大學(xué)儀器分析教學(xué)課件(色譜法基本理論)

1、第九章色譜分析根底第二節(jié) 色譜理論根底一、塔板理論plate theory二、速率理論rate theory三、別離度resolution fundamental of chromatograph analysis fundamental of chromatograph theory 2022/7/2一、塔板理論一分配過程1. 分配系數(shù) partion factor K 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。在一定溫度下，組分在兩相間分配到達(dá)平衡時的濃度單位：g / mL比，稱為分配系數(shù)，用K 表示，即：分配系數(shù)是色譜別離的依據(jù)。2022/7/2分配系數(shù) K

2、 的討論 一定溫度下，組分的分配系數(shù)K越大，出峰越慢；試樣一定時，K主要取決于固定相性質(zhì)；同一個組份在不同的固定相上的分配系數(shù)K不同；選擇適宜的固定相可改善別離效果；試樣中的各組分具有不同的K值是別離的根底；某組分的K = 0時，即不被固定相保存，最先流出。2022/7/22.分配比 partion ratiok 在實(shí)際工作中，也常用分配比來表征色譜分配平衡過程。分配比是指，在一定溫度下，組分在兩相間分配到達(dá)平衡時的質(zhì)量比： 1. 分配系數(shù)與分配比都是與組分及固定相的熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，隨別離柱溫度、柱壓的改變而變化。都是衡量色譜柱對組分保存能力的參數(shù)，數(shù)值越大，該組分的保存時間越長。 3.

3、 分配比可以由實(shí)驗(yàn)測得。分配比也稱： 容量因子(capacity factor)；容量比(capacity factor)；2022/7/21容量因子與分配系數(shù)的關(guān)系 式中為相比，即=Vm/Vs 。 填充柱相比：635；毛細(xì)管柱的相比：501500。 容量因子越大，保存時間越長。 VM為流動相體積，即柱內(nèi)固定相顆粒間的空隙體積； VS為固定相體積，對不同類型色譜柱， VS的含義不同: 氣-液色譜柱： VS為固定液體積； 氣-固色譜柱： VS為吸附劑外表容量；2022/7/22 分配比與保存時間的關(guān)系 某組分的k值可由實(shí)驗(yàn)測得，等于該組分的調(diào)整保存時間與死時間的比值：3分配系數(shù)K及分配比k與選擇

4、因子r2,1的關(guān)系 如果兩組分的K或k值相等，那么r2,1=1，兩組分的色譜峰必將重合，說明分不開。兩組分的K或k值相差越大，那么別離得越好。因此兩組分具有不同的分配系數(shù)是色譜別離的先決條件。2022/7/2根本保存方程可表示為： tR = t0(1+k)假設(shè)載氣流量F0恒定，也可用保存體積表示，那么 VR=Vm+KVs這就是色譜根本保存方程。 上式說明，色譜柱確定后，Vm和Vs即為定值。由此可見，分配系數(shù)不同的各組分具有不同的保存值，因而在色譜圖上有不同位置的色譜峰。4根本保存方程2022/7/2例：用一根固定相的體積為，流動相的體積為的色譜柱別離A,B兩個組分，它們的保存時間分別為，不被保

5、存組分的保存時間為，試計算：1各組分的容量因子2各組分的分配系數(shù)3AB兩組分的選擇因子rB,A解：1kA=(14.4min-4.2min)/4.2min=2.43 kB K=k=kVm/VsKA=kAVm/Vs=mLKB=kBVm/Vs=mL(3) rB,A=KB/KA2022/7/2色譜理論 色譜理論需要解決的問題：色譜別離過程的熱力學(xué)和動力學(xué)問題。影響別離及柱效的因素與提高柱效的途徑，柱效與別離度的評價指標(biāo)及其關(guān)系。組分保存時間為何不同？色譜峰為何變寬？組分保存時間：色譜過程的熱力學(xué)因素控制；組分和固定相的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),如分配系數(shù)色譜峰變寬：色譜過程的動力學(xué)因素控制； 兩相中的運(yùn)動阻力，擴(kuò)散

6、兩種色譜理論：塔板理論和速率理論；2022/7/2 塔板理論的假設(shè)： (1) 在每一個平衡過程間隔內(nèi)，平衡可以迅速到達(dá)；這一小段間隔的柱長稱為理論塔板高度。 (2) 將載氣看作成脈動間歇過程； (3) 試樣沿色譜柱方向的擴(kuò)散可忽略； (4) 每次分配的分配系數(shù)相同。二塔板理論-柱別離效能指標(biāo) plate theory半經(jīng)驗(yàn)理論； 將色譜別離過程比較作蒸餾過程，將連續(xù)的色譜別離過程分割成屢次的平衡過程的重復(fù) 類似于蒸餾塔塔板上的平衡過程；在每一個塔板上，被別離組分到達(dá)一次分配平衡。動畫2022/7/2 色譜柱長：L， 虛擬的塔板間距離理論塔板高度：H， 色譜柱的理論塔板數(shù)：n，那么三者的關(guān)系為：

7、 n = L / H理論塔板數(shù)與色譜參數(shù)之間的關(guān)系為：保存時間包含死時間，在死時間內(nèi)不參與分配! 單位柱長的塔板數(shù)越多，說明柱效越高。 用不同物質(zhì)計算可得到不同的理論塔板數(shù)。2022/7/2 組分在t0時間內(nèi)不參與柱內(nèi)分配。需引入有效塔板數(shù)和有效塔板高度：2022/7/2例：用一根柱長為1m的色譜柱別離含有A，B，C，D四個組分的混合物，它們的保存時間tR分別為6.4min,14.4min,15.4min,20.7min,其峰底寬Wb分別為。試計算：各譜峰的理論塔板數(shù)。解：2022/7/2 (1)當(dāng)色譜柱長度一定時，塔板數(shù) n 越大(塔板高度 H 越小)，被測組分在柱內(nèi)被分配的次數(shù)越多，柱效能

8、那么越高，即使分配系數(shù)只有微小的差異，仍可獲得好的別離效果。所得色譜峰越窄。 (2)不同物質(zhì)在同一色譜柱上的分配系數(shù)不同，用有效塔板數(shù)和有效塔板高度作為衡量柱效能的指標(biāo)時，應(yīng)指明測定物質(zhì)。 (3)柱效不能表示被別離組分的實(shí)際別離效果，當(dāng)兩組分的分配系數(shù)K相同時，無論該色譜柱的塔板數(shù)多大，都無法別離。 (4)塔板理論無法解釋同一色譜柱在不同的載氣流速下柱效不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也無法指出影響柱效如塔板高度H的因素及提高柱效的途徑。2022/7/2二、 速率理論-影響柱效的因素 1956年荷蘭學(xué)者范弟姆特Van Deemter)等提出了色譜過程的動力學(xué)理論，他們吸收了塔板理論的概念，并把影響塔板高度的動

9、力學(xué)因素結(jié)合進(jìn)去，導(dǎo)出了塔板高度H與載氣線速度u的關(guān)系。1. 速率方程也稱范.弟姆特方程式 H = A + B/u + Cu H：理論塔板高度; u：載氣的線速度(cm/s) 減小A、B、C三項(xiàng)可提高柱效； 存在著最正確流速； A、B、C三項(xiàng)常數(shù)各與哪些因素有關(guān)？2022/7/2A渦流擴(kuò)散項(xiàng) A = 2dp dp：固定相的平均顆粒直徑：固定相的填充不均勻因子 固定相顆粒越小dp，填充的越均勻，A，H，柱效n。表現(xiàn)在渦流擴(kuò)散所引起的色譜峰變寬現(xiàn)象減輕，色譜峰較窄。對于空心毛細(xì)管柱，A項(xiàng)為零。動畫2022/7/2B/u 分子擴(kuò)散項(xiàng) B = 2Dg ：彎曲因子，空心毛細(xì)管,=1；填充柱色譜, 1。

10、Dg：試樣組分分子在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)cm2s-1 (1) 存在著濃度差，產(chǎn)生縱向擴(kuò)散; (2) 擴(kuò)散導(dǎo)致色譜峰變寬，H(n)，別離變差; (3) 分子擴(kuò)散項(xiàng)與流速有關(guān)，流速，滯留時間，擴(kuò)散; (4) 擴(kuò)散系數(shù)Dg與組分及載氣的性質(zhì)有關(guān)： Dg (M載氣)-1/2 ； M載氣，B值。 Dg M組分-15擴(kuò)散系數(shù)Dg隨柱溫升高而增加。動畫2022/7/2 k為容量因子； Dg 、DL為擴(kuò)散系數(shù)。 減小擔(dān)體粒度，選擇小分子量的氣體作載氣，可降低傳質(zhì)阻力。C u 傳質(zhì)阻力項(xiàng) 傳質(zhì)阻力系數(shù)包括氣相傳質(zhì)阻力Cg和液相傳質(zhì)阻力CL系數(shù)即： C =Cg + CL動畫2022/7/22.載氣流速與柱效最正確流速

11、載氣流速高時： 傳質(zhì)阻力項(xiàng)是影響柱效的主要因素，流速，柱效。載氣流速低時： 分子擴(kuò)散項(xiàng)成為影響柱效的主要因素，流速,柱效 。H - u曲線與最正確流速： 由于流速對這兩項(xiàng)完全相反的作用，流速對柱效的總影響使得存在著一個最正確流速值，即速率方程式中塔板高度對流速的一階導(dǎo)數(shù)有零值點(diǎn)。 以塔板高度H對應(yīng)載氣流速u作圖，曲線最低點(diǎn)的流速即為最正確流速。2022/7/2最正確流速uopt與最小理論塔板高度Hmin2022/7/23. 速率理論的要點(diǎn) (1)組分分子在柱內(nèi)運(yùn)行的多路徑與渦流擴(kuò)散、濃度梯度所造成的分子擴(kuò)散及傳質(zhì)阻力使氣液兩相間的分配平衡不能瞬間到達(dá)等因素是造成色譜峰擴(kuò)展，柱效下降的主要原因。

12、 (2)通過選擇適當(dāng)?shù)墓潭ㄏ嗔６?、載氣種類、液膜厚度及載氣流速可提高柱效。 (3)速率理論為色譜別離和操作條件選擇提供了理論指導(dǎo)。說明了流速和柱溫對柱效及別離的影響。 (4) 各種因素相互制約，如載氣流速增大，分子擴(kuò)散項(xiàng)的影響減小，使柱效提高，但同時傳質(zhì)阻力項(xiàng)的影響增大，又使柱效下降；柱溫升高，有利于傳質(zhì)，但又加劇了分子擴(kuò)散的影響，選擇最正確條件，才能使柱效到達(dá)最高。2022/7/2三、 別離度 塔板理論和速率理論都難以描述難別離物質(zhì)對的實(shí)際別離程度。即柱效為多大時，相鄰兩組份能夠被完全別離。 難別離物質(zhì)對的別離度大小受色譜過程中兩種因素的綜合影響：保存值之差色譜過程的熱力學(xué)因素； 區(qū)域?qū)挾壬?/p>

13、譜過程的動力學(xué)因素。 色譜別離中的四種情況如下圖：2022/7/2討論： 色譜別離中的四種情況的討論： 柱效較高，K(分配系數(shù))較大,完全別離； K不是很大，柱效較高，峰較窄，根本上完全別離；柱效較低，K較大,但別離的不好； K小，柱效低，別離效果更差。2022/7/2別離度的表達(dá)式：R：兩峰的別離程度可達(dá)89%，有局部重疊；R=1：別離程度98%；R：達(dá)99.7%相鄰兩峰完全別離的標(biāo)準(zhǔn)。 定義為相鄰兩組分色譜峰保存值之差與兩個組分色譜峰峰底寬度總和一半的比值。2022/7/2色譜根本別離方程式令Wb(2)=Wb(1)=Wb相鄰兩峰的峰底寬近似相等，引入相對保存值和塔板數(shù)，可導(dǎo)出下式：2022

14、/7/2討論：1別離度與柱效的關(guān)系柱效因子n) 別離度與柱效因子n的平方根成正比， r2,1一定時，增加柱長以增加柱效n，可提高別離度，但組分保存時間增加且峰擴(kuò)展，分析時間長。增加n值得另一方法是減小柱的H值2別離度與選擇因子r2,1的關(guān)系 增大r2,1是提高別離度的最有效方法，計算可知，在相同別離度下，當(dāng)r2,1增加一倍，需要的n有效 減小10000倍。 增大r2,1的最有效方法是選擇適宜的固定相。2022/7/2 例1：在一定條件下，兩個組分的調(diào)整保存時間分別為85秒和100秒，要到達(dá)完全別離，即R=1.5 。計算需要多少塊有效塔板。假設(shè)填充柱的塔板高度為0.1 cm，柱長是多少？解： r21 n有效 = 16R2 r21 / (r21 1) 22 (1.18 / 0.18 ) 2 = 1547塊 L有效 = n有效H有效 = 15470.1 = 155 cm 米時，兩組分可以得到完全別離。2022/7/2例2：在色譜柱上，別離A、B組分，其保存時間分別為、，不被保存的組分的保存時間為，B 組分的