分析化学：第8章 第2节 色谱理论基础

1、16:31:18 第第第第第第八八八八八八章章章章章章 色谱分析基础色谱分析基础色谱分析基础色谱分析基础色谱分析基础色谱分析基础 第二节第二节第二节第二节第二节第二节 色谱理论基础色谱理论基础色谱理论基础色谱理论基础色谱理论基础色谱理论基础 一、塔板理论一、塔板理论 plate theory 二、二、速率理论速率理论 rate theory 三、三、分离度分离度 resolution fundamental of chromatograph analysis fundamental of chromatograph theory 16:31:18 色谱理论色谱理论色谱理论色谱理论色谱理论色谱理

2、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：色谱过程的热力学因素控制；：色谱过程的热力学因素控制； （组分和固定液的结构和性质）（组分和固定液的结构和性质） 色谱峰变宽色谱峰变宽：色谱过程的动力学因素控制；：色谱过程的动力学因素控制； （两相中的运动阻力，扩散）（两相中的运

3、动阻力，扩散） 两种色谱理论：塔板理论和速率理论；两种色谱理论：塔板理论和速率理论； 16:31:18 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，平衡可以迅在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅 速达到；速达到； (2) (2) 将载气看作成脉动（间歇）过程；将载气看作成脉动（间歇）过程； (3) (3) 试样沿色谱柱方向的扩散可忽略；试样沿色谱柱方向的扩散可忽略； (4) (4) 每次分配的分配系数相同。每次分配的分配系数相同。 一、塔板理论一、塔板理论一、塔板理论一、塔板理论一、塔板理论一、塔板理论- - - - - -柱分离效能指标柱分离效能指标柱分离效能指标柱分离效

4、能指标柱分离效能指标柱分离效能指标 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，将连续将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续 的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复 （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）； （动画）（动画） 16:31:18 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：H， 色谱柱的理论塔板数：色谱柱的理论塔板数：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

5、之间的关系为： 22 21 16545)()(. /b RR W t Y t n 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! ! 16:31:18 2.2.2.2.2.2.有效塔板数和有效塔板高度有效塔板数和有效塔板高度有效塔板数和有效塔板高度有效塔板数和有效塔板高度有效塔板数和有效塔板高度有效塔板数和有效塔板高度 单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。 用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。 组分在组分在tM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

6、有效塔板高度：塔板数和有效塔板高度： 22 2/1 )(16)(54. 5 b RR W t Y t n 理理 有效有效 有效有效 有效有效 n L H W t Y t n b RR 2 2 2/1 )(16)(54. 5 16:31:18 3.3.3.3.3.3.塔板理论的特点和不足塔板理论的特点和不足塔板理论的特点和不足塔板理论的特点和不足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 越大越大(塔板高度塔板高度 H 越越 小小)，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所 得

7、色谱峰越窄。得色谱峰越窄。 (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实际分离效果，当两组分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)塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱 效不同

8、的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效效不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效 的途径。的途径。 16:31:18 二、二、二、二、二、二、 速率理论速率理论速率理论速率理论速率理论速率理论- - - - - -影响柱效的因素影响柱效的因素影响柱效的因素影响柱效的因素影响柱效的因素影响柱效的因素 1. 1. 速率方程（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

9、、B、C三项各与哪些因素有关？三项各与哪些因素有关？ 16:31:18 A A A 涡流扩散项涡流扩散项涡流扩散项涡流扩散项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色谱峰变宽现象减轻，色谱。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。峰较窄。 （动画）（动画） 16:31:18 B B B/ / /u u u 分子扩散项分子扩散项分子扩散项分子扩散项分子扩散项分子扩散项 B = 2

10、Dg ：弯曲因子，填充柱色谱，弯曲因子，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 (M载气 载气)-1/2 ； M载气载气，B值值。 （动画）（动画） 16:31:18 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

11、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。 B B B u u u 传质阻力项传质阻力项传质阻力项传质阻力项传质阻力项传质阻力项 传质阻力包括气相传质阻力传质阻力包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力和液相传质阻力CL即：即： C =（Cg + CL） g f g D d k k C 2 2 )1 ( 01. 0 （动画）（动画） L f L D d k k C 2 2 )1 (3 2 16:31:18 2.2.2.2.2.2.载气流速与柱效载气流速与柱效载气流速与柱效载气流速与柱效载气流速与柱效载气流速与柱效最佳流速最佳流速最佳流速最佳流速最佳流速最

12、佳流速 载气流速高时：载气流速高时： 传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： 由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效的总影由于流速对这两项完全相反的作用，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 流速的一阶导数有一极小值。流速的一阶导数有一极小值。 以塔板高度以塔板高度H对应载气流速对

13、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 为为最佳流速最佳流速。 16:31:18 3. 3. 3. 3. 3. 3. 速率理论的要点速率理论的要点速率理论的要点速率理论的要点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色谱峰扩展柱效下降的主要原因。间达到等因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因。 (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

14、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)速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导。速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导。 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，选择最佳

15、条件，才能使柱效达到最高。影响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。 16:31:19 三、三、三、三、三、三、 分离度分离度分离度分离度分离度分离度 塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分 离程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。离程度。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

16、中的四种情况如图所示：色谱分离中的四种情况如图所示： 16:31:19 讨论：讨论：讨论：讨论：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；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。 16:31:19 分离度的表达式分离度的表达式分离度的表达式分离度的表达式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

17、程度可达89%； 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）。 )(. )( )( )(/)(/ )()( )()( )()( 121221 12 12 12 6991 2 2 YY tt WW tt R RR bb RR 16:31:19 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： 16 11 1 2 21 2121 12 12 2 12 11212 有效 n r r W t tt r W ttt

18、 W tt WW tt R b bbbb RR R RR RRRRR )()( )( )( )()( )()( )( )()( )()()()()( 有效 有效 H r r RL r r Rn 2 21 212 2 21 212 1 16 1 16 )( )( 16:31:19 讨论讨论讨论讨论讨论讨论： （1）分离度与柱效分离度与柱效 分离度与柱效的平方根成正比，分离度与柱效的平方根成正比， r21一定时，增加柱效，一定时，增加柱效， 可提高分离度，但组分保留时间增加且峰扩展，分析时间长可提高分离度，但组分保留时间增加且峰扩展，分析时间长 。 （2）分离度与分离度与r21 增大增大r21是提

19、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r21增加一倍，需要的增加一倍，需要的n有效 有效 减小 减小10000倍。倍。 增大增大r21的最有效方法是选择合适的固定液。的最有效方法是选择合适的固定液。 16:31:19 例题例题例题例题例题例题1 1 1： 在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为85秒和秒和 100秒，要达到完全分离，即秒，要达到完全分离，即R=1.5 。计算需要多少块有效计算需要多少块有效 塔板。若填充柱的塔板高度为塔板。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 = 16 1.52 (1.18 / 0.18 ) 2 = 1547（ （块）块） L有效 有效 = n有效有效H有