色谱理论基础

色谱理论基础塔板理论假定:①塔板之间不连续;②塔板之间无分子扩散;③组分在各塔板内两相间得分配瞬间达至平衡,达一次平衡所需柱长为理论塔板高度H;④某组分在所有塔板上得分配系数K相同;⑤流动相以不连续方式加入,即以一个一个得塔板体积加入。当塔板数n较少时,组分在柱内达分配平衡得次数较少,流出曲线呈峰形,但不对称;当塔板数n>50时,峰形接近正态分布。

根据呈正态分布得色谱流出曲线可以导出计算塔板数n得公式,用以评价一根柱子得柱效。由于色谱柱并无真正得塔板,故塔板数又称理论塔板数:

上式中,tR为保留时间;W1/2为半峰宽(以时间为单位);Wb为峰底宽度(以时间为单位)。可见,理论塔板数n由组分保留值和峰宽决定。

若柱长为L,则每块理论塔板高度H为:

由上述两式知道,理论塔板数n越多、理论塔板高度H越小、色谱峰越窄,则柱效越高。上述两式包含死时间t0,她与组分在柱内得分配无关,因此不能真正反映色谱柱得柱效。通常以有效理论塔板数neff和有效理论塔板高度Heff表示:有关塔板理论得说明①说明柱效时,必须注明该柱效就是针对何种物质、固定液种类及其含量、流动相种类及流速、操作条件等;②应定期对柱效进行评价,以防柱效下降,延长柱寿命。③塔板理论描述了组分在柱内得分配平衡和分离过程,导出流出曲线得数学模型,解释了流出曲线形状和位置,提出了计算和评价柱效得参数。

但该理论就是在理想情况下导出得,未考虑分子扩散因素、其她动力学因素对柱内传质得影响。因此她不能解释:峰形为什么会扩张？影响柱效得动力学因素就是什么？

1956年,荷兰化学工程师VanDeemter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。该理论吸收了塔板理论中得塔板高度H得概念,同时考虑了组分在两相间得扩散和传质过程,导出了速率理论方程式,较完善地解释了影响塔板高度得各种因素。适用于气相色谱和液相色谱。二、速率理论(Ratetheory)VanDeemter方程:

式中,

u为流动相线速度;A、B、C为常数。

A—分别表示涡流扩散项系数;B—分子扩散项系数;C—传质阻力项系数(包括液相和固相传质阻力系数)该式从动力学角度很好地解释了影响板高(柱效)得各种因素。任何减少方程右边三项数值得方法,都可降低H,从而提高柱效。

1、涡流扩散项A(Multipathterm)在填充柱中,由于受到固定相颗粒得阻碍,组分在迁移过程中随流动相不断改变方向,形成紊乱得“涡流”。从图中可见,因填充物颗粒大小及填充得不均匀性——同一组分运行路线长短不同——流出时间不同——峰形展宽。流动方向展宽程度以A表示:A=2dp其中dp—填充物平均直径;—填充不规则因子。

可见,使用细粒得固定相并填充均匀可减小A,提高柱效。对于空心毛细管柱,无涡流扩散,即A=0。流动方向11大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流

2、纵向扩散项B/u(Longitudinaldiffusionterm)纵向分子扩散就是由于浓度梯度引起得。当样品被注入色谱柱时,她呈“塞子”状分布。随着流动相得推进,“塞子”因浓度梯度而向前后自发地扩散,使谱峰展宽。其大小B=2Dm—弯曲因子,表示固定相几何形状对自由分子扩散得阻碍情况;Dm—组分在流动相中得扩散系数。讨论流动相分子量大,Dg小,即B小Dg随柱温升高而增加,随柱压降低而减小;u增加,组分停留时间短,纵向扩散小;(B/u)

对于液相色谱,因Dm较小,B

项可忽略。球状颗粒大分子量流动相适当增加流速短柱低温B=2Dm

3、传质阻力项Cu(Mass-transferterm)因传质阻力得存在,使分配不能“瞬间”达至平衡,因此产生峰形展宽。气相色谱以气体为流动相,液相色谱以液体为流动相,二者传质过程不完全相同。传质阻力项C包括流动相传质阻力系数Cm和固定相传质阻力系数Cs。讨论减小填充颗粒直径dp。采用分子量小得流动相,使组分在气相中得扩散系数Dg增加。减小液膜厚度df,液相传质阻力系数Cl下降。但此时k又减小。因此,当保持固定液含量不变时,可通过增加固定液载体得比表面来降低df。但比表面过大又会因吸附过强使峰拖尾。增加柱温,可增加组分在液相中得扩散系数Dl,但k值也减小,为保持合适Cl值,应控制柱温。当u一定时,仅在A、B和C较小时,H较小,柱效较高;反之,则柱效较低,色谱峰将展宽。以u对H作图,可得H-u曲线(如左图),从该曲线得到:板高,H(cm)HminA+B/u+CuCmuCsuAB/u4、流速u由VanDeemter方程H=A+B/u+Cu可知

涡流扩散项A与流速u无关;

低流速区(u小),B/u大,分子扩散项占主导,此时选择分子量大得气体如N2和Ar为载气,可减小扩散,提高柱效;

高流速区(u大),Cu大,传质阻力项占主导,此时选择分子量小得气体如H2和He为载气,可增加扩散系数,提高柱效;

曲线得最低点对应最佳线速(uopt)下得最小板高Hmin。H=A+B/u+Cu

单独用柱效或选择性不能真实反映组分在色谱柱中得分离情况,需要引进一个综合指标—分离度,作为色谱柱总分离效能得指标。三、分离度(Resolution)R=1.5R=0.75R=1.0响应信号保留时间t,min就是同时反映色谱柱效能和选择性得综合性指标,也称总分离效能指标或分辨率。定义为:

利用此式,可直接从色谱流出曲线上求出分离度R越大,相邻组分分离越好。当R=1、5时,分离程度可达99、7%,R=1、5通常用作就是否分开得判据。R=1.5R=0.75R=1.0响应信号保留时间t,min分离度R就是柱得总分离效能指标,既反映两组分保留值得差值,即固定液对两组分得选择性r2,1得大小(由固定液得热力学性质决定),又考虑到色谱峰宽度对分离得影响,即柱效能neff得高低(取决于色谱过程得动力学因素)。对于相邻得两组分,假设其色谱峰底宽相等,即Wb1=Wb2,可导出R与neff、和r2,1得关系式色谱基本分离方程70%CH3OH+30%H2O60%CH3OH+40%H2O50%CH3OH+50%H2O40%CH3OH+60%H2O溶剂(流动相)组成对色谱分离得影响1:9,10-蒽醌;2:2-甲基-9,10-蒽醌;3:2-乙基-9,10-蒽醌4:1,4-二甲基-9,10-蒽醌;5:2-特丁基甲基-9,10-蒽醌改变组成使k

最佳色谱分离中的问题由于分析物组成复杂，以某组成的流动相可能使部分待测物得到好的分离，但同时出使其它待测物的分离不令人满意。实际工作中采用程序升温（GC）和梯度淋洗（LC）来解决这个问题。§15-4色谱定性定量分析一、定性分析

色谱定性分析就就是确定各色谱峰所代表得化合物。

1、利用保留值定性

(1)利用已知物保留值对照定性

当有待测组分得纯样品时,用对照法进行定性极为简单。用已知物质与未知样对照定性,就是色谱分析中最可靠得定性方法。定性依据就是保留值。(2)相对保留值法