第九章 色谱分析法基础课件

1、化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1第八章 色谱分析基础第一节第一节 色谱法概论色谱法概论第二节第二节 色谱基本理论色谱基本理论第三节第三节 定量定性分析定量定性分析化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1第一节第一节 色谱法概色谱法概论论p 茨维特实验（动画茨维特实验（动画m4-1-1.swf） 色谱法由来色谱柱色谱柱流动相流动相固定相固定相色谱法色谱法化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1一、一、 色谱法的特点、分类和作用色谱法的特点、分类和作用 1.概述概述 混合物最有效的分离、分析方法。混合物最有效的分离、分析方法。 俄国植物学家茨维特在俄国植

2、物学家茨维特在1906年使用的装置：年使用的装置：色谱原型装置，如图。色谱原型装置，如图。 色谱法是一种分离技术色谱法是一种分离技术， 试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在称试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在称之为色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程之为色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程。 其中的一相固定不动，称为其中的一相固定不动，称为固定相固定相； 另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体（另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体（气体或液体），称为气体或液体），称为流动相流动相。化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1 当流动相中携带的混合物流经固定相时，

3、其与固定相发当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发生相互作用。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，生相互作用。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中组分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中流出。流出。 与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组分的与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。分离与

4、检测。 两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-12.色谱法分类色谱法分类 （一）按流动相与固定相状态分类（一）按流动相与固定相状态分类(1)(1)气相色谱气相色谱：流动相为气体（称为载气）。流动相为气体（称为载气）。 按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱；按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱； 按固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱按固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱(2)(2)液相色谱液相色谱：流动相为液体（也称为淋洗液）。流动相为液体（也称为淋洗液）。 按固定相的不同分为：液固色谱

5、和液液色谱。按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱。 离子色谱离子色谱：液相色谱的一种，以特制的离子交换树脂液相色谱的一种，以特制的离子交换树脂为固定相，不同为固定相，不同pHpH值的水溶液为流动相。值的水溶液为流动相。化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1(3)其他色谱方法其他色谱方法薄层色谱和纸色谱：薄层色谱和纸色谱： 比较简单的色谱方法比较简单的色谱方法凝胶色谱法凝胶色谱法：测聚合物分子量分布。超临界色谱超临界色谱: CO2流动相。流动相。高效毛细管电泳高效毛细管电泳: 九十年代快速发展、特别适合生物试样分析分离的高九十年代快速发展、特别适合生物试样分析分离的高效分析仪器。

6、效分析仪器。化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1（二）按分离机理分类（二）按分离机理分类吸附色谱法（吸附色谱法（AC）：）：利用组分在吸附剂（固定相）上的吸附能力的利用组分在吸附剂（固定相）上的吸附能力的差别而分离的方法差别而分离的方法。分配色谱法（分配色谱法（PC）：）：利用组分在液态固定相中溶解度不同而分离的利用组分在液态固定相中溶解度不同而分离的方法，方法，LLC与与 GLC都属于都属于PC法范围。法范围。凝胶渗透色谱法（凝胶渗透色谱法（GPC）：）：利用组分分子大小不同在多孔固定相（凝利用组分分子大小不同在多孔固定相（凝胶）中的选择渗透而分离的方法，或称空间排阻色谱法（

7、胶）中的选择渗透而分离的方法，或称空间排阻色谱法（SEC）。）。离子交换色谱法（离子交换色谱法（IEC）：）：利用在离子交换剂上的亲和力的差别而分利用在离子交换剂上的亲和力的差别而分离的方法离的方法，其中，用于分离分析离子的其中，用于分离分析离子的IEC称离子色谱法（称离子色谱法（IC）。）。毛细管电泳法（毛细管电泳法（CE）：）：样品在毛细管的液体介质中，在电场力作用样品在毛细管的液体介质中，在电场力作用下得到分离的方法下得到分离的方法。 化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-13.色谱法的特点色谱法的特点（1）分离效率高）分离效率高 复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。

8、复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。（2） 灵敏度高灵敏度高 可以检测出可以检测出g.g-1(10-6)级甚至级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量。级的物质量。（3） 分析速度快分析速度快 一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。（4） 应用范围广应用范围广 气相色谱：沸点低于气相色谱：沸点低于400的各种有机或无机试样的分析。的各种有机或无机试样的分析。 液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。 不足之处不足之处： 被分离组分的定性较为困难。被分离组分的定性较为困难。化

9、工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1二、色谱分离过程二、色谱分离过程 色谱分离过程是在色谱柱内完成的。色谱分离过程是在色谱柱内完成的。 填充柱色谱填充柱色谱: : 气固气固( (液固液固) )色谱和气液色谱和气液( (液液液液) )色谱，两者的色谱，两者的分离机理不同。分离机理不同。 气固气固( (液固液固) )色谱的固定相色谱的固定相: : 多孔性的固体吸附剂颗粒。多孔性的固体吸附剂颗粒。 固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的不同。固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的不同。气液气液( (液液液液) )色谱的固定相色谱的固定相: : 由由 担体和固定液所组成。担体和固定液所组成。

10、 固定液对试样中各组分的溶解能力的不同。固定液对试样中各组分的溶解能力的不同。气固色谱的分离机理气固色谱的分离机理: : 吸附与脱附的不断重复过程；吸附与脱附的不断重复过程；气液色谱的分离机理：气液色谱的分离机理：气液气液( (液液液液) )两相间的反复多次分配过程。两相间的反复多次分配过程。化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-11. 气相色谱分离过程气相色谱分离过程 当试样由载气携带进入色谱柱与固定相接触时，当试样由载气携带进入色谱柱与固定相接触时，被固定相溶解或吸附被固定相溶解或吸附; ; 随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组分又从随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组分又从固

11、定相中挥发或脱附固定相中挥发或脱附; ; 挥发或脱附下的组分随着载气向前移动时又再次挥发或脱附下的组分随着载气向前移动时又再次被固定相溶解或吸附被固定相溶解或吸附; ; 随着载气的流动，溶解、挥发，或吸附、脱附的过随着载气的流动，溶解、挥发，或吸附、脱附的过程反复地进行。程反复地进行。（动画（动画m4-2-1.swf、m4-2-2.swf）化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-12. 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吸附、脱附，或溶解、组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、挥发的过程叫做分配过程。在一定温度下，组分在两

12、相间挥发的过程叫做分配过程。在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度（单位：分配达到平衡时的浓度（单位：g / mL）比，称为分配系数，比，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。化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1分配系数分配系数 K 的讨论的讨论 一定温度下，组分的分配系数一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢；越大，出峰越慢；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；每个组份在各种固定相上

13、的分配系数每个组份在各种固定相上的分配系数K不同；不同；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；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值是分离的基础；值是分离的基础；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 K化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-13.分配比分配比 （partion radio）k 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

14、，在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的质量比：指，在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的质量比：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固定相的热力学性质有关的常数分配系数与分配比都是与组分及固定相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。，随分离柱温度、柱压的改变而变化。 2.分配系数与分配比都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值分配系数与分配比都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值越大，该组分的保留时间越长。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

15、以由实验测得。分配比也称：分配比也称： 容量因子容量因子(capacity factor)；容量比容量比(capacity factor)；化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-14. 容量因子与分配系数的关系容量因子与分配系数的关系 式中式中为相比。为相比。 填充柱相比：填充柱相比：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为流动相体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积；为流动相体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积； VS为固定相体积，对不同类型色谱柱，为固定相体积，对不同类型色谱柱， VS的含义不同；的含义

16、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； KVVccVVMVVMMMkmSmsmmSSSSmS 化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-15. 分配比与保留时间的关系分配比与保留时间的关系 滞留因子（滞留因子（retardation factor）：）：uuRSS us：组分在分离柱内的线速度；组分在分离柱内的线速度；u：流动相在分离柱内的线速度；流动相在分离柱内的线速度；滞留滞留因子因子RS也可以用质量分数也可以用质量分数表示：表示：kmmmmmRS1111MsMss 若组分和流动相通

17、过长度为若组分和流动相通过长度为L的分离柱，需要的时间分别为的分离柱，需要的时间分别为tR和和tM，则：则：uLtuLt MSR;由以上各式，可得：由以上各式，可得： tR = tM(1+k)MRMMRtttttk 化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1三、色谱流出曲线与术语三、色谱流出曲线与术语1.基线基线 无试样通过检测器时，检测到的信无试样通过检测器时，检测到的信号即为基线。号即为基线。2.保留值保留值（1）时间表示的保留值）时间表示的保留值 保留时间保留时间（tR）：）：组分从进样到柱后组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间；出现浓度极大值时所需的时间； 死时间死时间

18、（tM）：）：不与固定相作用的气不与固定相作用的气体（如空气）的保留时间；体（如空气）的保留时间； 调整保留时间调整保留时间（tR ）：）： tR= tRtM 色谱流出曲线 基线 色谱峰 化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1 （2）用体积表示的保留值）用体积表示的保留值 保留体积（保留体积（VR）：）：VR = tRF0 F0为柱出口处的载气流量为柱出口处的载气流量，单位：，单位：m L / min。 死体积（死体积（VM）：）： VM = tM F0 调整保留体积调整保留体积(VR)： V R = VR VM 3. 相对保留值相对保留值r21 组分组分2与组分与组分1调整保留

19、值之比：调整保留值之比： r21 = t R2 / t R1= V R2 / V R1 相对保留值只与柱温和固定相性质有关，与其他色谱操作条相对保留值只与柱温和固定相性质有关，与其他色谱操作条件无关，它表示了固定相对这两种组分的选择性。件无关，它表示了固定相对这两种组分的选择性。化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1 4. 区域宽度区域宽度 用来衡量色谱峰宽度的参数，有用来衡量色谱峰宽度的参数，有三种表示方法三种表示方法： （1）标准偏差标准偏差( )：即即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。倍峰高处色谱峰宽度的一半。 （2）半峰宽半峰宽(Y1/2)：色谱峰高一半处的宽度色谱峰高

20、一半处的宽度 Y1/2 =2.354 （3）峰底宽峰底宽(Y)：Y=4 5.峰高峰高h 色谱峰顶点与基线之间的垂直距离色谱峰顶点与基线之间的垂直距离 化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-16. 色谱色谱流出曲线的数学描述流出曲线的数学描述222)(02ttRecc 色谱峰为色谱峰为正态分布时，色谱流出曲线上的浓度与时间的正态分布时，色谱流出曲线上的浓度与时间的关系为：关系为： 当色谱峰为非当色谱峰为非正态分布时，可按正态分布函数加指数衰正态分布时，可按正态分布函数加指数衰减函数构建关系式。减函数构建关系式。化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1第二节第二节 色谱法基

21、本理论色谱法基本理论 色谱理论需要解决的问题：色谱分离过程的热力学和动力学问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，柱效与分离度的题。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。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：色谱过程的热力学因素控制；组分保留时间：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：色谱过程的动力学因素控制；色谱峰变宽：色谱过程的动力学因素控制； （两相中的运动阻力，扩散）（两

22、相中的运动阻力，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；化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1 在气在气- -液色谱体系中，组分在气相和液相间的分配液色谱体系中，组分在气相和液相间的分配行为可看作在精馏塔中分离过程，柱中有若干块想象的塔行为可看作在精馏塔中分离过程，柱中有若干块想象的塔板。在每一小块塔板内，一部分空间被涂在担体上的液膜板。在每一小块塔板内，一部分空间被涂在担体上的液膜占据，另一部分空间被充满的载气占据，载气占据的空间占据，另一部分空间被充满的载气占据，载气占据的空间称为称为板体积板体积V V。当欲分离的组分随载气进入色谱柱后。当欲

23、分离的组分随载气进入色谱柱后。气气- -液两相在每一块塔板内达成一次分配平衡，随着载气液两相在每一块塔板内达成一次分配平衡，随着载气的不断流动，组分经过若干个假想的塔板（即经过多次分的不断流动，组分经过若干个假想的塔板（即经过多次分配后），挥发度大的组分与挥发度小的组分彼此分开，依配后），挥发度大的组分与挥发度小的组分彼此分开，依次流出色谱柱。次流出色谱柱。 一、塔板理论一、塔板理论- -柱分离效能指标柱分离效能指标化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1 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，平衡可以迅速达到；在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达到；

24、 (2) 将载气看作成脉动（间歇）过程，每次进样量恰为将载气看作成脉动（间歇）过程，每次进样量恰为一个板体积一个板体积 ； (3)所有组分开始时都加在所有组分开始时都加在0号塔板上，试样沿色谱柱方号塔板上，试样沿色谱柱方向的扩散可忽略；向的扩散可忽略； (4) 每次分配的分配系数相同，即与组分在某一塔板上每次分配的分配系数相同，即与组分在某一塔板上的量无关的量无关 。半经验理论；半经验理论； 将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续的色谱分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（类似于蒸馏塔塔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）；板

25、上的平衡过程）；1.塔板理论（塔板理论（plate theory）化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1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之间的关系为：222/1)(16)(54. 5YtYtnRR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! !色谱峰越窄（色谱峰越窄（Y/，Y 小），小），n越大。当色谱柱越大。当色谱柱长长L一定时，一定时，H 越小，柱效能越高。越

26、小，柱效能越高。化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-12.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。需引入有效塔板数和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：有效塔板高度：222/1)(16)(54. 5YtYtnRR理有效有效有效nLHYtYtnRR222/1)(16)(54. 5化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1例 7-1 已知两组分A和B，色谱分离

27、后峰底宽为YA=40s、YB=50s,保留时间分别为tR(A)=400s，tR(B)=600s，计算理论塔板数nA和nB。解： nA=16（tR/Y）2=16（400/40）2=1600块 nB=16（600/50）2=2304块从例10-1可知，在相同色谱条件下，不同物质在一只色谱柱上色谱行为不同（tR不同），计算出的塔板数不同。在说明柱效时，应指出用什么物质来进行测量的。 化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1例例7-2 某色谱柱，固定相体积某色谱柱，固定相体积Vs为为0.5mL，流动相体积流动相体积VM为为2 mL。流动流动相的流速为相的流速为0.6 mL/min，组分组分

28、A和和B在该柱上的分配系数分别为在该柱上的分配系数分别为12和和18，求，求A和和B的保留时间和保留体积。（流动相的体积即为死体积的保留时间和保留体积。（流动相的体积即为死体积VM） 解：解：tR=tM(k+1) (1) k=KVs/VM (2) VM=tMF0, tM=VM/F0 ,tR= tM(1+k)(3) 将（将（2）和（）和（3）代入（）代入（1），得），得 tR= VM/F0（KVs/VM +1）tR(A)=2/0.6(120.5/2+1)min=13.33mintR(B)= 2/0.6(180.5/2+1)min=18.33minVR(A)= tR(A)F0= 13.330.6m

29、L=8 mLVR(B)= tR(B)F0= 18.330.6mL=8 ml化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1 例例7-3 在在2m长的色谱柱上，测得某组分保留时间（长的色谱柱上，测得某组分保留时间（tR）6.6min，峰峰底宽（底宽（Y）0.5min，死时间（死时间（tM）1.2min，载气流速（载气流速（F0）40mL/min，固定相体积（固定相体积（Vs）2.1mL，求：求：（1） 容量因子容量因子k；（；（2） 死体积死体积VM;（3） 调整保留体积；调整保留体积；（4）分配系数）分配系数K；（；（5）有效塔板数有效塔板数n有效有效；（；（6） 有效塔板高度有效塔板高度

30、H有效有效解：（解：（1）k= tR/ tM =（6.6-1.2）/1.2=4.5 (2) VM=tMF0=1.240mL=48 mL (3) VR =(tR-tM)F0=(6.6-1.2)40 mL=216 mL (4) K= k(Vs/VM )=4.5(48/2.1)=103 (5) n有效有效=16(tR/Y)2=16 (6.6-1.2)/0.52=1866 (6)H有效有效=L/n有效有效=(2000/1866)mm=1.07mm化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-13.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

31、n 越大越大(塔板高度塔板高度 H 越小越小)，被测组分在，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。 (2)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，应指明测定物质。高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。 (3)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K相相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分

32、离。(5)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的实验结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。果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。（4）塔板理论用热力学观点形象地描述了色谱分离的原理，成功地解释）塔板理论用热力学观点形象地描述了色谱分离的原理，成功地解释了流出曲线的形状，还提出了计算和评价柱效的参数。但是，色谱过程了流出曲线的形状，还提出了计算和评价柱效的参数。但是，色谱过程不仅受热力学因素的影响，还与分子扩散、传质阻力等动力学因素有关不仅受热力学因素的影响，还与分子扩散、传质阻力等动力学因素有关化工与

33、环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1二、二、 速率理论速率理论-影响柱效的因素影响柱效的因素速率方程（也称范速率方程（也称范.弟姆特方程式）弟姆特方程式） 速率理论吸收了塔板理论中塔板高度的概念，并充分考虑影响塔板高速率理论吸收了塔板理论中塔板高度的概念，并充分考虑影响塔板高度的动力学因素，指出理论塔板高度度的动力学因素，指出理论塔板高度H是峰展宽的量度，导出了塔板高是峰展宽的量度，导出了塔板高度度H与流动相线速度与流动相线速度u的关系的关系 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)即一定时间里载气在柱中流动的距

34、离即一定时间里载气在柱中流动的距离 A、B、C 分别代表涡流扩散系数、分子扩散系数和传质阻力系数分别代表涡流扩散系数、分子扩散系数和传质阻力系数 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三项各与哪些因素有关？三项各与哪些因素有关？化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1A涡流扩散项涡流扩散项 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，色谱峰较窄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。 变宽程度由下式决定变宽程度由下式决定 A =

35、2dp dp：固定相的平均颗粒直径固定相的平均颗粒直径 ：固定相的填充不固定相的填充不均匀因子均匀因子化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1B/u 分子扩散项分子扩散项B = 2 Dg ：弯曲因子，填充柱色谱，：弯曲因子，填充柱色谱，1。 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

36、散系数：Dg (M载气载气)-1/2 ； M载气载气，B值值。化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1 k为容量因子；为容量因子； Dg 、DL为扩散系数。为扩散系数。C u 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和液和液相传质阻力相传质阻力CL即：即： C =（Cg + CL）gfgDdkkC22)1 (01. 0LfLDdkkC22)1 (32化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1采用粒度小的固定相，可降低气相传质阻力。另外，可采用分采用粒度小的固定相，可降低气相传质阻力。另外，可采用分子量小的气体（如子量小的气体（如H2、He）

37、作载气，有利于使气相传质阻力作载气，有利于使气相传质阻力减小，提高柱效。减小，提高柱效。降低固定液的液膜厚度，可减小液相传质阻力。另外，为保降低固定液的液膜厚度，可减小液相传质阻力。另外，为保持适当的持适当的C，应控制适当的柱温。应控制适当的柱温。 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。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。化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-12.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： 传质阻力项是影响柱效的主要因素传质阻力项是影响柱效的主要因素，流速，流速 ，柱效，柱效 。载气流速低时：载气

38、流速低时： 分子扩散项成为影响柱效的主要因分子扩散项成为影响柱效的主要因素，流速素，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，流速对柱效的总影响使得存在着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流速的一阶导数有一极小一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对流速的一阶导数有一极小值。值。 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为最佳流速。作图，曲线最低点的流速即为最佳流速。H = A + B/u + Cu化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-

39、5-13. 速率理论的要点速率理论的要点(1)组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散、浓度梯度所造成的分子扩浓度梯度所造成的分子扩散及传质阻力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散及传质阻力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。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、液膜厚度及载气流速可提高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。柱效。(3)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

40、流速和柱温对柱效及分离的影响。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，分子扩散项的影响减小，使柱各种因素相互制约，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，又使柱效下降；柱温升高，有利效提高，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，但加剧了分子扩散的影响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高于传质，但加剧了分子扩散的影响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1区域宽度区域宽度t tR R塔板理论塔板理论速率理论速率理论Y Y色谱过程的热力学因素；色谱过程的热力学因素；

41、色谱过程的动力学因素色谱过程的动力学因素保留值之差保留值之差)1 ()2()1 ()2()(2YYttRRR分离度分离度R R化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1三、三、 操作条件的选择操作条件的选择 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。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合影响：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： 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

42、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： 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，不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；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。化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1分离度分离度:相邻两组分色谱峰保留值之差与两个组分色谱峰峰底宽度总和之半相邻两组分色谱峰保留

43、值之差与两个组分色谱峰峰底宽度总和之半的比值。的比值。 R=0.8：两峰的分离程度可达：两峰的分离程度可达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）。)(699. 1)(2)(2)1(2/1)2(2/1)1()2()1()2()1()2(YYttYYttRRRRR 塔板理论可知，有效塔板数塔板理论可知，有效塔板数n有效有效是评价柱效能的一项指标。是评价柱效能的一项指标。n有效有效值越大，值越大，说明该物质在柱中进行分配平衡的次数越多，但它不能判断相邻两组分在色说明该物质在柱中进行分配平衡的次数越多，但它不能判断相

44、邻两组分在色谱柱中的分离情况，而分离度谱柱中的分离情况，而分离度R则是综合衡量色谱柱的总分离效能指标。则是综合衡量色谱柱的总分离效能指标。1、分离度、分离度化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1令令Y(2)=Y(1)=Y（相邻两峰的峰底宽近似相等相邻两峰的峰底宽近似相等），），引入相对保留值引入相对保留值r21和塔板数和塔板数n有效有效 16)1()1()1()(2212121)1()2()1()2()2()1()2()1()1()2()1()2(有效nrrYtttrYtttYttYYttRRRRRRRRRRR有效有效柱长HrrRLrrRn221212221212)1(16)1(

45、16化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1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，可提高分离度，但组分保留时间增加且峰扩展，分析时间长。间长。（2）分离度与分离度与r21 增大增大r21是提高分离度的最有效方法，计算可知，在相是提高分离度的最有效方法，计算可知，在相同分离度下，当同分离度下，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

46、适的固定液(相相)。16) 1(2121有效nrrR化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1例题例题1：在一定条件下，两个组分的保留时间分别为：在一定条件下，两个组分的保留时间分别为12.2s和和12.8s，计算分离度。要达到完全分离，即计算分离度。要达到完全分离，即R=1.5，所需要的所需要的柱长。柱长。(柱效柱效=3600)解：解：8533. 036008 .12448133. 036002 .12442211ntYntYRR72. 08133. 08533. 0)2 .128 .12(2RmLRRL34. 4172. 05 . 1212122 化工与环境工程学院化工与环境工程

47、学院2022-5-1例题例题2：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 r21 =2.36 n有效有效 = 108n有效有效 = 16R2 r21 / (r21 1) 2 = 1547（块）块） L有效有效 = n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，

48、两组分可以得到完全分离。米时，两组分可以得到完全分离。r21 =1.05 n有效有效 = 15876 r21 =2.10 n有效有效 = 131化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-12、分离操作条件的选择、分离操作条件的选择（1）柱长和内径的选择）柱长和内径的选择分离度分离度R与柱长的平方根成正此。因此增加柱长对分离有与柱长的平方根成正此。因此增加柱长对分离有利，但增加柱长使各组分的保留时间增加，延长了分析时间利，但增加柱长使各组分的保留时间增加，延长了分析时间L增大增大 n增大增大 R增大增大u不变不变 L增大增大 t增大增大满足满足R之后，尽可能之后，尽可能L较小，一般填充柱

49、的柱长为较小，一般填充柱的柱长为16m。色谱柱内径的增加，会使柱效能下降，常用填充拄的内径为色谱柱内径的增加，会使柱效能下降，常用填充拄的内径为34mm。化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1（2）柱温的选择柱温的选择柱温直接影响分析速度和分离效能柱温直接影响分析速度和分离效能温度增加温度增加30，将使，将使K减少一半，从而使组分移动的速度增减少一半，从而使组分移动的速度增加一倍，缩短了分析时间。加一倍，缩短了分析时间。 T升高升高 K减小减小 u增大增大 t减减小小 T升高升高 t减小减小化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1 因此从分离的角度看，因此从分离的角度

50、看， T减小减小 K增大增大 u减小减小 固定液流失固定液流失减小减小 柱寿命柱寿命增大增大T减小减小 K增大增大 u减小减小 t增大增大 峰峰变宽变宽 因而在选择柱温时，既不能太高，有损于分离，也不能太因而在选择柱温时，既不能太高，有损于分离，也不能太低拖长保留时间。低拖长保留时间。选择的原则是在使最难分离的组分有尽可能好的分离的前选择的原则是在使最难分离的组分有尽可能好的分离的前提下，尽可能采取较低柱温，并考虑试样的沸点。提下，尽可能采取较低柱温，并考虑试样的沸点。 化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1选择原则：最难分离的组份选择原则：最难分离的组份R保证保证，选，选 Tm

51、in ，同时要考虑同时要考虑 T沸点沸点对于高沸点混合物（温度在对于高沸点混合物（温度在300400），为了能在较低柱温），为了能在较低柱温下分析，可用低固定液含量为下分析，可用低固定液含量为13%的色谱柱。使液膜薄一些，的色谱柱。使液膜薄一些，使用高灵敏度的检测器，在使用高灵敏度的检测器，在200250柱温下分析。柱温下分析。对于沸点在对于沸点在200300的混合物，柱温可比试样平均沸点低的混合物，柱温可比试样平均沸点低100左右，固定液含量为左右，固定液含量为510%，在，在150200柱温下分析。柱温下分析。对于沸点在对于沸点在100200的混合物，柱温可选在其平均沸点的的混合物，柱温可

52、选在其平均沸点的2/3左右，固定液含量为左右，固定液含量为1015%。对于气体、气态烃等低沸点混合物，柱温一般选在其沸点或沸对于气体、气态烃等低沸点混合物，柱温一般选在其沸点或沸点以上，固定液含量为点以上，固定液含量为1525%。化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1对于沸点范围较宽的试样，则需采用程序升温法分析，即对于沸点范围较宽的试样，则需采用程序升温法分析，即柱温按预定的加热速度，随时间作线性和非线性的增加。柱温按预定的加热速度，随时间作线性和非线性的增加。 程序升温时，速度变化一般是呈线性的（即单位时间内温程序升温时，速度变化一般是呈线性的（即单位时间内温度上升的速度是恒

53、定的）。度上升的速度是恒定的）。开始时柱温较低，使最早流出的低沸点组分分离得很好，开始时柱温较低，使最早流出的低沸点组分分离得很好，随着柱温的升高，沸点较高的组分先后被上升的温度随着柱温的升高，沸点较高的组分先后被上升的温度“推出推出”，得到形状很好的峰，使高沸点组分获得良好的分离。，得到形状很好的峰，使高沸点组分获得良好的分离。化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1如图如图10-9所示为宽沸程试样在等温和程序升温时分离效果的比较。所示为宽沸程试样在等温和程序升温时分离效果的比较。图图(a)为柱温恒定时的分离情况。可见，低沸点组分的峰形密集为柱温恒定时的分离情况。可见，低沸点组分

54、的峰形密集, 形成了尖形成了尖锐的重叠峰，而高沸点物质则形成平顶峰，无法测量。而且有些高沸点组锐的重叠峰，而高沸点物质则形成平顶峰，无法测量。而且有些高沸点组分不能流出。分不能流出。图图(b)为程序升温的情况，从为程序升温的情况，从50升温至升温至250，低沸点和高沸点的组分都，低沸点和高沸点的组分都获得了良好的分离。获得了良好的分离。化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1(3)载气和流速的选择载气和流速的选择载气的物理性质会直接影响柱效，它对载气的物理性质会直接影响柱效，它对H的影响主要表现在组分在载的影响主要表现在组分在载气流中的扩散系数，气流中的扩散系数，扩散系数与载气分子

55、量的平方根成反比扩散系数与载气分子量的平方根成反比。在流速较低时，可采用分子量大的在流速较低时，可采用分子量大的N2或或Ar作载气，这样有利于减少作载气，这样有利于减少分子扩散。分子扩散。在高流速时，采用分子量小的在高流速时，采用分子量小的H2或或He,有利于降低气相传质阻力。有利于降低气相传质阻力。当固定液含量较低或柱压较高时，选择分子量较小的气体作载气，当固定液含量较低或柱压较高时，选择分子量较小的气体作载气，有利于提高柱效。有利于提高柱效。 另外选择载气时，还应考虑检测器对载气的要求。另外选择载气时，还应考虑检测器对载气的要求。H2和和He的热导系数大于其它一切气体，故热导池检测器用的热

56、导系数大于其它一切气体，故热导池检测器用H2和和He作作载气较好；氩离子化检测器用载气较好；氩离子化检测器用Ar作载气；氢焰离子化检测器作载气；氢焰离子化检测器H2、N2作作载气。载气。化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1载气的流速对色谱柱的分离效率有很大影载气的流速对色谱柱的分离效率有很大影响，并且决定了分析所需的时间。响，并且决定了分析所需的时间。对于一定的色谱柱和试样，流速对于一定的色谱柱和试样，流速u对柱效对柱效能能H的影响如图所示。该曲线上的最低点的影响如图所示。该曲线上的最低点所对应的流速为最佳流速所对应的流速为最佳流速 ，即此为最佳流，即此为最佳流速对应的塔板高度

57、最小。速对应的塔板高度最小。U最佳及最佳及H最佳最佳可由范弟姆特方程微分得到：可由范弟姆特方程微分得到：20dHBCduu 最佳BuC最小2HABC在实际分析工作中，为了缩短分析时间，常使流速稍高于最佳流速。在实际分析工作中，为了缩短分析时间，常使流速稍高于最佳流速。对于填充柱以对于填充柱以N2作载气的最佳实用线速为作载气的最佳实用线速为1012cm/s。若色谱柱内径为若色谱柱内径为3mm，N2的流速一般为的流速一般为4060mL/min，H2的流速一般为的流速一般为6090mL/min。化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1（4）进样量和进样时间的选择）进样量和进样时间的选择色

58、谱分析的进样量一般是比较少的，气体试样进样约色谱分析的进样量一般是比较少的，气体试样进样约0.110mL，液液体试样进样约为体试样进样约为0.15L。进样量太少，会因检测器的灵敏度不够而使微量组分无法检出（不出进样量太少，会因检测器的灵敏度不够而使微量组分无法检出（不出峰）。进样量太多，会使几个组分的色谱峰相互重叠，而影响分离。峰）。进样量太多，会使几个组分的色谱峰相互重叠，而影响分离。因此，应根据试样的种类，检测器的灵敏度等，通过实验确定进样量因此，应根据试样的种类，检测器的灵敏度等，通过实验确定进样量的多少，一般进样量应控制在与峰面积或峰高与进样量呈线性关系范围的多少，一般进样量应控制在与

59、峰面积或峰高与进样量呈线性关系范围内。内。进样速度必需很快进样速度必需很快，即以，即以“塞子塞子”的形式进入，这样有利于分离。的形式进入，这样有利于分离。如果进样速度慢，则试样起始宽度增大，会使色谱峰变宽，甚至改变如果进样速度慢，则试样起始宽度增大，会使色谱峰变宽，甚至改变峰形。一般用注射器或气体进样阀进样，可在一秒钟内完成。峰形。一般用注射器或气体进样阀进样，可在一秒钟内完成。化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1（5）气化温度的选择）气化温度的选择液体试样进样后，要求能迅速气化，并被载气带入色谱液体试样进样后，要求能迅速气化，并被载气带入色谱柱中。因此要求气化室具有足够的气化

60、温度。在保证试柱中。因此要求气化室具有足够的气化温度。在保证试样不分解的前提下，适当提高气化温度，有利于分离和样不分解的前提下，适当提高气化温度，有利于分离和定量测定。定量测定。 一般选择气化温度比柱温高一般选择气化温度比柱温高3070，而与试样的平，而与试样的平均沸点相近，但热稳定性较差的试样，气化温度不宜过均沸点相近，但热稳定性较差的试样，气化温度不宜过高，以防试样分解。高，以防试样分解。如果固定相是固定液的话，如何要求？如果固定相是固定液的话，如何要求？化工与环境工程学院化工与环境工程学院2022-5-1第三节第三节 定性定量分析定性定量分析一、色谱定性鉴定方法一、色谱定性鉴定方法1.利