-色谱法基本理论概述课件.ppt

1、11.1.分配系数分配系数（partion factor）K 组分在固定相和流动相间发生的组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附吸附、脱附，或，或溶解、溶解、挥发挥发的过程叫做的过程叫做分配过程分配过程。在一定温度下，组分在两相间。在一定温度下，组分在两相间分配达到分配达到平衡平衡时的时的浓度浓度（单位：（单位：g/mL）比比，称为分配系数，称为分配系数，用用K 表示，即：表示，即：Ms ccK 组分在流动相中的浓度组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度组分在固定相中的浓度分配系数是色谱分离的依据。分配系数是色谱分离的依据。2分配系数分配系数 K 的讨论的讨论n 一定温度下，组分的分配系数一

2、定温度下，组分的分配系数K越越大大，出峰越，出峰越慢慢；n试样一定时，试样一定时，K主要取决于固定相性质；主要取决于固定相性质；n同一个组份同一个组份在不同的固定相上的分配系数在不同的固定相上的分配系数K不同不同；n选择适宜的固定相可改善分离效果；选择适宜的固定相可改善分离效果；n试样中的各组分具有不同的试样中的各组分具有不同的K值值是分离的基础是分离的基础；n某组分的某组分的K=0时，即不被固定相保留，最先流出。时，即不被固定相保留，最先流出。组分在流动相中的浓度组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度组分在固定相中的浓度 K32.2.分配比分配比 （partion radio）k 在实际工

3、作中，也常用分配比来表征色谱分配在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。分配比是指，在一定温度下，组分在两平衡过程。分配比是指，在一定温度下，组分在两相间分配达到相间分配达到平衡平衡时的时的质量比质量比：Ms mmk 组分在流动相中的质量组分在流动相中的质量组分在固定相中的质量组分在固定相中的质量 1.分配系数与分配比都是与组分及分配系数与分配比都是与组分及固定相固定相的热力学性质的热力学性质有关的常数，随分离柱温度、柱压的改变而变化。有关的常数，随分离柱温度、柱压的改变而变化。2.分配系数与分配比分配系数与分配比都是都是衡量色谱柱对组分衡量色谱柱对组分保留能力保留能力的的参数参数，

4、数值越大，该组分的保留时间越长。，数值越大，该组分的保留时间越长。3.分配比可以由实验测得。分配比可以由实验测得。分配比分配比也称也称：容量因子容量因子(capacity factor)；容量比容量比(capacity factor)；4（1）容量因子与分配系数的关系）容量因子与分配系数的关系 式中式中为为相比相比，即，即=Vm/Vs。填充柱填充柱相比相比：635；毛细管柱的相比：；毛细管柱的相比：501500。容量因子越大，保留时间越长。容量因子越大，保留时间越长。VM为为流动相流动相体积，即柱内固定相颗粒间的体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积空隙体积；VS为为固定相固定相体积，对不同类型色

5、谱柱，体积，对不同类型色谱柱，VS的含义不同的含义不同:气气-液色谱柱：液色谱柱：VS为固定液体积；为固定液体积；气气-固色谱柱：固色谱柱：VS为吸附剂表面容量；为吸附剂表面容量；KVVccmmkmSmsmS5（2）分配比与保留时间的关系分配比与保留时间的关系 0R00Rtttttk 某组分的某组分的k值可由实验测得，等于该组分的值可由实验测得，等于该组分的调整调整保留时间保留时间与与死死时间的时间的比值比值：（3）分配系数）分配系数K及分配比及分配比k与选择因子与选择因子r2,1的关系的关系1212121,2kkKKttrRR 如果两组分的如果两组分的K或或k值相等，则值相等，则r2,1=1

6、，两组分的色谱峰必，两组分的色谱峰必将重合，说明分不开。两组分的将重合，说明分不开。两组分的K或或k值值相差相差越大，则分离得越大，则分离得越好越好。因此两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先决条。因此两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先决条件。件。6基本保留方程可表示为：基本保留方程可表示为：tR=t0(1+k)若载气流量若载气流量F0恒定，也可用保留体积表示，则恒定，也可用保留体积表示，则 VR=Vm+KVs这就是色谱基本保留方程。这就是色谱基本保留方程。上式说明，色谱柱确定后，上式说明，色谱柱确定后，Vm和和Vs即为定值。由此可见即为定值。由此可见，分配系数不同的各组分具有不同的保留值

7、，因而在色谱图，分配系数不同的各组分具有不同的保留值，因而在色谱图上有上有不同位置不同位置的色谱峰。的色谱峰。（4）基本保留方程）基本保留方程7例：例：用一根固定相的体积为用一根固定相的体积为0.148mL，流动相的体积为，流动相的体积为1.26mL的色谱柱分的色谱柱分离离A,B两个组分，它们的保留时间分别为两个组分，它们的保留时间分别为14.4min，15.4min，不被保留组，不被保留组分的保留时间为分的保留时间为4.2min，试计算：，试计算：（1）各组分的容量因子）各组分的容量因子（2）各组分的分配系数）各组分的分配系数（3）AB两组分的选择因子两组分的选择因子rB,A解：解：（1）k

8、A=(14.4min-4.2min)/4.2min=2.43 kB=(15.4min-4.2min)/4.2min=2.67(2)K=k=kVm/VsKA=kAVm/Vs=2.431.26mL/0.148mL=20.7KB=kBVm/Vs=2.671.26mL/0.148mL=22.7(3)rB,A=KB/KA=22.7/20.7=1.108色谱理论色谱理论 色谱理论需要解决的问题：色谱分离过程的热力学和动色谱理论需要解决的问题：色谱分离过程的热力学和动力学问题。影响分离及柱效的因素与提高柱效的途径，柱效力学问题。影响分离及柱效的因素与提高柱效的途径，柱效与分离度的评价指标及其关系。与分离度的

9、评价指标及其关系。组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？组分保留时间组分保留时间：色谱过程的：色谱过程的热力学热力学因素控制；因素控制；（组分和固定相的结构和性质（组分和固定相的结构和性质,如分配系数）如分配系数）色谱峰变宽色谱峰变宽：色谱过程的：色谱过程的动力学动力学因素控制；因素控制；（两相中的运动阻力，扩散）（两相中的运动阻力，扩散）两种色谱理论：两种色谱理论：塔板理论和速率理论塔板理论和速率理论；9 塔板理论的假设：塔板理论的假设：(1)在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达到；这一小段间隔的柱长称为到；这一小

10、段间隔的柱长称为理论塔板高度理论塔板高度。(2)(2)将载气看作成将载气看作成脉动脉动（间歇）过程；（间歇）过程；(3)(3)试样沿色谱柱方向的试样沿色谱柱方向的扩散扩散可可忽略忽略；(4)(4)每次每次分配的分配的分配系数相同分配系数相同。1.1.塔板理论塔板理论（plate theory）半经验理论；半经验理论；将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续连续的色谱分离过程的色谱分离过程分割成多次分割成多次的平衡过程的重复的平衡过程的重复 （类似于蒸馏塔塔板上的平衡过程）；（类似于蒸馏塔塔板上的平衡过程）；在每一在每一个塔板上，被分离组分达到一次分配平衡。个塔板上，

11、被分离组分达到一次分配平衡。10 色谱柱长：色谱柱长：L，虚拟的塔板间距离（虚拟的塔板间距离（理论塔板高度理论塔板高度）：）：H，色谱柱的色谱柱的理论塔板数理论塔板数：n，则三者的关系为：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：理论塔板数与色谱参数之间的关系为：222/1)(16)(54.5bRRWtWtn保留时间包含死时间，在死时间内不参与分配保留时间包含死时间，在死时间内不参与分配!单位柱长的单位柱长的塔板数越多塔板数越多，表明，表明柱效越高柱效越高。用用不同物质不同物质计算可得到计算可得到不同的理论塔板数不同的理论塔板数。112.2.有效塔板数和有效塔板高度有效塔板数

12、和有效塔板高度 组分在组分在t0时间内不参与柱内分配。需引入有效时间内不参与柱内分配。需引入有效塔板数和有效塔板高度：塔板数和有效塔板高度：222/1)(16)(54.5bRRWtWtn理有效有效有效nLHWtWtnbRR222/1)(16)(54.512例：例：用一根柱长为用一根柱长为1m的色谱柱分离含有的色谱柱分离含有A，B，C，D四四个组分的混合物，它们的保留时间个组分的混合物，它们的保留时间tR分别为分别为6.4min,14.4min,15.4min,20.7min,其峰底宽其峰底宽Wb分别为分别为0.45min,1.07min,1.16min,1.45min。试计算：各谱峰的理论塔板

13、数。试计算：各谱峰的理论塔板数。n解：解：3261)min45.1min7.20(162820)min16.1min4.15(162898)min07.1min4.14(163236)min45.0min4.6(16)(1622222DCBAbRnnnnWtn理论133.3.塔板理论的特点和不足塔板理论的特点和不足 (1)当色谱柱长度一定时，塔板数当色谱柱长度一定时，塔板数 n 越越大大(塔板高度塔板高度 H 越越小小)，被测组分在柱内，被测组分在柱内被分配被分配的的次数越多次数越多，柱效能柱效能则则越高越高，即，即使分配系数使分配系数只有微小只有微小的差别，的差别，仍仍可获得可获得好好的分离

14、效果。的分离效果。所得所得色谱峰越窄。色谱峰越窄。(2)(2)不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔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。物质。(3)(3)柱效不能表示被分离组分的柱效不能表示被分离组分的实际分离实际分离效果，当两组分效果，当两组分的分配系数的分配系数K K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。离。(4)(4)塔板理论塔板理论无法无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不

15、同的实验结果，也效不同的实验结果，也无法无法指出影响柱效（如塔板高度指出影响柱效（如塔板高度H H）的）的因素及提高柱效的途径。因素及提高柱效的途径。14二、二、速率理论速率理论-影响柱效的因素影响柱效的因素 1956 1956年荷兰学者范弟姆特（年荷兰学者范弟姆特（Van Deemter)Van Deemter)等提出等提出了色谱过程的动力学理论，他们了色谱过程的动力学理论，他们吸收了塔板理论的概念吸收了塔板理论的概念，并把影响塔板高度的动力学因素结合进去，导出了塔，并把影响塔板高度的动力学因素结合进去，导出了塔板高度板高度H H与载气线速度与载气线速度u u的关系。的关系。1.1.速率方程

16、（也称范速率方程（也称范.弟姆特方程式）弟姆特方程式）H=A+B/u+Cu H：理论塔板高度：理论塔板高度;u：载气的线速度：载气的线速度(cm/s)减小减小A、B、C三项可提高柱效三项可提高柱效；存在着最佳流速存在着最佳流速；A、B、C三项常数各与哪些因素有关？三项常数各与哪些因素有关？15A涡流扩散项涡流扩散项 A=2dp dp：固定相的平均颗粒直径固定相的平均颗粒直径：固定相的填充不均匀因子固定相的填充不均匀因子 固定相颗粒越小固定相颗粒越小dp，填充的越均匀，填充的越均匀，A，H，柱效，柱效n。表现在涡流扩散所引起的。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻色谱峰变宽现象减轻，色谱，色

17、谱峰较峰较窄窄。对于空心毛细管柱，。对于空心毛细管柱，A项为零。项为零。16B/u 分子扩散项分子扩散项 B=2 Dg ：弯曲因子，空心毛细管弯曲因子，空心毛细管,1；填充柱色谱填充柱色谱,11。Dg：试样组分分子在气相中的扩散系数（：试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2s-1）(1)存在着浓度差，产生纵向扩散存在着浓度差，产生纵向扩散;(2)扩散导致色谱峰变宽，扩散导致色谱峰变宽，H(n)，分离变差分离变差;(3)分子扩散项与流速有关，流速分子扩散项与流速有关，流速，滞留时间，滞留时间，扩散，扩散;(4)扩散系数扩散系数Dg与组分及载气的性质有关：与组分及载气的性质有关：Dg(M载气载气)

18、-1/2；M载气载气，B值值。Dg（M组分组分）-1（5）扩散系数扩散系数Dg随柱温升高而增加。随柱温升高而增加。17 k为容量因子；为容量因子；Dg、DL为扩散系数。为扩散系数。减小担体粒度，选择小分子量的气体作载气，可降低传质减小担体粒度，选择小分子量的气体作载气，可降低传质阻力。阻力。C u 传质阻力项传质阻力项 传质阻力系数包括气相传质阻力传质阻力系数包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力和液相传质阻力CL系数系数即：即：C=（Cg+CL）gpgDdkkC222)1(01.0LfLDdkkC22)1(32182.2.载气流速与柱效载气流速与柱效最佳流速最佳流速载气流速高时：载气流速高时：传

19、质阻力项是影响柱效的传质阻力项是影响柱效的主要因素，主要因素，流速流速，柱效，柱效。载气流速低时：载气流速低时：分子扩散项成为影响柱效分子扩散项成为影响柱效的主要因素，的主要因素，流速流速,柱效柱效 。H-u曲线与最佳流速：曲线与最佳流速：由于流速对这两项由于流速对这两项完全相反的作用完全相反的作用，流速对柱效的总影，流速对柱效的总影响使得存在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对响使得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零值点。流速的一阶导数有零值点。以塔板高度以塔板高度H对应载气流速对应载气流速u作图，曲线最低点的流速即作图，曲线最低点的流速即为为最佳流速最佳

20、流速。19BCAHCBuopt2min203.3.速率理论的要点速率理论的要点 (1)(1)组分分子在柱内运行的组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散多路径与涡流扩散、浓度梯度所浓度梯度所造成的造成的分子扩散分子扩散及及传质阻力传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到等因素是造成间达到等因素是造成色谱峰扩展色谱峰扩展，柱效下降柱效下降的主要原因。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。气流速可提高柱效。(3)(3)速率理论为速率理论为色谱分离和操作条件选择色谱分离和操作条件选

21、择提供了理论指导。提供了理论指导。阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。(4)各种因素相互制约，如载气流速增大，分子扩散项的影各种因素相互制约，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；柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的柱效下降；柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的影响，影响，选择最佳条件选择最佳条件，才能使柱效达到最高。，才能使柱效达到最高。21三、三、分离度分离度 塔板理论和速率理论都塔板理论和速率理论都难以描述难以描述难分离物质对的难分离物

22、质对的实际分实际分离程度离程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响：合影响：保留值之差保留值之差色谱过程的热力学因素；色谱过程的热力学因素；区域宽度区域宽度色谱过程的动力学因素。色谱过程的动力学因素。色谱分离中的四种情况如图所示：色谱分离中的四种情况如图所示：22讨论：讨论：色谱分离中的四种情况的讨论：色谱分离中的四种情况的讨论：柱效较高，柱效较高，K(分配系数分配系数)较大较大,完全分离；完全分离；K不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离

23、；不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；柱效较低，柱效较低，K较大较大,但分离的不好；但分离的不好；K小，小，柱效低，分离效果更差。柱效低，分离效果更差。23分离度的表达式分离度的表达式：R=0.8：两峰的分离程度可达：两峰的分离程度可达89%，有部分重叠；，有部分重叠；R=1：分离程度：分离程度98%；R=1.5：达：达99.7%（相邻两峰完全分离的标准）。（相邻两峰完全分离的标准）。)(699.1)(2)(2)1(2/1)2(2/1)1()2()1()2()1()2(WWttWWttRRRbbRR 定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与两个组分色谱峰峰底定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与

24、两个组分色谱峰峰底宽度总和一半的比值。宽度总和一半的比值。24色谱基本分离方程式色谱基本分离方程式令令Wb(2)=Wb(1)=Wb（相邻两峰的峰底宽近似相等相邻两峰的峰底宽近似相等），），引入相对引入相对保留值和塔板数，可导出下式：保留值和塔板数，可导出下式：1,21,21,21,21,2)1()2()1()2(1416)1()1()1()(2)2()1()2()1()1()2()1()2(rrnnrrWtttrWtttWttWWttRbbbbbRRRRRRRRRR有效有效有效有效HrrRLrrRn21,21,2221,21,22)1(16)1(1625讨论讨论：1,21214rrnR，有效（

25、1）分离度与柱效的关系（柱效因子分离度与柱效的关系（柱效因子n)分离度分离度与柱效因子与柱效因子n的平方根成正比的平方根成正比，r2,1一定时，增加一定时，增加柱长以柱长以增加柱效增加柱效n，可提高分离度，但组分保留时间增加且，可提高分离度，但组分保留时间增加且峰扩展，分析时间长。增加峰扩展，分析时间长。增加n值得另一办法是值得另一办法是减小柱的减小柱的H值值（2）分离度与选择因子分离度与选择因子r2,1的关系的关系 增大增大r2,1是提高分离度的最有效方法，计算可知，在相同是提高分离度的最有效方法，计算可知，在相同分离度下，当分离度下，当r2,1增加一倍，需要的增加一倍，需要的n有效有效 减

26、小减小10000倍。倍。增大增大r2,1的最有效方法是选择合适的固定相。的最有效方法是选择合适的固定相。21,21,22)1(16rrRn有效26 在一定条件下，两个组分的在一定条件下，两个组分的调整保留时间调整保留时间分别为分别为85秒秒和和100秒，要达到完全分离，即秒，要达到完全分离，即R=1.5 。计算需要多少块有计算需要多少块有效塔板。若填充柱的塔板高度为效塔板。若填充柱的塔板高度为0.1 cm，柱长是多少？柱长是多少？解：解：r21=100/85=1.18 n有效有效 =16R2 r21 /(r21 1)2=161.52(1.18/0.18)2 =1547（块）块）L有效有效 =n

27、有效有效H有效有效 =15470.1=155 cm 即柱长为即柱长为1.55米时，米时，两组分可以得到完全分离。两组分可以得到完全分离。27在在3.0m色谱柱上，分离色谱柱上，分离A、B组分，其保留时间分别为组分，其保留时间分别为14.0min、17.0min，不被保留的组分的保留时间为，不被保留的组分的保留时间为1.0min，B 组分组分的峰底宽度的峰底宽度Wb为为1.0min。计算计算A和和B达到基线分离时（达到基线分离时（R=1.5）的柱长为多少？）的柱长为多少？解：算出B组分的有效塔板数：再算出需要达到R=1.5时，需要的有效塔板数：23.1min0.1min0.14min0.1min0.17,RABRABttr4096)1min1min17min16)(1622（原有效bRBBWtn1029)123.123.1(5.116)1(16222,2ABABBrrRn需有效28由于nL，则要达到基线分离需要的柱长为：所以 L需=0.75m 因此要达到基线分离，所需柱长为0.75m。mL340961029需