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1、第二章色谱分析法导论第二章色谱分析法导论本讲稿第一页，共一百零六页2.1 2.1 概述概述 色色谱谱法法也也叫叫层层析析法法，它它是是一一种种高高效效能能的的物物理理分分离离技技术术，将将它它用用于于分分析析化化学学并并配配合合适适当当的的检检测测手手段段，就成为色谱分析法。就成为色谱分析法。本讲稿第二页，共一百零六页 色谱法的最早应用是用色谱法的最早应用是用于分离植物色素，其方法是于分离植物色素，其方法是这样的：在一玻璃管中放入这样的：在一玻璃管中放入碳酸钙，将含有植物色素碳酸钙，将含有植物色素（植物叶的提取液）的石油（植物叶的提取液）的石油醚倒入管中。醚倒入管中。本讲稿第三页，共一百零六页
2、 此时，玻璃管的上端立即出现几此时，玻璃管的上端立即出现几种颜色的混合谱带。然后用纯石油醚冲洗，种颜色的混合谱带。然后用纯石油醚冲洗，随着石油醚的加入，谱带不断地向下移动，随着石油醚的加入，谱带不断地向下移动，并逐渐分开成几个不同颜色的谱带，继续并逐渐分开成几个不同颜色的谱带，继续冲洗就可分别接得各种颜色的色素，并可冲洗就可分别接得各种颜色的色素，并可分别进行鉴定。色谱法也由此而得名。分别进行鉴定。色谱法也由此而得名。本讲稿第四页，共一百零六页本讲稿第五页，共一百零六页 现现在在的的色色谱谱法法早早已已不不局局限限于于色色素素的的分分离离，其其方方法法也也早早已已得得到到了了极极大大的的发发展
3、展，但但其其分分离离的的原原理理仍仍然然是是一一样样的的。我我们们仍仍然然叫叫它它色色谱分析。谱分析。本讲稿第六页，共一百零六页2.2 色谱法的特点（1）分离效率高分离效率高 复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。（2 2）灵敏度高灵敏度高 可以检测出g.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量。（3）分析速度快分析速度快 一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。（4 4）应用范围广应用范围广 气相色谱：沸点低于400的各种有机或无机试样的分析。液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。不足之处：不足之处：被分离组分的定性较为困难。本讲稿第七页，共一百零六
4、页一、色谱分离基本原理：一、色谱分离基本原理：由以上方法可知，在色谱法中存在由以上方法可知，在色谱法中存在两相，一相是固定不动的，我们把它两相，一相是固定不动的，我们把它叫做固定相；另一相则不断流过固定叫做固定相；另一相则不断流过固定相，我们把它叫做流动相。相，我们把它叫做流动相。本讲稿第八页，共一百零六页 色谱法的分离原理就是利用待色谱法的分离原理就是利用待分离的各种物质在两相中的分配分离的各种物质在两相中的分配系数、吸附能力等亲和能力的不系数、吸附能力等亲和能力的不同来进行分离的。同来进行分离的。本讲稿第九页，共一百零六页使使用用外外力力使使含含有有样样品品的的流流动动相相（气气体体、液液
5、体体）通通过过一一固固定定于于柱柱中中或或平平板板上上、与与流流动动相相互互不不相相溶溶的的固固定定相相表表面面。当当流流动动相相中中携携带带的的混混合合物物流流经经固固定定相相时时，混混合合物物中中的的各各组组分与固定相发生相互作用。分与固定相发生相互作用。本讲稿第十页，共一百零六页 由由于于混混合合物物中中各各组组分分在在性性质质和和结结构构上上的的差差异异，与与固固定定相相之之间间产产生生的的作作用用力力的的大大小小、强强弱弱不不同同，随随着着流流动动相相的的移移动动，混混合合物物在在两两相相间间经经过过反反复复多多次次的的分分配配平平衡衡，使使得得各各组组分分被被固固定定相相保保留留的
6、的时时间间不不同同，从从而而按按一一定定次次序序由由固固定定相相中中先先后后流流出出。与与适适当当的的柱柱后后检检测测方方法法结结合合，实实现现混混合合物物中中各各组分的分离与检测。组分的分离与检测。本讲稿第十一页，共一百零六页二、色谱分类方法：二、色谱分类方法：色色谱谱分分析析法法有有很很多多种种类类，从从不不同同的角度出发可以有不同的分类方法。的角度出发可以有不同的分类方法。本讲稿第十二页，共一百零六页（一）从两相的状态分类：（一）从两相的状态分类：色色谱谱法法中中，流流动动相相可可以以是是气气体体，也也可可以以是是液液体体，由由此此可可分分为为气气相相色色谱谱法法（GCGC）和和液液相相
7、色色谱谱法法（LCLC）。固固定定相相既既可可以以是是固固体体，也也可可以以是是涂涂在在固固体体上上的的液液体体，由由此此又又可可将将气气相相色色谱谱法法和和液液相相色色谱谱法法分分为为气气-液液色色谱谱、气气-固固色色谱谱、液液-固固色色谱谱、液液-液色谱。分类情况如下：液色谱。分类情况如下：本讲稿第十三页，共一百零六页色色谱谱法法液相色谱法液相色谱法气相色谱法气相色谱法气气-液色谱法液色谱法气气-固色谱法固色谱法液液-固色谱法固色谱法液液-液色谱法液色谱法本讲稿第十四页，共一百零六页 （二二）按按固固定定相相的的形形式式分分类类：按按固定相的状态可分为：固定相的状态可分为：柱色谱：固定相装
8、在色谱柱中；柱色谱：固定相装在色谱柱中；纸纸色色谱谱：利利用用滤滤纸纸作作载载体体，吸吸附附在纸上的水作固定相；在纸上的水作固定相；薄薄层层色色谱谱：将将固固体体吸吸附附剂剂在在玻玻璃璃板或塑料板上制成薄层作固定相。板或塑料板上制成薄层作固定相。本讲稿第十五页，共一百零六页本讲稿第十六页，共一百零六页（三）按分离原理分类：可分为：（三）按分离原理分类：可分为：吸吸附附色色谱谱法法：利利用用吸吸附附剂剂（固固定定相相一一般般是是固固体体）表表面面对对不不同同组组分分吸吸附附能能力的差别进行分离的方法；力的差别进行分离的方法；本讲稿第十七页，共一百零六页分分配配色色谱谱法法：利利用用不不同同组组分
9、分在在两两相相间间的的分分配配系系数数的的差差别别进进行行分分离的方法。离的方法。本讲稿第十八页，共一百零六页 离子交换色谱：利用溶液中离子交换色谱：利用溶液中不同离子与离子交换剂间的交换不同离子与离子交换剂间的交换能力的不同而进行分离的方法。能力的不同而进行分离的方法。空间排斥（阻）色谱法：利空间排斥（阻）色谱法：利用多孔性物质对不同大小的分子用多孔性物质对不同大小的分子的排阻作用进行分离的方法。的排阻作用进行分离的方法。本讲稿第十九页，共一百零六页2.3 色色谱谱流流出出曲曲线线（色色谱谱图图）及及有有关关术语术语 （一）气相色谱法分离的过程：（一）气相色谱法分离的过程：分分离离过过程程（
10、以以分分离离A、B两两组组分分为为例）为：例）为：本讲稿第二十页，共一百零六页混合组混合组分的分分的分离过程离过程及检测及检测器对各器对各组份在组份在不同阶不同阶段的响段的响应应本讲稿第二十一页，共一百零六页本讲稿第二十二页，共一百零六页（二）色谱流出曲线：（二）色谱流出曲线：从载气带着组分进入色谱柱起就从载气带着组分进入色谱柱起就用检测器检测流出柱后的气体，并用检测器检测流出柱后的气体，并用记录器记录信号随时间变化的曲用记录器记录信号随时间变化的曲线，此曲线就叫色谱流出曲线，当线，此曲线就叫色谱流出曲线，当待测组分流出色谱柱时，检测器就待测组分流出色谱柱时，检测器就可检测到其组分的浓度，在流
11、出曲可检测到其组分的浓度，在流出曲线上表现为峰状，叫色谱峰。线上表现为峰状，叫色谱峰。本讲稿第二十三页，共一百零六页如图所示为一色谱流出曲线：如图所示为一色谱流出曲线：本讲稿第二十四页，共一百零六页色谱术语：色谱术语：1）基基线线：在在实实验验条条件件下下，色色谱谱柱柱后后仅仅有有纯纯流流动动相相进进入入检检测测器器时时的的流流出出曲曲线线称称为为基基线线。基基线线在在稳稳定定的的条条件件下下应应是是一一条条水水平平的的直直线线。它它的的平平直直与与否否可可反反应应出出实实验验条条件件的稳定情况。的稳定情况。本讲稿第二十五页，共一百零六页2 2）峰峰高高（h h）和和峰峰面面积积 ：色色谱谱峰
12、峰顶顶点点与与基基线线的的距距离离叫叫峰峰高高。色色谱谱峰峰与与峰峰底底基基线线所所围围成成区区域域的的面面积叫峰面积。积叫峰面积。本讲稿第二十六页，共一百零六页3 3）保留值）保留值 a.a.死死时时间间(t(t0 0)：不不与与固固定定相相作作用用的的物物质质从从进进样样到到出出现现峰峰极极大大值值时时的的时时间间，它它与与色色谱谱柱柱的的空空隙隙体体积积成成正正比比。由由于于该该物物质质不不与与固固定定相相作作用用，因因此此，其其流流速速与与流流动动相相的的流流速速相相近近。据据 t t0 0 可可求求出出流流动动相相平平均均流流速速 本讲稿第二十七页，共一百零六页b.b.保保留留时时间
13、间trtr：试试样样从从进进样样到到出出现现峰峰极极大大值值时时的的时时间间。它它包包括括组组份份随随流流动动相相通通过过柱柱子子的的时时间间t0t0和组份在固定相中滞留的时间。和组份在固定相中滞留的时间。本讲稿第二十八页，共一百零六页c.调调整整保保留留时时间间tr：某某组组份份的的保保留留时时间间扣扣除除死死时时间间后后的的保保留留时时间间，它它是是组份在固定相中的滞留时间。即组份在固定相中的滞留时间。即 由由于于保保留留时时间间为为色色谱谱定定性性依依据据。但但同同一一组组份份的的保保留留时时间间与与流流速速有有关关，因因此此有时需用保留体积来表示保留值。有时需用保留体积来表示保留值。本
14、讲稿第二十九页，共一百零六页 d.d.死死体体积积V V0 0：色色谱谱柱柱管管内内固固定定相相颗颗粒粒间间空空隙隙、色色谱谱仪仪管管路路和和连连接接头头间间空空隙隙和和检检测测器器间间隙隙的的总总和和。忽忽略略后后两项可得到：两项可得到：本讲稿第三十页，共一百零六页n其中，其中，Fco为柱出口的载气流速为柱出口的载气流速（mL/min)，其值为：，其值为：nF0-检测器出口流速；检测器出口流速；Tr-室温；室温；Tc-柱温；柱温；p0-大气压；大气压；pw-室温时水室温时水蒸汽压。蒸汽压。本讲稿第三十一页，共一百零六页 e.保保留留体体积积Vr：指指从从进进样样到到待待测测物物在在柱柱后后出
15、出现现浓浓度度极极大大点点时时所所通通过过的的流流动相的体积。动相的体积。本讲稿第三十二页，共一百零六页f.f.调整保留体积调整保留体积 ：某组份：某组份的保留体积扣除死体积后的体积。的保留体积扣除死体积后的体积。本讲稿第三十三页，共一百零六页g.相对保留值r2,1：组份2的调整保留值与组份1的调整保留值之比。本讲稿第三十四页，共一百零六页n注注意意：r2,1只只与与柱柱温温和和固固定定相相性性质质有有关关，而而与与柱柱内内径径、柱柱长长L、填填充充情情况况及及流流动动相相流流速速无无关关，因因此此，在在色色谱谱分分析析中中，尤尤其其是是GC中中广泛用于定性的依据！广泛用于定性的依据！具具体体
16、做做法法：固固定定一一个个色色谱谱峰峰为为标标准准s，然然后后再再求求其其它它峰峰 i 对对标标准准峰峰的的相相对对保保留留值值，此时以此时以 表示：表示：n 1,又称选择因子。又称选择因子。本讲稿第三十五页，共一百零六页 h.h.区区域域宽宽度度：色色谱谱峰峰的的区区域域宽宽度度是是色色谱谱流流出出曲曲线线的的重重要要参参数数之之一一，可可用用于于衡衡量量色色谱谱柱柱的的柱柱效效及及反反映映色色谱谱操操作作条条件件下下的的动动力力学学因因素素。宽宽度度越越窄窄，其其效效率率越越高高，分分离离的的效效果果也也越好。越好。本讲稿第三十六页，共一百零六页区域宽度通常有三种表示方法：区域宽度通常有三
17、种表示方法：标准偏差标准偏差：峰高：峰高0.607 0.607 倍处峰倍处峰宽处的一半。宽处的一半。半峰宽半峰宽W1/2W1/2：峰高一半处的峰：峰高一半处的峰宽。宽。W1/2=2.354 W1/2=2.354 峰底宽峰底宽W W：色谱峰两侧拐点上切：色谱峰两侧拐点上切线与基线的交点间的距离。线与基线的交点间的距离。W=4W=4 本讲稿第三十七页，共一百零六页色谱流出曲线的意义：色谱流出曲线的意义：色色谱谱峰峰数数=样样品品中中单单组组份份的的最最少少个个数；数；色谱保留值色谱保留值定性依据；定性依据；色谱峰高或面积色谱峰高或面积定量依据；定量依据；色色谱谱保保留留值值或或区区域域宽宽度度色色
18、谱谱柱柱分离效能评价指标；分离效能评价指标；色色谱谱峰峰间间距距固固定定相相或或流流动动相相选选择是否合适的依据。择是否合适的依据。本讲稿第三十八页，共一百零六页2.4 色谱法基本原理色谱法基本原理 色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组分要达到完全分离，两峰间的距离必须足够远，两峰分要达到完全分离，两峰间的距离必须足够远，两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，即与间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱过程的热力学性质有关。但当两峰间虽有一定距色谱过程的热力学性质有关。但当两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是
19、不能分离，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能分开。这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱中传质和扩散开。这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即与色谱过程的动力学性质有关。因此，行为决定的，即与色谱过程的动力学性质有关。因此，要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。本讲稿第三十九页，共一百零六页 一、描述分配过程的参数一、描述分配过程的参数 1 1、分配系数、分配系数(K)(K)：如如前前所所述述，分分配配色色谱谱的的分分离离是是基基于于样样品品组组分分在在固固定定相相和和流流动动相相之之间间反反复复多多次次地地分分配配过过程程，而而吸吸附
20、附色色谱谱的的分分离离是是基基于于反反复复多多次次地地吸吸附附一一脱脱附附过过程程。这这种种分分离离过过程程经经常常用用样样品品分分子子在在两两相相间间的的分分配配来来描描述述，而而描描述述这这种种分分配配的的参数称为分配系数。参数称为分配系数。本讲稿第四十页，共一百零六页 它它是是指指在在一一定定温温度度和和压压力力下下，组组分分在在固固定定相相和和流流动动相相之之间间分分配配达达平平衡衡时时的的浓度之比值，即浓度之比值，即 K K 只只与与固固定定相相和和温温度度 有有关关，与与两两相相体体积积、柱柱管管特特性性和和所所用用仪仪 器无关。器无关。本讲稿第四十一页，共一百零六页分配系数分配系
21、数 K K的讨论的讨论n试试 样品一定时，样品一定时，K K 主要取决于固定相性质一定温主要取决于固定相性质一定温度下，组分的分配系数度下，组分的分配系数 K K 越大，出峰越慢；每个组越大，出峰越慢；每个组份在各种固定相上的分配系数份在各种固定相上的分配系数K K不同；选择适宜的固定不同；选择适宜的固定相可改善分离效果；试样中的各组分具有不同的相可改善分离效果；试样中的各组分具有不同的K K值是分离值是分离的基础；某组分的的基础；某组分的K K=0=0时，即不被固定相保留，最先时，即不被固定相保留，最先流出。流出。本讲稿第四十二页，共一百零六页 在在一一定定条条件件下下，各各种种物物质质的的
22、K K是是不不同同的的。K K较较小小的的组组分分在在色色谱谱分分析析中中每每次次分分配配后后在在气气相相中中的的浓浓度度较较大大，因因此此较较早早流流出出色色谱谱柱柱。K K较较大大的的组组分分每每次次分分配配后后在在气气相相中中浓浓度度较较小小，因因此此较较晚流出色谱柱。晚流出色谱柱。本讲稿第四十三页，共一百零六页当分配次数足够多时，就能将当分配次数足够多时，就能将具有不同具有不同K K的组分分开。所以，的组分分开。所以，我们可以认为，气相色谱法是利我们可以认为，气相色谱法是利用不同的物质具有不同的用不同的物质具有不同的K K而进而进行分离的。而行分离的。而K K的不同则是由于的不同则是由
23、于各组分在固定相中的溶解度（对各组分在固定相中的溶解度（对气气-液色谱）或吸附能力（对气液色谱）或吸附能力（对气-固色谱）不同而造成的。固色谱）不同而造成的。本讲稿第四十四页，共一百零六页 2.2.分配比分配比：在在一一定定温温度度和和压压力力下下，组组份份在在两两相相间间的的分分配配达达平平衡衡时时，分分配配在在固固定定相相和和流流动动相相中中的的质质量量比比，称称为为分分配配比比。它它反反映映了了组组分分在在柱柱中中的的迁迁移移速速率率。又又称称保保留留因因子子。也也叫叫容容量量因子或容量比。因子或容量比。n其中其中V Vm m V V0 0，V Vs s为固定相体积为固定相体积本讲稿第四
24、十五页，共一百零六页分配比分配比 k k 的求算：的求算：k k也等于组分的校正保留时间与死时间的比值也等于组分的校正保留时间与死时间的比值因因此此，k k可可通通过过实实验验测测得得。由由此此也也可可知知道道，k k可可表表示示出出组组分在柱中停留时间的长短。分在柱中停留时间的长短。k k越大，停留时间也就越长。越大，停留时间也就越长。本讲稿第四十六页，共一百零六页 称称为为相相比比率率，它它也也是是反反映映色色谱谱柱柱柱柱型型特特点点的的参参数数。对对填填充充柱柱，=635=635；对对毛毛细细管管柱柱，=60600=60600。3.3.K K 与与 k k 的关系：的关系：本讲稿第四十七
25、页，共一百零六页4.4.选选择择因因子子 ：色色谱谱柱柱对对A A、B B两两组组分分的的选选择择因因子子 定定义义如下：如下：A A为先流出的组分，为先流出的组分，B B 为后流出的组分。为后流出的组分。本讲稿第四十八页，共一百零六页 注注意意：K K 或或 k k 反反映映的的是是某某一一组组分分在在两两相相间间的的分分配配；而而 是是反反映映两两组组分分间间的的分分离离情情况况！当当两两组组分分 K K 或或 k k 相相同同时时，=1=1 时时，两两组组分分不不能能分分开开；当当两两组组分分 K K 或或 k k 相相差差越越大大时时，越越大大，分分离离得得越越好好。也也就就是是说说，
26、两两组组分分在在两两相相间间的的分分配配系系数数不不同同，是是色色谱谱分分离离的的先先决决条件。条件。和和 k k 是是计计算算色色谱谱柱柱分分离离效效能能的的重重要要参参数数！本讲稿第四十九页，共一百零六页二、二、塔板理论塔板理论 塔塔板板理理论论是是描描述述色色谱谱柱柱中中组组分分在在两两相相间间的的分分配配状状况况及及评评价价色色谱谱柱柱的的分分离离效效能能的的一一种种半半经经验验式式的的理理论论。塔塔板板理理论论将将一一根根色色谱谱柱柱当当作作一一个个由由许许多多塔塔板板组组成成的的精精馏馏塔塔，用用塔塔板板概概念念来来描描述述组组分分在在柱柱中中的的分分配配行行为为。塔塔板板是是从从
27、精精馏馏中中借借用用的的，是是一一种种半半经经验验理理论论，但但它它成成功功地解释了色谱流出曲线呈正态分布。地解释了色谱流出曲线呈正态分布。本讲稿第五十页，共一百零六页本讲稿第五十一页，共一百零六页塔板理论假定：塔板理论假定：1 1）塔板之间不连续；）塔板之间不连续；2 2）塔板之间无分子扩散；）塔板之间无分子扩散；3 3）组组分分在在各各塔塔板板内内两两相相间间的的分分配配瞬瞬间间达达至至平平衡衡，达一次平衡所需柱长为理论塔板高度达一次平衡所需柱长为理论塔板高度H H；4 4）某组分在所有塔板上的分配系数相同；）某组分在所有塔板上的分配系数相同；5 5）流流动动相相以以不不连连续续方方式式加
28、加入入，即即以以一一个个一一个个的的塔板体积加入。塔板体积加入。本讲稿第五十二页，共一百零六页 (一）、色谱分离过程：一）、色谱分离过程：塔板理论是把色谱柱假想为一个塔板理论是把色谱柱假想为一个精馏塔，塔内存在许多塔板，组分在每个精馏塔，塔内存在许多塔板，组分在每个塔板的气相和液相间进行分配，达成一次塔板的气相和液相间进行分配，达成一次分配平衡。然后随着流动相按一个塔板、分配平衡。然后随着流动相按一个塔板、一个塔板的方式向前移动。经过多次分配一个塔板的方式向前移动。经过多次分配平衡后，分配系数小的组分，先离开蒸馏平衡后，分配系数小的组分，先离开蒸馏塔（色谱柱），分配系数大的组分后离开塔（色谱柱
29、），分配系数大的组分后离开蒸馏塔（色谱柱），从而使分配系数不同蒸馏塔（色谱柱），从而使分配系数不同的组分彼此得到分离。的组分彼此得到分离。本讲稿第五十三页，共一百零六页分离过程如下图所示分离过程如下图所示本讲稿第五十四页，共一百零六页本讲稿第五十五页，共一百零六页 下面我们再举一个例子说明组下面我们再举一个例子说明组分在色谱柱中的分配情况。分在色谱柱中的分配情况。为简单起见，设色谱柱由为简单起见，设色谱柱由5 5决塔决塔板（板（n=5nn=5n为柱子的塔板数）组成，并以为柱子的塔板数）组成，并以r r表示塔板编号表示塔板编号r=0r=0，1 1，2 2，3 3，4 4，5 5；某组分的分；某组
30、分的分配比配比k=1k=1。根据上述假定在色谱分离过根据上述假定在色谱分离过程中。该组分的分布可计算如下：程中。该组分的分布可计算如下：本讲稿第五十六页，共一百零六页 开始时，将单位质量（即开始时，将单位质量（即 m=1 m=1）的该组分进入的该组分进入0 0号塔板上，然后将流动相号塔板上，然后将流动相以一个板体积（以一个板体积（VV）一个板体积的脉动）一个板体积的脉动形式进入色谱柱；此时组分将安下表所示形式进入色谱柱；此时组分将安下表所示在固定相和流动相进行分配：在固定相和流动相进行分配：本讲稿第五十七页，共一百零六页 板号板号r r 载气体积载气体积0 01 12 23 3进进样样m mM
31、 M0.0.5 5m mS S0.0.5 5V Vm mM M0.0.25250.250.25m mS S0.0.25250.250.252 2VVm mM M0.0.1251250.125+0.10.125+0.125250.1250.125m mS S0.0.1251250.125+0.10.125+0.125250.1250.1253 3VVm mM M0.0.0630630.063+0.10.063+0.125250.063+0.10.063+0.125250.0.063063m mS S0.0.0630630.063+0.10.063+0.125250.063+0.10.063+0.
32、125250.0.063063本讲稿第五十八页，共一百零六页按上述分配过程，对于按上述分配过程，对于n=5n=5，k=1k=1，m=1m=1的体系，随着进入柱中板体积载气的的体系，随着进入柱中板体积载气的增加，组分分布在柱内任一板上的总量增加，组分分布在柱内任一板上的总量（气相和液相的总质量）见下表：（气相和液相的总质量）见下表：本讲稿第五十九页，共一百零六页 r nr n0 01 12 23 34 4出口出口0 01 10 00 00 00 00 01 10.50.50.50.50 00 00 00 02 20.250.250.50.50.250.250 00 00 03 30.1250.1
33、25 0.3750.375 0.3750.375 0.1250.1250 00 04 40.0630.063 0.250.250.3750.375 0.250.250.0630.0630 05 50.0320.032 0.1570.157 0.3130.313 0.3130.313 0.1570.157 0.0320.032本讲稿第六十页，共一百零六页6 6 0.0160.0160.0950.095 0.2350.235 0.3130.313 0.2350.235 0.0790.0797 7 0.0080.0080.0560.056 0.1160.116 0.2740.274 0.2740.2
34、74 0.1180.1188 8 0.0040.0040.0320.032 0.0860.086 0.1960.196 0.2740.274 0.1330.1339 9 0.0020.0020.0180.018 0.0590.059 0.1410.141 0.2360.236 0.1380.13810100.0010.0010.0100.010 0.0380.038 0.1000.100 0.1890.189 0.1180.118本讲稿第六十一页，共一百零六页 n n r r0 01 12 23 34 4出口出口1111 0 00.0050.005 0.0240.024 0.0690.069
35、0.1450.145 0.0950.0951212 0 00.0020.002 0.0160.016 0.0460.046 0.1070.107 0.0730.0731313 0 00.0010.001 0.0080.008 0.0300.030 0.0760.076 0.0540.0541414 0 00 00.0040.004 0.0190.019 0.0530.053 0.0380.0381515 0 00 00.0020.002 0.0120.012 0.0360.036 0.0280.0281616 0 00 00.0010.001 0.0080.008 0.0240.024 0.0
36、180.018本讲稿第六十二页，共一百零六页由表中可见，当由表中可见，当n=5n=5时，即时，即5 5个塔板体积个塔板体积的流动相进入柱中时，组分就开始从柱口的流动相进入柱中时，组分就开始从柱口流出。并且呈现先小后大的情况。流出。并且呈现先小后大的情况。本讲稿第六十三页，共一百零六页以上是当塔板数为以上是当塔板数为5 5时的情况，出现的峰时的情况，出现的峰形不对称形不对称 ，这是由于塔板数太少的原因。，这是由于塔板数太少的原因。当塔板数大于当塔板数大于5050时，峰形就是对称的。在时，峰形就是对称的。在实际色谱柱中，实际色谱柱中，n n值很大（约为值很大（约为10106 6 10 109 9
37、）。所以色谱峰一般为正态分布。）。所以色谱峰一般为正态分布。本讲稿第六十四页，共一百零六页（二）柱效能指标：对于一个色谱柱（二）柱效能指标：对于一个色谱柱来说，其分离能力（叫柱效能）的大小来说，其分离能力（叫柱效能）的大小主要与塔板的数目有关，塔板数越多，主要与塔板的数目有关，塔板数越多，柱效能越高。柱效能越高。色谱柱的塔板数可以用理论塔板数色谱柱的塔板数可以用理论塔板数和有效塔板数来表示。和有效塔板数来表示。本讲稿第六十五页，共一百零六页式中：式中：t tR R为某组分的保留时间；为某组分的保留时间；W W1/21/2为某组分色谱峰的半宽度；为某组分色谱峰的半宽度；W W为色谱峰的峰底宽度。
38、为色谱峰的峰底宽度。由由式式可可见见，柱柱子子的的理理论论塔塔板板数数与与峰峰宽宽和和保保留留时时间间有有关关。保保留留时时间间越越大大，峰峰越越窄窄，理理论论塔塔板板数数就就越越多多。柱柱效效能能也就越高。也就越高。1 1理论塔板数理论塔板数n n：对于一个柱子下说，其理论塔板数可由下式计算：对于一个柱子下说，其理论塔板数可由下式计算：本讲稿第六十六页，共一百零六页对于一个柱长固定为对于一个柱长固定为L L的柱子，其理论塔板高度的柱子，其理论塔板高度H H为为每每一一个个塔塔板板的的高高度度，即即组组分分在在柱柱内内每每达达成成一一次次分分配配平平衡衡所所需需要要的的柱柱长长叫叫理理论论塔塔
39、板板高高度度。它它越越小小，也也表表示柱效能越高。示柱效能越高。本讲稿第六十七页，共一百零六页2 2有效塔板数有效塔板数n n有效有效：在在以以上上计计算算理理论论塔塔板板数数的的式式子子中中使使用用的的是是保保留留时时间间，它它包包括括了了死死时时间间，它它与与组组分分在在柱柱内内的的分分配配无无关关，因因此此不不能能真真正正反反映映色色谱谱柱柱的的柱柱效效。为为此此，引引入入了了有有效效塔塔板数的概念。板数的概念。本讲稿第六十八页，共一百零六页同理有效塔板高度为：本讲稿第六十九页，共一百零六页3.3.塔板理论的特点：塔板理论的特点：(1)(1)当当色色谱谱柱柱长长度度一一定定时时，塔塔板板
40、数数 n n 越越大大(塔塔板板高高度度 H H 越越小小)，被被测测组组分分在在柱柱内内被被分分配配的的次次数数越越多多，柱柱效能则越高，所得色谱峰越窄。效能则越高，所得色谱峰越窄。(2)(2)不不同同物物质质在在同同一一色色谱谱柱柱上上的的分分配配系系数数不不同同，用用有有效效塔塔板板数数和和有有效效塔塔板板高高度度作作为为衡衡量量柱柱效效能能的的指指标标时时，应指明测定物质。应指明测定物质。(3)(3)柱柱效效不不能能表表示示被被分分离离组组分分的的实实际际分分离离效效果果，当当两两组组分分的的分分配配系系数数 K K 相相同同时时，无无论论该该色色谱谱柱柱的的塔塔板板数数多多大大，都无
41、法分离。都无法分离。(4)(4)塔塔板板理理论论无无法法指指出出影影响响柱柱效效的的因因素素及及提提高高柱柱效效的的途径。途径。本讲稿第七十页，共一百零六页三速率理论三速率理论范弟姆特方程式：范弟姆特方程式：塔塔板板理理论论是是一一个个半半经经验验性性的的理理论论。它它定定性性的的给给出出了了板板高高的的概概念念，但但不不能能指指出出影影响响板板高高的的因因素素。速速率率理理论论就就是是在在塔塔板板理理论论的的基基础础上上，给给出出了了影影响响塔塔板板高高度度的的因素：因素：本讲稿第七十一页，共一百零六页u u 为流动相线速度；为流动相线速度；A A，B B，C C为常数，其中为常数，其中 A
42、 A分别表示涡流扩散系数；分别表示涡流扩散系数；B B分子扩散系数；分子扩散系数；C C传传质质阻阻力力系系数数（包包括括液液相相和和固固相相传传质质阻阻力力系系数数）。该该式式从从动动力力学学角角度度很很好好地地解解释释了了影影响响板板高高（柱柱效效）的的各各种种因因素素！任任何何减减少少方方程程右右边边三三项项数数值值的的方方法，都可降低法，都可降低H H，从而提高柱效。，从而提高柱效。本讲稿第七十二页，共一百零六页1 1）涡流扩散项）涡流扩散项(A)(A)在在填填充充柱柱中中，由由于于受受到到固固定定相相颗颗粒粒的的阻阻碍碍，组组份份在在迁迁移移过过程程中中随随流流动动相相不不断断改改变
43、变方方向向，形形成成紊紊乱乱的的“涡涡流流”：从从图图中中可可见见，因因填填充充物物颗颗粒粒大大小小及及填填充充的的不不均均匀匀性性同同一一组组分分运运行行路路线线长长短短不不同同流流出出时时间间不不同同峰峰形形展展宽宽。展展宽程度以宽程度以A A表示：表示：A=2A=2 d dp p其其中中d dp p填填充充物物平平均均直直径径；填填充充不不规规则因子。则因子。可可见见，使使用用细细粒粒的的固固定定相相并并填填充充均均匀匀可可减减小小A A，提提高高柱柱效效。对对于于空空心毛细管柱，无涡流扩散，即心毛细管柱，无涡流扩散，即A=0A=0。流动方向流动方向本讲稿第七十三页，共一百零六页本讲稿第
44、七十四页，共一百零六页2 2）分子扩散项）分子扩散项(B/u)(B/u)纵纵向向分分子子扩扩散散是是由由于于浓浓度度梯梯度度引引起起的的。当当样样品品被被注注入入色色谱谱柱柱时时，它它呈呈“塞塞子子”状状分分布布。随随着着流流动动相相的的推推进进，“塞塞子子”因因浓浓度度梯梯度度而而向向前前后后自自发发地地扩散，使谱峰展宽。其大小为扩散，使谱峰展宽。其大小为B=2B=2 D D 称称为为弯弯曲曲因因子子，它它表表示示固固定定相相几几何何形形状状对对自自由由分分子子扩扩散的阻碍情况；散的阻碍情况；D D组组分分在在流流动动相相中中的的扩扩散散系系数数。组组份份为为气气体体或或液液体体时时，分别以
45、分别以D Dg g或或D Dm m表示；表示；本讲稿第七十五页，共一百零六页讨论：讨论：分子量大的组分，分子量大的组分，D Dg g小，即小，即B B小小D Dg g 随柱温升高而增加，随柱压随柱温升高而增加，随柱压降低而减小；降低而减小；流动相分子量大，流动相分子量大，D Dg g 小，即小，即 B B 小；小；u u 增加，组份停留时间短，纵向增加，组份停留时间短，纵向扩散小；扩散小；（B/uB/u）对于液相色谱，因对于液相色谱，因D Dm m 较小，较小，B B 项可勿略。项可勿略。球状颗粒；球状颗粒；大大 分分 子子 量量流动相；流动相；适适 当当 增增 加加流速；流速；短柱；短柱；低
46、温。低温。本讲稿第七十六页，共一百零六页3 3）传质阻力项）传质阻力项(Cu)(Cu)因因传传质质阻阻力力的的存存在在，使使分分配配不不能能“瞬瞬间间”达达至至平平衡衡，因因此此产产生生峰峰形形展展宽宽。气气相相色色谱谱以以气气体体为为流流动动相相，液液相相色色谱谱以以液液体体为为流流动动相相，二二者者传传质质过过程程不不完完全全相相同同。下下面面分分别别作作讨论。讨论。a a）气气液液色色谱谱：传传质质阻阻力力项项C C包包括括气气相相传传质质阻阻力力系系数数C Cs s和和液相传质阻力系数液相传质阻力系数C Cl l。本讲稿第七十七页，共一百零六页流动相流动相固液界面固液界面固定液固定液组
47、分分子组分分子ClCg本讲稿第七十八页，共一百零六页讨论：讨论：F 减小填充颗粒直径减小填充颗粒直径d dp p；F 采用分子量小的流动相，使采用分子量小的流动相，使D Dg g增加；增加；F 减小液膜厚度减小液膜厚度d df f，C Cl l下降。下降。但此时但此时k k又减小。又减小。因此，当保持固定液含量不变时，可通过因此，当保持固定液含量不变时，可通过 增加固定液载体的比表面来降低增加固定液载体的比表面来降低d df f。但比。但比 表面过大又会因吸附过强使峰拖尾。表面过大又会因吸附过强使峰拖尾。F 增加柱温，可增加增加柱温，可增加D Dl l，但，但k k值也减小，为保值也减小，为保
48、 持合适持合适C Cl l值，应控制柱温。值，应控制柱温。本讲稿第七十九页，共一百零六页b b）液液液液色色谱谱：传传质质阻阻力力项项C C 包包括括流流动动相相传传质质阻阻力力系系数数C Cm m 和固定相传质阻力系数和固定相传质阻力系数 C Cs s。sm本讲稿第八十页，共一百零六页讨论：讨论：流流动动相相传传质质阻阻力力包包括括两两方方面面：流流动动相相中中的的传传质质阻阻力力C Cm m、滞滞留留的的流流动动相相传传 质质阻阻力力CsCs 。分分别别与与填填充充物物大大小小 d dp p、扩扩散散系系数数(D(Dm m)、微微孔孔大大小及其数量等有关。小及其数量等有关。因因此此，降降低
49、低流流动动相相传传质质阻阻力力的的方方法法有有：细细颗颗粒粒固固定定相相、增增加组分在固定相和流动相中的扩散系数加组分在固定相和流动相中的扩散系数D D、适当降低线速度、短柱。、适当降低线速度、短柱。固固定定相相传传质质阻阻力力与与液液膜膜厚厚度度d df f、保保留留因因子子 k k 和和扩扩散散系系数数D Ds s等等有关。有关。因因此此，降降低低固固定定相相传传质质阻阻力力的的方方法法有有：与与气气液液色色谱谱中中液液相传质阻力的表述相同。相传质阻力的表述相同。本讲稿第八十一页，共一百零六页 4 4）流速）流速u u 由方程由方程 H=A+B/u+CuH=A+B/u+Cu知道：知道：当当
50、u u一一定定时时，仅仅在在A A、B B、C C 较较小小时时，H H 较较小小，柱柱效效较较高高；反反之之则则柱柱效效较较低低，色色谱峰将展宽。谱峰将展宽。以以u u对对H H作作图图，可可得得H-uH-u曲曲线线（如如图图），从该曲线得到：，从该曲线得到：本讲稿第八十二页，共一百零六页板高，板高，H(cm)HminA+B/u+CuCmuCsuAB/u本讲稿第八十三页，共一百零六页涡流扩散项涡流扩散项A与流速与流速u无关；无关；低流速区低流速区(u小小)，B/u大，分子扩散项占主导，大，分子扩散项占主导，此时选择分子量大的气体如此时选择分子量大的气体如N2和和Ar为载气，可为载气，可 减小