材料测试第四章色谱导论(节选)

1、第四章第四章: 色谱分析方法导论色谱分析方法导论主要内容主要内容1 1 概述概述历史、色谱分离过程、分类历史、色谱分离过程、分类2 2 色谱学基本概念色谱学基本概念色谱图及相关术语色谱图及相关术语3 3 色谱法基本原理色谱法基本原理描述分配过程参数、峰间距、峰形状和峰宽的理论描述分配过程参数、峰间距、峰形状和峰宽的理论描述描述( (塔板理论及速率理论塔板理论及速率理论) )4 4 分离度及色谱分离方程分离度及色谱分离方程分离度及色谱分离方程、影响分离的因素分离度及色谱分离方程、影响分离的因素5 5 凝胶渗透色谱法测定聚合物相对分子质量凝胶渗透色谱法测定聚合物相对分子质量第四章第四章: : 色谱

2、分析方法导论色谱分析方法导论 色谱技术的发展历史：色谱技术的发展历史：19031903年年，俄国植物学家最先发明。他采用填充有，俄国植物学家最先发明。他采用填充有固体固体CaCOCaCO3 3细粒子吸附剂的玻璃柱，将植物色细粒子吸附剂的玻璃柱，将植物色素的混合物加于柱顶端，然后以溶剂淋洗，原素的混合物加于柱顶端，然后以溶剂淋洗，原本混合在一起的各种色素得到分离，被分离的本混合在一起的各种色素得到分离，被分离的组份在柱中显示了不同的组份在柱中显示了不同的色带色带，他称之为，他称之为色谱色谱。分离时所用的分离时所用的玻璃管玻璃管称为称为色谱柱色谱柱，管内装，管内装填充物填充物称为称为固定相固定相，

3、淋洗剂淋洗剂称为称为流动相流动相。后来这种分离色素的方法广泛用来分离后来这种分离色素的方法广泛用来分离无色无色物质，物质，色谱色谱这一名称沿用至今。这一名称沿用至今。第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.1 4.1 概述概述chromatograph krumtr:f 色谱4.1 4.1 概述概述分析过程中，待测物与潜在干扰物的分析过程中，待测物与潜在干扰物的分离分离是最为重要的步骤！是最为重要的步骤！20 20 世纪中期以前，主要采用经典的分离方世纪中期以前，主要采用经典的分离方法：沉淀、蒸馏和萃取等。法：沉淀、蒸馏和萃取等。现代分析中，大量采用现代分析中，大量采用色谱色谱

4、和电泳分离方和电泳分离方法。法。迄今为止，迄今为止，色谱方法色谱方法是最为有效的分离手是最为有效的分离手段！其应用涉及每个科学领域。段！其应用涉及每个科学领域。第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论u使用外力使含有样品的流动相（气体、液体或超临界流体）通过一固定于柱或平板上、与流动相互不相溶的固定相表面。u样品中各组份在两相中进行不同程度的作用。与固定相作用强的组份随流动相流出的速度慢，反之，与固定相作用弱的组份随流动相流出的速度快。u由于流出速度的差异，使得混合组份最终形成各个单组份的“带(band)”或“区(zone)”，对依次流出的各个单组份物质可分别进行定性、定量分析。第

5、四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.1 4.1 概述概述 色谱分离基本原理色谱分离基本原理 色谱法色谱法实质上是这样一种实质上是这样一种物理化学分离方法物理化学分离方法，即利用不同物质在两相（固定相和流动相）中具即利用不同物质在两相（固定相和流动相）中具有不同的分配系数（或吸附系数、渗透性等），有不同的分配系数（或吸附系数、渗透性等），当两相作相对运动时，这些物质在两相中反复多当两相作相对运动时，这些物质在两相中反复多次分配，从而使各物质得到完全的分离。次分配，从而使各物质得到完全的分离。 色谱分类方法：色谱分类方法：1) 按按固定相外形固定相外形分：分： 柱色谱（填充柱、空

6、心柱）柱色谱（填充柱、空心柱） 平板色谱（薄层色谱和纸色谱）平板色谱（薄层色谱和纸色谱）2) 按组份在固定相上的按组份在固定相上的分离机理分离机理分：分： 吸附色谱：不同组份在固定相的吸附色谱：不同组份在固定相的吸附吸附作用不同；作用不同； 分配色谱：不同组份在固定相上的分配色谱：不同组份在固定相上的溶解溶解能力（能力（分配系数分配系数）不同；）不同； 离子交换色谱：不同组份在固定相（离子交换剂）上的离子交换色谱：不同组份在固定相（离子交换剂）上的亲和力亲和力（交换能力）（交换能力）不同；不同； 凝胶色谱（尺寸排阻色谱）：不同尺寸分子在凝胶色谱（尺寸排阻色谱）：不同尺寸分子在多孔多孔固定相上的

7、固定相上的渗透渗透作用的区别。作用的区别。第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.1 4.1 概述概述纸色谱：利用滤纸作载体，吸附在纸上的水作固定相；纸色谱：利用滤纸作载体，吸附在纸上的水作固定相；薄层色谱：将固体吸附剂在玻璃板或塑料板上制成薄层作固定相。薄层色谱：将固体吸附剂在玻璃板或塑料板上制成薄层作固定相。 第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论3) 按按两相状态两相状态分分第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.1 4.1 概述概述 色谱法中，流动相可以是气体，也可以是液体，由此可分为气相色谱法（GC）和液相色谱法（LC）。 固定相既可以是

8、固体，也可以是涂在固体上的液体，由此又可将气相色谱法和液相色谱法分为气-液色谱、气-固色谱、液-固色谱、液-液色谱。分类情况如下：色谱法色谱法液相色谱法液相色谱法气相色谱法气相色谱法气气- -液色谱法液色谱法气气- -固色谱法固色谱法液液- -固色谱法固色谱法液液- -液色谱法液色谱法第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念（1）色谱分离过程：）色谱分离过程：多组分混合物在流动相带动下通多组分混合物在流动相带动下通过色谱固定相，实现各组分分离。过色谱固定相，实现各组分分离。 样品在色谱体系或柱内运行的样品在色谱体系或柱内运行的两个基本特点

9、两个基本特点：A. 混合物中混合物中不同组分不同组分在柱内的在柱内的差速迁移差速迁移(differential migration)；B. 同种组分同种组分分子在色谱体系迁移过程中分子在色谱体系迁移过程中分子分布离散分子分布离散(spreading)。差速迁移：不同组分通过色谱系统时移动速度差速迁移：不同组分通过色谱系统时移动速度不同，组分通过色谱柱的速度，取决于各组分不同，组分通过色谱柱的速度，取决于各组分在色谱体系中的平衡分布。影响平衡分布的因在色谱体系中的平衡分布。影响平衡分布的因素，即流动相和固定相的素，即流动相和固定相的性质性质、色谱、色谱柱温柱温等影等影响组分的迁移速度。响组分的迁

10、移速度。分子离散：指同一化合物分子沿色谱柱迁移过分子离散：指同一化合物分子沿色谱柱迁移过程中发生程中发生分子分布扩展分子分布扩展或或分子离散分子离散。这种差别。这种差别不是由于平衡分布不同，而是来源于流体分子不是由于平衡分布不同，而是来源于流体分子运动的运动的速率速率差异。差异。第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念（2） 色谱流出曲线（色谱图色谱流出曲线（色谱图chromatogram） A、B两组份混合物合组分的两组份混合物合组分的分离过

11、程及检测器对各组份分离过程及检测器对各组份在不同阶段的响应在不同阶段的响应第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念 色谱谱带或色谱区带描述试样各组分在色谱柱内差速迁色谱谱带或色谱区带描述试样各组分在色谱柱内差速迁移和分子离散形成的浓度分布。移和分子离散形成的浓度分布。 色谱图是柱流出物通过检测器产生的响应信号对时间或色谱图是柱流出物通过检测器产生的响应信号对时间或流动相流出体积的关系曲线图。它反映分离的各组分从流动相流出体积的关系曲线图。它反映分离的各组分从色谱柱洗出浓度随时间的变化，从一个侧面记录下组分色谱柱洗出浓度随时间的变化，从一个

12、侧面记录下组分在住内运行的情况在住内运行的情况。（2 2） 色谱流出曲线（色谱图色谱流出曲线（色谱图chromatogramchromatogram）第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论（2 2） 色谱流出曲线（色谱图色谱流出曲线（色谱图chromatogramchromatogram）4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念色谱图：色谱图：以组分浓度为纵坐标，以组分浓度为纵坐标， 流出时间为横坐标，绘得的组流出时间为横坐标，绘得的组分及其浓度随时间变化的曲线，也称色谱流出曲线。分及其浓度随时间变化的曲线，也称色谱流出曲线。 经色谱柱分离经色谱柱分离后的各组分随载气后的各组

13、分随载气进至检测器，产生进至检测器，产生检测信号并由记录检测信号并由记录仪依次给出各个组仪依次给出各个组分的色谱峰形图，分的色谱峰形图，即即色谱图色谱图。色谱图的基本特征：色谱图的基本特征： 在适当的色谱条件下，样品中每个组分在适当的色谱条件下，样品中每个组分均有相应的色谱峰，色谱峰一般呈对称的高均有相应的色谱峰，色谱峰一般呈对称的高斯曲线。斯曲线。 u 色谱图是色谱分析的主要技术资料。色谱图应标明色谱流动相、固定色谱图是色谱分析的主要技术资料。色谱图应标明色谱流动相、固定相、操作条件、检测器的类型和操作参数，样品类型及有关说明等。相、操作条件、检测器的类型和操作参数，样品类型及有关说明等。第

14、四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念（2 2） 色谱流出曲线（色谱图色谱流出曲线（色谱图chromatogramchromatogram）色谱峰的色谱峰的区域宽度区域宽度与组分的洗出时间与组分的洗出时间( (即即保留时间保留时间) )一般呈线性一般呈线性关系峰半高宽度或峰底宽度随组分保留时间呈线性增加。如果关系峰半高宽度或峰底宽度随组分保留时间呈线性增加。如果连续的色谱峰其中一个峰的半高宽度不规则增大，则可能该色谱连续的色谱峰其中一个峰的半高宽度不规则增大，则可能该色谱峰中有一个以上组分。峰中有一个以上组分。第四章第四章: : 色谱分析

15、方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念（3 3） 色谱基本术语色谱基本术语 是是时间保留值、体积保留值时间保留值、体积保留值的总称，说明组分在色谱柱内的总称，说明组分在色谱柱内停留的时间，描述组分从柱内流出的顺序。停留的时间，描述组分从柱内流出的顺序。 反映了组分与固定相反映了组分与固定相相互作用力相互作用力的大小，故与两者的物理的大小，故与两者的物理化学性质有关。保留值取决于组分和固定相的分子结构，是色化学性质有关。保留值取决于组分和固定相的分子结构，是色谱谱定性的依据定性的依据。（a a）保留值）保留值 第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.

16、2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念（3 3） 色谱基本术语色谱基本术语 保留时间保留时间t tR R：指待测指待测组分从进样到柱后出现组分从进样到柱后出现浓度最大值时所需的时浓度最大值时所需的时间间, , 如图中的如图中的O BO B。死时间死时间t tMM：指不与固指不与固定相作用的气体（如空定相作用的气体（如空气、甲烷等）的保留时气、甲烷等）的保留时间，如图中间，如图中OAOA所示。（a a）保留值）保留值 第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念（3 3） 色谱基本术语色谱基本术语 调整保留时间调整保留时间 t tR R：指扣

17、指扣除了死时间的保留时间，除了死时间的保留时间，如图中的如图中的ABAB。 即即：ttR R = t = tR R t tM M注意：注意：当固定相一定，在确定的实验条件下，任何物质都有一定当固定相一定，在确定的实验条件下，任何物质都有一定的保留时间，它是色谱分析法的基本参数。的保留时间，它是色谱分析法的基本参数。（a a）保留值）保留值 ,保留体积保留体积V VR R：指从进样到柱后：指从进样到柱后出现待测组分浓度极大值时所出现待测组分浓度极大值时所通过的载气体积。通过的载气体积。 V VR Rt tR R F F0 0F F0 0: :色谱柱出口处载气流速色谱柱出口处载气流速 （mLmL/

18、min/min）死体积死体积V VM M：指色谱柱内除了填：指色谱柱内除了填充物固定相以外的空隙体积、充物固定相以外的空隙体积、色谱仪中管路和连接头间的空色谱仪中管路和连接头间的空间及检测器的空间的总和。间及检测器的空间的总和。 V VM Mt tM MF F0 0调整保留体积调整保留体积VVR R：指扣除了死：指扣除了死体积后的保留体积。体积后的保留体积。第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念（3 3） 色谱基本术语色谱基本术语 用体积表示的保留值用体积表示的保留值（a a）保留值）保留值 第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析

19、方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念（3 3） 色谱基本术语色谱基本术语 （b b）相对保留值相对保留值相对保留值相对保留值 r r2121： 指组分指组分2 2和组分和组分1 1调整保留值调整保留值之比，是一个无因次量。之比，是一个无因次量。 r r2121 = t = tR2 R2 /t/tR1R1 = V = VR2R2 /V /VR1R1注意：注意：相对保留值只与相对保留值只与柱温柱温及及固定相性质有关固定相性质有关，与其他色谱操作，与其他色谱操作条件条件( (柱内径、柱长柱内径、柱长L、填充情况及流动相流速等、填充情况及流动相流速等) )无关，它表示了无关，它表示了色

20、谱柱对这两种组分的选择性色谱柱对这两种组分的选择性-GCGC中中广泛用于定性的依据广泛用于定性的依据。第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念（3 3） 色谱基本术语色谱基本术语 （b b）相对保留值相对保留值 具体做法：固定一个色谱峰为标准具体做法：固定一个色谱峰为标准 s，然后再求其它峰，然后再求其它峰 i 对标准峰的相对保留值，此时以对标准峰的相对保留值，此时以 表示：表示： 1, , 又称选择因子又称选择因子( )( )rst it s第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念

21、（3 3） 色谱基本术语色谱基本术语 （c c）区域宽度：）区域宽度：峰高峰高 h h：是色谱峰顶到基线的：是色谱峰顶到基线的距离。距离。h h、是描述色谱流出曲是描述色谱流出曲线形态的两个重要参数。线形态的两个重要参数。 标准偏差标准偏差：1/2EF1/2EF1/4IJ1/4IJ（1/4W1/4Wb b）即即0.6070.607倍峰高处色谱峰宽度的倍峰高处色谱峰宽度的一半一半。 可用于衡量色谱柱的柱效及反映色谱操作条件下的动力学因素。可用于衡量色谱柱的柱效及反映色谱操作条件下的动力学因素。宽度越窄，其效率越高，分离的效果也越好。宽度越窄，其效率越高，分离的效果也越好。第四章第四章: : 色谱

22、分析方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念（3 3） 色谱基本术语色谱基本术语 （c c）区域宽度）区域宽度 半峰宽半峰宽Y Y1/21/2: : 峰高一半处色谱峰高一半处色谱峰的宽度。峰的宽度。如图中的GHGH。 半峰宽与标准偏差的关系为：注意：由于半峰宽容易测量，使用方便，所以一般用它来表示注意：由于半峰宽容易测量，使用方便，所以一般用它来表示区域宽度区域宽度。354. 22ln22Y2/1第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念（3 3） 色谱基本术语色谱基本术语 （c c）区域宽度）区域宽度峰基宽度W

23、b：即通过流出曲线的拐点所作的切线在基线的截距，如图I J所示。Wb与的关系： Wb 4第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念（4 4）色谱法中的主要参数和关系式色谱法中的主要参数和关系式 分配系数分配系数K Kp p和容量因子和容量因子KK（a a）分配系数）分配系数K Kp p：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。这种分离过程经常用样品分子在两相间的分配程叫做分配过程。这种分离过程经常用样品分子在两相间的分配来描述，描述这种分配的参数称为分配

24、系数。来描述，描述这种分配的参数称为分配系数。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，与流动相、固定相和温度有关。的特征值，与流动相、固定相和温度有关。分配系数分配系数K Kp p：定温定压下，组分在固定相和流动相之间分配达平衡时定温定压下，组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的的浓度比浓度比（g/mLg/mL） 。 K KP PAAs s / A / Am m （s s固定相；固定相； m m流动相流动相）第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念（4

25、4）色谱法中的主要参数和关系式色谱法中的主要参数和关系式 （a a）分配系数）分配系数K Kp p：n试样品一定时，试样品一定时，K 主要取决于固定相性质主要取决于固定相性质n每个组份在各种固定相上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；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；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值是分离的基础；值是分离的基础；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。第四章第四章

26、: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念（4 4）色谱法中的主要参数和关系式色谱法中的主要参数和关系式 （a a）分配系数）分配系数K Kp p：当分配次数足够多时，就能将具有不同当分配次数足够多时，就能将具有不同 K 的组分分开。所以，的组分分开。所以，可以认为，气相色谱法是利用不同的物质具有不同的可以认为，气相色谱法是利用不同的物质具有不同的 K 而进行而进行分离的。而分离的。而 K 的不同则是由于各组分在固定相中的溶解度（对的不同则是由于各组分在固定相中的溶解度（对气气- -液色谱）或吸附能力（对气液色谱）或吸附能力（对气- -固色谱）不同而造

27、成的。固色谱）不同而造成的。第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念（4 4）色谱法中的主要参数和关系式色谱法中的主要参数和关系式 （b b）容量因子）容量因子K K (分配比分配比) )： 在一定温度和压力下，组份在两相间的分配达平衡时，分配在一定温度和压力下，组份在两相间的分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比，称为分配比。又称保留因子，在固定相和流动相中的质量比，称为分配比。又称保留因子，也叫容量因子或容量比。也叫容量因子或容量比。 反映了组分在柱中的迁移速率。反映了组分在柱中的迁移速率。 与分配系数、两相体积有关，表示溶质与

28、分配系数、两相体积有关，表示溶质A A在两相中的质量之比。在两相中的质量之比。 K= mAK= mAs s / mA / mAm m = K= KP PV VS S/V/Vm m （s s固定相；固定相； m m流动相）流动相）注：注：KPAs / Am 第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念（c c）分配系数分配系数K Kp p和体积保留值和体积保留值V VR R的关系的关系V VR R = V = VM M + K + Kp pV Vs s 即：即：V VR R = V = VM M（1+ K1+ K） 或：或：KK（V VR RV

29、 VM M）/ V/ VM M当流动相流速一定时有：当流动相流速一定时有： KK（t tR Rt tM M）/t/tM M ttR R/t/tM M （t tR R：保留时间：保留时间 ，t tM M：死时间，：死时间，KK：分配比分配比） 从上两式可以看到，色谱分析法中各组分保留值随从上两式可以看到，色谱分析法中各组分保留值随KK而变而变化，而化，而t tM M 、t tR R都可以从色谱图上测得，从而可以求出都可以从色谱图上测得，从而可以求出KK。容量。容量因子因子KK是描述溶质保留行为的一个重要参数。是描述溶质保留行为的一个重要参数。（4 4）色谱法中的主要参数和关系式色谱法中的主要参数

30、和关系式 第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念（d d）分离比分离比a a（4 4）色谱法中的主要参数和关系式色谱法中的主要参数和关系式 色谱分析法中色谱分析法中A A、B B两种物质的两种物质的分离效率分离效率可用可用分离比分离比表示。当两表示。当两相体积一定时，分离比与保留值的关系为：相体积一定时，分离比与保留值的关系为： a aK Kp(B)p(B)/K/Kp(Ap(A) )KK(B)(B)/K/K(A)(A)ttR(B)R(B)/ t/ tR(A)R(A)B B，A A在色谱法中，在色谱法中，分离比等于分离比等于被分离两种物质

31、的被分离两种物质的调整保留值之比调整保留值之比。 ttR(B)R(B)/ t/ tR(A)R(A)B B，A A也称也称相对保留值相对保留值。选择因子选择因子 ：色谱柱对：色谱柱对A A、B B 两组分的选择因子两组分的选择因子 定义如下：定义如下：( )( )rBBrAAt BkKtAkKA A为先流出的组分，为先流出的组分，B B 为后流出的组分。为后流出的组分。第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念（4 4）色谱法中的主要参数和关系式色谱法中的主要参数和关系式 注意：K 或 k

32、反映的是某一组分在两相间的分配；而分离比 是反映两组分间的分离情况！当两组分 K 或 k 相同时， =1 时，两组分不能分开；当两组分 K 或 k 相差越大时， 越大，分离得越好。也就是说，两组分在两相间的分配系数不同，是色谱分离的先决条件。 和 k 是计算色谱柱分离效能的重要参数！下图是下图是 A A、B B两组分沿色谱柱移动时，不同位置处的浓度轮廓两组分沿色谱柱移动时，不同位置处的浓度轮廓。 溶质溶质A A和和B B在沿柱移动时不同位置处的浓度轮廓在沿柱移动时不同位置处的浓度轮廓第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念（4 4）色谱法

33、中的主要参数和关系式色谱法中的主要参数和关系式 浓度浓度沿柱移动距离沿柱移动距离 L LABABKA KB第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念若使若使A A、B B组分完全分离，必须满足以下三点：组分完全分离，必须满足以下三点： 第一第一，两组分的，两组分的分配系数必须有差异分配系数必须有差异； 第二第二，区域，区域扩宽的速率应小于区域分离扩宽的速率应小于区域分离的速度；的速度； 第三第三，在保证快速分离的前提下，提供，在保证快速分离的前提下，提供足够长足够长的色谱柱。的色谱柱。 第一、二点是完全分离的必要条件。第一、二点是完全分离的

34、必要条件。作为一个色谱理论，不仅应说明组分在色谱柱中移动的速率，作为一个色谱理论，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。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分配系数恒定为前提，塔板理论和速率理论均以色谱过程中分配系数恒定为前提，故称为线性色谱理论。故称为线性色谱理论。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=样品中单组份的最少个数样品中单组份的最少个数 色谱保留值色谱保留值定性依据定性依据 色谱峰高或面积色谱峰高或面积定量依据定量依据 色谱保留值或区域宽度色谱保留值或区域宽度色谱柱分

35、离效能评价指标色谱柱分离效能评价指标 色谱峰间距色谱峰间距固定相或流动相选择是否合适的依据固定相或流动相选择是否合适的依据响应信号响应信号保留时间保留时间 t, min第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.2 4.2 色谱学基本概念色谱学基本概念第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.3 4.3 色谱学基本理论色谱学基本理论 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。组分保

36、留时间为何不同？色谱峰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？为何变宽？ 组分保留时间：色谱过程的热力学因素控制；（组分和固定组分保留时间：色谱过程的热力学因素控制；（组分和固定液的结构和性质）液的结构和性质） 色谱峰变宽：色谱过程的动力学因素控制；（两相中的运动色谱峰变宽：色谱过程的动力学因素控制；（两相中的运动阻力，扩散）阻力，扩散） 两种色谱理论：两种色谱理论：塔板理论塔板理论和和速率理论速率理论； 色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，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，组分要达到完全分离，两峰间的距离必须足够远，

37、两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱过程的热力学性质有关。即与色谱过程的热力学性质有关。 但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能分开。宽，以致彼此重叠，还是不能分开。这些峰的宽或这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即窄是由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即与色谱过程的动力学性质有关。与色谱过程的动力学性质有关。 因此，要从热力学和动力学两方面来研究色因此，要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。谱行为。 第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分

38、析方法导论第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.3 4.3 色谱学基本理论色谱学基本理论（1 1）色谱柱的效能塔板理论色谱柱的效能塔板理论 在在5050年代，色谱技术发展的初期，年代，色谱技术发展的初期，MartinMartin等人等人把色谱分离过程比作分馏过程，并把分馏中的把色谱分离过程比作分馏过程，并把分馏中的半经验理论半经验理论塔板理论塔板理论用于色谱分析法。用于色谱分析法。 这理论把色谱柱比作一个这理论把色谱柱比作一个分馏塔分馏塔，假设柱内有，假设柱内有n n个个塔板塔板，在每个塔板高度间隔内，试样各组分在两相中分配并达在每个塔板高度间隔内，试样各组分在两相中分配并达

39、到平衡，最后到平衡，最后, ,挥发度大的组分和挥发度小的组分彼此分挥发度大的组分和挥发度小的组分彼此分离，挥发度大的最先从塔顶（即柱后）逸出。离，挥发度大的最先从塔顶（即柱后）逸出。尽管这个理论（概念）并不完全符合色谱柱的分离过程，尽管这个理论（概念）并不完全符合色谱柱的分离过程，色谱分离和一般的分馏塔分离有着重大的差别，但是因色谱分离和一般的分馏塔分离有着重大的差别，但是因为这个比喻形象简明，因此几十年来一直沿用。为这个比喻形象简明，因此几十年来一直沿用。第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.3 4.3 色谱学基本理论色谱学基本理论（1 1）色谱柱的效能塔板理论色谱柱的效能

40、塔板理论 塔板理论塔板理论假定假定：1 1）塔板之间不连续；）塔板之间不连续；2 2）塔板之间无分子扩散；）塔板之间无分子扩散；3 3）组分在各塔板内两相间的分配瞬间达到平衡，）组分在各塔板内两相间的分配瞬间达到平衡，达一次平衡所需柱长为理论塔板高度达一次平衡所需柱长为理论塔板高度H H；4 4）某组分在所有塔板上的分配系数相同；）某组分在所有塔板上的分配系数相同；5 5）流动相以不连续方式加入，即以一个一个的塔）流动相以不连续方式加入，即以一个一个的塔板体积加入。板体积加入。第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.3 4.3 色谱学基本理论色谱学基本理论（1 1）色谱柱的效能

41、塔板理论色谱柱的效能塔板理论下面再举一个例子说明组分在色谱柱中的分配情况。下面再举一个例子说明组分在色谱柱中的分配情况。为简单起见，设色谱柱由为简单起见，设色谱柱由5 5块塔板（块塔板（n=5n=5，n n为柱子的塔板数）为柱子的塔板数）组成，并以组成，并以r r表示塔板编号表示塔板编号 r=0r=0，1 1，2 2，3 3，4 4，5 5；某组分的分配比；某组分的分配比k=1k=1。 根据上述假定在色谱分离过程中。该组分的分布可计算根据上述假定在色谱分离过程中。该组分的分布可计算如下：如下：第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.3 4.3 色谱学基本理论色谱学基本理论（1

42、1）色谱柱的效能塔板理论色谱柱的效能塔板理论 当塔板数当塔板数n n 较少时，组分在柱内达分配平衡的次数较少，流出曲较少时，组分在柱内达分配平衡的次数较少，流出曲线呈峰形，但不对称；当塔板数线呈峰形，但不对称；当塔板数n50n50时，峰形接近时，峰形接近正态分布正态分布。（a）色谱分离过程：色谱分离过程： 开始时，将单位质量（即开始时，将单位质量（即 m=1m=1）的该组分进入）的该组分进入0 0号号塔板上，然后将流动相以一个板体积（塔板上，然后将流动相以一个板体积（V V）一个板体积）一个板体积的脉动形式进入色谱柱；此时组分在固定相和流动相进的脉动形式进入色谱柱；此时组分在固定相和流动相进行

43、分配：行分配：第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.3 4.3 色谱学基本理论色谱学基本理论（1 1）色谱柱的效能塔板理论色谱柱的效能塔板理论 按上述分配过程，对于按上述分配过程，对于n=5n=5，k=1k=1，m=1m=1的体系，的体系，随着进入柱中板体积载气的增加，组分分布在柱内任一随着进入柱中板体积载气的增加，组分分布在柱内任一板上的总量（气相和液相的总质量）见下表：板上的总量（气相和液相的总质量）见下表：r n01234出口出口010000010.50.5000020.250.50.2500030.1250.3750.3750.1250040.0630.250.375

44、0.250.063050.0320.1570.3130.3130.1570.03260.0160.0950.2350.3130.2350.07970.0080.0560.1160.2740.2740.11880.0040.0320.0860.1960.2740.13390.0020.0180.0590.1410.2360.138100.0010.0100.0380.1000.1890.118组分分布在柱内任一板上的总量（气相和液相的总质量）组分分布在柱内任一板上的总量（气相和液相的总质量）第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论 n r01234出口11 00.0050.0240.

45、0690.1450.09512 00.0020.0160.0460.1070.07313 00.0010.0080.0300.0760.05414 000.0040.0190.0530.03815 000.0020.0120.0360.02816 000.0010.0080.0240.018 由表中可见，当n=5时，即5个塔板体积的流动相进入柱中时，组分就开始从柱口流出。并且呈现先小后大的情况。第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.3 4.3 色谱学基本理论色谱学基本理论（1 1）色谱柱的效能塔板理论色谱柱的效能塔板理论 以上是当塔板数为以上是当塔板数为5 5时的情况，出现的

46、峰形不对称时的情况，出现的峰形不对称 ，这是由，这是由于塔板数太少的原因。当塔板数大于于塔板数太少的原因。当塔板数大于5050时，峰形就是对称的。在时，峰形就是对称的。在实际色谱柱中，实际色谱柱中，n n值很大（约为值很大（约为106106 109 109 ）。所以色谱峰一般）。所以色谱峰一般为正态分布。为正态分布。 （二）柱效能指标： 对于一个色谱柱来说，其分离能力（叫柱效能）的大小主要与塔板的数目有关，塔板数越多，柱效能越高。 色谱柱的塔板数可以用理论塔板数和有效塔板数来表示。第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.3 4.3 色谱学基本理论色谱学基本理论（1 1）色谱柱的

47、效能塔板理论色谱柱的效能塔板理论由塔板理论导出的由塔板理论导出的理论塔板数理论塔板数 n n 的计算公式是：的计算公式是： 式中：tr为某组分的保留时间； W1/2为某组分色谱峰的半宽度； W为色谱峰的峰底宽度。 注：使用该公式，分子分母应取相同单位。 由式由式可见可见柱子的理论塔板数与峰宽和保留时间有关。保留时间柱子的理论塔板数与峰宽和保留时间有关。保留时间越大，峰越窄，理论塔板数就越多。柱效能也就越高。越大，峰越窄，理论塔板数就越多。柱效能也就越高。222/1)(16)(54. 5WtWtnrr第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.3 4.3 色谱学基本理论色谱学基本理论

48、（1 1）色谱柱的效能塔板理论色谱柱的效能塔板理论对于一个柱长固定为对于一个柱长固定为L L的柱子的柱子柱长为柱长为L L，则每块，则每块理论塔板高度理论塔板高度HH 为：为： 每一个塔板的高度，即组分在柱内每达成一次分配平衡所需要每一个塔板的高度，即组分在柱内每达成一次分配平衡所需要的柱长叫理论塔板高度。它越小，也表示柱效能越高。的柱长叫理论塔板高度。它越小，也表示柱效能越高。第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.3 4.3 色谱学基本理论色谱学基本理论（1 1）色谱柱的效能塔板理论色谱柱的效能塔板理论nLH 在以上计算理论塔板数的式子中使用的是保留时间，它包括了死时间，在

49、以上计算理论塔板数的式子中使用的是保留时间，它包括了死时间，由于死体积由于死体积V VM M ( (或死时间或死时间t tM M) )内并没有发生分配作用，内并没有发生分配作用，因此不能真正反因此不能真正反映色谱柱的柱效映色谱柱的柱效。在考虑柱的实际分离效能时应予扣除，为此，引入。在考虑柱的实际分离效能时应予扣除，为此，引入了有效塔板数的概念。了有效塔板数的概念。第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.3 4.3 色谱学基本理论色谱学基本理论（1 1）色谱柱的效能塔板理论色谱柱的效能塔板理论2)(16)Yt(54. 5n221RbR/Wt有效H有效L / n有效 由于同一色谱柱

50、对不同物质的柱效能不同，故用H、n、H有效、n有效等指标表示柱效能时应注明被测物质和色谱条件。有效塔板数有效塔板数n n：有效塔板高度有效塔板高度HH1 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 n 越大越大( (塔板高度塔板高度 H H 越小越小) )，被，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。越窄。2 2）说明柱效时，必须注明该柱效是针对何种物质、固定液种类及）说明柱效时，必须注明该柱效是针对何种物质、固定液种类及其含量、流动相种类及流速、操作条件等；其含量、流动相种类及流速、操作条件等；3

51、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数 K K 相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。有关塔板理论的说明：有关塔板理论的说明：第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.3 4.3 色谱学基本理论色谱学基本理论（1 1）色谱柱的效能塔板理论色谱柱的效能塔板理论4 4）塔板理论描述了组分在柱内的分配平衡和分离过程、导出流）塔板理论描述了组分在柱内的分配平衡和分离过程、导出流出曲线的数学模型、解释了流出曲线形状和位置、提出了计出曲线的数学模型、解释了流出曲

52、线形状和位置、提出了计算和评价柱效的参数。算和评价柱效的参数。 5 5）应定期对柱效进行评价，以防柱效下降、延长柱寿命。应定期对柱效进行评价，以防柱效下降、延长柱寿命。有关塔板理论的说明：有关塔板理论的说明：第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.3 4.3 色谱学基本理论色谱学基本理论（1 1）色谱柱的效能塔板理论色谱柱的效能塔板理论 但该理论是在理想情况但该理论是在理想情况( (平衡分配）下导出的，是一个半经平衡分配）下导出的，是一个半经验性的理论。它定性地给出了板高的概念，但未考虑分子扩散验性的理论。它定性地给出了板高的概念，但未考虑分子扩散因素、其它动力学因素对柱内传质

53、的影响。因此它不能解释：因素、其它动力学因素对柱内传质的影响。因此它不能解释： 峰形为什么会扩张？峰形为什么会扩张？ 影响柱效的动力学因素是什么？影响柱效的动力学因素是什么？ 同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果？同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果？ 影响柱效的因素及提高柱效的途径？影响柱效的因素及提高柱效的途径？ 第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.3 4.3 色谱学基本理论色谱学基本理论（1 1）色谱柱的效能塔板理论色谱柱的效能塔板理论第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.3 4.3 色谱学基本理论色谱学基本理论（2 2）影响色谱

54、柱效能的因素影响色谱柱效能的因素速率理论速率理论19561956年，荷兰化学工程师年，荷兰化学工程师Van DeemterVan Deemter提出了色谱过程的动力提出了色谱过程的动力学速率理论：吸收了塔板理论中的板高学速率理论：吸收了塔板理论中的板高H H 概念，考虑了组分在概念，考虑了组分在两相间的扩散和传质过程，两相间的扩散和传质过程，V Van Deemteran Deemter方程：方程： H H：理论塔板高度：理论塔板高度 u u ：流动相线速度；流动相线速度； A A，B B，C C为常数，为常数， A A表示涡流扩散系数表示涡流扩散系数 B B分子扩散系数分子扩散系数 C C传

55、质阻力系数（包括液相和固相传质阻力系数）传质阻力系数（包括液相和固相传质阻力系数） CuuBAH 第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.3 4.3 色谱学基本理论色谱学基本理论（2 2）影响色谱柱效能的因素影响色谱柱效能的因素速率理论速率理论从从动力学动力学角度很好地解释了影响板高（柱效）的各角度很好地解释了影响板高（柱效）的各种因素！种因素！任何减少方程右边三项数值任何减少方程右边三项数值的方法，都可的方法，都可降低降低HH，从而从而提高柱效提高柱效。CuuBAH 下面我们将对公式中的各项进行讨论下面我们将对公式中的各项进行讨论 第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析

56、方法导论4.3 4.3 色谱学基本理论色谱学基本理论（2 2）影响色谱柱效能的因素影响色谱柱效能的因素速率理论速率理论1 1）涡流扩散项）涡流扩散项(Multipath term, A)(Multipath term, A)流动方向流动方向 在填充柱中，由于受到固定在填充柱中，由于受到固定相颗粒的阻碍，组份在迁移过程相颗粒的阻碍，组份在迁移过程中随流动相不断改变方向，形成中随流动相不断改变方向，形成紊乱的紊乱的“涡流涡流”：可见，因填充物颗粒大小及填充可见，因填充物颗粒大小及填充的不均匀性的不均匀性同一组分运行路线同一组分运行路线长短不同长短不同流出时间不同流出时间不同峰形峰形展宽展宽。第四章

57、第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.3 4.3 色谱学基本理论色谱学基本理论（2 2）影响色谱柱效能的因素影响色谱柱效能的因素速率理论速率理论 展宽程度以展宽程度以A A表示：表示：A=2A=2 d dp p （d dp p填充物平均直径；填充物平均直径； 填充不规则因子）填充不规则因子） 可见使用可见使用细粒细粒的固定相并填充均匀可减小的固定相并填充均匀可减小A A，提高柱效。，提高柱效。 对于空心毛细管柱，无涡流扩散，即对于空心毛细管柱，无涡流扩散，即A=0A=0。 展宽程度展宽程度与填充颗粒的大小及与填充颗粒的大小及填充的

58、均匀性填充的均匀性有关，而与流动有关，而与流动相的流速无关。相的流速无关。A A越大，色谱峰变宽越严重。越大，色谱峰变宽越严重。1 1）涡流扩散项）涡流扩散项(Multipath term, A)(Multipath term, A)第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.3 4.3 色谱学基本理论色谱学基本理论（2 2）影响色谱柱效能的因素影响色谱柱效能的因素速率理论速率理论2）分子扩散项分子扩散项(Longitudinal diffusion term, B/u)(Longitudinal diffusion term, B/u) 纵向分子扩散是由于浓度梯度引起的。纵向分子

59、扩散是由于浓度梯度引起的。当样品被注入色谱柱时，当样品被注入色谱柱时，由于溶质区带前后存在着浓度差，因而由于溶质区带前后存在着浓度差，因而产生纵向扩散使区带（色谱峰）扩宽。产生纵向扩散使区带（色谱峰）扩宽。其大小为：其大小为：B=2B=2 D D 弯曲因子，它表示固定相几何形状对自由分子扩散的阻碍情况弯曲因子，它表示固定相几何形状对自由分子扩散的阻碍情况D D组分在流动相中的扩散系数。组份为气体或液体时，分别以组分在流动相中的扩散系数。组份为气体或液体时，分别以D Dg g或或D Dm m表示；表示；CuuBAH 讨论：讨论： 分子量大的组分，分子量大的组分，DgDg小，即小，即B B 小小

60、Dg Dg 随柱温升高而增加，随柱压降低而随柱温升高而增加，随柱压降低而减小减小 流动相分子量大，流动相分子量大，Dg Dg 小，即小，即 B B 小小 u u 增加，组份停留时间短，纵向扩散小增加，组份停留时间短，纵向扩散小（B/uB/u） 对于液相色谱，因对于液相色谱，因DmDm 较小，较小，大约是在大约是在气体中的气体中的 1/101/105 5 ，所，所 以以B B 项可勿略项可勿略第四章第四章: : 色谱分析方法导论色谱分析方法导论4.3 4.3 色谱学基本理论色谱学基本理论（2 2）影响色谱柱效能的因素影响色谱柱效能的因素速率理论速率理论球状颗粒；球状颗粒；大分子量流大分子量流动相