章色谱法引论北京大学仪器分析教程

第15章色谱法引论15.1概述15.1.1色谱法的发展

Tswett在研究植物叶的色素成分时，将植物叶子的萃取物倒入填有碳酸钙的直立玻璃管内，然后加入石油醚使其自由流下，结果色素中各种组分互相分离，形成各种不同颜色的谱带。在玻璃管上，每一种色带即为一种色素（完全分离）。色带犹如光谱分析中的谱线（带），因此得名“色谱法”。茨维特的实验碳酸钙石油醚色谱法是一种分离方法。特点：有两相，一是固定相（stationaryphase），一是流动相（mobilephase），两相作相向运动。将色谱法用于分析中，则称为色谱分析。因此色谱分析是一种分离、分析法。按固定相和流动相所处状态分色谱分析法气相色谱法液相色谱法气-固色谱法气-液色谱法液-固色谱法液-液色谱法15.1.2色谱法的分类按色谱分离过程物理化学原理分色谱分析法吸附色谱法凝胶色谱法分配色谱法离子交换色谱法吸附剂对不同组分吸附性的差别固定液对不同组分分配性能差别离子交换剂对不同离子亲和能力的差别凝胶对不同组分分子的阻滞作用的差别按固定相性质和操作方式分色谱分析法柱色谱法纸色谱法开口管柱填充柱薄层色谱法15.2色谱流出曲线及有关术语15.2.1色谱流出曲线和色谱峰峰峰高基线峰宽半峰宽峰面积标准偏差σσ色谱流出曲线常用术语半峰宽：峰高一半处所对应的峰宽，W1/2表示死时间：从进样开始到惰性组分从柱中流出，呈现浓度极大值时所需要的时间，以tM表示保留时间：从进样到色谱柱后出现待测组分信号极大值所需要的时间，以tR表示死体积：不被保留的组分通过色谱柱消耗的流动相的体积保留体积：从进样开始到组分出现浓度极大点时消耗的流动相的体积调整保留体积：保留体积与死体积之差，即组分停留在固定相时所消耗流动相的体积色谱流出曲线常用术语调整保留时间：扣除死时间的保留时间，以t’R表示相对保留值：一定的实验条件下组分i与另一标准组分S的调整保留时间之比，以γis表示选择性因子：相邻两组分调整保留值之比，以a表示相比率：柱内气相与吸附剂或固定液体积之比，以β表示分配系数：平衡状态时，组分在固定相与流动相中的浓度比，以K表示容量因子：组分在固定相和流动相中分配量之比，以k表示15.3色谱法基本原理色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组分要达到完全分离，两峰间的距离必须足够远，两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱过程的热力学性质有关。但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能分开。这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即与色谱过程的动力学性质有关。因此，要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。分配平衡：一定温度（TC）下，组分在流动相和固定相间作用达到的平衡。1.分配系数K

指在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度之比值，即

15.3.1分配系数K和分配比k★分配系数的要点：①K值与组分性质、固定相性质、流动相性质、分离温度有关的参数；②一定TC下，K越大，出峰越慢；③提高TC

，组分在固定相中浓度降低，tR变小；④K=0的组分，不被固定相保留，最先流出；⑤每个组分的K不同，选择适宜的固定相来改善分离效果；⑥试样中不同组分在相同分离条件下，K不同，得以分离。2.分配比k′（分配容量或容量因子）分配比又称容量因子，它是指在一定温度和压力下，组分在两相间分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比。即式中：①β为相比：反映色谱柱柱型及结构的参数。填充柱相比约6～35；毛细管柱的相比约50～1500。②，VM为流动相体积，即柱内固定相颗粒间空隙体积。

VS为固定相体积，其中，GSC中为吸附剂表面容量，GLC中为固定液体积。③空气或甲烷的ms=0，∴k′=0

4.分配系数K及分配比k与选择因子α的关系

15.3.2塔板理论把色谱柱比作一个分馏塔，引入理论塔板数（n）作为衡量柱效率的指标，即色谱柱是由一系列连续的、相等的水平塔板组成。1.塔板理论的建立①在柱内一小段长度H内，组分可以在两相间迅速达到平衡。这一小段柱长称为理论塔板高度H。②以气相色谱为例，载气进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔板体积（ΔVm）。③所有组分开始时存在于第0号塔板上，而且试样沿轴（纵）向扩散可忽略。④分配系数在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关。2.塔板理论的结论色谱柱长：L虚拟的塔板间距离：H色谱柱的理论塔板数：n（衡量柱效的指标）则三者的关系为：

n=L/H理论塔板数与色谱参数之间的关系为：213.塔板理论的特点和不足①当色谱柱长度一定时，塔板数n越大(塔板高度H越小)，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。②不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。③柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。15.3.3速率理论vanDeemter方程的数学简化式为

H=A+B/u+Cu

式中：H为板高（cm）；

u为流动相的线速度（cm.s-1）；

A、B、C为常数：

A为涡流扩散系数；

B为分子扩散项系数；

C为传质阻力项系数。减小A、B、C三项可提高柱效；存在着最佳流速；A、B、C三项各与哪些因素有关？1.涡流扩散项A

（多路效应）在填充色谱柱中，当组分随流动相向柱出口迁移时，流动相由于受到固定相颗粒障碍，不断改变流动方向，使组分分子在前进中形成紊乱的类似涡流的流动，故称涡流扩散。色谱峰变宽的程度由下式决定：

A=2λdp

λ为柱子填充的不均匀性（不规则因子）；dp为填充物的平均直径。★固定相颗粒越小dp↓，填充的越均匀，A↓，H↓，柱效n↑。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄。★对于空心毛细管，不存在涡流扩散，A=0。★对于φ3～4的填充柱，60～80目（标准筛）固定相。流动相流动方向2.分子扩散项B/u

（纵向扩散项）纵向分子扩散是由浓度梯度造成的。组分随着流动相向前推进，由于存在浓度梯度，组分自发向前扩散，造成谱带展宽。分子扩散项系数为B=2γDgγ是填充柱内流动相扩散路径弯曲的因数，称弯曲因子，它反映了固定相颗粒的几何形状对自由分子扩散的阻碍情况。

空心毛细柱γ=1

填充柱γ＜1（硅藻土担体γ=0.5~0.7）Dg为组分在流动相（GC为气相）中扩散系数（cm2·s-1）,分子扩散项与组分在流动相中扩散系数Dg

成正比。Dg与流动相及组分性质有关：

①Dg∝

：Dg反比于流动相相对分子质量的平方根，所以采用相对分子质量较大的流动相，可使B项降低。如：N2②Dg∝TC

：Dg随柱温增高而增加。a.扩散导致色谱峰变宽，H↑(n↓)，分离变差。b.分子扩散项与流速有关，低流速时，扩散加剧，滞留时间延长。c.扩散系数Dg∝(M载气)-1/2，M载气大，B减小。d.Dg∝TC

低柱温提高柱效。3.传质阻力项Cu（1）气相色谱传质阻力系数C包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数Cl两项，即

C=Cg+Cl

=Cm+Cs

气相传质过程Cg：是指试样组分从气相移动到固定相表面的过程所受到的阻力。液相传质过程Cl：是指试样组分从固定相的气/液界面移动到液相内部，并发生质量交换，达到分配平衡，然后又返回气/液界面的传质过程所受到的阻力。①降低液膜厚度减小Cl，提高柱效；②提高TC减小传质阻力C，提高柱效。vanDeemter的气相色谱板高方程展开式H的相关项有：①柱填充的均匀性、担体粒度；②柱的种类（填充柱、毛细柱）、载气种类

（N2、H2）、

TC、u；③柱的形状（k，、β）、固定液、液膜厚度和均匀性。4.流动相线速度对板高的影响☆载气流速高时，传质阻力项是影响柱效的主要因素，流速

，柱效

,曲线的右边。☆载气流速低时，分子扩散项成为影响柱效的主要因素，流速

，柱效

，曲线的左边。☆H-u曲线与最佳流速：由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影响存在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对流速的一阶导数有一极