色谱法分离原理

1、色谱法分离原理教学内容1. 色 谱 分 离 的 基 本 原 理 和 基 本 概 念2. 色 谱 分 离 的 理 论 基 础3. 色 谱 定 性 和 定 量 分 析 的 方 法重点与难点1. 塔 板 理 论 ， 包 括 流 出 曲 线 方 程 、 理 论 塔 板 数 ( n) 及 有 效 理 论 塔 板 数 (n e f f ) 和 塔 板 高 度 (H ) 及 有 效 塔 板 高 度 (H e f f ) 的 计 算2. 速 率 理 论 方 程3. 分 离 度 和 基 本 分 离 方 程三教学要求1. 熟 练 掌 握 色 谱 分 离 方 法 的 原 理2. 掌 握 色 谱 流 出 曲 线( 色

2、 谱 峰 )所 代 表 的 各 种 技 术 参 数 的 准 确 含 义3. 能 够 利 用 塔 板 理 论 和 速 率 理 论 方 程 判 断 影 响 色 谱 分 离 各 种 实验因素4. 学 会 各 种 定 性 和 定 量 的 分 析 方 法四.学时安排 4学时第一节 概述色谱法早在19 03年由俄国植物学家茨维特分离植物色素时采 用。他在研究植物叶的色素成分时，将植物叶子的萃取物倒入填有碳 酸钙的直立玻璃管内，然后加入石油醚使其自由流下，结果色素中各 组分互相分离形成各种不同颜色的谱带。这种方法因此得名为色谱 法。以后此法逐渐应用于无色物质的分离，“色谱”二字虽已失去原 来的含义但仍被人们

3、沿用至今。在色谱法中，将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相（固体 或液体）称为固定相；自上而下运动的一相（一般是气体或液体） 称为流动相；装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）称为色谱 柱_。当流动相中样品混合物经过固定相时，就会与固定相发生作 用，由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相相互作用的类型、 强弱也有差异，因此在同一推动力的作用下，不同组分在固定相滞留 时间长短不同，从而按先后不同的次序从固定相中流出。从不同角度，可将色谱法分类如下：1. 按两相状态分类气体为流动相的色谱称为气相色谱（GC）根据固定相是固体吸附剂还是固定液（附着在惰性载体上的薄层有机化合物液体），又可分为气固色谱

4、（GSC）和气液色谱（GLC） 液 体 为 流 动 相 的 色 谱 称 液 相 色 谱 （ LC）同 理 液 相 色 谱 亦 可 分 为 液 固 色 谱 （ LSC） 和 液 液 色 谱 （ LLC） 。超 临 界 流 体 为 流 动相的色 谱 为 超 临界流 体 色 谱 （SFC） 。 随 着色谱工 作 的 发 展 ， 通 过化 学反 应 将固 定液键 合 到 载体表面 ， 这 种 化学键合 固 定 相 的 色 谱 又称化学 键 合 相 色谱（ CBPC） .2. 按 分 离 机 理 分类利 用 组 分 在吸 附 剂（ 固 定 相 ）上 的 吸附 能 力 强 弱 不 同 而 得 以 分 离的

5、 方 法 ， 称 为 吸 附 色 谱 法 。利 用 组 分 在固 定 液（ 固 定 相 ）中 溶 解度 不 同 而 达 到 分 离 的 方 法 称 为分配色谱法。利 用 组 分 在离 子 交 换 剂（ 固 定 相 ）上 的 亲 和 力 大 小 不 同 而 达 到 分离 的 方 法 ， 称 为 离 子交 换 色 谱 法 。利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透而达到分离的方 法 ， 称 为 凝 胶 色 谱 法 或 尺 寸排 阻 色 谱 法 。最 近 ，又 有 一种 新 分 离 技 术 ，利 用 不 同 组 分 与 固 定 相（ 固 定 化 分 子 ）的 高 专 属 性 亲 和 力 进 行 分

6、 离 的 技 术 称 为 亲 和 色 谱 法 ，常 用 于 蛋 白 质的分离。3. 按 固 定 相 的 外 型 分 类固 定 相 装 于柱 内 的 色 谱 法 ， 称为 柱 色 谱 。固 定 相 呈 平板 状 的 色 谱 ，称 为 平 板 色 谱 ，它 又 可 分 为 薄 层 色 谱 和 纸色谱4. 按 照 展 开 程 序 分 类按照展开程序的不同，可将色谱法分为洗脱法、顶替法、和 迎 头 法 。 洗 脱 法 也 称冲 洗 法 。工 作 时 ， 首 先 将样 品 加 到色 谱 柱 头上 ， 然后用吸附或溶解能力比试样组分弱得多的气体或液体作冲洗剂。 由于各组分在固定相上的吸附或溶解能力不同.被

7、冲洗剂带出的先 后次序也不同，从而使组分彼此分离。这 种 方 法 能使 样 品 的 各 组 分 获得 良 好 的 分 离 ，色 谱 峰 清 晰 。此 外 ，除 去 冲 洗 剂 后 ，可 获 得纯 度 较 高 的 物 质 。目 前 ，这 种 方 法 是 色 谱 法 中 最常用的一种方法。顶 替 法 是 将样 品 加 到 色 谱 柱 头后 ，在惰 性 流 动 相 中 加 入 对 固 定 相 的 吸 附 或 溶 解 能 力 比所 有 试 样组 分 强 的 物 质 为顶 替 剂（ 或 直 接 用 顶 替 剂 作 流 动 相 ），通 过 色 谱 柱 ，将 各 组 分 按 吸附 或 溶 解能 力 的 强

8、弱 顺 序 ， 依次顶替出固定相。很明显，吸附或溶解能力最弱的组分最先流出， 最强的最后流出。此法适于制备纯物质或浓缩分离某一组分；其缺点是经一次使用 后 ，柱 子 就 被 样 品 或 顶 替 剂 饱 和 ，必 须 更 换 柱 子 或 除 去 被 柱 子 吸 附 的 物 质 后 ， 才 能 再 使用 。迎 头 法 是 将试 样 混 合 物 连 续 通过 色 谱 柱 ，吸 附 或 溶 解 能 力 最 弱 的组 分 首 先 一 纯 物 质 的状 态 流 出，其 次则 以 第 一组 分 和 吸 附 或 溶 解 能 力较 弱 的 第 二 组 分 混 合物 ，以 此 类 推 。该 法 在分 离 多 组分

9、 混 合 物 时 ，除第 一 组 分 外 ，其 余 均 非 纯 态 ，因 此 仅 适 用 于 从含 有 微 量 杂 质 的 混 合 物中 切 割 出 一 个 高 纯 组分 （ 组 分 A） ， 而 不 适 用 于对 混 合 物进 行 分 离 。第 二 节 色 谱 流 出 曲线 及 有 关 术 语（一）色谱流出曲线和色谱峰由检测器输出的电信号强度对时间作图，所得曲线称为色谱 流出曲线。曲线上突起部分就是色谱峰。如果进样量很小，浓度很低，在吸附等温线（气固吸附色谱） 或分配等温线（气液分配色谱）的线性范围内，则色谱峰是对称的。（二）基线在实验操作条件下，色谱柱后没有样品组分流出时的流出曲 线称为基

10、线，稳定的基线应该是一条水平直线。（三）峰高色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以（h）表示。基线（a）峰高（h）（四）保留值1. 死时间t匕不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时，从进样到出现峰 极大值所需的时间称为死时间，它正比于色谱柱的空隙体积，因为这种物质不被固定相吸附或溶解，故其流动速度将与流动相流动速度相近。测定流动相平均线速口时，可用柱长L与t 0的比值 计算，即u = L /t o2. 保留时间t r试样从进样到柱后出现峰极大点时所经过的时间，称为保留时 间3. 调整保留时间t J某组分的保留时间扣除死时间后，称为该组分的调整保留时间，即t r ' = t r - t 0由

11、于组分在色谱柱中的保留时间t r包含了组分随流动相通过柱子所须的时间和组分在固定相中滞留所须的时间，所以t r实际上是 组分在固定相中保留的总时间。保留时间是色谱法定性的基本依据，但同一组分的保留时间常受 到流动相流速的影响，因此色谱工作者有时用保留体积来表示保留 值。4. 死体积Vo指色谱柱在填充后，柱管内固定相颗粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间的总和。当后两相很小可忽略不计时，死体积可由死时间与色谱柱出口的载气流速Fco (cm? min -1)计算。Vo式中Fco为扣除饱和水蒸气压并经温度校正的流速。仅适用于气相色谱，不适用于液相色谱5. 保留体积V r指从

12、进样开始到被测组分在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积。保留时间与保留体积关系：Vr = t r F co6. 调整保留体积Vr某组分的保留体积扣除死体积后，称为该组分的调整保留体积。Vr = Vr _ V。= t r Fco7. 相对保留值 r 2,1某组分2的调整保留值与组分1的调整保留值之比，称为相对 保留值。r 2, 1= t r2 / t r1 '= V2/ V1由于相对保留值只与柱温及固定相性质有关，而与柱径、柱 长、填充情况及流动相流速无关，因此，它在色谱法中，特别是在 气相色谱法中，广泛用作定性的依据。在定性分析中，通常固定一 个色谱峰作为标准(s)，然后再求其它

13、峰(i )对这个峰的相对保留 值，此时可用符号表示，即:-=t r (i ) /t r(S )式中tr ( i)为后出峰的调整保留时间，所以总是大于1的 相对保留值往往可作为衡量固定相选择性的指标，又称选择因子(五) 区域宽度色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参数之一，用于衡 量柱效率及反映色谱操作条件的动力学因素。表示色谱峰区域宽度 通常有三种方法。1. 标准偏差匚即0. 607倍峰高处色谱峰宽的一半。2. 半峰宽W1/ 2即峰高一半处对应的峰宽。它与标准偏差的关系为Wh/ 2=2.3 54 二3. 峰底宽度W即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上截距间的距离。它与标准偏差匚的关系是 W= 4匚

14、从色谱流出曲线中，可得许多重要信息：(i) 根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组分的最少个数；(ii )根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析；(ii i) 根据色谱峰的面积或峰高，可以进行定量分析；(iv )色谱峰的保留值及其区域宽度，是评价色谱柱分离效能的依 据；（ v） 色 谱 峰 两 峰 间 的 距 离 ， 是 评 价 固 定 相 （ 或 流 动 相 ） 选 择 是 否 合 适的依据。色 谱 分 析 的目 的 是 将 样 品 中 各组 分 彼 此 分 离 ，组 分 要 达 到 完 全 分 离 ，两 峰 间 的 距 离 必 须 足 够 远 ，两 峰 间 的 距 离 是 由 组 分 在 两

15、 相 间 的 分 配系数决定的，即与色谱过程的热力学性质有关。第 三 节 色 谱 法 基 本 原 理（ 一 ） 分 配 系 数 K 和分 配 比 k1. 分 配 系 数 K分配色谱的分离是基于样品组分在固定相和流动相之间反复 多次的分配过程，而吸附色谱的分离是基于反复多次的吸附-脱附过 程 。这 种 分 离 过 程 经 常 用 样 品 分 子 在 两 相 间 的 分 配 来 描 述 ，而 描 述 这 种 分 配 的 参 数 称 为 分配 系 数 K。它 是 指 在 一 定 温 度和 压 力 下 ，组 分 在 固定 相 和 流 动 相 之 间 分 配 达平衡时的浓度之比值，即K= 溶 质 在 固

16、 定 相 中 的 浓 度/ 溶 质 在 流 动 相 中 的 浓 度 =Cs / Cm分 配 系 数 是 由 组 分和 固 定 相的 热 力 学 性 质 决定 的 ，它 是 每 一 个 溶质的特征值，它仅与两个变量有关：固定相和温度。与两相体积、 柱管的特性以及所使用的仪器无关。2. 分 配 比 k分 配 比 又 称 容 量 因子 ，它 是 指 在 一 定 温 度和 压 力 下，组 分 在 两相间分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比。即k =组分在固定相中的质量 / 组分在流动相中的质量=ms /mmk值越大，说明组分在固定相中的量越多，相当于柱的容量大， 因此又称分配容量或容量因子。它

17、是衡量色谱柱对被分离组分保留能 力的重要参数。k值也决定于组分及固定相热力学性质。它不仅随柱 温、柱压变化而变化，而且还与流动相及固定相的体积有关。k = mt /mk =CsVs / CmVm式中Cs, Cm分别为组分在固定相和流动相的浓度；Vm为柱中流动 相的体积，近似等于死体积。Vs为柱中固定相的体积，在各种不同 的类型的色谱中有不同的含义。例如：在分配色谱中，Vs表示固定液的体积；在尺寸排阻色谱中， 则表示固定相的孔体积。分配比k值可直接从色谱图中测得(推导过程教材P.2 96 2 97)。k = (t r - t 0 )/ t 0= t r / t 0 = V r / V 04. 分

18、配系数K与分配比 k的关系K = k .-其中卩称为相比率，它是反映各种色谱柱柱型特点的又一个参 数。例如，对填充柱，其卩值一般为635 ;对毛细管柱，其卩值为 6 0 600。4. 分配系数 K及分配比k与选择因子a的关系对A、B两组分的选择因子，用下式表示：a = t r ( B) / t r (A ) = k ( A)/ k ( B) =K ( A)/ K通过选择因子a把实验测量值k与热力学性质的分配系数K直 接联系起来，a对固定相的选择具有实际意义。如果两组分的K或k 值相等，则a =1 ,两个组分的色谱峰必将重合，说明分不开。两组分 的K或k值相差越大，则分离得越好。因此两组分具有不

19、同的分配系 数是色谱分离的先决条件。图中Ka>Kb ,因此，A组分在移动过程中滞后。随着两组分在色 谱柱中移动距离的增加，两峰间的距离逐渐变大，同时，每一组分的 浓度轮廓（即区域宽度）也慢慢变宽。显然，区域扩宽对分离是不利 的，但又是不可避免的。若要使A、B组分完全分离，必须满足以下 三占：八、第一，两组分的分配系数必须有差异；第二，区域扩宽的速率应小于区域分离的速度；第三，在保证快速分离的前提下，提供足够长的色谱柱第一、二点是完全分离的必要条件。作为一个色谱理论，它不 仅应说明组分在色谱柱中移动的速率，而且应说明组分在移动过程中 引起区域扩宽的各种因素。塔板理论和速率理论均以色谱过程中

20、分配 系数恒定为前提，故称为线性色谱理论。（二）塔板理论把色谱柱比作一个精馏塔，沿用精馏塔中塔板的概念来描述组 分在两相间的分配行为，同时引入理论塔板数作为衡量柱效率的指 标 ，即 色 谱 柱 是 由 一 系 列 连 续 的 、相 等 的 水 平 塔 板 组 成 。每 一 块 塔 板 的 高 度 用 H 表 示 ， 称为 塔 板 高度 ， 简 称 板 高 。塔板理论假设：1. 在 柱 内 一 小 段 长 度 H 内 ， 组 分 可 以 在 两 相 间 迅 速 达 到 平 衡 。 这 一 小 段 柱 长 称 为 理 论 塔 板 高 度 H。2. 以 气 相 色 谱 为 例 ，载 气 进 入 色

21、谱 柱 不 是 连 续 进 行 的 ，而 是 脉 动 式 ， 每次进气为一个塔板体积（A Vm）。3. 所 有 组 分 开 始 时 存 在 于 第 0 号 塔 板 上， 而 且 试 样 沿 轴（ 纵 ） 向 扩 散可忽略。4. 分 配 系 数 在 所 有 塔 板 上 是 常 数 ， 与 组 分 在 某 一 塔 板 上 的 量 无 关 。简 单 地 认 为 ：在 每 一 块 塔 板 上 ，溶 质 在两 相 间 很 快 达 到 分 配 平 衡 ，然 后 随 着 流 动 相 按 一 个 一 个 塔 板 的 方 式 向 前 移 动 。对 于 一 根 长 为 L 的 色 谱 柱 ，溶 质 平 衡 的 次

22、 数 应为 ：n = L / Hn 称 为 理 论 塔 板 数 。 与 精 馏 塔一 样 ，色谱 柱 的 柱 效 随 理 论 塔 板 数 n 的 增 加 而 增 加 ，随 板 高 H 的 增 大 而减 小 。塔板理论指出：第 一 ， 当 溶 质 在 柱 中 的平 衡 次 数 ， 即 理论 塔 板 数 n 大 于 50 时 ，可 得 到 基 本 对 称的 峰 形 曲线 。 在 色 谱 柱 中 ，n 值一 般 很 大 ，如 气 相 色 谱 柱的 n 约 为 10 3 106 ， 因 而 这 时 的 流出 曲 线 可 趋 近 于 正 态 分 布曲线。第二，当样品进入色谱柱后，只要各组分在两相间的分配

23、 系 数 有 微 小 差 异 ，经 过反 复 多 次 的 分 配 平衡 后 ，仍 可获 得 良 好 的 分 离 。第三，n与半峰宽及峰底宽的关系式为：n = 5. 54( t r / Wi/2)2 =16( t r / W)2式中t r与W/ 2( W )应采用同一单位(时间或距离)。从公式可以看出，在t r 一定时，如果色谱峰很窄，则说明n越大，H越小， 柱效能越高。在实际工作中，由公式 n = L / H和 n = 5.54(t r / W 1/2) 2=1 6 ( t r / W) 2计算出来的的n和H值有时并不能充分地反映色谱柱的分离效能，因 为采用t r计算时，没有扣除死时间t m，

24、 所以常用有效塔板数n有效 表示柱效：n 有效=5.54 (t r / Wi/2)2 = 16( t r / W)2有效板咼 ：H有效=L / n有效因为在相同的色谱条件下，对不同的物质计算的塔板数不一样， 因此，在说明柱效时，除注明色谱条件外，还应指出用什么物质进行 测量。例 已知某组分峰的峰底宽为40 s ,保留时间为400 s ，计算此 色谱柱的理论塔板数。解： n =1 6 ( t r / W ) 2= 1 6( 40 0 /4 0) 2= 1 600 块塔板理论是一种半经验性理论。它用热力学的观点定量说明了 溶质在色谱柱中移动的速率，解释了流出曲线的形状，并提出了计算 和评价柱效高低

25、的参数。但是，色谱过程不仅受热力学因素的影响， 而且还与分子的扩散、传质等动力学因素有关，因此塔板理论只能定 性地给出板高的概念，却不能解释板高受哪些因素影响；也不能说明 为 什 么 在 不 同 的 流 速下 ，可 以测 得 不 同 的 理 论 塔 板 数 ，因 而 限 制 了 它 的应用。（三）速率理论19 56 年 荷 兰 学 者 va n D ee mte r （ 范 第 姆 特 ） 等 在 研 究 气 液 色 谱 时 ，提 出 了 色 谱 过 程 动 力 学 理 论 速 率 理 论 。他 们 吸 收 了 塔 板 理 论 中 板 高 的 概 念 ，并 充 分 考 虑 了组 分 在 两 相

26、 间 的 扩 散 和 传 质 过 程 ，从 而 在 动 力 学 基 础 上 较 好地 解 释 了影 响 板 高 的 各 种因 素 。该 理 论 模 型 对 气 相 、 液 相 色 谱 都 适 用。 van Dee mt er 方 程 的 数 学 简 化 式 为H = A + B / u + C u式 中 u 为 流 动 相 的 线 速 度 ； A、 B、 C、 为 常 数 ， 分 别 代 表 涡 流 扩 散系数、分子扩散项系数、传质阻力项系数。第 三 节色 谱 法 基 本 原 理1. 涡 流 扩 散 项 A在 填 充 色 谱 柱 中 ，当 组 分 随 流 动 相 向 柱 出口 迁 移 时，流

27、动 相 由 于 受 到 固 定 相 颗 粒 障碍 ，不 断改 变 流 动 方 向 ，使 组 分 分 子 在 前 进 中 形 成紊乱的类似涡流的流动，故称涡流扩散。由于填充物颗粒大小的不同及填充物的不均匀性，使组分在色谱柱 中 路 径 长 短 不 一 ， 因 而 同 时 进 色 谱 柱 的 相 同 组 分 到 达 柱 口 时 间并不一致，引起了色谱峰的变宽。色谱峰变宽的程度由下式决定：A =2 入 dp上 式 表 明 ，A 与 填 充 物的 平 均 直径 d p 的大 小 和 填 充 不 规 则 因 子 入有关，与 流动相的性质、线 速度和组分性质无关。为了减少涡流扩 散，提高柱效，使用细而均匀

28、的颗粒，并且填充均匀是十分必要的。 对 于 空 心 毛 细 管 ， 不存 在 涡 流扩 散 。 因 此 A = 0。2. 分 子 扩 散 项 B / u ( 纵 向 扩 散 项 )纵 向 分 子 扩 散是 由 浓 度 梯 度 造 成 的 。组 分 从 柱 入 口 加入 ，其 浓 度 分 布 的 构 型 呈“ 塞 子 ”状 。它 随 着 流动 相 向 前 推 进 ，由 于 存 在 浓 度 梯 度 ，“ 塞 子 ” 必 然 自 发 的 向 前 和 向 后 扩 散 ， 造 成 谱 带 展 宽 。 分 子 扩 散 项系数为 B = 2 yDgY是填充柱内流动相扩散路径弯曲的因素，也称弯曲因子，它 反

29、映 了 固 定 相 颗 粒 的 几 何 形 状对 自 由 分 子 扩 散 的 阻 碍 情况 。Dg为组分在流动相中扩散系数(cm3 s-1),分子扩散项与组分 在 流 动 相 中 扩 散系 数 Dg 成 正 比 .Dg 与 流 动 相 及 组 分 性 质 有 关 ：( a) 相 对 分 子 质 量 大 的 组 分 Dg 小 ， Dg 反 比 于 流 动 相 相 对 分 子 质 量 的 平 方 根，所 以采 用相 对分子质量 较大的流 动相，可使B 项降 低；( b) D g随柱 温增 高而 增加，但 反 比于柱压 。另 外 纵 向 扩 散 与 组 分 在 色 谱 柱 内 停 留 时 间 有 关

30、 ，流 动 相 流 速 小 ， 组 分 停留时 间长 ，纵 向扩散就 大 。因 此为 降低 纵向扩 散 影 响 ，要 加大流 动 相速度 。对 于液相色谱， 组 分在流动 相中纵 向扩散 可以 忽略。3. 传 质 阻 力 项 Cu由 于 气 相 色 谱 以 气 体 为 流 动 相 ， 液 相 色 谱 以 液 体 为 流 动 相 ， 它 们 的 传 质 过 程 不 完 全相 同 。1) 气 液 色 谱传质阻力系数C包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数 Ci两项，即C = C g + C i气相传质过程是指试样组分从气相移动到固定相表面的过程。这 一过程中试样组分将在两相间进行质量交换，即进

31、行浓度分配。有的 分子还来不及进入两相界面，就被气相带走；有的则进入两相界面又来不及返回气相。这样使得试 样在两相界面上不 能瞬间达到分 配平衡，引 起滞后现象，从而使色谱 峰变宽。对于填充柱，气相传质阻力系数Cg为：Cg= 0. 01 k2 / (1+ k) 2 dp /Dg式中k为容量因子。由上式看出，气相传质阻力与填充物粒度 dp的平方成正比，与组分在载气流中的扩散系数Dg成反比。因此， 采用粒度小的填充物和相对分子质量小的气体(如氢气)做载气，可 使Cg减小，提高柱效。液相传质过程是指试样组分从固定相的气/液界面移动到液相 内部，并发生质量交换，达到分配平衡，然后又返回气/液界面的传

32、质过程。这个过程也需要一定的时间，此时，气相中组分的其它分子 仍随载气不断向柱口运动，于是造成峰形扩张。液相传质阻力系数 Ci 为：Ci = 2 /3 k / (1 + k )2* d f2 / Di由上式看出，固定相的液膜厚度df薄，组分在液相的扩散系数 Di大，则液相传质阻力就小。降低固定液的含量，可以降低液膜厚度， 但k值随之变小，又会使Ci增大。当固定液含量一定时，液膜厚度 随载体的比表面积增加而降低，因此，一般采用比表面积较大的载体 来降低液膜厚度。但比表面太大，由于吸附造成拖尾峰，也不利于分离。虽然提高柱温可增大Di,但会使k值减小，为了保持适当的Ci 值，应控制适宜的柱温。（2

33、）液液分配色谱传质阻力系数（C）包含流动相传质阻力系数（Cm）和固定相传 质阻力系数（Cs），即Cm +其中Cm又包含流动的流动相中的传质阻力和滞留的流动相中的传质阻力，即：Cm =Dm +2s md p/ D式中右边第一项为流动的流动相中的传质阻力。当流动相流过色 谱柱内的填充物时，靠近填充物颗粒的流动相流速比在流路中间的稍 慢一些，故柱内流动相的流速是不均匀的。这种传质阻力对板高的影响与固定相粒度dp的平方成正比， 与试样分子在流动相中的扩散系数Dm成反比，3 m是由柱和填充的性 质决定的因子。右边第二项为滞留的流动相中的传质阻力。这是由 于固定相的多孔性，会造成某部分流动相滞留在一个局部

34、，滞留在固 定相微孔内的流动相一般是停滞不动的流动相中的试样分子要与固 定相进行质量交换，必须首先扩散到滞留区。如果固定相的微孔既小 又深，传质速率就慢，对峰的扩展影响就大（如教材P. 302图15.6 所示）。式中3 m是一常数，它与颗粒微孔中被流动相所占据部分的 分数及容量因子有关。显然，固定相的粒度愈小，微孔孔径愈大，传 质速率就愈快，柱效就高。对高效液相色谱固定相的设计就是基于这液液色谱中固定相传质阻力系数（Cs）可用下式表示：2Cs=. s df / Ds公式说明试样分子从流动相进入固定液内进行质量交换的传质过程 与液膜厚度df平方成正比，与试样分子在固定液的扩散系数Ds成反 比。式

35、中3 s是与容量因子k有关的系数。气相色谱速率方程和液相色谱速率方程的形式基本一致，主要 区别在液液色谱中纵向扩散项可忽略不计，影响柱效的主要因素是传 质阻力项。4. 流动相线速度对板高的影响(1 ) LC 和 GC 的 H-u 图根据va n Dee mt er公式作LC和 GC的 H-u图，LC和 GC的 H- u图十分相似，对应某一流速都有一个板高的极小值，这个极小值就是 柱效最高点；LC板高极小值比GC的极小值小一个数量级以上，说明 液相色谱的柱效比气相色谱高得多；LC的板高最低点相应流速比起 GC的流速亦小一个数量级，说明对于LC,为了取得良好的柱效，流 速不一定要很高。(2 )分子

36、扩散项和传质阻力项对板高的贡献较低线速时，分子扩散项起主要作用；较高线速时，传质阻 力项起主要作用；其中流动相传质阻力项对板高的贡献几乎是一个定 值。在高线速度时，固定相传质阻力项成为影响板高的主要因素，随 着速度增高，板高值越来越大，柱效急剧下降。5. 固定相粒度大小对板高的影响粒度越细，板高越小，并且受线速度影响亦小 这就是为什么在HPLC中采用细颗粒作固定相的根据。当然，固定相 颗粒愈细，柱流速愈慢。只有采取高压技术，流动相流速才能符合实 验要求。第四节分离度分离度R是一个综合性指标。分离度是既能反映柱效率又能反映选择性的指标，称总分离效 能指标。分离度又叫分辨率，它定义为相邻两组分色谱

37、峰保留值之差 与两组分色谱峰底宽总和之半的比值，即R =2 （t r 2 - t rl）/ W 1 +W2R值越大，表明相邻两组分分离越好。一般说，当R<1时，两 峰有部分重叠；当R=1时，分离程度可达98% ；当R=1.5时，分离程 度可达99.7 %0通常用R=1.5作为相邻两组分已完全分离的标志。第五节 基本色谱分离方程式分离度受柱效（n ）、选择因子（a）和容量因子(k)三个参数的控制。对于难分离物质对，由于它们的分配系数差别小，可合理地假设 k 1k2=k , WW2 =Wo由n =1 6( t r/W2得：1/ W=(n /4)(1 /t r )分离度R为：R =(n /4

38、)* (a- 1/a)(k /1+ k) - ( 1 )上式即为基本色谱分离方程式在实际应用中，往往用neff代替n 。2 n =( 1 + k/k)neff基本的色谱方程的表达式：R =(盜 n ef f /4)* ( a - 1/ a )-(2 )1. 分离度与柱效的关系由公式(2 )可以看出，具有一定相对保留值a的物质对，分离度直接和有效塔板数有关，说明有效塔板数能正确地代表柱效能。由公式(1 )说明分离度与理论塔板数的关系还受热力学性质的影响。当固定相确定，被分离物质对的a确定后，分离度将取决于n<这时，对于一定理论板高的柱子，分离度的平方与柱长成正比，即2(R1 /R2)= n

39、 / n 2 = L1 / L 2说明用柱长的色谱柱可以提高分离度，但延长了分析时间。因 此，提 高分离度的好方法是制备出一根性能优良的柱子，通过降低板 高，以提高分离度。2. 分离度与选择因子的关系由基本色谱方程式判断，当 a = 1时，R = 0。这时，无论怎样 提高柱效也无法使两组分分离。显然，a大，选择性好。研究证明a 的微小变化，就能引起分离度的显著变化。一般通过改变固定相和流 动相的性质和组成或降低柱温，可有效增大a值3. 分离度与容量因子的关系如果设 Q=( n /4)( a - 1/ a )，那么：R = Q ( k /1 + k )当k>10时，随容量因子增大，分离度的

40、增长是微乎其微的。一般取k为2 10最宜。对于GC,通过提高温度，可选择合适的k值， 以改进分离度。而对于LC,只要改变流动相的组成，就能有效地控 制k值。它对LC的分离能起到立竿见影的效果。4. 分离度与分析时间的关系当k在25时，可在较短的分析时间，取得良好的分离度。第六节 色谱定性和定量分析一、色谱的定性分析色谱定性分析就是要确定各色谱峰所代表的化合物。由于各种 物质在一定的色谱条件下均有确定的保留值，因此保留值可作为一种 定性指标。目前各种色谱定性方法都是基于保留值的。但是不同物质 在同一色谱条件下，可能具有相似或相同的保留值，即保留值并非专 属的。因此仅根据保留值对一个完全未知的样品

41、定性是困难的。如果 在了解样品的来源、性质、分析目的的基础上，对样品组成作初步的 判断，再结合下列的方法则可确定色谱峰所代表的化合物。(一) 利用纯物质对照定性在一定的色谱条件下，一个未知物只有一个确定的保留时间。 因此将已知纯物质在相同的色谱条件下的保留时间与未知物的保留 时间进行比较，就可以定性鉴定未知物。若二者相同，则未知物可能 是已知的纯物质；不 同，则未知物就不是该纯物质。纯物质对照法定 性只适用于组分性质已有所了解，组成比较简单，且有纯物质的未知 物。（二）相对保留值法相对保留值a is是指组分i与基准物质S调整保留值的比值a is = t ri / t rs '= Vr

42、i / Vr s它仅随固定液及柱温变化而变化，与其它操作条件无关。相对保留值测定方法：在某一固定相及柱温下，分别测出组分 i和基准物质s的调整保留值，再按上式计算即可。用已求出的相对保留值与文献相应值比较即可定性。通常选容易得到纯品的，而且与被分析组分相近的物质作基准 物质，如正丁烷、环己烷、正戊烷、苯、对二甲苯、环己醇、环己酮 等。（三）加入已知物增加峰高法当未知样品中组分较多，所得色谱峰过密，用上述方法不易辨 认时，或仅作未知样品指定项目分析时均可用此法。首先作出未知样 品的色谱图，然后在未知样品加入某已知物，又得到一个色谱图。峰 高增加的组分即可能为这种已知物。第六节 色谱定性和定量分析

43、（四）保留指数定性法保留指数又称为柯瓦(Kov at s )指数，它表示物质在固定液上 的保留行为，是目前使用最广泛并被国际上公认的定性指标。它具有 重现性好、标准统一及温度系数小等优点。保留指数也是一种相对保留值，它是把正构烷烃中某两个组分 的调整保留值的对数作为相对的尺度，并假定正构烷烃的保留指数为 n 10 0。被测物的保留指数值可用内插法计算。例如，若确定物质i在某固定液X上的保留指数I 1 x的数值。 先选取两个正构烷烃作为基准物质，其中一个的碳数为Z，另一个为 Z+1 ，它们的调整保留时间分别为t R(Z)和t R( Z + 1 )，使被测物质i 的调整保留时间t R( i )恰好

44、于两者之间，即t R( Z) : t R ( i ): t R( Z+ 1 )0将含物质i和所选的两个正构烷烃的混合物注入其固定液X的色谱 柱，在一定温度条件下绘制色谱图。大量实验数据表明，化合物调整 保留时间的对数值与其保留指数间的关系基本上是一条直线关系。据 此，可用内插法求算X 0I x = 100 Z + ( Igt R(i)- lg t r(z) /( lg t R(z+i)-lg t r(z)保留指数的物理意义在于：它是与被测物质具有相同调整保留 时间的假想的正构烷烃的碳数乘以100 o保留指数仅与固定相的性 质、柱温有关，与其它实验条件无关。其准确度和重现性都很好。只 要柱温与固

45、定相相同，就可应用文献值进行鉴定，而不必用纯物质相 对照。(五) 其它方法二、定量分析定量分析的任务是求出混合样品中各组分的百分含量。色谱定 量的依据是，当操作条件一致时，被测组分的质量(或浓度)与检测 器给出的响应信号成正比。即 :- i = f i Ai式中 '为被测组分i的质量；Ai为被测组分i的峰面积；f 为被测组分i的校正因子。可见，进行色谱定量分析时需要：（1）准确测量检测器的响应信号一峰面积或峰高；（2）准确求得比例常数一校正因子；（3）正确选择合适的定量计算方法，将测得的峰面积或 峰高换算 为组分的百分含量。（一）峰面积测量方法峰面积是色谱图提供的基本定量数据，峰面积测

46、量的准确与否 直接影响定量结果。对于不同峰形的色谱峰采用不同的测量方法。（1）对称形峰面积的测量一一峰高乘以半峰宽法对称峰的面积 A = 1. 06 5 h W/2（2）不对称形峰面积的测量一一峰高乘平均峰宽法对于不对称峰的测量如仍用峰高乘以半峰宽，误差就较大，因 此采用峰高乘平均峰宽法。A = 1/ 2* h（ W0. 15 + Wo.85）式中W0. 15和W0.85分别为峰高0.15 倍和0. 85倍处的峰宽。（二）定量校正因子色谱定量分析的依据是被测组分的量与其峰面积成正比。但是 峰面积的大小不仅取决于组分的质量，而且还与它的性质有关。即当 两个质量相同的不同组分在相同条件下使用同一检

47、测器进行测定时， 所得的峰面积却不相同。因此，混合物中某一组分的百分含量并不等 于该组分的峰面积在各组分峰面积总和中所占的百分率。这样，就不 能直接利用峰面积计算物质的含量。为了使峰面积能真实反映出物质 的质量，就要对峰面积进行校正，即在定量计算是引入校正因子。校正因子分为绝对校正因子和相对校正因子。f i = m / Ai式中f i值与组分i质量绝对值成正比，所以称为绝对校正因子。 在定量分析时要精确求出fi值是比较困难的。一方面由于精确测量 绝对进样量困难；另一方面峰面积与色谱条件有关，要保持测定fi 值时的色谱条件相同，既不可能又不方便。另外即便能够得到准确的 fi值，也由于没有统一的标

48、准而无法直接应用。为此提出相对校正因 子的概念来解决色谱定量分析中的计算问题。1. 相对校正因子相对校正因子定义为f i= f i / f s即某组分i的相对校正因子f为组分i与标准物质s的绝对校 正因子之比。f i =（ m/Ai）/ （ ms/As） = （ m / m s）* （ As / A、）可见，相对校正因子f i就是当组分i的质量与标准物质s相等时， 标准物质的峰面积是组分i峰面积的倍数。若某组分质量为m ,峰 面积Ai，则fJ Ai的数值与质量为m的标准物质的峰面积相等。也就是说，通过相对校正因子，可以把各个组分的峰面积分别换算成与 其质量相等的标准物质的峰面积，于是比较标准就

49、统一了。这就是归 一法求算各组分百分含量的基础。2. 相对校正因子的表示方法上面介绍的相对校正因子中组分和标准物质都是以质量表示 的，故又称为相对质量校正因子；若以摩尔为单位，相对摩尔校正因 子；另外相对校正因子的倒数还可定义为相对响应值S'(分别为相对 质量响应值Sw 相对摩尔响应值Sn )。通常所指的校正因子都是相 对校正因子。3. 相对校正因子的测定方法相对校正因子值只与被测物和标准物以及检测器的类型有关， 而与操作条件无关。因此，f值可自文献中查出引用。若文献中 查不到所需的f值，也可以自己测定。常用的标准物质，对热导检 测器(TCD)是苯，对氢焰检测器(FI D)是正庚烷。测定相对校正因子最好是用色谱纯试剂。若无纯品，也要确知 该物质的百分含量。测定时首