第二章色谱法基本原理课件.ppt
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- 第二 色谱 基本原理 课件
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1、第二章 色谱基本原理 2.1 概论 2.2 色谱分配平衡 2.3 塔板理论 2.4 速率理论 2.5 影响谱带扩宽的其他因素 2.6 分离度及其影响因素 2.7 分析时间的最佳化2.1 概论2.1.1 色谱基本流程流动相进样器流速控制与测量色谱柱检测器数据记录与处理系统2.1.2 色谱流出曲线及常用的术语和参数色谱流出曲线(色谱图)色谱流出曲线(色谱图)指色谱柱流出物通过检测器系统时所产生的响应信号对时指色谱柱流出物通过检测器系统时所产生的响应信号对时间的曲线图称色谱流出曲线。间的曲线图称色谱流出曲线。2.1.2 色谱流出曲线及常用的术语和参数(1)基线:实验条件下,只有纯流动相通过检测器时的
2、记录信号 基线稳定基线漂移基线(低频)噪声基线(高频)噪声(2)色谱带:组分在柱内的浓度分布构型(3)色谱峰:组分通过检测器产生的响应信号 记录的微分曲线。(4)峰高 :色谱峰顶到基线的垂直距离(4)保留值:组分在色谱床中的滞留情况l用时间表示保留时间 t R 死时间 t M 调整保留时间MRRttt,l用体积表示死体积CMMFtV.保留体积CMRFtV.调整保留体积CRMRRFtVVVcF校正到柱温的流动相体积流速(mL/min)().OWCcOOrPPTFFPTOF室温下,皂膜流量计测得的流速大气压(柱出口的压力)OP室温时水的饱和水蒸气压WPCT柱温rT室温校正保留体积 :柱内平均压力下
3、的平均流速 乘以保留时间所得到的体积。oRVCRCRoRFjtFtV.j 压力校正因子1)/(1)/(2332oioippppj式中:为大气压,为柱前压力opipCFCCjFF 柱内平均压力下的平均流速,净保留体积:jVVRN.比保留体积 :指 时每克固定液的净保留体积 CLNgTWVV273gVc00 式中:为柱温,为固定液重量CTLW相对保留值r2,1:两个不同组分的调整保留值之比。1212(1)R(2)R1,2KKkkttr(6)区域宽度:色谱峰的宽度标准偏差 :0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半半峰宽 :2/1W4bW峰底宽度:354.2W2/12.2 色谱的平衡2.2.1分配系数与柱
4、温的关系 组分在固定相中的浓度组分在流动相中的浓度KMSCC 在一定温度下,分配体系达到平衡时,组分在两相的浓度之比称为分配系数K。K由组分和两相的热力学性质决定,随柱温而变化。当色谱体系和分离对象确定以后,K 只与柱温有关,其关系式为:相对于标准状态的自由能气体常数色谱柱柱温(k)0GRCT 一般情况组分在固定相的 为负值,则 与 成反比。0GCTK2.2.2 分配比(分配容量、容量因子、容量比)指在一定的柱温下,组分在两相达到分配平衡时,分配在固定相和流动相的总量之比。smVV式中,称为色谱体系相比()注意:1 是指真正参与组分在两相分配的那一部分有效体积 分配色谱固定液的体积 吸附色谱吸
5、附剂表面积 离子交换色谱离子交换剂的交换容量 排阻色谱多孔固定相孔容2 为柱内流动相的体积(柱死体积)SVMVMV流动流动相停滞流动相实际测定时包括了进样器,连接管,检测器的死体积。2.2.3 分离因子(选择比、溶剂效率)12KK 12KK 对一定色谱柱,两相的体积比 一定,则MSVV1,2)1(R)2(R)1(R)2(R12rVVttkk 不同浓度溶液中溶质迁移所引起的自由能 变化,对组分1和组分2有:0G)1(C10KlnRTG )2(C20KlnRTG 两组分自由能变化的差值 应为)(0G lnRTKKlnRT)G()1()2(0 当 时,组分不能分离。主要由两相的性质决定。同时也会受柱
6、温的影响。与柱长、柱径、流动相速度、柱填充情况无关。0)(0G12.2.4 分配等温线 分配系数随组分浓度变化的规律称为分配等温线。典型的分配等温线有三种,线性、凸型、凹型。abck与C无关C增大,K减小C增大,K增大2.2.5 基本保留方程式 组分在柱内的移动速度取决于组分在两相中的分配。组分在固定相时,迁移速度 组分在流动相时,迁移速度所以,有保留组分谱带的迁移速度10su 2suusuu设色谱柱长对于溶质分子:MLtusRuLtMMMRktt)k1(tt MMRtttk 对于流动相分子:(可从色谱图直接测定)kLMMMRkVV)k1(VV 若用保留体积 代替 ,则RVRtMSVVKk 因
7、为:SMRKVVV 基本保留方程式所以 因为保留值与有关,装置改变时保留 值不同色谱基本保留方程式的物理意义 组分的保留值取决于组分的K和色谱体系的,色谱装置(VM与Vs)一定时,相比一定,组分保留值取决于K(组分的本性),故可作为定性的依据色谱流出曲线的意义:色谱流出曲线的意义:l 色谱峰数色谱峰数=样品中组份的最少个数;样品中组份的最少个数;l 色谱保留值色谱保留值l 色谱峰高或面积色谱峰高或面积l 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;色谱柱分离效能评价指标;l 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。定性依据;定
8、性依据;定量依据;定量依据;例例1:在某色谱分析中得到下列数据:保留:在某色谱分析中得到下列数据:保留时间(时间(tR)为)为5.0min,死时间(,死时间(tm)为)为1.0min,液相体积(,液相体积(VS)为)为2.0mL,柱出口,柱出口载气体积流速(载气体积流速(FO)为)为50mL/min,试计算,试计算:(1)保留因子)保留因子k(2)死体积)死体积Vm(3)分配系)分配系数数K(4)保留体积)保留体积VR解解:(1)k=tR/tm=(5.0-1.0)/1.0=4.0(2)Vm=FO tm=50 1.0=50mL(3)K=k Vm/VS=4.0 50/2.0=100 (4)VR=F
9、O tR=50 5.0=250mL2.3 塔板理论(plate theory)1941年,马丁等人提出了塔板理论,把色谱分离过程比作分馏过程,把色谱柱比作一个分馏塔,并作了四个理想的假设:2 流动相从柱入口每次以一个 的体积不连续进入3 组分的 在所有的塔板上均为常数4 忽略塔板间的纵向分子扩散1 在柱内一小段长度H内,组分在两相瞬间达到分配平衡,这一小段柱称为一个“理论塔板”,它的长度称为理论塔板高度流动相H n HHLnVK 根据以上假定的条件,讨论组分在两相间的移动分配过程,假设:(2)加入柱内的流动相脉冲塔板数N(1)色谱由5块理论塔板组成,塔板号r0,1,2,3,4(3)当加入一个塔
10、板体积 脉冲流动相到0号塔 板时,原来塔板中流动相中的组分就依次冲到 下一个塔板,并在两相间重新分配并达到平衡V(4)塔板上流动相的组分数为q,固定相中的组分数为p。经过N次转移后,分配在各塔板上的组分数符合二项式分布:(p+q)Np和q可以从组分的分配比来计算确定。若组分A的kA=2.0(p=0.667,q=0.333),组分B的 kB=0.5(p=0.333,q=0.667),经过4次转移以后,各塔板上A、B组分的含量符合由二项式展开后所得的各项值:(p+q)4=p4+4qp3+6q2p2+4q3p+q4A组分:(0.333+0.667)4=0.198+0.395+0.296+0.0990
11、+0.0120=1.000B组分:(0.667+0.333)4=0.0124+0.0990+0.296+0.395+0.198=1.000A、B组分在柱内各塔板中的浓度分布见表3-1N=0,组分加到0号塔板上0号 1号2号3号4号检测器 平衡时0.5 检 测器0.5 N=1,进1V载气0.5 检 测器0.5 平衡时0.250.25 检 测器0.250.25 N=2,进2V载气 0.250.25 检 测器0.250.25 0.1250.250.125 检 测器0.1250.250.125 平衡时0.5 检 测器0.5 N=3,进3V载气 0.1250.250.125 检测器0.1250.250.
12、125 平衡时0.0630.1880.1880.063 检测器0.0630.1880.1880.063 N=4,进4V载气 0.0630.1880.1880.063检测器0.0630.1880.1880.063 平衡时0.0320.1250.1880.1250.032检测器0.0320.1250.1880.1250.0320.250.125 检 测器0.1250.250.125 0.125N=5,进5V载气 0.0320.1250.1880.125检 测 器0.0320.0320.1250.1880.1250.032平衡时0.0160.0790.1570.1570.079检 测 器0.0320
13、.0160.0790.1570.1570.0790.1250.1880.1250.032检测器0.0320.1250.1880.1250.0320.032N=6,进6V载气 0.0160.0790.1570.157检 测器0.0790.0160.0790.1570.1570.079平衡时0.0080.0480.1180.1570.118检 测器0.0790.0080.0480.1180.1570.1180.0160.0790.1570.1570.079检 测 器0.0320.0160.0790.1570.1570.079N=7,进7V载气 0.0080.0480.1180.157检测器0.11
14、80.0080.0480.1180.1570.118平衡时0.0040.0280.0830.1380.138检测器0.1180.0040.0280.0830.1380.1380.0080.0480.1180.1570.118检 测器0.0790.0080.0480.1180.1570.118 以组分数在柱出口出现的分数为纵坐标,流动相板体积N为横坐标作图,就得到色谱流出的曲线。当理论塔板数N50时,就可以得到较理想的对称峰形。GC:N=103-106 流出曲线趋于正态分布曲线色谱峰为正态分布时,色谱流出曲线的浓度变化方程:色谱峰为正态分布时,色谱流出曲线的浓度变化方程:R)VVV(2N21VM
15、e)2N(C2RR m m为组分质量,为组分质量,V VR R为保留体积,为保留体积,N N为理论塔板数。为理论塔板数。当流动相体积当流动相体积V=VV=VR R 时,时,C C值最大,即:值最大,即:RVMNC21max)2(当当V VR R-V=1/2W-V=1/2W1/21/2时:时:式中式中N N为理论塔板数,为理论塔板数,W W1/21/2,分别以体积、,分别以体积、时间为单位的色谱峰半高宽度。时间为单位的色谱峰半高宽度。由塔板理论可以导出理论塔板数n的计算公式式中:tR,b,的单位必须相同。对于长度为L的色谱柱,理论塔板高度为:LHn2/1 由于柱内的死体积Vm(或tm)不反映出各
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