第二節(jié)-色譜理論基礎3課件

一、氣相色譜流出曲線1.基線

無試樣通過檢測器時，檢測到的信號即為基線

2.保留值

（1）時間表示的保留值死時間（tM）：不與固定相作用的惰性物質的保留時間。保留時間（tR）：組分從進樣到柱后出現(xiàn)濃度極大值時所需的時間。

調整保留時間（tR＇

)：tR＇=

tR－tM

2023/7/31(2)用體積表示的保留值死體積（VM）：VM=

tM×F0保留體積（VR）：VR=tR×F0(F0為色譜柱出口處的載氣流量，單位：mL/min)

調整保留體積（VR＇）：V

R＇=VR－VM

2023/7/313.相對保留值r21組分2與組分1調整保留值之比：

r21=t’R2

/t’R1=V’R2/V’

R1相對保留值只與柱溫和固定相性質有關，與其他色譜操作條件無關，它表示了固定相對這兩種組分的選擇性。2023/7/31

4.區(qū)域寬度用來衡量色譜峰寬度的參數(shù)，有三種表示方法：（1）標準偏差()：

即0.607倍峰高處色譜峰寬度的一半。（2）半峰寬(Y1/2)：

色譜峰高一半處的寬度Y1/2=2.354（3）峰底寬(Wb)：

Wb

=42023/7/31二、容量因子與分配系數(shù)

分配系數(shù)K：組分在兩相間的濃度比；容量因子k：平衡時，組分在各相中的質量比；

k=MS/MmMS為組分在固定相中的質量，Mm為組分在流動相中的質量。容量因子k與分配系數(shù)K的關系為：式中β為相比。填充柱相比：6～35；毛細管柱的相比：50～1500容量因子越大，保留時間越長。可由保留時間計算出容量因子，兩者有以下關系：2023/7/31塔板理論基本假設：將色譜柱視為精餾塔1）塔板之間不連續(xù)；2）塔板之間無分子擴散；3）組分在各塔板內兩相間的分配瞬間達至平衡，達一次平衡所需柱長為理論塔板高度H；4）某組分在所有塔板上的分配系數(shù)相同；5）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。三、塔板理論-柱分離效能指標2023/7/312023/7/312023/7/31色譜柱長：L，虛擬的塔板間距離：H，色譜柱的理論塔板數(shù)：n，則三者的關系為：

n=L/H理論塔板數(shù)與色譜參數(shù)之間的關系為：2023/7/31有效塔板數(shù)和有效塔板高度單位柱長的塔板數(shù)越多，表明柱效越高。用不同物質計算可得到不同的理論塔板數(shù)。組分在tM時間內不參與柱內分配。需引入有效塔板數(shù)和有效塔板高度：2023/7/31塔板理論的特點和不足：

(1)當色譜柱長度一定時，塔板數(shù)n

越大(塔板高度H越小)，被測組分在柱內被分配的次數(shù)越多，柱效能則越高，所得色譜峰越窄。

(2)不同物質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時，應指明測定物質。

(3)柱效不能表示被分離組分的實際分離效果，當兩組分的分配系數(shù)K相同時，無論該色譜柱的塔板數(shù)多大，都無法分離。

(4)(不足)該理論是在理想情況下導出的，未考慮分子擴散因素、其它動力學因素對柱內傳質的影響。因此它不能解釋：

a.峰形為什么會擴張？

b.影響柱效的動力學因素是什么？2023/7/31四、速率理論-影響柱效的因素

速率方程（也稱范·弟姆特方程式）:

H=A+B/u+C·u

H：理論塔板高度，u：載氣的線速度(cm/s)

減小A、B、C三項可提高柱效；存在著最佳流速；

A、B、C三項各與哪些因素有關？2023/7/311.渦流擴散項－A

A=2λdp

dp：固定相的平均顆粒直徑λ：固定相的填充不均勻因子

固定相顆粒越小dp↓，填充得越均勻，A↓，H↓，柱效n↑。表現(xiàn)在渦流擴散所引起的色譜峰變寬現(xiàn)象減輕，色譜峰較窄。2023/7/312.

分子擴散項—BB=2νDgν

：彎曲因子，填充柱色譜，ν<1。Dg：試樣組分分子在氣相中的擴散系數(shù)（cm2·s-1）。由于柱中存在著濃度差，產(chǎn)生縱向擴散：a.擴散導致色譜峰變寬，H↑(n↓)，分離變差。b.分子擴散項與流速有關，流速↓，滯留時間↑，擴散↑c.擴散系數(shù)：Dg∝（M載氣）-1/2；M載氣↑，B值↓2023/7/313.傳質阻力項—C

組分在氣相和液相兩相間進行反復分配時，遇到阻力。傳質阻力包括氣相傳質阻力Cg和液相傳質阻力CL，液相傳質阻力大于氣相傳質阻力。即：C=（Cg+CL）2023/7/314.載氣流速與柱效-最佳流速

載氣流速高時：

傳質阻力項是影響柱效的主要因素，流速，柱效,右圖曲線的右邊。

載氣流速低時：

H-u曲線與最佳流速：

由于流速對這兩項完全相反的作用，流速對柱效的總影響使得存在著一個最佳流速值，即速率方程式中塔板高度對流速的一階導數(shù)有一極小值。

以塔板高度H對應載氣流速u作圖，曲線最低點的流速即為最佳流速。

分子擴散項成為影響柱效的主要因素，流速，柱效

，右圖曲線的坐邊。2023/7/315.速率理論的要點(1)組分分子在柱內運行的多路徑與渦流擴散、濃度梯度所造成的分子擴散及傳質阻力使氣液兩相間的分配平衡不能瞬間達到等因素是造成色譜峰擴展柱效下降的主要原因。(2)通過選擇適當?shù)墓潭ㄏ嗔６取⑤d氣種類、液膜厚度及載氣流速可提高柱效。(3)速率理論為色譜分離和操作條件選擇提供了理論指導。闡明了流速和柱溫對柱效及分離的影響(選擇柱溫的根據(jù)是混合物的沸點范圍，固定液的配比和檢測器的靈敏度。提高柱溫可縮短分析時間；降低柱溫可使色譜柱選擇性增大，有利于組分的分離和色譜柱穩(wěn)定性提高，柱壽命延長。一般采用等于或高于數(shù)十度于樣品的平均沸點的柱溫為較合適，對易揮發(fā)樣用低柱溫，不易揮發(fā)的樣品采用高柱溫)。(4)各種因素相互制約，如載氣流速增大，分子擴散項的影響減小，使柱效提高，但同時傳質阻力項的影響增大，又使柱效下降；柱溫升高，有利于傳質，但又加劇了分子擴散的影響，選擇最佳條件，才能使柱效達到最高。2023/7/31五、分離度

塔板理論和速率理論都難以描述難分離物質對的實際分離程度。即柱效為多大時，相鄰兩組份能夠被完全分離。難分離物質對的分離度大小受色譜過程中兩種因素的綜合影響：保留值之差──色譜過程的熱力學因素(組分與固定液的結構和性質)；區(qū)域寬度──色譜過程的動力學因素(兩項中的運動阻力和擴散)。

色譜分離中的四種情況如圖所示：①柱效較高，△K(分配系數(shù))較大,完全分離；②△K不是很大，柱效較高，峰較窄，基本上完全分離；③柱效較低，△K較大,但分離的不好；④△K小，柱效低，分離效果更差。2023/7/31分離度的表達式：R=0.8：兩峰的分離程度可達89%；R=1.0：分離程度98%；R=1.5：達99.7%（相鄰兩峰完全分離的標準）。2023/7/31令Wb(2)=Wb(1)=Wb（相鄰兩峰的峰底寬近似相等），引入相對保留值和塔板數(shù)，可導出下式：2023/7/31分離度與柱效的關系

雖說用較長的柱可以提高分離度，但延長了分析時間。因此提高分離度的好方法是制備出一根性能優(yōu)良的柱子，通過降低板高，以提高分離度。2023/7/31分離度與相對保留值r21的關系

由基本色譜方程式判斷，當r21=1時，R=0，這時，無論怎樣提高柱效也無法使兩組分分離。顯然，r21大，選擇性好。研究證明，r21的微小變化，就能引起分離度的顯著變化。措施：一般通過改變固定相和流動相的性質和組成或降低柱溫，可有效增大r21值。2023/7/31例1：在一定條件下，兩個組分的調整保留時間分別為85秒和100秒，要達到完全分離，即R=1.5。計算需要多少塊有效塔板。若填充柱的塔板高度為0.1cm，柱長是多少？解：分離度應用示例2023/7/31例1：在一定條件下，兩個組分的調整保留時間分別為85秒和100秒，要達到完全分離，即R=1.5。計算需要多少塊有效塔板。若填充柱的塔板高度為0.1cm，柱長是多少？解：γ2,1

=100/85=1.18

n有效=16R2[γ2,1/(γ2,1

—1)]2=16×1.52×(1.18/0.18)2

=1548（塊）

L有效=n有效·H有效=1548×0.1=155cm

即柱長為1.55米時，兩組分可以得到完全分離。2023/7/31[例2]已知一色譜柱在某溫度下的速率方程的A=0.08cm;B=0.65cm2/s;C=0.003s,求最佳線速度u和最小塔板高H.2023/7/31[例2]已知一色譜柱在某溫度下的速率方程的A=0.08cm;B=0.65cm2/s;C=0.003s,求最佳線速度u和最小塔板高H.

解:欲求u最佳和H最小,要對速率方程微分,即

dH/du＝d(A+B/u+Cu)/du

＝-B/u2+C＝0

而,最佳線速:u最佳＝(B/C)1/2

最小板高:H最?。紸+2(BC)1/2

可得u最佳＝(0.65/0.003)1/2＝14.7cm/sH最?。?.08+2(0.65×0.003)1/2＝0.17cm2023/7/31[例3]已知物質A和B在一個30.0cm柱上的保留時間分別為16.40和17.63min.不被保留組分通過該柱的時間為1.30min.峰寬為1.11和1.21min,計算:

(1)柱的分離度;

(2)柱的平均有效塔板數(shù)目;

(3)平均有效塔板高度;

2023/7/31

解:

(1)R=2(17.63-16.40)/(1.11+1.21)=1.06(2)nA=16[(16.40-1.30)/1.11]2=2961

nB=16[(17.63-1.30)/1.21]2=2915

nav=(2961+2914)/2=2938(3)H=L/n=30.0/2938=1.02×10-2cm

[例3]已知物質A和B在一個30.0cm柱上的保留時間分別為16.40和17.63min.不被保留組分通過該柱的時間為1.30min.峰寬為1.11和1.21min,計算:

(1)柱的分離度;

(2)柱的平均有效塔板數(shù)目;

(3)平均有效高度;2023/7/31例2：在根長為1米的填充柱上，空氣的保留時間為5s，苯和環(huán)己烷的保留時間分別為45s和49s，環(huán)己烷色譜峰峰底寬為5s。欲得到R＝1.2的分離度，有效塔板數(shù)應為多少？需要的柱長應為多少？解：2023/7/31精品課件！2023/7/31精品課件！202