q 组分在流动相中的质量。分配系数 (K) 和分配比k 的关系：设Vs 为固定相的体积，Vm 为流动相的体积，则上式可写成：Vm 为柱内流动相的体积，也称为柱的死体积：包括固定相颗粒之间 和颗粒内部空隙中的流动相体积；Vs 为固定相的体积，它

3、指真正参与分配的那部分体积：若固定相是吸附剂、固定液、离子交换剂或凝胶，则分别指吸附表面积、固定液体积、离子交换剂交换容量或凝胶孔容。 为色谱柱的相比分配系数K 和分配比k 与保留值tR 的关系：分配平衡是在色谱柱中固定相和流动相之间进行的，因此分配比也可以用组分在固定相和流动相中的停留时间之比来表示，则分配比可写成：（10）任一组分的k 值可由实验测得，即为调整保留时间tR与不被固定相吸附或溶解的组分的保留时间t0 的比值。可将k 看作色谱柱对组分保留能力的参数，k 值越大，保留时间越长。分配系数K 与保留时间的关系为：tR =k t0 =K t0 Vs/Vm （11）由此式可见，在一定的实

4、验条件下，组分的调整保留时间正比于分配系数K（或分配比k） ， K（或k） 越大， 组分在色谱柱内的保留时间越长。由于分配系数（或分配比）是由组分的性质决定的，因此保留值可用于定性。在填充色谱柱中，选择不同的固定液及其用量，可以控制组分在色谱柱上的保留值。综上所述，在色谱分析中要使两组分分离，它们的保留时间t 必须不同，而 t 是由两组分的K 或 k 决定，所以待分离组分K 或 k 不同是色谱分离的先决条件。色谱峰间距离由分配系数决定，即与色谱的热力学过程有关；色谱峰的宽窄由组分在色谱柱内的传质和扩散行为决定，即与色谱的动力学过程有关。色谱理论可分为热力学及动力学理论两方面：热力学理论是由相平

5、衡观点来研究分离过程 塔板理论；动力学理论是以动力学观点 速度来研究各种动力学因素对柱效的影响 速率理论。二塔板理论亦称为平衡理论。以气一液色谱为例：将气一液色谱的分离过程看成组分在固定液中的分配平衡过程。1塔板理论塔板理论把色谱柱比作个分馏塔，塔板的概念是从分馏中借用来的，实际上色谱柱中并无塔板，只是引用了处理分馏过程的概念和理论来解释色谱的分离过程。塔板理论把色谱柱想象成由许多塔板组成，在每一个塔板内，一部分空间为涂在担体上的液相占据，另一部分空间充满载气，载气所占据的空间体积称为板体积。组分随载气进入色谱柱后，在两相间进行分配。塔板理论假设：（ 1）在色谱柱中的每一个小段长度H 内，组分

6、可以迅速在气液两相间达到分配平衡，这一小段称为理论塔板（实际在柱内不存在）,其长度称为理论塔板高度，简称板高，以H 表示。2）载气不是连续流过色谱柱，而是脉冲式（间歇式），每次通过一个塔板体积。（ 3）样品都加到第1 块塔板上，且组分沿色谱柱（纵）向扩散可以忽略不计。（ 4）某一组分的分配系数在所有塔板上是常数。根据上述假设，试样由载气带进色谱柱，与固定液接触而被溶解，在每个塔板高度内被分离的组分在气相和液相之间达成一次分配平衡，随着载气的不断进入，被溶解的组分又从固定液中挥发出来，挥发出来的组分随载气向前移动又再次被固定液溶解。经过若干个塔板即经过溶解一挥发的多次反复分配（103 106 次

7、） ，待分离组分由于分配系数不同而彼此分离，分配系数小（挥发性大）的组分首先由色谱柱中流出，显然，当塔板数足够多时，即使分配系数差异微小的组分也能得到良好的分离效果。柱效能指标（n、 H ）可以由塔板理论导出理论塔板数（n）： 柱长 （L）一定时 ， n 越大，柱效就越高：经验公式（12）式中：tR、 Wh/2、 Wb应该采用同一单位（时间或长度）理论塔板高度（H ）： 设色谱柱长为L，则理论塔板高度由此可见：色谱峰越窄即Wh/2 或Wb 越小，理论数塔板n 越大，对给定长度的色谱柱而言，塔板高度H 越小，组分在柱内被分配的次数愈多，则柱效越高。因此n 和 H 可作为描述柱效能的指标。有效（理

8、论）塔板数（neft）在实际应用中，常常出现计算出的n 虽然很大，但色谱柱的效却不高，这是由于保留时间tR中包含了死时间t0， 而t0并不参加柱内的分配过程，因此理论塔板数和理论塔板高度并不能真实地反映色谱柱分离效能的 好坏。为此，提出用有效塔板数neft 和有效高度Heft评价柱效能的指标，即：(14)4）有效塔板高度Heft(15)物质在给定色谱柱上的neft 越大，说明该物质在柱中进行分配平衡的次 数越多，对分离有利，但不能表示该物质的实际分离效果。是否能在色谱柱上分离，主要取决于各组分在两相间分配系数K 的差异。如果两组分在同一色谱柱上的分配系数相同，无论 neft 有多大，这两种组分

9、也无法被分离开.塔板理论在解释色谱图的形状，计算n 和 H 方面是成功的。但其某些基本假设不完全符合色谱的实际情况（如K 和组分的量无关、组分在两项中分配能迅速达到平衡、纵向扩散可以忽略等）。塔板理论只能定性地给出塔板高度的概念，而未能找出影响板高H 的因素， 也就更无法提出降低板高的途径；这主要是由于塔板理论没有考虑到动力学因素对色谱分离过程的影响。三速率理论1956 年 Van Deemter 等人在塔板理论的基础上，提出了关于色谱过程的动力学理论 速率理论。该理论仍然采用塔板高度的概念，但同时考虑到H 还取决于同一组分的不同分子在柱中差速迁移过程中所引起的色谱蜂扩展程度，将色谱过程与组分

10、在两相间的扩散和传质过程等动力学因素联系起来，从理论上总结出影响塔板高度的各种因素，导出 H 与其影响因素之间的关系式：式中：A、 B、 C 在一定实验条件下为常数；u 为载气的线速度(cm s)速率理论综合考虑了柱内影响板高的三种动力学控制过程(使谱带扩展的因素归纳成三项) 涡流扩散项A、纵向分子扩散项B u 和传质阻力项 Cu；欲降低H，提高柱效，需降低这三个塔板分量，各项的物理意义如下：涡流扩散项A( eddy diffusion)当色谱柱内同时起步的组分 、 、 随流动相进入色谱柱朝柱口方向移动时， 如果固定相颗粒大小及填充不均匀，组分分子穿过这些空隙时碰到大小不一的颗粒而必须不断改变

11、流动方向，使组分分子在柱内形成了紊乱的 “涡流 ”，不同的组分分子所经过的路径长短不一，组分分子或前或后流出色谱柱，造成色谱峰的峰形扩张。A = 2 dp 填充不规则因子；dp 固定相颗粒平均直径；图 3 涡流扩散使峰展宽涡流扩散项A 与填充物的平均直径dp 和固定相填充不均匀因子又有关。采用粒度较细，颗粒均匀的担体，尽量填充均匀可以降低涡流扩散项，降低板高H，提高桂效。但在气相色谱中，粒度很小时，柱阻大，且不易填匀因此一般采用粒度为60-80 目或 80-100 目的填充物较好。（空心毛细管柱的A项为零）纵向分子扩散项（ molecular diffusion ） B u当试样分子以“塞子 ”的形式进入色谱柱后，随流动相在柱中前进时，由于存在浓度梯度，组分分子自发地向前和向后扩散即沿着色谱柱轴向扩散，这种扩散称为