分离科学-色谱基础理论.ppt

1、色谱基本理论 定义： 基于物质溶解度、蒸汽压、吸附能力、立体化学或者离子交换等物理化学性质的微小差异，使其在流动相和固定相之间的分配系数不同。当两相做相对运动时，被分离物质在两相之间进行反复多次分配，这样原来微小的分配差异产生了很大的效果，使各组分分离，从而达到分离、分析以及测定一些物理化学常数的目的。,色谱学基本概念和术语：,色谱的流出曲线,基线 色谱峰 峰高 区域宽度 峰面积 保留值 相对保留值 柱效 分离度,两个基本特点： (1)不同组分分子差速迁移 热力学 (2)同种组分分子分布离散 动力学,色谱过程热力学基础 两相分配差异造成差速迁移 自发过程-自由能减少 判断依据-化学势(偏摩尔自

2、由能) 平衡状态-化学势相等,色谱体系中溶质量很小，一般做稀溶液处理：,分配系数K,（1-5）,（1-6）,相互作用力差别（焓变）,自由度的变化（熵变）,官能基团,分子大小和空间排列,影响分配系数的因素: (1)溶质 (2)固定相 (3)流动相 (4)温度,T一定、K为常数?,分配等温线,三种分配等温线及其相应色谱峰形,色谱过程动力学理论基础,色谱流出曲线的形状 色谱区域宽度扩张 峰形拖尾,高效能色谱柱系统 峰形预测 重叠峰定量解析 选择最佳分离方法,解释,实现,图1.4 四种色谱类型的流出曲线,（1）线性理想色谱。溶质的迁移决定于分配系数，迁移过程中谱带形状不变,（2）非线性理想色谱。谱带不

3、对称，呈鲜明的前升或者拖尾,图1.4 四种色谱类型的流出曲线,（3）线性非理想色谱。由于线性分布，但存在分子扩散和传质阻力等，溶质通过色谱柱后谱带对称展宽，呈Gaussian曲线。大部分色谱过程属于这种类型,图1.4 四种色谱类型的流出曲线,（4）非线性非理想色谱。这类色谱过程数学处理非常复杂，做适当假设和简化后可以部分说明实验数据。,色谱动力学理论发展： 根据溶质迁移过程及各种影响因素，列出偏微分方程组，求出描述色谱谱带运动的方程式。 平衡色谱理论（ 1940年Wilson ） 塔板理论（1941年，Martin和Synge） 速率理论（50年代，van Deemter等）,平衡色谱理论 基

4、本假设：不考虑传质速率的有限性和物质的扩散对平衡过程的影响。,色谱柱内某一小段dx处，其柱截面积为q，p为柱管横截面上流动相占的分数。则进入dx内的物质量为cpuqdt。由于固定相对组分的吸收，流动相中组分的浓度变为c+dc。自小段dx出来的物质量为puq(c+dc)dt。小段在相应时间内物质的变化量为,同理，小段固定相内物质的变化量为,进入dx小段内流动相中组分的量和从小段中出来的组分量之差，等于小段内（包括流动相和固定相两部分）相应时间内该组分变化的总量，即：,设物质在两相间的分配方程为：,可以得到区域中心移动速度 的关系式：,保留时间等于柱长除以谱带移动速度，即,k定义为容量因子,为流动

5、相所占体积与固定相所占体积之比，称为相比。,局限性在于没能解释色谱峰展宽的现象。,塔板理论 （1）平衡能够在一个小段色谱柱（理论塔板）内形成，相应的色谱柱长称为理论塔板高度（H）。K为分配系数。 （2）H为常数，色谱柱内塔板数目为n=L/H。 （3）流动相不可以被压缩。 （4）塔板编号依次为0，1，2，3，n，总塔板数为n+1，实际上n很大，所以总塔板数约等于n。,（5）假定流动相不是采取连续的方式前进，而是跳跃式前进。设q和 p分别是柱的横截面积和在柱横截面积中流动相所占据的截面积分数，那么一个塔板上流动相所占据的空间体积为Hqp。当通过色谱柱的流动相体积为V时，相当于流动相在整个柱内每个塔

6、板上跳动的次数为r=V/Hqp。 （6）全部样品开始都集中在第一块塔板上。 （7）分配系数不随组分浓度变化，即分配等温线是线性的。,基本关系式 在塔板上，某一个分子出现在流动相中的概率Pm：,经过r次跳跃后，各塔板上溶质的分布可以用二项展开式来描述。,根据上面的式子可知，经过r次跳跃后在第n块塔板上出现的概率P(r,n)（rn）为：,如果进样量为m，那么第n号塔板上物质出现的量为：,塔板理论的保留值,（1-27）,塔板理论的色谱流出曲线方程 当二项式分布的n，r很大时，可以用正态分布函数来表示：,所以,r足够大时，进入检测器的溶质浓度为：,当V=VR时，流出浓度最大：,影响色谱峰高的因素有：

7、(1) 进样量m-进样量和色谱峰高成正比； (2) 塔板高度H-H小，柱效率高，Cmax/m大； (3) 色谱柱越细，q越小，填充越紧密，p越小， Cmax/m越大。在其他参数不变时， Cmax正比于m/q，因此单位体积柱管进样量大小是衡量柱管负载的指标； (4) 色谱柱越短（L越小）， Cmax/m越大； (5) k大的组分Cmax/m小（假定H对所以组分相同）。,色谱峰区域宽度与溶质的保留值成正比。 死体积与色谱柱的结构有关，色谱柱内径大，填充疏松，死体积大，色谱峰区域宽度大。 色谱峰区域宽度与柱长的平方根成正比。 色谱峰区域宽度与塔板高度的平方根成正比，即色谱柱柱效越高，H越小，色谱峰区域宽度越小。,（1）不能解释不同流动相流速下同一溶质将给出不同的理论塔板数。 （2）没有阐明理论塔板数和塔板高度的色谱含义和实质。 （3）没有深入讨论影响塔板高度的因素，因而对色谱体系的设计、色谱操作条件的选择的指导意义十分有限。,速率理论 运用流体分子规律研究色谱分离这种“非平衡”过程。 随机过程总是导致Gaussian分布 2-溶质在色谱柱内离散