材料測試 第四章色譜導論(節(jié)選).

1、第四章第四章: 色譜分析方法導論色譜分析方法導論主要內容主要內容1 1 概述概述歷史、色譜分離過程、分類歷史、色譜分離過程、分類2 2 色譜學基本概念色譜學基本概念色譜圖及相關術語色譜圖及相關術語3 3 色譜法基本原理色譜法基本原理描述分配過程參數(shù)、峰間距、峰形狀和峰寬的理論描述分配過程參數(shù)、峰間距、峰形狀和峰寬的理論描述描述( (塔板理論及速率理論塔板理論及速率理論) )4 4 分離度及色譜分離方程分離度及色譜分離方程分離度及色譜分離方程、影響分離的因素分離度及色譜分離方程、影響分離的因素5 5 凝膠滲透色譜法測定聚合物相對分子質量凝膠滲透色譜法測定聚合物相對分子質量第四章第四章: : 色譜

2、分析方法導論色譜分析方法導論 色譜技術的發(fā)展歷史：色譜技術的發(fā)展歷史：19031903年年，俄國植物學家最先發(fā)明。他采用填充有，俄國植物學家最先發(fā)明。他采用填充有固體固體CaCOCaCO3 3細粒子吸附劑的玻璃柱，將植物色細粒子吸附劑的玻璃柱，將植物色素的混合物加于柱頂端，然后以溶劑淋洗，原素的混合物加于柱頂端，然后以溶劑淋洗，原本混合在一起的各種色素得到分離，被分離的本混合在一起的各種色素得到分離，被分離的組份在柱中顯示了不同的組份在柱中顯示了不同的色帶色帶，他稱之為，他稱之為色譜色譜。分離時所用的分離時所用的玻璃管玻璃管稱為稱為色譜柱色譜柱，管內裝，管內裝填充物填充物稱為稱為固定相固定相，

3、淋洗劑淋洗劑稱為稱為流動相流動相。后來這種分離色素的方法廣泛用來分離后來這種分離色素的方法廣泛用來分離無色無色物質，物質，色譜色譜這一名稱沿用至今。這一名稱沿用至今。第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.1 4.1 概述概述chromatograph krumtr:f 色譜4.1 4.1 概述概述分析過程中，待測物與潛在干擾物的分析過程中，待測物與潛在干擾物的分離分離是最為重要的步驟！是最為重要的步驟！20 20 世紀中期以前，主要采用經(jīng)典的分離方世紀中期以前，主要采用經(jīng)典的分離方法：沉淀、蒸餾和萃取等。法：沉淀、蒸餾和萃取等。現(xiàn)代分析中，大量采用現(xiàn)代分析中，大量采用色譜色譜

4、和電泳分離方和電泳分離方法。法。迄今為止，迄今為止，色譜方法色譜方法是最為有效的分離手是最為有效的分離手段！其應用涉及每個科學領域。段！其應用涉及每個科學領域。第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論u使用外力使含有樣品的流動相（氣體、液體或超臨界流體）通過一固定于柱或平板上、與流動相互不相溶的固定相表面。u樣品中各組份在兩相中進行不同程度的作用。與固定相作用強的組份隨流動相流出的速度慢，反之，與固定相作用弱的組份隨流動相流出的速度快。u由于流出速度的差異，使得混合組份最終形成各個單組份的“帶(band)”或“區(qū)(zone)”，對依次流出的各個單組份物質可分別進行定性、定量分析。第

5、四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.1 4.1 概述概述 色譜分離基本原理色譜分離基本原理 色譜法色譜法實質上是這樣一種實質上是這樣一種物理化學分離方法物理化學分離方法，即利用不同物質在兩相（固定相和流動相）中具即利用不同物質在兩相（固定相和流動相）中具有不同的分配系數(shù)（或吸附系數(shù)、滲透性等），有不同的分配系數(shù)（或吸附系數(shù)、滲透性等），當兩相作相對運動時，這些物質在兩相中反復多當兩相作相對運動時，這些物質在兩相中反復多次分配，從而使各物質得到完全的分離。次分配，從而使各物質得到完全的分離。 色譜分類方法：色譜分類方法：1) 按按固定相外形固定相外形分：分： 柱色譜（填充柱、空

6、心柱）柱色譜（填充柱、空心柱） 平板色譜（薄層色譜和紙色譜）平板色譜（薄層色譜和紙色譜）2) 按組份在固定相上的按組份在固定相上的分離機理分離機理分：分： 吸附色譜：不同組份在固定相的吸附色譜：不同組份在固定相的吸附吸附作用不同；作用不同； 分配色譜：不同組份在固定相上的分配色譜：不同組份在固定相上的溶解溶解能力（能力（分配系數(shù)分配系數(shù)）不同；）不同； 離子交換色譜：不同組份在固定相（離子交換劑）上的離子交換色譜：不同組份在固定相（離子交換劑）上的親和力親和力（交換能力）（交換能力）不同；不同； 凝膠色譜（尺寸排阻色譜）：不同尺寸分子在凝膠色譜（尺寸排阻色譜）：不同尺寸分子在多孔多孔固定相上的

7、固定相上的滲透滲透作用的區(qū)別。作用的區(qū)別。第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.1 4.1 概述概述紙色譜：利用濾紙作載體，吸附在紙上的水作固定相；紙色譜：利用濾紙作載體，吸附在紙上的水作固定相；薄層色譜：將固體吸附劑在玻璃板或塑料板上制成薄層作固定相。薄層色譜：將固體吸附劑在玻璃板或塑料板上制成薄層作固定相。 第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論3) 按按兩相狀態(tài)兩相狀態(tài)分分第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.1 4.1 概述概述 色譜法中，流動相可以是氣體，也可以是液體，由此可分為氣相色譜法（GC）和液相色譜法（LC）。 固定相既可以是

8、固體，也可以是涂在固體上的液體，由此又可將氣相色譜法和液相色譜法分為氣-液色譜、氣-固色譜、液-固色譜、液-液色譜。分類情況如下：色譜法色譜法液相色譜法液相色譜法氣相色譜法氣相色譜法氣氣- -液色譜法液色譜法氣氣- -固色譜法固色譜法液液- -固色譜法固色譜法液液- -液色譜法液色譜法第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念（1）色譜分離過程：）色譜分離過程：多組分混合物在流動相帶動下通多組分混合物在流動相帶動下通過色譜固定相，實現(xiàn)各組分分離。過色譜固定相，實現(xiàn)各組分分離。 樣品在色譜體系或柱內運行的樣品在色譜體系或柱內運行的兩個基本特點

9、兩個基本特點：A. 混合物中混合物中不同組分不同組分在柱內的在柱內的差速遷移差速遷移(differential migration)；B. 同種組分同種組分分子在色譜體系遷移過程中分子在色譜體系遷移過程中分子分布離散分子分布離散(spreading)。差速遷移：不同組分通過色譜系統(tǒng)時移動速度差速遷移：不同組分通過色譜系統(tǒng)時移動速度不同，組分通過色譜柱的速度，取決于各組分不同，組分通過色譜柱的速度，取決于各組分在色譜體系中的平衡分布。影響平衡分布的因在色譜體系中的平衡分布。影響平衡分布的因素，即流動相和固定相的素，即流動相和固定相的性質性質、色譜、色譜柱溫柱溫等影等影響組分的遷移速度。響組分的遷

10、移速度。分子離散：指同一化合物分子沿色譜柱遷移過分子離散：指同一化合物分子沿色譜柱遷移過程中發(fā)生程中發(fā)生分子分布擴展分子分布擴展或或分子離散分子離散。這種差別。這種差別不是由于平衡分布不同，而是來源于流體分子不是由于平衡分布不同，而是來源于流體分子運動的運動的速率速率差異。差異。第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念（2） 色譜流出曲線（色譜圖色譜流出曲線（色譜圖chromatogram） A、B兩組份混合物合組分的兩組份混合物合組分的分離過

11、程及檢測器對各組份分離過程及檢測器對各組份在不同階段的響應在不同階段的響應第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念 色譜譜帶或色譜區(qū)帶描述試樣各組分在色譜柱內差速遷色譜譜帶或色譜區(qū)帶描述試樣各組分在色譜柱內差速遷移和分子離散形成的濃度分布。移和分子離散形成的濃度分布。 色譜圖是柱流出物通過檢測器產(chǎn)生的響應信號對時間或色譜圖是柱流出物通過檢測器產(chǎn)生的響應信號對時間或流動相流出體積的關系曲線圖。它反映分離的各組分從流動相流出體積的關系曲線圖。它反映分離的各組分從色譜柱洗出濃度隨時間的變化，從一個側面記錄下組分色譜柱洗出濃度隨時間的變化，從一個

12、側面記錄下組分在住內運行的情況在住內運行的情況。（2 2） 色譜流出曲線（色譜圖色譜流出曲線（色譜圖chromatogramchromatogram）第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論（2 2） 色譜流出曲線（色譜圖色譜流出曲線（色譜圖chromatogramchromatogram）4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念色譜圖：色譜圖：以組分濃度為縱坐標，以組分濃度為縱坐標， 流出時間為橫坐標，繪得的組流出時間為橫坐標，繪得的組分及其濃度隨時間變化的曲線，也稱色譜流出曲線。分及其濃度隨時間變化的曲線，也稱色譜流出曲線。 經(jīng)色譜柱分離經(jīng)色譜柱分離后的各組分隨載氣后的各組

13、分隨載氣進至檢測器，產(chǎn)生進至檢測器，產(chǎn)生檢測信號并由記錄檢測信號并由記錄儀依次給出各個組儀依次給出各個組分的色譜峰形圖，分的色譜峰形圖，即即色譜圖色譜圖。色譜圖的基本特征：色譜圖的基本特征： 在適當?shù)纳V條件下，樣品中每個組分在適當?shù)纳V條件下，樣品中每個組分均有相應的色譜峰，色譜峰一般呈對稱的高均有相應的色譜峰，色譜峰一般呈對稱的高斯曲線。斯曲線。 u 色譜圖是色譜分析的主要技術資料。色譜圖應標明色譜流動相、固定色譜圖是色譜分析的主要技術資料。色譜圖應標明色譜流動相、固定相、操作條件、檢測器的類型和操作參數(shù)，樣品類型及有關說明等。相、操作條件、檢測器的類型和操作參數(shù)，樣品類型及有關說明等。第

14、四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念（2 2） 色譜流出曲線（色譜圖色譜流出曲線（色譜圖chromatogramchromatogram）色譜峰的色譜峰的區(qū)域寬度區(qū)域寬度與組分的洗出時間與組分的洗出時間( (即即保留時間保留時間) )一般呈線性一般呈線性關系峰半高寬度或峰底寬度隨組分保留時間呈線性增加。如果關系峰半高寬度或峰底寬度隨組分保留時間呈線性增加。如果連續(xù)的色譜峰其中一個峰的半高寬度不規(guī)則增大，則可能該色譜連續(xù)的色譜峰其中一個峰的半高寬度不規(guī)則增大，則可能該色譜峰中有一個以上組分。峰中有一個以上組分。第四章第四章: : 色譜分析

15、方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念（3 3） 色譜基本術語色譜基本術語 是是時間保留值、體積保留值時間保留值、體積保留值的總稱，說明組分在色譜柱內的總稱，說明組分在色譜柱內停留的時間，描述組分從柱內流出的順序。停留的時間，描述組分從柱內流出的順序。 反映了組分與固定相反映了組分與固定相相互作用力相互作用力的大小，故與兩者的物理的大小，故與兩者的物理化學性質有關。保留值取決于組分和固定相的分子結構，是色化學性質有關。保留值取決于組分和固定相的分子結構，是色譜譜定性的依據(jù)定性的依據(jù)。（a a）保留值）保留值 第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.

16、2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念（3 3） 色譜基本術語色譜基本術語 保留時間保留時間t tR R：指待測指待測組分從進樣到柱后出現(xiàn)組分從進樣到柱后出現(xiàn)濃度最大值時所需的時濃度最大值時所需的時間間, , 如圖中的如圖中的O BO B。死時間死時間t tMM：指不與固指不與固定相作用的氣體（如空定相作用的氣體（如空氣、甲烷等）的保留時氣、甲烷等）的保留時間，如圖中間，如圖中OAOA所示。（a a）保留值）保留值 第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念（3 3） 色譜基本術語色譜基本術語 調整保留時間調整保留時間 t tR R：指扣

17、指扣除了死時間的保留時間，除了死時間的保留時間，如圖中的如圖中的ABAB。 即即：ttR R = t = tR R t tM M注意：注意：當固定相一定，在確定的實驗條件下，任何物質都有一定當固定相一定，在確定的實驗條件下，任何物質都有一定的保留時間，它是色譜分析法的基本參數(shù)。的保留時間，它是色譜分析法的基本參數(shù)。（a a）保留值）保留值 ,保留體積保留體積V VR R：指從進樣到柱后：指從進樣到柱后出現(xiàn)待測組分濃度極大值時所出現(xiàn)待測組分濃度極大值時所通過的載氣體積。通過的載氣體積。 V VR Rt tR R F F0 0F F0 0: :色譜柱出口處載氣流速色譜柱出口處載氣流速 （mLmL/

18、min/min）死體積死體積V VM M：指色譜柱內除了填：指色譜柱內除了填充物固定相以外的空隙體積、充物固定相以外的空隙體積、色譜儀中管路和連接頭間的空色譜儀中管路和連接頭間的空間及檢測器的空間的總和。間及檢測器的空間的總和。 V VM Mt tM MF F0 0調整保留體積調整保留體積VVR R：指扣除了死：指扣除了死體積后的保留體積。體積后的保留體積。第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念（3 3） 色譜基本術語色譜基本術語 用體積表示的保留值用體積表示的保留值（a a）保留值）保留值 第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析

19、方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念（3 3） 色譜基本術語色譜基本術語 （b b）相對保留值相對保留值相對保留值相對保留值 r r2121： 指組分指組分2 2和組分和組分1 1調整保留值調整保留值之比，是一個無因次量。之比，是一個無因次量。 r r2121 = t = tR2 R2 /t/tR1R1 = V = VR2R2 /V /VR1R1注意：注意：相對保留值只與相對保留值只與柱溫柱溫及及固定相性質有關固定相性質有關，與其他色譜操作，與其他色譜操作條件條件( (柱內徑、柱長柱內徑、柱長L、填充情況及流動相流速等、填充情況及流動相流速等) )無關，它表示了無關，它表示了色

20、譜柱對這兩種組分的選擇性色譜柱對這兩種組分的選擇性-GCGC中中廣泛用于定性的依據(jù)廣泛用于定性的依據(jù)。第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念（3 3） 色譜基本術語色譜基本術語 （b b）相對保留值相對保留值 具體做法：固定一個色譜峰為標準具體做法：固定一個色譜峰為標準 s，然后再求其它峰，然后再求其它峰 i 對標準峰的相對保留值，此時以對標準峰的相對保留值，此時以 表示：表示： 1, , 又稱選擇因子又稱選擇因子( )( )rst it s第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念

21、（3 3） 色譜基本術語色譜基本術語 （c c）區(qū)域寬度：）區(qū)域寬度：峰高峰高 h h：是色譜峰頂?shù)交€的：是色譜峰頂?shù)交€的距離。距離。h h、是描述色譜流出曲是描述色譜流出曲線形態(tài)的兩個重要參數(shù)。線形態(tài)的兩個重要參數(shù)。 標準偏差標準偏差：1/2EF1/2EF1/4IJ1/4IJ（1/4W1/4Wb b）即即0.6070.607倍峰高處色譜峰寬度的倍峰高處色譜峰寬度的一半一半。 可用于衡量色譜柱的柱效及反映色譜操作條件下的動力學因素。可用于衡量色譜柱的柱效及反映色譜操作條件下的動力學因素。寬度越窄，其效率越高，分離的效果也越好。寬度越窄，其效率越高，分離的效果也越好。第四章第四章: : 色譜

22、分析方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念（3 3） 色譜基本術語色譜基本術語 （c c）區(qū)域寬度）區(qū)域寬度 半峰寬半峰寬Y Y1/21/2: : 峰高一半處色譜峰高一半處色譜峰的寬度。峰的寬度。如圖中的GHGH。 半峰寬與標準偏差的關系為：注意：由于半峰寬容易測量，使用方便，所以一般用它來表示注意：由于半峰寬容易測量，使用方便，所以一般用它來表示區(qū)域寬度區(qū)域寬度。354. 22ln22Y2/1第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念（3 3） 色譜基本術語色譜基本術語 （c c）區(qū)域寬度）區(qū)域寬度峰基寬度W

23、b：即通過流出曲線的拐點所作的切線在基線的截距，如圖I J所示。Wb與的關系： Wb 4第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念（4 4）色譜法中的主要參數(shù)和關系式色譜法中的主要參數(shù)和關系式 分配系數(shù)分配系數(shù)K Kp p和容量因子和容量因子KK（a a）分配系數(shù)）分配系數(shù)K Kp p：組分在固定相和流動相間發(fā)生的吸附、脫附，或溶解、揮發(fā)的過組分在固定相和流動相間發(fā)生的吸附、脫附，或溶解、揮發(fā)的過程叫做分配過程。這種分離過程經(jīng)常用樣品分子在兩相間的分配程叫做分配過程。這種分離過程經(jīng)常用樣品分子在兩相間的分配來描述，描述這種分配的參數(shù)稱為分配

24、系數(shù)。來描述，描述這種分配的參數(shù)稱為分配系數(shù)。分配系數(shù)是由組分和固定相的熱力學性質決定的，它是每一個溶質分配系數(shù)是由組分和固定相的熱力學性質決定的，它是每一個溶質的特征值，與流動相、固定相和溫度有關。的特征值，與流動相、固定相和溫度有關。分配系數(shù)分配系數(shù)K Kp p：定溫定壓下，組分在固定相和流動相之間分配達平衡時定溫定壓下，組分在固定相和流動相之間分配達平衡時的的濃度比濃度比（g/mLg/mL） 。 K KP PAAs s / A / Am m （s s固定相；固定相； m m流動相流動相）第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念（4

25、4）色譜法中的主要參數(shù)和關系式色譜法中的主要參數(shù)和關系式 （a a）分配系數(shù)）分配系數(shù)K Kp p：n試樣品一定時，試樣品一定時，K 主要取決于固定相性質主要取決于固定相性質n每個組份在各種固定相上的分配系數(shù)每個組份在各種固定相上的分配系數(shù)K不同；不同；n選擇適宜的固定相可改善分離效果；選擇適宜的固定相可改善分離效果；n一定溫度下，組分的分配系數(shù)一定溫度下，組分的分配系數(shù) K 越大，出峰越慢；越大，出峰越慢；n試樣中的各組分具有不同的試樣中的各組分具有不同的K值是分離的基礎；值是分離的基礎；n某組分的某組分的K = 0時，即不被固定相保留，最先流出。時，即不被固定相保留，最先流出。第四章第四章

26、: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念（4 4）色譜法中的主要參數(shù)和關系式色譜法中的主要參數(shù)和關系式 （a a）分配系數(shù)）分配系數(shù)K Kp p：當分配次數(shù)足夠多時，就能將具有不同當分配次數(shù)足夠多時，就能將具有不同 K 的組分分開。所以，的組分分開。所以，可以認為，氣相色譜法是利用不同的物質具有不同的可以認為，氣相色譜法是利用不同的物質具有不同的 K 而進行而進行分離的。而分離的。而 K 的不同則是由于各組分在固定相中的溶解度（對的不同則是由于各組分在固定相中的溶解度（對氣氣- -液色譜）或吸附能力（對氣液色譜）或吸附能力（對氣- -固色譜）不同而造

27、成的。固色譜）不同而造成的。第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念（4 4）色譜法中的主要參數(shù)和關系式色譜法中的主要參數(shù)和關系式 （b b）容量因子）容量因子K K (分配比分配比) )： 在一定溫度和壓力下，組份在兩相間的分配達平衡時，分配在一定溫度和壓力下，組份在兩相間的分配達平衡時，分配在固定相和流動相中的質量比，稱為分配比。又稱保留因子，在固定相和流動相中的質量比，稱為分配比。又稱保留因子，也叫容量因子或容量比。也叫容量因子或容量比。 反映了組分在柱中的遷移速率。反映了組分在柱中的遷移速率。 與分配系數(shù)、兩相體積有關，表示溶質與

28、分配系數(shù)、兩相體積有關，表示溶質A A在兩相中的質量之比。在兩相中的質量之比。 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流動相）流動相）注：注：KPAs / Am 第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念（c c）分配系數(shù)分配系數(shù)K Kp p和體積保留值和體積保留值V VR R的關系的關系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當流動相流速一定時有：當流動相流速一定時有： KK（t tR Rt tM M）/t/tM M ttR R/t/tM M （t tR R：保留時間：保留時間 ，t tM M：死時間，：死時間，KK：分配比分配比） 從上兩式可以看到，色譜分析法中各組分保留值隨從上兩式可以看到，色譜分析法中各組分保留值隨KK而變而變化，而化，而t tM M 、t tR R都可以從色譜圖上測得，從而可以求出都可以從色譜圖上測得，從而可以求出KK。容量。容量因子因子KK是描述溶質保留行為的一個重要參數(shù)。是描述溶質保留行為的一個重要參數(shù)。（4 4）色譜法中的主要參數(shù)和關系式色譜法中的主要參數(shù)

30、和關系式 第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念（d d）分離比分離比a a（4 4）色譜法中的主要參數(shù)和關系式色譜法中的主要參數(shù)和關系式 色譜分析法中色譜分析法中A A、B B兩種物質的兩種物質的分離效率分離效率可用可用分離比分離比表示。當兩表示。當兩相體積一定時，分離比與保留值的關系為：相體積一定時，分離比與保留值的關系為： 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在色譜法中，在色譜法中，分離比等于分離比等于被分離兩種物質

31、的被分離兩種物質的調整保留值之比調整保留值之比。 ttR(B)R(B)/ t/ tR(A)R(A)B B，A A也稱也稱相對保留值相對保留值。選擇因子選擇因子 ：色譜柱對：色譜柱對A A、B B 兩組分的選擇因子兩組分的選擇因子 定義如下：定義如下：( )( )rBBrAAt BkKtAkKA A為先流出的組分，為先流出的組分，B B 為后流出的組分。為后流出的組分。第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念（4 4）色譜法中的主要參數(shù)和關系式色譜法中的主要參數(shù)和關系式 注意：K 或 k

32、反映的是某一組分在兩相間的分配；而分離比 是反映兩組分間的分離情況！當兩組分 K 或 k 相同時， =1 時，兩組分不能分開；當兩組分 K 或 k 相差越大時， 越大，分離得越好。也就是說，兩組分在兩相間的分配系數(shù)不同，是色譜分離的先決條件。 和 k 是計算色譜柱分離效能的重要參數(shù)！下圖是下圖是 A A、B B兩組分沿色譜柱移動時，不同位置處的濃度輪廓兩組分沿色譜柱移動時，不同位置處的濃度輪廓。 溶質溶質A A和和B B在沿柱移動時不同位置處的濃度輪廓在沿柱移動時不同位置處的濃度輪廓第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念（4 4）色譜法

33、中的主要參數(shù)和關系式色譜法中的主要參數(shù)和關系式 濃度濃度沿柱移動距離沿柱移動距離 L LABABKA KB第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念若使若使A A、B B組分完全分離，必須滿足以下三點：組分完全分離，必須滿足以下三點： 第一第一，兩組分的，兩組分的分配系數(shù)必須有差異分配系數(shù)必須有差異； 第二第二，區(qū)域，區(qū)域擴寬的速率應小于區(qū)域分離擴寬的速率應小于區(qū)域分離的速度；的速度； 第三第三，在保證快速分離的前提下，提供，在保證快速分離的前提下，提供足夠長足夠長的色譜柱。的色譜柱。 第一、二點是完全分離的必要條件。第一、二點是完全分離的

34、必要條件。作為一個色譜理論，不僅應說明組分在色譜柱中移動的速率，作為一個色譜理論，不僅應說明組分在色譜柱中移動的速率，而且應說明組分在移動過程中引起區(qū)域擴寬的各種因素。而且應說明組分在移動過程中引起區(qū)域擴寬的各種因素。塔板理論和速率理論均以色譜過程中分配系數(shù)恒定為前提，塔板理論和速率理論均以色譜過程中分配系數(shù)恒定為前提，故稱為線性色譜理論。故稱為線性色譜理論。色譜流出曲線的意義：色譜流出曲線的意義： 色譜峰數(shù)色譜峰數(shù)=樣品中單組份的最少個數(shù)樣品中單組份的最少個數(shù) 色譜保留值色譜保留值定性依據(jù)定性依據(jù) 色譜峰高或面積色譜峰高或面積定量依據(jù)定量依據(jù) 色譜保留值或區(qū)域寬度色譜保留值或區(qū)域寬度色譜柱分

35、離效能評價指標色譜柱分離效能評價指標 色譜峰間距色譜峰間距固定相或流動相選擇是否合適的依據(jù)固定相或流動相選擇是否合適的依據(jù)響應信號響應信號保留時間保留時間 t, min第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.2 4.2 色譜學基本概念色譜學基本概念第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.3 4.3 色譜學基本理論色譜學基本理論 色譜理論需要解決的問題：色譜分離過程的熱力學和動力學色譜理論需要解決的問題：色譜分離過程的熱力學和動力學問題。影響分離及柱效的因素與提高柱效的途徑，柱效與分問題。影響分離及柱效的因素與提高柱效的途徑，柱效與分離度的評價指標及其關系。組分保

36、留時間為何不同？色譜峰離度的評價指標及其關系。組分保留時間為何不同？色譜峰為何變寬？為何變寬？ 組分保留時間：色譜過程的熱力學因素控制；（組分和固定組分保留時間：色譜過程的熱力學因素控制；（組分和固定液的結構和性質）液的結構和性質） 色譜峰變寬：色譜過程的動力學因素控制；（兩相中的運動色譜峰變寬：色譜過程的動力學因素控制；（兩相中的運動阻力，擴散）阻力，擴散） 兩種色譜理論：兩種色譜理論：塔板理論塔板理論和和速率理論速率理論； 色譜分析的目的是將樣品中各組分彼此分離，色譜分析的目的是將樣品中各組分彼此分離，組分要達到完全分離，兩峰間的距離必須足夠遠，組分要達到完全分離，兩峰間的距離必須足夠遠，

37、兩峰間的距離是由組分在兩相間的分配系數(shù)決定的，兩峰間的距離是由組分在兩相間的分配系數(shù)決定的，即與色譜過程的熱力學性質有關。即與色譜過程的熱力學性質有關。 但是兩峰間雖有一定距離，如果每個峰都很但是兩峰間雖有一定距離，如果每個峰都很寬，以致彼此重疊，還是不能分開。寬，以致彼此重疊，還是不能分開。這些峰的寬或這些峰的寬或窄是由組分在色譜柱中傳質和擴散行為決定的，即窄是由組分在色譜柱中傳質和擴散行為決定的，即與色譜過程的動力學性質有關。與色譜過程的動力學性質有關。 因此，要從熱力學和動力學兩方面來研究色因此，要從熱力學和動力學兩方面來研究色譜行為。譜行為。 第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分

38、析方法導論第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.3 4.3 色譜學基本理論色譜學基本理論（1 1）色譜柱的效能塔板理論色譜柱的效能塔板理論 在在5050年代，色譜技術發(fā)展的初期，年代，色譜技術發(fā)展的初期，MartinMartin等人等人把色譜分離過程比作分餾過程，并把分餾中的把色譜分離過程比作分餾過程，并把分餾中的半經(jīng)驗理論半經(jīng)驗理論塔板理論塔板理論用于色譜分析法。用于色譜分析法。 這理論把色譜柱比作一個這理論把色譜柱比作一個分餾塔分餾塔，假設柱內有，假設柱內有n n個個塔板塔板，在每個塔板高度間隔內，試樣各組分在兩相中分配并達在每個塔板高度間隔內，試樣各組分在兩相中分配并達

39、到平衡，最后到平衡，最后, ,揮發(fā)度大的組分和揮發(fā)度小的組分彼此分揮發(fā)度大的組分和揮發(fā)度小的組分彼此分離，揮發(fā)度大的最先從塔頂（即柱后）逸出。離，揮發(fā)度大的最先從塔頂（即柱后）逸出。盡管這個理論（概念）并不完全符合色譜柱的分離過程，盡管這個理論（概念）并不完全符合色譜柱的分離過程，色譜分離和一般的分餾塔分離有著重大的差別，但是因色譜分離和一般的分餾塔分離有著重大的差別，但是因為這個比喻形象簡明，因此幾十年來一直沿用。為這個比喻形象簡明，因此幾十年來一直沿用。第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.3 4.3 色譜學基本理論色譜學基本理論（1 1）色譜柱的效能塔板理論色譜柱的效能

40、塔板理論 塔板理論塔板理論假定假定：1 1）塔板之間不連續(xù)；）塔板之間不連續(xù)；2 2）塔板之間無分子擴散；）塔板之間無分子擴散；3 3）組分在各塔板內兩相間的分配瞬間達到平衡，）組分在各塔板內兩相間的分配瞬間達到平衡，達一次平衡所需柱長為理論塔板高度達一次平衡所需柱長為理論塔板高度H H；4 4）某組分在所有塔板上的分配系數(shù)相同；）某組分在所有塔板上的分配系數(shù)相同；5 5）流動相以不連續(xù)方式加入，即以一個一個的塔）流動相以不連續(xù)方式加入，即以一個一個的塔板體積加入。板體積加入。第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.3 4.3 色譜學基本理論色譜學基本理論（1 1）色譜柱的效能

41、塔板理論色譜柱的效能塔板理論下面再舉一個例子說明組分在色譜柱中的分配情況。下面再舉一個例子說明組分在色譜柱中的分配情況。為簡單起見，設色譜柱由為簡單起見，設色譜柱由5 5塊塔板（塊塔板（n=5n=5，n n為柱子的塔板數(shù)）為柱子的塔板數(shù)）組成，并以組成，并以r r表示塔板編號表示塔板編號 r=0r=0，1 1，2 2，3 3，4 4，5 5；某組分的分配比；某組分的分配比k=1k=1。 根據(jù)上述假定在色譜分離過程中。該組分的分布可計算根據(jù)上述假定在色譜分離過程中。該組分的分布可計算如下：如下：第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.3 4.3 色譜學基本理論色譜學基本理論（1

42、1）色譜柱的效能塔板理論色譜柱的效能塔板理論 當塔板數(shù)當塔板數(shù)n n 較少時，組分在柱內達分配平衡的次數(shù)較少，流出曲較少時，組分在柱內達分配平衡的次數(shù)較少，流出曲線呈峰形，但不對稱；當塔板數(shù)線呈峰形，但不對稱；當塔板數(shù)n50n50時，峰形接近時，峰形接近正態(tài)分布正態(tài)分布。（a）色譜分離過程：色譜分離過程： 開始時，將單位質量（即開始時，將單位質量（即 m=1m=1）的該組分進入）的該組分進入0 0號號塔板上，然后將流動相以一個板體積（塔板上，然后將流動相以一個板體積（V V）一個板體積）一個板體積的脈動形式進入色譜柱；此時組分在固定相和流動相進的脈動形式進入色譜柱；此時組分在固定相和流動相進行

43、分配：行分配：第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.3 4.3 色譜學基本理論色譜學基本理論（1 1）色譜柱的效能塔板理論色譜柱的效能塔板理論 按上述分配過程，對于按上述分配過程，對于n=5n=5，k=1k=1，m=1m=1的體系，的體系，隨著進入柱中板體積載氣的增加，組分分布在柱內任一隨著進入柱中板體積載氣的增加，組分分布在柱內任一板上的總量（氣相和液相的總質量）見下表：板上的總量（氣相和液相的總質量）見下表：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組分分布在柱內任一板上的總量（氣相和液相的總質量）組分分布在柱內任一板上的總量（氣相和液相的總質量）第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論 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 由表中可見，當n=5時，即5個塔板體積的流動相進入柱中時，組分就開始從柱口流出。并且呈現(xiàn)先小后大的情況。第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.3 4.3 色譜學基本理論色譜學基本理論（1 1）色譜柱的效能塔板理論色譜柱的效能塔板理論 以上是當塔板數(shù)為以上是當塔板數(shù)為5 5時的情況，出現(xiàn)的

46、峰形不對稱時的情況，出現(xiàn)的峰形不對稱 ，這是由，這是由于塔板數(shù)太少的原因。當塔板數(shù)大于于塔板數(shù)太少的原因。當塔板數(shù)大于5050時，峰形就是對稱的。在時，峰形就是對稱的。在實際色譜柱中，實際色譜柱中，n n值很大（約為值很大（約為106106 109 109 ）。所以色譜峰一般）。所以色譜峰一般為正態(tài)分布。為正態(tài)分布。 （二）柱效能指標： 對于一個色譜柱來說，其分離能力（叫柱效能）的大小主要與塔板的數(shù)目有關，塔板數(shù)越多，柱效能越高。 色譜柱的塔板數(shù)可以用理論塔板數(shù)和有效塔板數(shù)來表示。第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.3 4.3 色譜學基本理論色譜學基本理論（1 1）色譜柱的

47、效能塔板理論色譜柱的效能塔板理論由塔板理論導出的由塔板理論導出的理論塔板數(shù)理論塔板數(shù) n n 的計算公式是：的計算公式是： 式中：tr為某組分的保留時間； W1/2為某組分色譜峰的半寬度； W為色譜峰的峰底寬度。 注：使用該公式，分子分母應取相同單位。 由式由式可見可見柱子的理論塔板數(shù)與峰寬和保留時間有關。保留時間柱子的理論塔板數(shù)與峰寬和保留時間有關。保留時間越大，峰越窄，理論塔板數(shù)就越多。柱效能也就越高。越大，峰越窄，理論塔板數(shù)就越多。柱效能也就越高。222/1)(16)(54. 5WtWtnrr第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.3 4.3 色譜學基本理論色譜學基本理論

48、（1 1）色譜柱的效能塔板理論色譜柱的效能塔板理論對于一個柱長固定為對于一個柱長固定為L L的柱子的柱子柱長為柱長為L L，則每塊，則每塊理論塔板高度理論塔板高度HH 為：為： 每一個塔板的高度，即組分在柱內每達成一次分配平衡所需要每一個塔板的高度，即組分在柱內每達成一次分配平衡所需要的柱長叫理論塔板高度。它越小，也表示柱效能越高。的柱長叫理論塔板高度。它越小，也表示柱效能越高。第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.3 4.3 色譜學基本理論色譜學基本理論（1 1）色譜柱的效能塔板理論色譜柱的效能塔板理論nLH 在以上計算理論塔板數(shù)的式子中使用的是保留時間，它包括了死時間，在

49、以上計算理論塔板數(shù)的式子中使用的是保留時間，它包括了死時間，由于死體積由于死體積V VM M ( (或死時間或死時間t tM M) )內并沒有發(fā)生分配作用，內并沒有發(fā)生分配作用，因此不能真正反因此不能真正反映色譜柱的柱效映色譜柱的柱效。在考慮柱的實際分離效能時應予扣除，為此，引入。在考慮柱的實際分離效能時應予扣除，為此，引入了有效塔板數(shù)的概念。了有效塔板數(shù)的概念。第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.3 4.3 色譜學基本理論色譜學基本理論（1 1）色譜柱的效能塔板理論色譜柱的效能塔板理論2)(16)Yt(54. 5n221RbR/Wt有效H有效L / n有效 由于同一色譜柱

50、對不同物質的柱效能不同，故用H、n、H有效、n有效等指標表示柱效能時應注明被測物質和色譜條件。有效塔板數(shù)有效塔板數(shù)n n：有效塔板高度有效塔板高度HH1 1）當色譜柱長度一定時，塔板數(shù)當色譜柱長度一定時，塔板數(shù) n n 越大越大( (塔板高度塔板高度 H H 越小越小) )，被，被測組分在柱內被分配的次數(shù)越多，柱效能則越高，所得色譜峰測組分在柱內被分配的次數(shù)越多，柱效能則越高，所得色譜峰越窄。越窄。2 2）說明柱效時，必須注明該柱效是針對何種物質、固定液種類及）說明柱效時，必須注明該柱效是針對何種物質、固定液種類及其含量、流動相種類及流速、操作條件等；其含量、流動相種類及流速、操作條件等；3

51、3）柱效不能表示被分離組分的實際分離效果，當兩組分的分配系柱效不能表示被分離組分的實際分離效果，當兩組分的分配系數(shù)數(shù) K K 相同時，無論該色譜柱的塔板數(shù)多大，都無法分離。相同時，無論該色譜柱的塔板數(shù)多大，都無法分離。有關塔板理論的說明：有關塔板理論的說明：第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.3 4.3 色譜學基本理論色譜學基本理論（1 1）色譜柱的效能塔板理論色譜柱的效能塔板理論4 4）塔板理論描述了組分在柱內的分配平衡和分離過程、導出流）塔板理論描述了組分在柱內的分配平衡和分離過程、導出流出曲線的數(shù)學模型、解釋了流出曲線形狀和位置、提出了計出曲線的數(shù)學模型、解釋了流出曲

52、線形狀和位置、提出了計算和評價柱效的參數(shù)。算和評價柱效的參數(shù)。 5 5）應定期對柱效進行評價，以防柱效下降、延長柱壽命。應定期對柱效進行評價，以防柱效下降、延長柱壽命。有關塔板理論的說明：有關塔板理論的說明：第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.3 4.3 色譜學基本理論色譜學基本理論（1 1）色譜柱的效能塔板理論色譜柱的效能塔板理論 但該理論是在理想情況但該理論是在理想情況( (平衡分配）下導出的，是一個半經(jīng)平衡分配）下導出的，是一個半經(jīng)驗性的理論。它定性地給出了板高的概念，但未考慮分子擴散驗性的理論。它定性地給出了板高的概念，但未考慮分子擴散因素、其它動力學因素對柱內傳質

53、的影響。因此它不能解釋：因素、其它動力學因素對柱內傳質的影響。因此它不能解釋： 峰形為什么會擴張？峰形為什么會擴張？ 影響柱效的動力學因素是什么？影響柱效的動力學因素是什么？ 同一色譜柱在不同的載氣流速下柱效不同的實驗結果？同一色譜柱在不同的載氣流速下柱效不同的實驗結果？ 影響柱效的因素及提高柱效的途徑？影響柱效的因素及提高柱效的途徑？ 第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.3 4.3 色譜學基本理論色譜學基本理論（1 1）色譜柱的效能塔板理論色譜柱的效能塔板理論第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.3 4.3 色譜學基本理論色譜學基本理論（2 2）影響色譜

54、柱效能的因素影響色譜柱效能的因素速率理論速率理論19561956年，荷蘭化學工程師年，荷蘭化學工程師Van DeemterVan Deemter提出了色譜過程的動力提出了色譜過程的動力學速率理論：吸收了塔板理論中的板高學速率理論：吸收了塔板理論中的板高H H 概念，考慮了組分在概念，考慮了組分在兩相間的擴散和傳質過程，兩相間的擴散和傳質過程，V Van Deemteran Deemter方程：方程： H H：理論塔板高度：理論塔板高度 u u ：流動相線速度；流動相線速度； A A，B B，C C為常數(shù)，為常數(shù)， A A表示渦流擴散系數(shù)表示渦流擴散系數(shù) B B分子擴散系數(shù)分子擴散系數(shù) C C傳

55、質阻力系數(shù)（包括液相和固相傳質阻力系數(shù)）傳質阻力系數(shù)（包括液相和固相傳質阻力系數(shù)） CuuBAH 第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.3 4.3 色譜學基本理論色譜學基本理論（2 2）影響色譜柱效能的因素影響色譜柱效能的因素速率理論速率理論從從動力學動力學角度很好地解釋了影響板高（柱效）的各角度很好地解釋了影響板高（柱效）的各種因素！種因素！任何減少方程右邊三項數(shù)值任何減少方程右邊三項數(shù)值的方法，都可的方法，都可降低降低HH，從而從而提高柱效提高柱效。CuuBAH 下面我們將對公式中的各項進行討論下面我們將對公式中的各項進行討論 第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析

56、方法導論4.3 4.3 色譜學基本理論色譜學基本理論（2 2）影響色譜柱效能的因素影響色譜柱效能的因素速率理論速率理論1 1）渦流擴散項）渦流擴散項(Multipath term, A)(Multipath term, A)流動方向流動方向 在填充柱中，由于受到固定在填充柱中，由于受到固定相顆粒的阻礙，組份在遷移過程相顆粒的阻礙，組份在遷移過程中隨流動相不斷改變方向，形成中隨流動相不斷改變方向，形成紊亂的紊亂的“渦流渦流”：可見，因填充物顆粒大小及填充可見，因填充物顆粒大小及填充的不均勻性的不均勻性同一組分運行路線同一組分運行路線長短不同長短不同流出時間不同流出時間不同峰形峰形展寬展寬。第四章

57、第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.3 4.3 色譜學基本理論色譜學基本理論（2 2）影響色譜柱效能的因素影響色譜柱效能的因素速率理論速率理論 展寬程度以展寬程度以A A表示：表示：A=2A=2 d dp p （d dp p填充物平均直徑；填充物平均直徑； 填充不規(guī)則因子）填充不規(guī)則因子） 可見使用可見使用細粒細粒的固定相并填充均勻可減小的固定相并填充均勻可減小A A，提高柱效。，提高柱效。 對于空心毛細管柱，無渦流擴散，即對于空心毛細管柱，無渦流擴散，即A=0A=0。 展寬程度展寬程度與填充顆粒的大小及與填充顆粒的大小及填充的

58、均勻性填充的均勻性有關，而與流動有關，而與流動相的流速無關。相的流速無關。A A越大，色譜峰變寬越嚴重。越大，色譜峰變寬越嚴重。1 1）渦流擴散項）渦流擴散項(Multipath term, A)(Multipath term, A)第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.3 4.3 色譜學基本理論色譜學基本理論（2 2）影響色譜柱效能的因素影響色譜柱效能的因素速率理論速率理論2）分子擴散項分子擴散項(Longitudinal diffusion term, B/u)(Longitudinal diffusion term, B/u) 縱向分子擴散是由于濃度梯度引起的?？v向分子

59、擴散是由于濃度梯度引起的。當樣品被注入色譜柱時，當樣品被注入色譜柱時，由于溶質區(qū)帶前后存在著濃度差，因而由于溶質區(qū)帶前后存在著濃度差，因而產(chǎn)生縱向擴散使區(qū)帶（色譜峰）擴寬。產(chǎn)生縱向擴散使區(qū)帶（色譜峰）擴寬。其大小為：其大小為：B=2B=2 D D 彎曲因子，它表示固定相幾何形狀對自由分子擴散的阻礙情況彎曲因子，它表示固定相幾何形狀對自由分子擴散的阻礙情況D D組分在流動相中的擴散系數(shù)。組份為氣體或液體時，分別以組分在流動相中的擴散系數(shù)。組份為氣體或液體時，分別以D Dg g或或D Dm m表示；表示；CuuBAH 討論：討論： 分子量大的組分，分子量大的組分，DgDg小，即小，即B B 小小

60、Dg Dg 隨柱溫升高而增加，隨柱壓降低而隨柱溫升高而增加，隨柱壓降低而減小減小 流動相分子量大，流動相分子量大，Dg Dg 小，即小，即 B B 小小 u u 增加，組份停留時間短，縱向擴散小增加，組份停留時間短，縱向擴散小（B/uB/u） 對于液相色譜，因對于液相色譜，因DmDm 較小，較小，大約是在大約是在氣體中的氣體中的 1/101/105 5 ，所，所 以以B B 項可勿略項可勿略第四章第四章: : 色譜分析方法導論色譜分析方法導論4.3 4.3 色譜學基本理論色譜學基本理論（2 2）影響色譜柱效能的因素影響色譜柱效能的因素速率理論速率理論球狀顆粒；球狀顆粒；大分子量流大分子量流動相