色谱课件-2-理论

1第二章色谱基本理论第一节色谱图及色谱基本概念第二节塔板理论第三节速率理论2第一节色谱图及色谱基本概念一、色谱图及相关名词

（一）色谱图色谱图（流出曲线）：色谱柱流出物通过检测器系统时所产生的响应信号强度随时间或载气流出体积的变化曲线图。基线：当没有待测组分进入检测器时，检测器响应信号的变化的曲线。稳定的基线是一条水平直线。信号时间或载气流出体积3（二）相关名词1、色谱峰：色谱柱流出组分通过检测器系统时所产生的响应信号的微分曲线。2、峰底：峰的起点和终点之间连接的直线，与基线重合。3、峰高（h）：峰最大值到峰底的距离。4、峰面积（A）:色谱峰与峰底之间的面积。45、峰宽(W)：在峰两侧拐点处所作的切线与峰底两交点之间的距离。6、半高峰宽(W1/2)：通过峰高的中点做平行于峰底的直线，此直线与峰两侧相交，这两点之间的距离。7、标准偏差（σ）：对应0.607倍峰高处峰宽的一半。以上三个区域宽度均反映色谱柱及色谱条件的选择是否合适5正常峰（对称）畸峰前伸峰拖尾峰色谱峰8、畸峰：形状不对称的峰。拖尾峰：后沿较前沿平缓的畸峰。前伸峰：与拖尾峰相对应。前沿较后沿平缓的畸峰。拖尾峰前伸峰69、假峰：不是样品产生的峰。10、基线噪音（N）：仪器本身所固有的，以噪音带表示。（仪器越好，噪音越小）11、基线漂移：基线向某个方向稳定移动。（仪器不稳定造成）7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；(iii)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，是评价色谱条件选择是否合适的依据。8二．色谱基本参数这是一段含有两个样品组分（彩色的圆点）的色谱柱的横截面，它既没有填料，也没有涂层，这样的色谱柱只是空柱。如果过几分钟后再观察，色谱柱内的情况就发生了改变。由于载气流的带动，样品向柱的右端移动，并且由于样品区域和周围载气中样品浓度的不同而使得样品区带展宽。样品组分仍然是混合在一起的。9现在我们在柱子的内表面涂一层高沸点物质，然后重复此实验。我们选用能够溶解兰色圆点组分而不能溶解黄色圆点组分的固定液。兰色组分在固定相和载气两相之间进行分配，黄色组分则停留在气相中，几秒钟以后我们再观察色谱柱。黄色组分与涂层之间没有作用，它随载气一同流过色谱柱，并首先从色谱柱中流出。兰色组分在固定液和载气之间进行分配，它以较慢的速度流过色谱柱，而后流出色谱柱。样品已经开始分离为两个峰。101、死时间tM：不被固定相溶解或吸附的物质进入色谱柱时，从进样到出现峰极大值所需要的时间。即组分在流动相中的所消耗的时间，或流动相充满柱内空隙体积占据的空间所需要的时间。可以用死时间测定流动相平均线速度（u）。

u=L/tM

(L是柱长)112、保留时间tR：组分从进样开始到出现峰极大点时所经历的时间，即组分通过色谱柱，到达检测器所需要的时间。包含了组分随流动相通过柱子所需的时间和组分在固定相中滞留的时间。3、调整保留时间tR’：组分的保留时间与死时间的差值。即组分在固定相中滞留的时间。124、死体积Vm：不被保留的组分通过色谱柱所消耗的流动相的体积，又指色谱柱中未被固定相所占据的空隙体积，以及色谱仪中的部分管路、连接头的空间、以及进样器和检测器的空间总和。5、保留体积VR：从进样开始到组分出现浓度极大点时所消耗的流动相的体积。6、调整保留体积VR’：保留体积与死体积之差，即组分停留在固定相时所消耗流动相的体积。137、分离度两个相邻色谱峰的分离程度。以两个组分保留值之差与其平均峰宽值之比来表示。W2W1t信号tR2tR1W1W2tR2t信号tR114R﹤1，两个色谱峰未完全分离，峰部分重叠R=1，色谱峰明显分离R≥1.5，在实际操作中认为色谱峰可以完全分离15W△xx1x2分离度在TLC中的应用x16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相间的分配系数决定的，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，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能分开。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谱行为。8、分配系数K和分配比k17

分配系数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=组分在固定相中的浓度

/

组分在流动相中的浓度（1）分配系数K

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。K=

分配系数是由组分和固定相的热力学性质决定的，它仅与固定相和温度两个变量有关。与两相体积、柱管的特性以及所使用的仪器无关。18（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物质的量之比。即

k=ns/nLk值是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要参数。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。19（3）分配系数K与分配比k的关系

K=Cs/CL=nsVL/nL

VS=k.

相比率（β）：色谱柱中气相与液相体积之比。

=V

L/VS

20（4）等温线和分离条件等温线：指一定温度下，某组分在两相中分配达平衡时，在两相中的浓度关系曲线。线性等温线理想→对称峰非线性等温线凸形→拖尾峰凹形→前伸峰斜率=K对称峰前伸峰拖尾峰21线性等温线（理想）→对称峰非线性等温线凸形→拖尾峰凹形→前沿峰固定相表面活性吸附中心未达饱和，K一定，与溶质浓度无关

固定相表面吸附中心活性不均，K不同,先占据强吸附中心,再占据弱吸附中心，K随着溶质浓度的增加而减小溶质与固定相作用，改变其表面性质,K随着溶质浓度的增加而增加斜率=K对称峰前沿峰拖尾峰229、相对保留值ri,s（选择性系数α）：某组分i与s的调整保留值之比。由于相对保留值只与柱温及固定相的性质有关，而与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关，因此它是色谱法中，特别是气相色谱法中广泛使用的定性数据。这里，组分s为标准样品，i为其它待求组分。可见，相对保留值可能大于1，也可能小于1。

在多元组分混合物中，通常选择一对最难分离的物质对，将他们的相对保留值作为重要参数。2310、保留指数IX：以色谱图上位于待测物X两侧的相邻正构烷烃的保留值为基准，用对数内差法求得。这是定性指标的一种参数。对于正构烷烃，规定其保留指数为碳原子数乘100。z+1xztc24作业1由气相色谱分析中获得下列数据。死时间是多少？并分别计算A和B的保留时间和调整保留时间。3.762.330.15保留时间（min）BA空气组分名称作业2在一色谱图上有六个色谱峰，各个峰的保留时间如下：（单位：min）空气2.5；正庚烷16.4；正己烷9.0；甲苯19.2；环己烷15.1；正辛烷31.5计算甲苯和环己烷的保留指数。25作业3：计算分离度（单位：分钟）

0.110.090.130.110.230.2026一、关于塔板理论的假设在柱内一小段长度（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），简称板高。对于一根长为L的色谱柱，平衡的次数应为

n=L/Hn称为理论塔板数塔板模型将一根色谱柱视为一个精馏塔，即色谱柱是由一系列连续的、相等的水平塔板组成。第二节塔板理论27载气L01234n=H与精馏塔一样，色谱柱的柱效随理论塔板数的增加而增加，随板高的增大而减小。283.所有组分开始时存在于第0号塔板上，而且样品沿轴（纵）向扩散可忽略。2.载气进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进入载气为一个塔板体积。载气LH294.假定组分在所有的塔板上都是线性等温分配。分配系数（K）在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关，这就是所谓的线性色谱。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。2.载气进入色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。载气LH30二、塔板理论简介1、以图形讲解塔板理论的实质2、用表格将图形抽象化31载气01234Ln=H载气1005050K=1样品=100当量000000252525250505032载气01234Ln=H载气10005050505000252525252525252500VVCC3313.724.716.67.21.80.2913.727.422.011.13.20.4811.827.427.416.56.60.877.923.531.323.59.51.663.215.731.331.315.73.2506.32537256.340012.537.537.512.53000255025200005050100000100043210体积柱后样品塔板号载气100当量的物质在柱中及柱后的分布情况34组分流出

的百分数流动相进入的塔板数35CV物质A和B在色谱柱中的分配及流出曲线β＝1，n=11KA=1/3KB=336

1、理论塔板数n大于50时，可得到基本对称的峰形曲线。在气相色谱柱的n约为103~106

，因而这时的流出曲线可趋近于正态分布曲线。

2、当样品进入色谱柱后，只要各组分在两相间的分配系数有微小差异，仍可获得良好的分离。

3、n与半峰宽及峰底宽的关系式为：

n=5.54(tR/Wh/2)2=16(tR/W)2

式中tR

与Wh/2(W)应采用同一单位（时间或距离、体积）。从公式可以看出，在tR

一定时，如果色谱峰很窄，则说明n越大，H越小，柱效能越高。

三、塔板理论的结论37有效塔板数

neff=5.54(tR

/Wh/2)2=16(tR

/W)2

有效板高：Heff=L/neff在不同的色谱条件下，对不同物质求算理论塔板数不同，因此在说明柱效时，除了注明色谱条件，还应指出用何种物质进行测量。对以上三点结论进行修正：38例已知某组分峰的峰底宽为40s，保留时间为400s

，计算此色谱柱的理论塔板数。四、塔板理论的应用tctRW

解：n=16(tR/W)2

=16

（400/40）2

=1600块39塔板理论的不足：只定性给出塔板高度的概念，却无法解释影响板高的因素；排除了一个重要参数——流动相的线速度u，因而无法解释柱效与流速关系，更无法提出降低板高的途径。第三节速率理论

载气流速对柱效的影响：FC(mL/min)4513002100230014520n40一、气相色谱速率理论FC(mL/min)4513002100230014520n1）FC<45,传质速率适应分配平衡的要求2）FC>45,纵向扩散的影响减小以上均与扩散有关411956年，VanDeemter（荷兰）在g-lGC中，引入板高的概念，并从动力学角度较好地解释了影响柱效的因素。涡流扩散项分子扩散项传质阻力项假设：1）两相间分配瞬时完成2）相邻塔板间无纵向扩散要求：1）载气流速慢2）载气流速快42涡流扩散项系数分子扩散项系数传质阻力项系数VanDeemter方程气相传质阻力系数液相传质阻力系数C=Cg+ClH∝A,B,C，峰越尖锐，柱效，，一定，三个常数­­¯¯nHu43流速与柱效的关系44①②③(1)涡流扩散项：A

产生原因：载气携样品进入色谱柱，遇到来自固定相颗粒的阻力→路径不同→涡流扩散涡流扩散项系数45(2)纵向扩散项（分子扩散项）：B/u产生原因：纵向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。影响因素：46载体载气固定液气液界面固液界面(3)传质阻力项：C·u47产生原因：如果载体表面有比较多的毛细深孔，那么在载体表面上的固定液膜厚度不均匀，增加了样品在溶解和挥发的时间，从而造成谱峰扩张。①气相传质过程在气相和气液界面上②液相传质过程在气液界面和固定相间48对于填充柱GC传质阻力项系数C对于g－lGC传质阻力项系数C附：相比率（β）为色谱柱中气相与液相体积之比。

=V

L/