色谱分析法课件

第二节色谱过程的基本原理

一.色谱过程：组分分子在流动相和固定相间多次分配的过程.由于各组分的结构和性质不同,与固定相作用的类型和强度不同,在固定相上滞留的时间不同,随流动相移动的速度有差异——差速迁移,从而达到分离的目的。图16－2

返回2023/1/2第二节色谱过程的基本原理一.色谱过程：图16－2返12023/1/22022/12/122

在一定温度下，组分在流动相和固定相之间所达到的平衡叫分配平衡，组分在两相中的分配行为常采用分配系数K和容量因子k来表示。（一）分配系数和容量因子三．分配系数与色谱分离1、分配系数K(浓度分配系数)组分在固定相中的浓度K==Cs/Cm组分在流动相中的浓度K随T变化，与固定相、流动相的体积无关。2023/1/2在一定温度下，组分在流动相和固定相之间所达到的平衡叫分配平衡32容量因子：

分配系数与容量因子的关系k=CsVs

/CmVm=KVs/Vm2023/1/22容量因子：分配系数与容量因子的关系2022/12/124（二）K和k与tR的关系u：流动相的速度;v：组分移动速度

R’=v/u(保留比)

∵v＝L/tR

u=L/t0∴R’=t0/tR

t0≈tmtR=tm+tsR’=tm/(tm+ts)=Nm/(Nm+Ns)=CmVm/(CmVm+CsVs)=1/(1+k)tR=t0/R’=t0(1+k)=t0(1+KVs/Vm)色谱过程方程K大的组分保留时间长。

k=tR/t0-1=(tR-t0)/t0=tR’/t0

k大，保留时间长。2023/1/2（二）K和k与tR的关系5(三）色谱分离的前提

tR=t0(1+KVs/Vm)两组分A和B经色谱柱分离

△tR＝

tRA－tRB＝t0(KA-KB)Vs/Vm

=t0(kA-kB)

分离前提：kA≠kB2023/1/2(三）色谱分离的前提2022/12/126主要内容第一节

色谱法分类

第二节

色谱过程的基本原理第三节色谱法的基本类型及分离机制

第四节色谱法基本理论

2023/1/2主要内容2022/12/127分配色谱法吸附色谱离子交换空间排阻其它第三节色谱法的基本类型及分离机制2023/1/2第三节色谱法的基本类型及分离机制2022/12/1281原理：利用被分离组分在固定相或者流动相中的溶解度差别实现分离。(GL,LL)K＝Cs/Cm＝(ms/Vs)×(Vm/mm)分配色谱法2固定相：惰性载体上的薄层液体——固定液；化学键合相

流动相：气体(GL)：H2、N2液体(LL)：甲醇、乙腈、己烷等

正相色谱：固定相极性大于流动相极性

反相色谱：固定相极性小于流动相极性3流出顺序：气相色谱－－与组分沸点、组分和固定相的极性有关液相分配色谱－－正相色谱：弱极性组分先流出反相色谱：强极性组分先流出2023/1/21原理：利用被分离组分在固定相或者流动相中的9

1机制：利用被分离组分对固定相表面吸附中心吸附能力的差别实现分离（GS、LS）。分离过程就是组分分子与流动相分子争夺吸附剂表面活性中心的过程——竞争吸附。二.吸附色谱

Xm＋nYaXa＋nYm

[Xa][Ym]n[Xa]

吸附系数

Ka＝Ka

≈

[Xm][Ya]n[Xm]tR＝t0（1＋KSa/Vm）2023/1/21机制：利用被分离组分对固定相表面吸附中心吸附能力的102固定相和流动相：

s：吸附剂，多孔微粒。表面有吸附中心。eg:硅胶表面的硅醇基为吸附中心。

m：极性大，洗脱能力强。

ε0表示溶剂强度：溶剂分子在单位吸附剂表面上的吸附自由能。

ε0大，吸附能力强，洗脱能力强。3流出顺序

①组分分子的竞争力②组分分子与吸附剂的作用力③组分在流动相中的溶解度

2023/1/22固定相和流动相：3流出顺序2022/12/1211三．离子交换1原理：利用被分离组分离子交换能力的差别实现分离。阳离子交换色谱分离机制．（H＋）。当流动相携带组分的正离子如Na＋出现时，与H＋发生交换反应．当树脂上所有可交换的H＋均被交换后，树脂失去恬性，此时，若用稀酸溶液对树脂进行处理，Na＋就被高浓度的H＋置换（洗脱）下来,树脂的交换能力又被恢复．这一过程称为树脂的再生。SO3－H＋Na＋H＋树脂骨架树脂表面的负离子（为不可交换离子）交换——洗脱——再交换——再洗脱正离子（为可交换离子）2023/1/2三．离子交换1原理：利用被分离组分离子交换能力的差别实现分12选择性系数KA/B是衡量离子对树脂亲和能力相对大小的度量，KA/B越大，说明A的交换能力大．越易保留。常选择某种离子（如H或CI-）作参考．测定一系列离子的选择性参数。交换与再生过程可用下式表示2023/1/2选择性系数KA/B是衡量离子对树脂亲和能力相对大小的度量，132流动相、固定相

固定相：离子交换剂（离子交换树脂）化学键合离子交换剂流动相：一定pH和离子强度的缓冲液。

有机溶剂可提高选择性。2023/1/22流动相、固定相固定相：离子交换剂（离子交换树脂）202143影响保留行为的因素

受被分离离子、离子交换剂、流功动相的性质等的影响，

①组分性质：溶质离子的电荷、水合离子半径

价态高，选择系数大；同价态阳离子，水合离子半径大，选择系数小。

2023/1/23影响保留行为的因素

受被分离离子、离子交换剂、流功动15②流动相的组成和pH值：交换能力强的离子组成的流动相有较强的洗脱能力强，保留值降低。强离子交换树脂的交换能力在很宽的范围内不随流动相的pH变化，调节pH值的作用主要体现在对弱电解质离解的控制，溶质的离解受到抑制则保留时间变短。弱离子交换树脂的交换能力在某一pH有极大值．2023/1/2②流动相的组成和pH值：交换能力强的离子组成的流动相有较161原理：根据被分离组分分子的线团尺寸进行分离凝胶色谱法:按流动相的不同分为两类以有机溶剂为流动相者称为凝胶渗透色谱法;

以水溶液为流动相者称为凝胶过滤色谱法。四．空间排阻：

凝胶色谱法的分离机制与前三种色谱法完全不同，它只取决于凝胶的孔径大小与被分离组分线团尺寸之间的关系，与流动相的性质无关。2023/1/21原理：根据被分离组分分子的线团尺寸进行分离四．空间排阻17

渗透系数Kp=[Xs]/[X]m0＜K＜1渗透系数的大小只由溶质分子的线团尺寸和凝胶空隙的大小所决定。在高分子溶液中，相同成分的分子的线团尺寸与其分子量成正比。K与分子量相关，即组分按分子量的大小分离。根据空间排阻理论,孔内外同等大小的溶质分子处于扩散平衡状态；2023/1/2根据空间排阻理论,孔内外同等大小的溶质分子18

2固定相：多孔凝胶

流动相：溶解试样；润湿凝胶

3保留体积与渗透系数的关系VR=Vm（1+KpVs/Vm）Vm

≈V0VR=V0+KpVs

球形态蛋白分子logMr=A－BVR2023/1/22固定相：多孔凝胶

流动相：溶解试样；润湿凝19几种基本类型色谱法及其他类型色谱法保留值与分配系数的关系皆可用色谱过程方程式表示，即；tR=t0(1+k)分配系数大的组分保留时间长（保留体积大），晚流出色谱柱。2023/1/2几种基本类型色谱法及其他类型色谱法保留值与分配系数的20在各种色谱法中k的含义不同．在分配色谱、吸附色谱、离子交换色谱和凝腋色谱中，K分别为狭义的分配系数K、吸附系数Ka、选择性系数KA/B和渗透系数Kp。V．分别为色谱柱（或薄层板）内固定液体积、吸附剂表面积、离于交换剂总交换容量和凝胶孔内总容积。2023/1/2在各种色谱法中k的含义不同．在分配色谱、吸附色谱、离子交换21主要内容第一节

色谱法分类

第二节

色谱过程的基本原理第三节色谱法的基本类型及分离机制

第四节色谱法基本理论

2023/1/2主要内容2022/12/1222第四节色谱法基本理论分离度保留时间差峰宽分配系数热力学过程相平衡塔板理论动力学因素动力学过程速率理论峰展宽

色谱法基本理论2023/1/2第四节色谱法基本理论分离度保留时间差峰宽分配系数热力23一、塔板理论

在50年代，色谱技术发展的初期，Martin等人把色谱分离过程比作分馏过程，并把分馏中的半经验理论－塔板理论用于色谱分析法。2023/1/2一、塔板理论

在50年代，色谱技术24

塔板理论把色谱柱比作一个分馏塔，假设柱内有n个塔板，每个塔板高度称为理论塔板高度，用H表示。认为在每个塔板的间隔内，试样组分在两相中达到配平衡．经过多次的分配平衡后，分配系数小的组分先流出色谱往。同时还引入塔板数作为衡量柱效的指标。

尽管这个理论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，但是因为这个比喻形象简明，因此几十年来一直沿用。2023/1/2塔板理论把色谱柱比作一个分馏塔，假设柱内有n个塔板，每个25

1在H长度内，组分在两相间瞬间平衡。2流动相间歇进入。3试样、流动相从0号板开始，忽略扩散。

塔板理论假设4各塔板K=常数假设条件成立，色谱柱长：L，虚拟的塔板间距离：H，色谱柱的理论塔板数：n，则三者的关系为：

H=L/n，2023/1/2

塔板理论假设4各塔板K=常数则三者的关系为：26（一）质量分配和转移16-42023/1/2（一）质量分配和转移16-42022/12/1227（二）流出曲线方程以组分A在柱出口处的质量分数对N作图得流出曲线A=1.065×h×W1/2Cmax-----h2023/1/2（二）流出曲线方程以组分A在柱出口处的质量分数对N作28（三）理论塔板高度和理论塔板数

理论塔板数与色谱参数之间的关系为n=(tR/σ)2

对一个色谱柱来说，若色谱柱长度固定L，每一个塔板高度H越小，塔板数目越多，分离的效果越好，柱效越高。塔板数用n表示。

n=L/H或H=L/n(H越小，n越多，分离效果越好，用H,n评价柱效)

由塔板理论导出n与Wb

，W1/2

的关系。**n=5.54(tR/W1/2)2=16(tR/Wb)2

2023/1/2（三）理论塔板高度和理论塔板数理论塔板数与色谱参数之间的关29有效塔板数和有效塔板高度

有时n大，分离效果也不好，因用tR

内含tm，后来改用有效塔板数。2023/1/2有效塔板数和有效塔板高度有时n大，分离效果也不好，因用tR30塔板理论的特点和不足：当色谱柱长度一定时，塔板数n

越大(塔板高度H越小)，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。实际过程中，组分在流动相和固定相间不可能真正达到分配平衡。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相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。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。2023/1/2塔板理论的特点和不足：当色谱柱长度一定时，塔板数n越大(31

组分在色谱柱中存在纵向扩散。塔板理论没有考虑各种动力学因素对色谱柱内传质过程对影响，因此无法解释柱效与流动相流速对关系。

速率理论2023/1/2速率理论2022/12/1232第二节色谱过程的基本原理

一.色谱过程：组分分子在流动相和固定相间多次分配的过程.由于各组分的结构和性质不同,与固定相作用的类型和强度不同,在固定相上滞留的时间不同,随流动相移动的速度有差异——差速迁移,从而达到分离的目的。图16－2

返回2023/1/2第二节色谱过程的基本原理一.色谱过程：图16－2返332023/1/22022/12/1234

在一定温度下，组分在流动相和固定相之间所达到的平衡叫分配平衡，组分在两相中的分配行为常采用分配系数K和容量因子k来表示。（一）分配系数和容量因子三．分配系数与色谱分离1、分配系数K(浓度分配系数)组分在固定相中的浓度K==Cs/Cm组分在流动相中的浓度K随T变化，与固定相、流动相的体积无关。2023/1/2在一定温度下，组分在流动相和固定相之间所达到的平衡叫分配平衡352容量因子：

分配系数与容量因子的关系k=CsVs

/CmVm=KVs/Vm2023/1/22容量因子：分配系数与容量因子的关系2022/12/1236（二）K和k与tR的关系u：流动相的速度;v：组分移动速度

R’=v/u(保留比)

∵v＝L/tR

u=L/t0∴R’=t0/tR

t0≈tmtR=tm+tsR’=tm/(tm+ts)=Nm/(Nm+Ns)=CmVm/(CmVm+CsVs)=1/(1+k)tR=t0/R’=t0(1+k)=t0(1+KVs/Vm)色谱过程方程K大的组分保留时间长。

k=tR/t0-1=(tR-t0)/t0=tR’/t0

k大，保留时间长。2023/1/2（二）K和k与tR的关系37(三）色谱分离的前提

tR=t0(1+KVs/Vm)两组分A和B经色谱柱分离

△tR＝

tRA－tRB＝t0(KA-KB)Vs/Vm

=t0(kA-kB)

分离前提：kA≠kB2023/1/2(三）色谱分离的前提2022/12/1238主要内容第一节

色谱法分类

第二节

色谱过程的基本原理第三节色谱法的基本类型及分离机制

第四节色谱法基本理论

2023/1/2主要内容2022/12/1239分配色谱法吸附色谱离子交换空间排阻其它第三节色谱法的基本类型及分离机制2023/1/2第三节色谱法的基本类型及分离机制2022/12/12401原理：利用被分离组分在固定相或者流动相中的溶解度差别实现分离。(GL,LL)K＝Cs/Cm＝(ms/Vs)×(Vm/mm)分配色谱法2固定相：惰性载体上的薄层液体——固定液；化学键合相

流动相：气体(GL)：H2、N2液体(LL)：甲醇、乙腈、己烷等

正相色谱：固定相极性大于流动相极性

反相色谱：固定相极性小于流动相极性3流出顺序：气相色谱－－与组分沸点、组分和固定相的极性有关液相分配色谱－－正相色谱：弱极性组分先流出反相色谱：强极性组分先流出2023/1/21原理：利用被分离组分在固定相或者流动相中的41

1机制：利用被分离组分对固定相表面吸附中心吸附能力的差别实现分离（GS、LS）。分离过程就是组分分子与流动相分子争夺吸附剂表面活性中心的过程——竞争吸附。二.吸附色谱

Xm＋nYaXa＋nYm

[Xa][Ym]n[Xa]

吸附系数

Ka＝Ka

≈

[Xm][Ya]n[Xm]tR＝t0（1＋KSa/Vm）2023/1/21机制：利用被分离组分对固定相表面吸附中心吸附能力的422固定相和流动相：

s：吸附剂，多孔微粒。表面有吸附中心。eg:硅胶表面的硅醇基为吸附中心。

m：极性大，洗脱能力强。

ε0表示溶剂强度：溶剂分子在单位吸附剂表面上的吸附自由能。

ε0大，吸附能力强，洗脱能力强。3流出顺序

①组分分子的竞争力②组分分子与吸附剂的作用力③组分在流动相中的溶解度

2023/1/22固定相和流动相：3流出顺序2022/12/1243三．离子交换1原理：利用被分离组分离子交换能力的差别实现分离。阳离子交换色谱分离机制．（H＋）。当流动相携带组分的正离子如Na＋出现时，与H＋发生交换反应．当树脂上所有可交换的H＋均被交换后，树脂失去恬性，此时，若用稀酸溶液对树脂进行处理，Na＋就被高浓度的H＋置换（洗脱）下来,树脂的交换能力又被恢复．这一过程称为树脂的再生。SO3－H＋Na＋H＋树脂骨架树脂表面的负离子（为不可交换离子）交换——洗脱——再交换——再洗脱正离子（为可交换离子）2023/1/2三．离子交换1原理：利用被分离组分离子交换能力的差别实现分44选择性系数KA/B是衡量离子对树脂亲和能力相对大小的度量，KA/B越大，说明A的交换能力大．越易保留。常选择某种离子（如H或CI-）作参考．测定一系列离子的选择性参数。交换与再生过程可用下式表示2023/1/2选择性系数KA/B是衡量离子对树脂亲和能力相对大小的度量，452流动相、固定相

固定相：离子交换剂（离子交换树脂）化学键合离子交换剂流动相：一定pH和离子强度的缓冲液。

有机溶剂可提高选择性。2023/1/22流动相、固定相固定相：离子交换剂（离子交换树脂）202463影响保留行为的因素

受被分离离子、离子交换剂、流功动相的性质等的影响，

①组分性质：溶质离子的电荷、水合离子半径

价态高，选择系数大；同价态阳离子，水合离子半径大，选择系数小。

2023/1/23影响保留行为的因素

受被分离离子、离子交换剂、流功动47②流动相的组成和pH值：交换能力强的离子组成的流动相有较强的洗脱能力强，保留值降低。强离子交换树脂的交换能力在很宽的范围内不随流动相的pH变化，调节pH值的作用主要体现在对弱电解质离解的控制，溶质的离解受到抑制则保留时间变短。弱离子交换树脂的交换能力在某一pH有极大值．2023/1/2②流动相的组成和pH值：交换能力强的离子组成的流动相有较481原理：根据被分离组分分子的线团尺寸进行分离凝胶色谱法:按流动相的不同分为两类以有机溶剂为流动相者称为凝胶渗透色谱法;

以水溶液为流动相者称为凝胶过滤色谱法。四．空间排阻：

凝胶色谱法的分离机制与前三种色谱法完全不同，它只取决于凝胶的孔径大小与被分离组分线团尺寸之间的关系，与流动相的性质无关。2023/1/21原理：根据被分离组分分子的线团尺寸进行分离四．空间排阻49

渗透系数Kp=[Xs]/[X]m0＜K＜1渗透系数的大小只由溶质分子的线团尺寸和凝胶空隙的大小所决定。在高分子溶液中，相同成分的分子的线团尺寸与其分子量成正比。K与分子量相关，即组分按分子量的大小分离。根据空间排阻理论,孔内外同等大小的溶质分子处于扩散平衡状态；2023/1/2根据空间排阻理论,孔内外同等大小的溶质分子50

2固定相：多孔凝胶

流动相：溶解试样；润湿凝胶

3保留体积与渗透系数的关系VR=Vm（1+KpVs/Vm）Vm

≈V0VR=V0+KpVs

球形态蛋白分子logMr=A－BVR2023/1/22固定相：多孔凝胶

流动相：溶解试样；润湿凝51几种基本类型色谱法及其他类型色谱法保留值与分配系数的关系皆可用色谱过程方程式表示，即；tR=t0(1+k)分配系数大的组分保留时间长（保留体积大），晚流出色谱柱。2023/1/2几种基本类型色谱法及其他类型色谱法保留值与分配系数的52在各种色谱法中k的含义不同．在分配色谱、吸附色谱、离子交换色谱和凝腋色谱中，K分别为狭义的分配系数K、吸附系数Ka、选择性系数KA/B和渗透系数Kp。V．分别为色谱柱（或薄层板）内固定液体积、吸附剂表面积、离于交换剂总交换容量和凝胶孔内总容积。2023/1/2在各种色谱法中k的含义不同．在分配色谱、吸附色谱、离子交换53主要内容第一节

色谱法分类

第二节

色谱过程的基本原理第三节色谱法的基本类型及分离机制

第四节色谱法基本理论

2023/1/2主要内容2022/12/1254第四节色谱法基本理论分离度保留时间差峰宽分配系数热力学过程相平衡塔板理论动力学因素动力学过程速率理论峰展宽

色谱法基本理论2023/1/2第四节色谱法基本理论分离度保留时间差峰宽分配系数热力55一、塔板理论

在50年代，色谱技术发展的初期，Martin等人把色谱分离过程比作分馏过程，并把分馏中的半经验理论－塔板理论用于色谱分析法。2023/1/2一、塔板理论

在50年代，色谱技术56

塔板理论把色谱柱比作一个分馏塔，假设柱内有n个塔板，每个塔板高度称为理论塔板高度，用H表示。认为在每个塔板的间隔内，试样组分在两相中达到配平衡．经过多次的分配平衡后，分配系数小的组分先流出色谱往。同时还引入塔板数作为衡量柱效的指标。

尽管这个理论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