《色谱法基本原理》ppt课件

1、第二章 色谱根本原理 2.1 概论 2.2 色谱分配平衡 2.3 塔板实际 2.4 速率实际 2.5 影响谱带扩宽的其他要素 2.6 分别度及其影响要素 2.7 分析时间的最正确化2.1 概论2.1.1 色谱根本流程流动相进样器流速控制与丈量色谱柱检测器数据记录与处置系统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 指色谱柱流出物经过检测器系统时所产生的呼应信指色谱柱流出物经过检测器系统时所产生的呼应信号对时间的曲线图称色谱流出曲线。号对时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，只需纯流动相经过检测器时的记录信

2、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：组分经过检测器产生的呼应信号 记录的微分曲线。4峰高 ：色谱峰顶到基线的垂直间隔4保管值 ：组分在色谱床中的滞留情况l用时间表示保管时间 t R 死时间 t M 调整保管时间MRRttt,l用体积表示死体积CMMFtV.保管体积CMRFtV.调整保管体积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室温校正保管体积 ：柱内平均压力下的平均流速 乘以保管时间所得到的体积

3、。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,净保管体积:jVVRN.比保管体积 :指 时每克固定液的净保管体积 CLNgTWVV273gVc00 式中: 为柱温， 为固定液分量CTLW相对保管值r2,1：两个不同组分的调整保管值之比。 1212(1)R(2)R1 ,2KKkkttr6区域宽度 :色谱峰的宽度规范偏向 ：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分配系数与柱温的关系 组分在固定相中

4、的浓度组分在流动相中的浓度KMSCC 在一定温度下，分配体系到达平衡时，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议，随柱温而变化。 当色谱体系和分别对象确定以后， K 只与柱温有关， 其关系式为 ：相对于规范形状的自在能气体常数色谱柱柱温k0GRCT 普通情况组分在固定相的 为负值，那么 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，组分在两相到达分配平衡时，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( )留意 ：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 吸附色谱吸附剂外表积

5、 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践测定时包括了进样器，衔接纳，检测器的死体积。2.2.3 分别因子选择比、溶剂效率12KK 12KK 对一定色谱柱，两相的体积比 一定，那么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在能 变化，对组分1和组分2有： 0G)1(C10KlnRTG )2(C20KlnRTG 两组分自在能变化的差值 应为 )(0G lnRTKKlnRT)G()1()2(0 当 时， ，组分不能分别。 主要由两相的性质决议。同时也会受柱温的

6、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 根本保管方程式 组分在柱内的挪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，有保管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 假设用保管体积 替代 ，那么RVRtMSVVKk

7、由于：SMRKVVV 根本保管方程式所以 由于保管值与有关,安装改动时保管 值不同色谱根本保管方程式的物理意义 组分的保管值取决于组分的K和色谱体系的, 色谱安装 (VM与Vs)一定时,相比一定,组分保管值取决于K(组分的本性),故可作为定性的根据色谱流出曲线的意义：色谱流出曲线的意义： 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； 色谱保管值色谱保管值 色谱峰高或面积色谱峰高或面积 色谱保管值或区域宽度色谱保管值或区域宽度色谱柱分别效能评价目的；色谱柱分别效能评价目的； 色谱峰间距色谱峰间距固定相或流动相选择能否适宜的根据。固定相或流动相选择能否适宜的根据。定性根据；定性根

8、据；定量根据；定量根据；例例1：在某色谱分析中得到以下数据：保管：在某色谱分析中得到以下数据：保管时间时间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保管因子保管因子k2死体积死体积Vm3分配分配系数系数K4保管体积保管体积VR解：解：1k= tR/ tm=5.0-1.0/1.0=4.02 Vm = FO tm =50 1.0=50mL3 K = k Vm / VS =4.0 50/2.0=100 4 VR = FO tR =50 5.0=250mL2.3 塔

9、板实际plate theory 1941年，马丁等人提出了塔板实际,把色谱分别过程比作分馏过程，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 的体积不延续进入3 组分的 在一切的塔板上均为常数4 忽略塔板间的纵向分子分散1 在柱内一小段长度H内，组分在两相瞬间到达分配平衡，这一小段柱称为一个“实际塔板，它的长度称为实际塔板高度流动相H n HHLnVK 根据以上假定的条件，讨论组分在两相间的挪动分配过程， 假设：(2) 参与柱内的流动相脉冲塔板数N(1) 色谱由5块实际塔板组成，塔板号r0，1，2，3，4 (3) 当参与一个塔板体积 脉冲流动相到0号塔 板时，原

10、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到达平衡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。 假设组分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+0.09

11、90+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

12、.250.125 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

13、.0320.0160.0790.1570.1570.0790.1250.1880.1250.032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

14、器0.1180.0080.0480.1180.1570.118平衡时0.0040.0280.0830.0.检测器0.1180.0040.0280.0830.0.0.0080.0480.1180.1570.118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。当实际塔板数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(2N21VMe)2N

15、(C2RR m m为组分质量，为组分质量，VRVR为保管体积，为保管体积，N N为实际塔板数。为实际塔板数。当流动相体积当流动相体积V=VR V=VR 时，时，C C值最大，即：值最大，即：RVMNC21max)2(当当VR-V=1/2W1/2VR-V=1/2W1/2时：时：式中式中N N为实际塔板数，为实际塔板数，W1/2W1/2，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。由塔板实际可以导出实际塔板数n的计算公式式中：tR，b，的单位必需一样。对于长度为L的色谱柱，实际塔板高度为：LHn2/1 由于柱内的死体积Vm或tm不反映出各组分与固定相互相作用的

16、本质，在思索实践柱能时，应扣除死保管值，以有效塔板数neff作为衡量柱效能的目的。 ，那么：上式可以看出：effnn都随值变化很小时，effeffnnnn与差别很大; k时，和运用不同的值的组分，测出的柱效是不同的kkk,effn nk随的 变 化 图l2.4 速率实际rate theory 速率实际首先由荷兰学者Van Deemter 等提出,导出气相色谱速率方程，称为Van Deemter方程.后来美国科学家J.Calvin Giddings提出了随机行走的紊流实际模型，并对速率方程式提出补充，进一步提出了液相色谱速率实际方程式。l2.4 .1 紊流模型Random Walk紊流模型的实际

17、要点： 组分分子随流动相经过色谱床时，沿着流动相的方向在一维空间内进展无规那么的运动，组分分子随机的向前走。平均步长 l相当于塔板高度H行走步数eN相当于实际塔板数行走间隔L相当于色谱柱长 多个分子如此随机行走，导致谱带扩宽，扩宽的程度可用正态分布规范偏向 来表示：谱带宽度22eeNlNl色谱柱长可以了解为步数eN和平均步长的乘积。令步长lH，步数eNn，那么：2eLNlnHHLH的物理意义：单位柱长色谱峰展宽的程度222212.i总 色谱柱总塔板高度 等于各个独立影响要素对板高奉献之和：12i.HHHH总22212.iLLL2.4.2 广范围的Van Deemter方程式1.涡流分散eddy

18、 diffusion涡流分散纯属流动情况呵斥 涡流分散动画单位柱长对峰宽的影响为式中： 填充颗粒的平均直径 填充因子，与dp粒度范围和填充情况有关高效率柱：采用200-400目粒度范围颗粒 22eddpL22eddpLHdpLdp 1.52.582.纵向分散 纵向分散是分子的无规那么热运动引起的，所以也称为分子分散。 分子分散动画式中： 弯曲因子，也称为妨碍因子，与填充资料的几何外形有关。 Dm组分在流动相中的分散系数，与组分的性质、柱温、压 力、流动相性质有关。 流动相的平均线速度LC：液体没有紧缩性，柱内线速度是均匀的GC：气体可紧缩，柱内压力从入口到出口递降，载气线速度从入口到出口递升。

19、 uo ：柱出口流速u22212lm mmlmLD tDuHDu0uju3. 固定相中的传质阻力(Resistance to mass tramsfer in stationary phose) 溶质由流动相分散到固定相、在固定相中溶质要到达平衡时所遇到的阻力。 峰扩展缘由：同一组分的分子进出固定相的速度不同 液相固定相：由于分子分散到固定相不同的深度 吸附色谱：吸附剂外表的活性不同式中： 构型因子，取决于固定相的构型。 均匀液膜：离子交换树脂 固定相液膜的平均厚度。 小，有利于迅速建立平衡，柱效高 过小 最大允许进样量小 载体外表的吸附中心暴露，导致峰拖尾 溶质在固定相中的分散系数2221S

20、SSkdfuHqLDkq23q ，纸：1;2q 21 5q df sdfVdfdfSD 3.流动相中的传质阻力Resistamce to mass tramsfer in mobile phase) 组分从流动相的主体分散到流动相与固定相的界面进展质量交换，妨碍这一分散过程的阻力称为流动相传质阻力a.流动的流动相中的传质阻力 不同分子与固定相外表的间隔不一，到达外表所需求的时间不同。对于气相填充柱色谱：22220.011mmmkdp uHLDk对于液相色谱：22mmmdp uHLD式中： - 无纲量常数，或称为柱因子b.停滞流动相中的传质阻力 存在于颗粒内部孔隙中的流动相，不随主体流动，故称为

21、停滞流动相2ps mmduLD式中：- 与颗粒微孔中被流动相所占据部分 的分数及与容量因子有关的常数结合上述四项影响色谱区带宽化的要素：222222222221elsmsmmmmsHLDqk df udp udp udpDDukD对于气液色谱，2smL不存在，那么：2222220.012311msDkdf uk uHdpDukk GC：溶质在气相流动相中传质快，流动相 传质阻力可以忽略，普通采用只需三项的简化VanDeamter方程式：上两式均称为速率实际方程式，可以简写为BHACuDuuBHAC uu2.4.3 速率实际方程式的巧合式 Giddings以严厉的科学方法证明影响塔板高度的各种要

22、素不是独立，而是相互关联的。 涡流分散和流动相传质效应相互巧合构成 巧合涡流分散项Hem。1121112mememDHHHdpdp u1222222212222200()12120.0123110.012121ememememmsmmmsHHHHGiddingskDDdfukk uHdpDkkk dp uuDDqkdf udp udp uHdpDdp uukD随 而变化当时，当时，经典项修改后的速率理论偶合方程式为：液相色谱：mD2.4.4 速率实际方程式的讨论1流速对塔板高度H的影响曲线的最低点H最小，以Hmin表示，柱效能最高。该点对应的流速称为最正确流速：o p tumin2min02o

23、ptoptuHCudHBCduuBuCHABC B和可由式：H=A+ 微分求得：uGC曲线与LC曲线不同的缘由：Dm大，当u低时，分子分散项2mDu影响显著。min,optmuHHuuH uLC DHmin增大， 显著下降，得到的继续增大，传质阻力占主要地位， 随 增大。：值较小，分子扩散项对H的影响小没有H总趋势是随着u增大， 减小:GC(2)固定相颗粒dp的影响5 1010dpHdpmdpmdp 小时， 较小高效率粒子当时，柱效显著下降。但 小，柱的渗透性小，柱前压力高，对仪器性能要求高。2.5 影响谱带扩宽的其他要素 1.非线性色谱 速率实际假定分配等温线是线性的，在实践任务中，经常遇到

24、的是非线性等温线。2.活性中心的影响 载体或吸附剂外表的活性中心对组分的吸附力太强，使组分迟迟不得释放而呵斥拖尾。处理方法： 将载体进展预处置，去除外表的活性中心； 在LC中，在流动相中参与缓和剂。 3.柱外效应 进样的方式和进样技术，以及进样器、检测器、衔接纳的死体积呵斥的谱带扩宽，称为柱外效应。 柱外效应常用柱外效应引起峰体积的相对增大值作为度量目的： 峰体积4bccVW FF峰进样器1dV 色谱柱2dV 检测器222总柱内柱外总宽化 22222444cccFFF2总柱 内柱 内22VV总柱 内柱 外即 V 柱内宽化服从速率实际方程柱外某衔接纳溶质的宽化为： 式中， d:衔接纳内径(0.2

25、5-0.3mm) L:衔接纳的长度 流动相体积流速222 4cimdF LVD:cF1m inmL 死体积愈小，柱外宽化愈小，普通控制不超越 总宽化的10%。影响谱带扩展的各种要素为：四种动力学要素涡流系数纵向分子分散固定相传质阻力流动相传质阻力其他非线性等温活性中心死体积进样管衔接纳检测器其他进样技术气化温度2柱内2柱 外2总2.6 分别度及其影响要素2.6.1 分别度的定义色谱分别的三种情况实现分别的条件峰间距：峰宽：柱效能增大 ，峰宽减小 l全面反映两峰分别程度的参数分别度Rl相邻两峰保管时间之差与两组分色谱峰的l峰底宽度之和的一半的比值称为分别度R对于对称的高斯峰 (1)(2)(2)(

26、1)4 ,4bbbRRttR当时，R=0.8时，分别程度89R=1.044981.5699.87R时， 分离（峰间距），分离程度 时， 分离，分离程度普通采用R=1.5作为相邻两峰完全分别的标志。2.6.2 根本分别方程式(1)( 2 )( 2 )(1)( 2 )(1)( 2 )( 2 )(1)( 2 )(1)( 2 )( 2 )( 2 )1,21,2( 2 )( 2 )( 2 )( 2 )( 2 )2( 2 )( 2 ),1211116,164bbRRRRbbbRRRRRbbbRRReffReffeffbbttttRtttttrrtttntnn假 设 相 邻 两 峰 的 峰 底 宽 度 相

27、等 ， 即 上式称为根本分别方程式，是色谱分析中最重要的方程式之一，可以计算给定体系所能到达的分别度和到达某一分别度所需的色谱柱长。2.6.3 影响分别度的要素1色谱柱效nnR增 大 ，增 大添加n的方法：降低H，制备性能优良的柱子，在最优化的条件下操作。添加柱长：假设系统压力不变，那么必需降低流速，假设分析时间不变，那么必需增大柱压，对设备要求提高2相对保管值a增大，柱选择性提高，增大，柱选择性提高，R增大。增大。1.01.001 1.011.11.52.000.001 0.010.091 0.330.51 从1.01 1.1，添加9。R添加9倍。从1.5 2.0，添加33。R添加1.5倍。

28、1，改动，R增大。较大时，对R的影响小，1-2已足够。假设要到达一定的分别度，在k不变的情况下，的微小添加，将使n显著 下降。 1.011.031.051.071.101.201.301.0163000189007060374019405763011.53670004250015900842043601300677Rn 改动的方法GC：固定相，柱温LC：固定相，流动相3分配比 k即分别度正比于溶质在固定相中所占的分数。总的说，k增大，R增大。k00.51.02.03.05.01050100 00.330.50.670.750.850.910.980.99当k很小时，随k增大，R增大。k5以后，k增大，R的添加缓慢