色譜理論基礎(chǔ)

關(guān)于色譜理論基礎(chǔ)1952年，Martin等人提出的塔板理論將一根色譜柱當(dāng)作一個(gè)由許多塔板組成的精餾塔，用塔板概念來(lái)描述組分在柱中的分配行為。塔板是從精餾中借用的，是一種半經(jīng)驗(yàn)理論，但它成功地解釋了色譜流出曲線呈正態(tài)分布。一、塔板理論（Platetheory）第2頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月塔板理論假定:①塔板之間不連續(xù)；②塔板之間無(wú)分子擴(kuò)散；③組分在各塔板內(nèi)兩相間的分配瞬間達(dá)至平衡，達(dá)一次平衡所需柱長(zhǎng)為理論塔板高度H；④某組分在所有塔板上的分配系數(shù)K相同；⑤流動(dòng)相以不連續(xù)方式加入，即以一個(gè)一個(gè)的塔板體積加入。當(dāng)塔板數(shù)n較少時(shí)，組分在柱內(nèi)達(dá)分配平衡的次數(shù)較少，流出曲線呈峰形，但不對(duì)稱(chēng)；當(dāng)塔板數(shù)n>50時(shí)，峰形接近正態(tài)分布。第3頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月

根據(jù)呈正態(tài)分布的色譜流出曲線可以導(dǎo)出計(jì)算塔板數(shù)n的公式，用以評(píng)價(jià)一根柱子的柱效。由于色譜柱并無(wú)真正的塔板，故塔板數(shù)又稱(chēng)理論塔板數(shù)：

上式中，tR為保留時(shí)間；W1/2為半峰寬（以時(shí)間為單位）；Wb為峰底寬度（以時(shí)間為單位）?？梢?jiàn)，理論塔板數(shù)n由組分保留值和峰寬決定。

第4頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月

若柱長(zhǎng)為L(zhǎng)，則每塊理論塔板高度H為：

由上述兩式知道，理論塔板數(shù)n越多、理論塔板高度H越小、色譜峰越窄，則柱效越高。上述兩式包含死時(shí)間t0，它與組分在柱內(nèi)的分配無(wú)關(guān)，因此不能真正反映色譜柱的柱效。通常以有效理論塔板數(shù)neff和有效理論塔板高度Heff表示：第5頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月

有關(guān)塔板理論的說(shuō)明①說(shuō)明柱效時(shí)，必須注明該柱效是針對(duì)何種物質(zhì)、固定液種類(lèi)及其含量、流動(dòng)相種類(lèi)及流速、操作條件等；②應(yīng)定期對(duì)柱效進(jìn)行評(píng)價(jià)，以防柱效下降，延長(zhǎng)柱壽命。③塔板理論描述了組分在柱內(nèi)的分配平衡和分離過(guò)程，導(dǎo)出流出曲線的數(shù)學(xué)模型，解釋了流出曲線形狀和位置，提出了計(jì)算和評(píng)價(jià)柱效的參數(shù)。第6頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月

但該理論是在理想情況下導(dǎo)出的，未考慮分子擴(kuò)散因素、其它動(dòng)力學(xué)因素對(duì)柱內(nèi)傳質(zhì)的影響。因此它不能解釋?zhuān)悍逍螢槭裁磿?huì)擴(kuò)張？影響柱效的動(dòng)力學(xué)因素是什么？第7頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月

1956年，荷蘭化學(xué)工程師VanDeemter等在研究氣-液色譜時(shí)，提出了色譜過(guò)程動(dòng)力學(xué)理論--速率理論。該理論吸收了塔板理論中的塔板高度H的概念，同時(shí)考慮了組分在兩相間的擴(kuò)散和傳質(zhì)過(guò)程，導(dǎo)出了速率理論方程式，較完善地解釋了影響塔板高度的各種因素。適用于氣相色譜和液相色譜。二、速率理論（Ratetheory）第8頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月VanDeemter方程：

式中，

u為流動(dòng)相線速度；A、B、C為常數(shù)。

A—分別表示渦流擴(kuò)散項(xiàng)系數(shù)；B—分子擴(kuò)散項(xiàng)系數(shù)；

C—傳質(zhì)阻力項(xiàng)系數(shù)（包括液相和固相傳質(zhì)阻力系數(shù)）該式從動(dòng)力學(xué)角度很好地解釋了影響板高（柱效）的各種因素。任何減少方程右邊三項(xiàng)數(shù)值的方法，都可降低H，從而提高柱效。第9頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月

1.渦流擴(kuò)散項(xiàng)A（Multipathterm）在填充柱中，由于受到固定相顆粒的阻礙，組分在遷移過(guò)程中隨流動(dòng)相不斷改變方向，形成紊亂的“渦流”。從圖中可見(jiàn)，因填充物顆粒大小及填充的不均勻性——同一組分運(yùn)行路線長(zhǎng)短不同——流出時(shí)間不同——峰形展寬。流動(dòng)方向第10頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月展寬程度以A表示：

A=2dp其中dp—填充物平均直徑；

—填充不規(guī)則因子。

可見(jiàn)，使用細(xì)粒的固定相并填充均勻可減小A，提高柱效。對(duì)于空心毛細(xì)管柱，無(wú)渦流擴(kuò)散，即A=0。流動(dòng)方向第11頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月

2.縱向擴(kuò)散項(xiàng)B/u（Longitudinaldiffusionterm）縱向分子擴(kuò)散是由于濃度梯度引起的。當(dāng)樣品被注入色譜柱時(shí)，它呈“塞子”狀分布。隨著流動(dòng)相的推進(jìn)，“塞子”因濃度梯度而向前后自發(fā)地?cái)U(kuò)散，使譜峰展寬。其大小

B=2Dm—彎曲因子，表示固定相幾何形狀對(duì)自由分子擴(kuò)散的阻礙情況；Dm—組分在流動(dòng)相中的擴(kuò)散系數(shù)。第12頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月討論流動(dòng)相分子量大，Dg小，即B小

Dg隨柱溫升高而增加，隨柱壓降低而減小；

u增加，組分停留時(shí)間短，縱向擴(kuò)散小；（B/u）

對(duì)于液相色譜，因Dm

較小，B

項(xiàng)可忽略。球狀顆粒大分子量流動(dòng)相適當(dāng)增加流速短柱低溫B=2Dm第13頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月

3.傳質(zhì)阻力項(xiàng)Cu（Mass-transferterm）因傳質(zhì)阻力的存在，使分配不能“瞬間”達(dá)至平衡，因此產(chǎn)生峰形展寬。氣相色譜以氣體為流動(dòng)相，液相色譜以液體為流動(dòng)相，二者傳質(zhì)過(guò)程不完全相同。傳質(zhì)阻力項(xiàng)C包括流動(dòng)相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cm和固定相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cs。第14頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月討論減小填充顆粒直徑dp。采用分子量小的流動(dòng)相，使組分在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)Dg增加。減小液膜厚度df，液相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cl下降。但此時(shí)k又減小。因此，當(dāng)保持固定液含量不變時(shí)，可通過(guò)增加固定液載體的比表面來(lái)降低df。但比表面過(guò)大又會(huì)因吸附過(guò)強(qiáng)使峰拖尾。增加柱溫，可增加組分在液相中的擴(kuò)散系數(shù)Dl，但k值也減小，為保持合適Cl值，應(yīng)控制柱溫。第15頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月

當(dāng)u一定時(shí)，僅在A、B和C較小時(shí)，H較小，柱效較高；反之，則柱效較低，色譜峰將展寬。以u(píng)對(duì)H作圖，可得H-u曲線（如左圖），從該曲線得到：板高，H(cm)HminA+B/u+CuCmuCsuAB/u4.流速u(mài)由VanDeemter方程H=A+B/u+Cu可知第16頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月

渦流擴(kuò)散項(xiàng)A與流速u(mài)無(wú)關(guān)；

低流速區(qū)（u?。珺/u大，分子擴(kuò)散項(xiàng)占主導(dǎo)，此時(shí)選擇分子量大的氣體如N2和Ar為載氣，可減小擴(kuò)散，提高柱效；

高流速區(qū)（u大），Cu大，傳質(zhì)阻力項(xiàng)占主導(dǎo)，此時(shí)選擇分子量小的氣體如H2和He為載氣，可增加擴(kuò)散系數(shù)，提高柱效；

曲線的最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)最佳線速（uopt）下的最小板高Hmin

。H=A+B/u+Cu第17頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月

單獨(dú)用柱效或選擇性不能真實(shí)反映組分在色譜柱中的分離情況，需要引進(jìn)一個(gè)綜合指標(biāo)—分離度，作為色譜柱總分離效能的指標(biāo)。三、分離度（Resolution）R=1.5R=0.75R=1.0響應(yīng)信號(hào)保留時(shí)間t,min第18頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月

是同時(shí)反映色譜柱效能和選擇性的綜合性指標(biāo)，也稱(chēng)總分離效能指標(biāo)或分辨率。定義為：

利用此式，可直接從色譜流出曲線上求出分離度

R越大，相鄰組分分離越好。當(dāng)R=1.5時(shí)，分離程度可達(dá)99.7%，R=1.5通常用作是否分開(kāi)的判據(jù)。第19頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月R=1.5R=0.75R=1.0響應(yīng)信號(hào)保留時(shí)間t,min第20頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月

分離度R是柱的總分離效能指標(biāo)，既反映兩組分保留值的差值，即固定液對(duì)兩組分的選擇性r2,1的大?。ㄓ晒潭ㄒ旱臒崃W(xué)性質(zhì)決定），又考慮到色譜峰寬度對(duì)分離的影響，即柱效能neff的高低（取決于色譜過(guò)程的動(dòng)力學(xué)因素）。對(duì)于相鄰的兩組分，假設(shè)其色譜峰底寬相等，即Wb1=Wb2，可導(dǎo)出R與neff、和r2,1的關(guān)系式第21頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月色譜基本分離方程第22頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月70%CH3OH+30%H2O60%CH3OH+40%H2O50%CH3OH+50%H2O40%CH3OH+60%H2O溶劑(流動(dòng)相)組成對(duì)色譜分離的影響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-蒽醌改變組成使k

最佳第23頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月色譜分離中的問(wèn)題由于分析物組成復(fù)雜，以某組成的流動(dòng)相可能使部分待測(cè)物得到好的分離，但同時(shí)出使其它待測(cè)物的分離不令人滿意。實(shí)際工作中采用程序升溫（GC）和梯度淋洗（LC）來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。第24頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月§15-4色譜定性定量分析一、定性分析

色譜定性分析就是確定各色譜峰所代表的化合物。

1.利用保留值定性

（1）利用已知物保留值對(duì)照定性

當(dāng)有待測(cè)組分的純樣品時(shí)，用對(duì)照法進(jìn)行定性極為簡(jiǎn)單。用已知物質(zhì)與未知樣對(duì)照定性，是色譜分析中最可靠的定性方法。定性依據(jù)是保留值。第25頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月

（2）相對(duì)保留值法

由于絕對(duì)保留值受操作條件的影響較大，重復(fù)性較差?？刹捎孟鄬?duì)保留值作為定性指標(biāo)，消除操作條件的影響。相對(duì)保留值是某組分i與基準(zhǔn)物s的調(diào)整保留值的比值：第26頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月

（3）利用雙柱保留值法定性

雙柱定性是利用兩根極性差別較大的色譜柱對(duì)混合物進(jìn)行分離，然后用純物質(zhì)分別在兩根柱子上進(jìn)行保留值對(duì)照定性。如果得到的結(jié)果一致，即可確定該組分，結(jié)果較可靠。第27頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月2.利用文獻(xiàn)保留數(shù)據(jù)定性

在實(shí)際工作中遇到未知試樣時(shí)，利用文獻(xiàn)上的保留值定性是一種較為方便的方法。只要文獻(xiàn)中所用的固定相和柱溫相同，某一組分的相對(duì)保留值和保留指數(shù)都是基本不變的。目前，保留指數(shù)定性已成為廣泛應(yīng)用的一種色譜定性方法。第28頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月3.利用選擇性檢測(cè)器定性

各種類(lèi)型的檢測(cè)器對(duì)不同類(lèi)別的化合物有選擇性響應(yīng)?；鹧婀舛葯z測(cè)器—有機(jī)物。電子捕獲檢測(cè)器—含電負(fù)性強(qiáng)的原子或基團(tuán)。氮磷檢測(cè)器—含氮、磷的化合物。第29頁(yè),共32頁(yè)，星期六，2024年，5月4.利用與其他儀器聯(lián)用定性

色譜與一些結(jié)構(gòu)分析儀器聯(lián)用，分離、定性分析。色譜-