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1、第十九章第十九章 色谱法导论色谱法导论任课教师:陈磊中药分析教研室CHROMATOGROPHY本讲稿第一页，共六十八页第十九章第十九章 色谱法导论色谱法导论fundamental of chromatograph analysis第一节第一节 概概 述述 generalization of chromatograph analysis 色谱法色谱法chromatographchromatograph是一种物理或物理化学分离分析方法，特别适宜于分离多组分的是一种物理或物理化学分离分析方法，特别适宜于分离多组分的试样，是各种分离技术中效率很高和应用最广的一种方法。试样，是各种分离技术中效率很高和应
2、用最广的一种方法。它是利用各物质在两相中具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，这些它是利用各物质在两相中具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，这些物质在两相中进行多次反复的分配来达到分离的目的。物质在两相中进行多次反复的分配来达到分离的目的。色谱的起源和发展色谱的起源和发展:(1)(1)起源起源:俄国植物学家茨维特（俄国植物学家茨维特（Tswett)Tswett)在在19061906年使用的色谱原型装置如右图所示。年使用的色谱原型装置如右图所示。色谱法的产生色谱法的产生固定相、流动相、色谱柱固定相、流动相、色谱柱本讲稿第二页，共六十八页色谱历史与发展色谱历史与发展本讲稿第三页，共六十八页色
3、谱历史与发展色谱历史与发展(2)(2)色谱的发展色谱的发展4040年代年代5050年代年代 薄层色谱薄层色谱19411941年年MartinMartin和和SyngeSynge提出色谱塔板理论提出色谱塔板理论19521952年年MartinMartin和和JamesJames发明了气相色谱发明了气相色谱2020世纪世纪6060年代末年代末7070年代初随着气相色谱的发展年代初随着气相色谱的发展,高效液相色高效液相色谱得到了飞快发展谱得到了飞快发展(3)(3)色谱的发展趋势色谱的发展趋势色谱色谱光谱联用技术光谱联用技术GC-MSGC-MS、GC-FTIRGC-FTIR、LC-MSLC-MS、LC
4、-NMRLC-NMR大大提高大大提高了分离分析能力了分离分析能力色谱色谱色谱联用技术色谱联用技术GC-HPLC GC-HPLC、GLC-GSCGLC-GSC、HPLC-TLC HPLC-TLC模式识别与人工神经网络模式识别与人工神经网络色谱专家系统：知识库、推理机、动态数据库等色谱专家系统：知识库、推理机、动态数据库等纸色谱纸色谱本讲稿第四页，共六十八页仪器的发展五十年代第一台色谱仪问世 本讲稿第五页，共六十八页六十年代就有数台六十年代就有数台5 5公斤重的色谱仪随阿波罗飞船同登公斤重的色谱仪随阿波罗飞船同登月球，自动取样分析，月球，自动取样分析，19701970年更有一台年更有一台10010
5、0克重的色谱仪飞上了火星。克重的色谱仪飞上了火星。19671967年时全世界共有色谱仪年时全世界共有色谱仪7 7万台万台19721972年就发展到年就发展到2020万台万台现在我国的仪器就有数百万台现在我国的仪器就有数百万台过去庞大的体积，到现在的越来越小巧过去庞大的体积，到现在的越来越小巧过去只有进口的，过去只有进口的，现在国产的也很好现在国产的也很好,比如说大连依利特比如说大连依利特公司公司本讲稿第六页，共六十八页色谱分析技术有广泛的应用领域色谱分离是目前应用最广泛的分离方法。已广泛地用于石油化工、有机合成、生理生化、医药卫生、环境监测、刑事侦查、生产在线控制，乃至空间探索等许多领域，以解
6、决各种分离分析课题。石油化工石油产品质量监控油田开发（吸附丝技术）本讲稿第七页，共六十八页医药卫生提纯净化提纯净化如手性色谱分离有效成分药物中间体的处理药物中间体的处理食品卫生监测食品卫生监测（瘦肉精、农残、抗生素）化学研究样品提纯如合成产品的检验等物质性质与其配比的相关性色谱法和化学计量学方法结合本讲稿第八页，共六十八页生命科学研究DNA测序用CE、HPLC技术、生物工程下游技术细胞的培养、分离、纯化和分析检测 本讲稿第九页，共六十八页教材特点及参考书教材教材:新世纪全国高等中医药院校规划教材分析化学下册新世纪全国高等中医药院校规划教材分析化学下册(供中药类专业供中药类专业)黄世德黄世德 梁
7、生旺主编梁生旺主编参考书参考书:(1)(1)专著专著:付若农主编的色谱技术丛书付若农主编的色谱技术丛书化学工业出版社化学工业出版社，涵盖所有色，涵盖所有色谱技术：谱技术：色谱分析概论色谱分析概论 离子色谱方法及应用离子色谱方法及应用色谱定性和定量色谱定性和定量 毛细管电泳技术及应用毛细管电泳技术及应用气相色谱检测方法气相色谱检测方法 色谱分析样品处理色谱分析样品处理本讲稿第十页，共六十八页液相色谱检测方法液相色谱检测方法 色谱联用技术色谱联用技术气相色谱方法及应用气相色谱方法及应用 色谱柱技术色谱柱技术高效液相色谱方法及应用高效液相色谱方法及应用 色谱仪器维护与故障排除色谱仪器维护与故障排除平
8、面色谱方法及应用平面色谱方法及应用等等等等(2)(2)杂志杂志色谱科学杂志色谱科学杂志（J J，Chromatography SciChromatography Sci）19631963年创刊年创刊,原名气相色谱杂志（原名气相色谱杂志（J,Gas J,Gas ChromatChromat）,1969,1969年改为现名年改为现名,主要发表气相、液相原始论文和总结性文章（英文）和色主要发表气相、液相原始论文和总结性文章（英文）和色谱标准图谱。谱标准图谱。色谱杂志色谱杂志（J J，Chromatograpy Chromatograpy）19581958年创刊年创刊,系多科性（包括气相、系多科性（包
9、括气相、液相色谱，薄层色谱，纸色谱，离子交换色谱等）国际杂志，刊液相色谱，薄层色谱，纸色谱，离子交换色谱等）国际杂志，刊登各种原始论文及讲座性文章，并附有定性、定量数据及色谱文登各种原始论文及讲座性文章，并附有定性、定量数据及色谱文摘，文章以英文、法文或德文发表，从摘，文章以英文、法文或德文发表，从19931993年起分年起分A A、B B卷发行，卷发行，每年还有每年还有ReviewReview专辑。专辑。本讲稿第十一页，共六十八页色谱色谱，19841984年创刊，刊登各种原始论文和综述，为双月刊。年创刊，刊登各种原始论文和综述，为双月刊。刊刊登登色色谱谱文文章章和和评评论论性性文文章章的的还
10、还有有各各种种分分析析化化学学相相关关的的杂杂志志，如如各各国国的的“分分析析化化学学”（中中、美美、英英、日日、德德等等），中中文文的的理理化化检检验验、环环境境化化学学等等专专业业文文献献上上也也有有相相当当比比例例的的色色谱论文发表。谱论文发表。（3 3）手册）手册手册手册是最方便地查阅相关文献的工具，尽管所列数据并非最新的。是最方便地查阅相关文献的工具，尽管所列数据并非最新的。如如19991999年年3 3月起再版的分析化学手册第二版，共月起再版的分析化学手册第二版，共1010个分册：个分册：1-1-基础知识与安全知识基础知识与安全知识 2-2-化学分析化学分析 3-3-光谱分析光谱分
11、析 4-4-电分析化学电分析化学 5-5-气相色谱分析气相色谱分析 6-6-液相色谱分析液相色谱分析 7-7-核磁共振波谱分析核磁共振波谱分析 8-8-热分析热分析 9-9-质谱分析质谱分析 10-10-化学计量学化学计量学本讲稿第十二页，共六十八页（4 4）学术会议文集）学术会议文集 每每年年都都有有不不同同组组织织者者组组织织召召开开的的国国际际国国内内的的各各种种分分析析界界的的学学术术报报告告会会，会会议议的的文文集集也也是是一一种种很很好好的的参参考考文文献献，值值得得收收集集阅阅读读。全全国国色色谱谱学学术术报报告告会会和和浙浙江江省省色色谱谱学学术术报报告告会会均均每每两两年年举
12、举办办一一次次，全全国国会议每次能征集到论文会议每次能征集到论文 500 500篇以上，省会议也能征集到篇以上，省会议也能征集到6060篇以上。篇以上。（5 5）色谱网站）色谱网站 我们的工作与生活已经离不开网络我们的工作与生活已经离不开网络,已有很多国际网站，已有很多国际网站，包括美国化学会的网站，可搜索后查取相关文献。关于色谱包括美国化学会的网站，可搜索后查取相关文献。关于色谱方面的网站有：方面的网站有： 本讲稿第十三页，共六十八页色谱法的原理色谱法的原理(两个相和一个装置两个相和一个装置)（1 1）两个相：）两个相：固定相固定相和和流动相流动相 试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在色
13、谱分离柱中的两相间不断试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程。当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发生进行着的分配过程。当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发生相互作用。由于相互作用。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过反，随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序从复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同
14、，从而按一定次序从色谱柱中流出。色谱柱中流出。色谱柱色谱柱本讲稿第十四页，共六十八页其中的一相固定不动，称为其中的一相固定不动，称为固定相固定相(stationary phase)(stationary phase)；另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体（气体或液体），另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体（气体或液体），称为称为流动相流动相(mobile phase)(mobile phase)。（2 2）一个装置：柱子）一个装置：柱子装有固定相的柱子称为色谱柱装有固定相的柱子称为色谱柱(chromatographic column)(chromatographic column)GC
15、GC填充柱填充柱HPLC填充柱填充柱C保护柱保护柱填填料料本讲稿第十五页，共六十八页色谱法的分类色谱法的分类（一）按两相的状态不同分类：（一）按两相的状态不同分类：按流动相的状态分为：按流动相的状态分为：(1)(1)气相色谱：流动相为气体（称为载气）；气相色谱：流动相为气体（称为载气）；(2)(2)液相色谱：流动相为液体；液相色谱：流动相为液体；(3)(3)超临界色谱：流动相为超临界流体（常用超临界色谱：流动相为超临界流体（常用CO2CO2）；）；按固定相的不同：按固定相的不同：(1)(1)气相色谱分为：气固色谱（气相色谱分为：气固色谱（GSCGSC）和气液色谱（）和气液色谱（GLCGLC）；
16、）；(2)(2)液相色谱分为：液固色谱（液相色谱分为：液固色谱（LSCLSC）和液液色谱（）和液液色谱（LLCLLC）；）；本讲稿第十六页，共六十八页（二）按分离机理分类：（二）按分离机理分类：1 1吸附色谱法吸附色谱法(absorption chromatography)(absorption chromatography)2 2分配色谱法分配色谱法(partition chromatography)(partition chromatography)3.3.离子交换色谱法离子交换色谱法(ion exchange chromatography)(ion exchange chromatogr
17、aphy)4.4.尺寸排阻色谱法尺寸排阻色谱法(size exclusion chromatography)(size exclusion chromatography)除除 以以 上上 四四 种种 外外，还还 有有 亲亲 和和 色色 谱谱 法法(affinity(affinity chromatography)chromatography)，是是利利用用不不同同组组分分与与固固定定相相(固固定定化化分分子子)的高专属性亲和力进行分离的方法。的高专属性亲和力进行分离的方法。（三）（三）按极性分类按极性分类1.正相色谱法正相色谱法2.反相色谱法反相色谱法本讲稿第十七页，共六十八页（四）按操作形式
18、分类：（四）按操作形式分类：1 1柱色谱法（柱色谱法（column chromatographycolumn chromatography）：）：填充柱色谱和毛细管柱色谱；填充柱色谱和毛细管柱色谱；2 2平面色谱法平面色谱法(plane chromatography)(plane chromatography)：（1 1）纸色谱法）纸色谱法(paper chromatography)(paper chromatography)（2 2）薄层色谱法）薄层色谱法(thin layer chromatography)(thin layer chromatography)（3 3）薄膜色谱法）薄膜色谱
19、法(thin film chromatography)(thin film chromatography)本讲稿第十八页，共六十八页色谱法的分类色谱法的分类 气液色谱法（GLC）填充柱色谱法 气固色谱法（GSC）气相色谱法 涂壁毛细管柱（WCOT）（GC）毛细管柱色谱法 多孔层毛细管柱（PLOT）普通柱色谱法 液-液色谱法（LLC）柱色谱法 液-固色谱法（LSC）高效液相色谱法 离子交换色谱法(IEC)液相色谱法 尺寸排阻色谱法(SEC)（LC）纸色谱法（PC）平面色谱 薄膜色谱法(TFC)薄层色谱法（TLC）超临界流体色谱法（SFC）本讲稿第十九页，共六十八页色谱法的特点色谱法的特点（1 1
20、）分离效率）分离效率高高 复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。（2 2）灵敏度灵敏度高高 可以检测出g.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量。（3 3）分析速度分析速度快快 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）应用范围应用范围广广 气相色谱：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：液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。本讲稿第二十页，共六十八页色谱法不足之处：色谱法不足之处：因为定性需要已知物质，被分离组分的未知物质定性较为困难，需要借助MS，NMR，IR等手段。A：样品；B：对照品1；C：对照品2本讲稿第二十
21、一页，共六十八页色谱分离过程色谱分离过程 色谱分离过程是在色谱柱内完成的。以气相色谱为例。色谱分离过程是在色谱柱内完成的。以气相色谱为例。气固气固(液固液固)色谱和气液色谱和气液(液液液液)色谱，两者的分离机理不同色谱，两者的分离机理不同(一一)气固气固(液固液固)色谱的固定相色谱的固定相:多多孔孔性性的的固固体体吸吸附附剂剂颗颗粒粒。固固体体吸吸附附剂剂对对试试样样中中各各组组分分的的吸吸附附能能力力的不同。的不同。气固色谱的分离机理气固色谱的分离机理:吸附与脱附的不断重复过程；吸附与脱附的不断重复过程；(二二)气液气液(液液液液)色谱的固定相色谱的固定相:由由担担体体和和固固定定液液所所组
22、组成成。固固定定液液对对试试样样中中各各组组分分的的溶溶解解能能力力的不同。的不同。气液色谱的分离机理：气液色谱的分离机理：溶解与挥发的反复多次分配过程。溶解与挥发的反复多次分配过程。本讲稿第二十二页，共六十八页例例:气相色谱分离过程气相色谱分离过程当当试试样样由由载载气气携携带带进进入入色色谱谱柱柱与与固固定定相相接触时，被固定相溶解或吸附接触时，被固定相溶解或吸附;随随着着载载气气的的不不断断通通入入，被被溶溶解解或或吸吸附附的组分又从固定相中挥发或脱附的组分又从固定相中挥发或脱附;挥挥发发或或脱脱附附下下的的组组分分随随着着载载气气向向前前移移动时又再次被固定相溶解或吸附动时又再次被固定
23、相溶解或吸附;随随着着载载气气的的流流动动，溶溶解解、挥挥发发，或或吸吸附附、脱附的过程反复地进行；脱附的过程反复地进行；较较难难被被吸吸附附（溶溶解解）的的组组分分随随载载气气较较快快地地向向前前移移动动，较较易易被被吸吸附附（溶溶解解）的的组组分分则则随随载载气气较较慢慢地地移移动动。经经过过一一定定时时间间后后，各各组组分分就就彼此分离。彼此分离。本讲稿第二十三页，共六十八页基本过程：相平衡基本过程：相平衡-相转移相转移 平衡观点平衡观点仪器：色谱仪器：色谱柱柱+检测器检测器动力学观点动力学观点各组分分配系数不等，产生差速迁移各组分分配系数不等，产生差速迁移第二节第二节 色谱流出曲线与术
24、语色谱流出曲线与术语本讲稿第二十四页，共六十八页第二节第二节 色谱流出曲线与术语色谱流出曲线与术语一一.色谱流出曲线图色谱流出曲线图色谱流出曲线：色谱流出曲线：由检测器输出的电信号强度对时间作图，所得曲线。色色谱谱峰峰：当某组分从色谱柱流出时，检测器对该组分的响应信号随时间变化所形成的峰形曲线称为该组分的色谱峰。本讲稿第二十五页，共六十八页二.基线基线 (Base line)(Base line)无试样无试样通过检测器时，检测到的信号即为基线。通过检测器时，检测到的信号即为基线。三三.峰高峰高(h h)色谱峰顶到基线的垂直距离色谱峰顶到基线的垂直距离,上图上图BABA段。段。色谱流出曲线和色谱
25、峰 基线（a）;峰高（h）信号进样空气峰色谱峰ha本讲稿第二十六页，共六十八页四四.色谱峰区域宽度色谱峰区域宽度 (w w)()(衡量柱效衡量柱效)是色谱流出曲线的重要参数之一，用于衡量柱效率及反是色谱流出曲线的重要参数之一，用于衡量柱效率及反映色谱操作条件的动力学因素。用来衡量色谱峰宽度的参映色谱操作条件的动力学因素。用来衡量色谱峰宽度的参数，有三种表示方法：数，有三种表示方法：（1 1）标标准准偏偏差差()：即即0.6070.607倍倍峰峰高高处处色色谱谱峰峰宽宽度度的的一一半半，上上图图EFEF段；段；（2 2）半峰宽半峰宽(W W1/21/2)：色谱峰高一半处的宽度色谱峰高一半处的宽度
26、 W W1/21/2=2.354=2.354，上图上图GHGH段；段；（3 3）峰底宽峰底宽(W W)：即色谱峰两侧拐点上的切线即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上截距间的距离。在基线上截距间的距离。W=4 W=4 ，上图上图IJIJ段。段。)W1/21/2h本讲稿第二十七页，共六十八页 五、拖尾因子五、拖尾因子（tailing factortailing factor）用于衡量色谱峰的对称性。用于衡量色谱峰的对称性。不正常色谱峰：拖尾峰、前延峰不正常色谱峰：拖尾峰、前延峰T=0.95-1.05，对称峰对称峰T1.05，拖尾峰拖尾峰本讲稿第二十八页，共六十八页六.保留值（一）保留时间 1.1.死时
27、间死时间t tM M ：不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时，从进样到出现峰极大值所需的时间称为死时间，它正比于色谱柱的空隙体积，如下图。信号进样t tM M本讲稿第二十九页，共六十八页死时间的测定很难：无合适样品无合适样品（完全不保留并有足够强的紫外信号）一般测定方法为（紫外检测器）：1.1.正向-四氟乙烯;反向-苯甲酸、硝酸等。2.2.比流动相少一个C的同系物3 3.不具备条件时可用下式计算：本讲稿第三十页，共六十八页2.2.保留时间保留时间t tR R 组分从进样到在柱后出现峰极大点所需的组分从进样到在柱后出现峰极大点所需的时间，称为保留时间，如图时间，称为保留时间，如图19-119-
28、1中中OBOB。3.3.调整保留时间调整保留时间t tR R t tR R=t tR Rt tM M （二）二）保留体积保留体积 1.1.死体积死体积 V VM M V VM M=t tM M F FC C 2.2.保留体积保留体积 V VR R V VR R=t tR R F FC C 3.3.调整保留体积调整保留体积 V VR R V VR R=V VR RV VM M=t tR R F FC C 本讲稿第三十一页，共六十八页（三）相对保留值三）相对保留值 r ri i，s s r2，1=tR2 /tR1=VR2/VR1 相相对对保保留留值值是是衡衡量量分分离离情情况况的的重重要要参参数数
29、，大大多多数数手手册册上上可可查查到到。因其只与色谱柱种类及柱温有关，故也是重要的定性指标。因其只与色谱柱种类及柱温有关，故也是重要的定性指标。七七.分配系数和容量因子分配系数和容量因子 （1）分配系数分配系数(K K)：在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度之比值 本讲稿第三十二页，共六十八页（2）容量因子（k）在一定温度和压力下，两相平衡时，组分在两相中的质量比。k 本讲稿第三十三页，共六十八页使使A A、B B两组分完全分离的前提：两组分完全分离的前提：第一，两组分的分配系数必须有差异；第一，两组分的分配系数必须有差异；第二，足够长的色谱柱。第二，足够长的色谱柱。
30、(3)相平衡常数与保留时间的关系相平衡常数与保留时间的关系本讲稿第三十四页，共六十八页八八.分离度分离度（resolution,反映柱效）R1R1，两峰有部分重叠两峰有部分重叠R=1.5R=1.5，分离程度可达，分离程度可达99.7%99.7%R=2R=2，完全分离完全分离中国药典中国药典规定：规定：R1.5R1.5，相邻，相邻 两组分分离两组分分离本讲稿第三十五页，共六十八页九九.等温线等温线分类：分类：直线型直线型 凸型凸型 凹型凹型溶液浓度影响等温线形状溶液浓度影响等温线形状CsCm本讲稿第三十六页，共六十八页例：例：用一根固定相的体积为用一根固定相的体积为0.148mL0.148mL，
31、流动相的体积为，流动相的体积为1.26mL1.26mL的色谱柱分离的色谱柱分离A,BA,B两个组分，它们的保留时间分两个组分，它们的保留时间分别为别为14.4min14.4min，15.4min15.4min，不被保留组分的保留时间为，不被保留组分的保留时间为4.2min4.2min，试计算：，试计算：（1 1）各组分的容量因子）各组分的容量因子（2 2）各组分的分配系数）各组分的分配系数（3 3）ABAB两组分的选择因子两组分的选择因子r rB,AB,A解：解：（1 1）k kA A=(14.4min-4.2min)/4.2min=2.43 =(14.4min-4.2min)/4.2min=
32、2.43 k kB B=(15.4min-4.2min)/4.2min=2.67=(15.4min-4.2min)/4.2min=2.67(2)(2)K=K=k k=k kV Vm m/V/Vs s K KA A=k kA AV Vm m/V/Vs s=2.432.431.261.26mLmL/0.148mL=20.7/0.148mL=20.7 K KB B=k kB BV Vm m/V/Vs s=2.672.671.261.26mLmL/0.148mL=22.7/0.148mL=22.7(3)r(3)rB,AB,A=K=KB B/K/KA A=22.7/20.7=1.10=22.7/20.7
33、=1.10本讲稿第三十七页，共六十八页色谱流出曲线的意义由色谱流出曲线可以实现以下目的：由色谱流出曲线可以实现以下目的：（1）根据色谱峰的数目，可以判断试样中所含组分的）根据色谱峰的数目，可以判断试样中所含组分的最少个数。最少个数。（2）根据色谱峰的保留值进行定性分析。）根据色谱峰的保留值进行定性分析。（3）依据色谱峰的面积或峰高进行定量分析。）依据色谱峰的面积或峰高进行定量分析。（4）依据色谱峰的保留值以及峰宽评价色谱柱的分离效能。）依据色谱峰的保留值以及峰宽评价色谱柱的分离效能。本讲稿第三十八页，共六十八页第三节第三节 色谱法基本理论色谱法基本理论色色谱谱理理论论需需要要解解决决的的问问题
34、题：色色谱谱分分离离过过程程的的热热力力学学和和动动力力学学问问题题。影影响响分分离离及及柱柱效效的的因因素素与与提提高高柱柱效效的的途途径径，柱柱效效与与分分离离度度的的评价指标及其关系。评价指标及其关系。组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？组分保留时间：组分保留时间：色谱过程的色谱过程的热力学热力学因素控制；因素控制；（组分和固定相的结构和性质（组分和固定相的结构和性质,如分配系数）如分配系数）色谱峰变宽：色谱峰变宽：色谱过程的色谱过程的动力学动力学因素控制；因素控制；（两相中的运动阻力，扩散）（两相中的运动阻力，扩散）两种色谱理论两种色谱理论：塔板
35、理论和速率理论塔板理论和速率理论本讲稿第三十九页，共六十八页（一）塔板理论（一）塔板理论-柱分离效能指标柱分离效能指标1.1.塔板理论（塔板理论（plate theoryplate theory）半半经经验验理理论论：将将色色谱谱分分离离过过程程比比拟拟作作蒸蒸馏馏过过程程，将将连连续续的的色色谱谱分分离离过过程程分分割割成成多多次次的的平平衡衡过过程程的的重重复复类类似似于于蒸蒸馏馏塔塔塔塔板板上上的的平平衡衡过过程程）；在在每每一一个个塔塔板板上上，被被分分离组分达到一次分配平衡。离组分达到一次分配平衡。塔板理论的假设：塔板理论的假设：(1)(1)在在每每一一个个平平衡衡过过程程间间隔隔内
36、内，平平衡衡可可以以迅迅速速达达到到；这这一小段间隔的柱长称为一小段间隔的柱长称为理论塔板高度理论塔板高度。(2)(2)将载气看作成将载气看作成脉动脉动（间歇）过程；（间歇）过程；(3)(3)试样沿色谱柱方向的试样沿色谱柱方向的扩散扩散可忽略；可忽略；(4)(4)每次每次分配的分配的分配系数相同。分配系数相同。本讲稿第四十页，共六十八页色谱柱长：色谱柱长：L，虚拟的塔板间距离（理论塔板高度）：虚拟的塔板间距离（理论塔板高度）：H，色谱柱的理论塔板数：色谱柱的理论塔板数：n，则三者的关系为：则三者的关系为：n=L/H理论塔板数与色谱参数之间的关系为：理论塔板数与色谱参数之间的关系为：单位柱长的单
37、位柱长的塔板数越多塔板数越多，表明，表明柱效越高柱效越高。用用不同物质不同物质计算可得到计算可得到不同的理论塔板数不同的理论塔板数。保留时间包含死时间，在死时间内不参与分配保留时间包含死时间，在死时间内不参与分配!本讲稿第四十一页，共六十八页2.2.有效塔板数和有效塔板高度有效塔板数和有效塔板高度组组分分在在t t0 0时时间间内内不不参参与与柱柱内内分分配配。需需引引入入有有效效塔塔板板数数和和有有效效塔板高度：塔板高度：本讲稿第四十二页，共六十八页示 例例：例：用一根柱长为用一根柱长为1m1m的色谱柱分离含有的色谱柱分离含有A A，B B，C C，D D四个四个组分的混合物，它们的保留时间
38、组分的混合物，它们的保留时间t tR R分别为分别为6.4min,14.4min,15.4min,20.7min,6.4min,14.4min,15.4min,20.7min,其峰底宽其峰底宽W Wb b分别为分别为0.45min,1.07min,1.16min,1.45min0.45min,1.07min,1.16min,1.45min。试计算：各谱峰的理论塔板数。试计算：各谱峰的理论塔板数。解：解：本讲稿第四十三页，共六十八页3.3.塔板理论的特点和不足塔板理论的特点和不足(1)当色谱柱长度一定时，塔板数当色谱柱长度一定时，塔板数 n 越大越大(塔板高度塔板高度 H 越小越小)，被测组分在
39、柱内被分配的次数越多，柱效能则被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高越高，即使分，即使分配系数只有微小的差别，仍可获得好的分离效果。配系数只有微小的差别，仍可获得好的分离效果。所得色谱所得色谱峰越窄。峰越窄。(2)(2)不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。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系数配系数K K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无
40、法分离。相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。(4)(4)塔塔板板理理论论无无法法解解释释同同一一色色谱谱柱柱在在不不同同的的载载气气流流速速下下柱柱效效不不同同的的实实验验结结果果，也也无无法法指指出出影影响响柱柱效效（如如塔塔板板高高度度H H）的因素及提高柱效的途径。的因素及提高柱效的途径。本讲稿第四十四页，共六十八页（二）（二）速率理论速率理论-影响柱效的因素影响柱效的因素 19561956年年荷荷兰兰学学者者范范弟弟姆姆特特（Van Van Deemter)Deemter)等等提提出出了了色色谱谱过过程程的的动动力力学学理理论论，他他们们吸吸收收了了塔塔板板理理论论的的概概念
41、念，并并把把影影响响塔塔板板高高度度的的动动力力学学因素结合进去，导出了塔板高度因素结合进去，导出了塔板高度H H与载气线速度与载气线速度u u的关系。的关系。1.1.速率方程（也称范速率方程（也称范.弟姆特方程式）弟姆特方程式）H=A+B/u+Cu H：理论塔板高度：理论塔板高度;u：载气的线速度：载气的线速度(cm/s)减小减小A、B、C三项可提高柱效；三项可提高柱效；存在着最佳流速；存在着最佳流速；A、B、C三项常数各与哪些因素有关？三项常数各与哪些因素有关？本讲稿第四十五页，共六十八页A涡流扩散项涡流扩散项本讲稿第四十六页，共六十八页A涡流扩散项涡流扩散项 A A=2=2ddp p d
42、 dp p：固定相的平均颗粒直径固定相的平均颗粒直径：固定相的填充不均匀因子固定相的填充不均匀因子固定相颗粒越小固定相颗粒越小dp，填充的越均匀，填充的越均匀，A，H，柱效柱效n。表现在涡流扩散所引起的表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象色谱峰变宽现象减轻，减轻，色谱峰较窄。色谱峰较窄。对于空心毛细管柱对于空心毛细管柱，A项为零。项为零。本讲稿第四十七页，共六十八页B/u 分子扩散项分子扩散项本讲稿第四十八页，共六十八页B/u 分子扩散项分子扩散项 B=2Dg：弯曲因子，空心毛细管弯曲因子，空心毛细管,=1 1；填充柱色谱；填充柱色谱,11。D Dg g：试样组分分子在气相中的扩散系数（：试样
43、组分分子在气相中的扩散系数（cmcm2 2ss-1-1）(1)(1)存在着存在着浓度差浓度差，产生纵向扩散，产生纵向扩散;(2)(2)扩散导致色谱峰变宽，扩散导致色谱峰变宽，H H(n n)，分离变差分离变差;(3)(3)分子扩散项与分子扩散项与流速流速有关，有关，流速流速，滞留时间，滞留时间，扩散，扩散;(4)(4)扩散系数扩散系数D Dg g与组分及载气的与组分及载气的性质性质有关：有关：D Dg g (M M载气载气)-1/2-1/2；M M载气载气，B B值值。Dg Dg（M M组分组分）-1-1(5)(5)扩散系数扩散系数D Dg g随柱温升高而增加随柱温升高而增加。本讲稿第四十九页
44、，共六十八页C u 传质阻力项传质阻力项本讲稿第五十页，共六十八页C u 传质阻力项传质阻力项 传质阻力系数包括传质阻力系数包括气相传质阻力气相传质阻力Cg和和液相传质阻力液相传质阻力CL系数系数即：即：C=（Cg+CL）k k为容量因子；为容量因子；D Dg g 、D DL L为扩散系数。为扩散系数。减小担体粒度，选择小分子量的气体作载气，可降低传质阻力。减小担体粒度，选择小分子量的气体作载气，可降低传质阻力。本讲稿第五十一页，共六十八页2.2.载气流速与柱效载气流速与柱效最佳流速最佳流速载气流速高时：载气流速高时：传传质质阻阻力力项项是是影影响响柱柱效效的的主主要要因因素，素，流速流速，柱
45、效，柱效。载气流速低时：载气流速低时：分分子子扩扩散散项项成成为为影影响响柱柱效效的的主主要要因因素，素，流速流速,柱效柱效 。H-u曲线与最佳流速：曲线与最佳流速：由于流速对这两项由于流速对这两项完全相反的作用完全相反的作用，流速对柱效的，流速对柱效的总影响使得存在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高总影响使得存在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对流速的一阶导数有零值点。度对流速的一阶导数有零值点。以塔板高度以塔板高度H对应载气流速对应载气流速u作图，曲线最低点的流作图，曲线最低点的流速即为速即为最佳流速最佳流速。本讲稿第五十二页，共六十八页最佳流速uopt与最小理论塔板高度Hmi
46、n本讲稿第五十三页，共六十八页3.3.速率理论的要点速率理论的要点(1)(1)组分分子在柱内运行的组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩多路径与涡流扩散散、浓度梯度所造成的浓度梯度所造成的分子扩散分子扩散及及传质传质阻力阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到等因素是造成间达到等因素是造成色谱峰扩展色谱峰扩展，柱效柱效下降下降的主要原因。的主要原因。(2)(2)通通过过选选择择适适当当的的固固定定相相粒粒度度、载载气气种种类、液膜厚度及载气流速可提高柱效。类、液膜厚度及载气流速可提高柱效。本讲稿第五十四页，共六十八页3.3.速率理论的要点速率理论的要点(3)(3)速速率率
47、理理论论为为色色谱谱分分离离和和操操作作条条件件选选择择提提供供了了理理论论指指导导。阐阐明明了了流流速速和和柱柱温温对对柱柱效效及及分离的影响。分离的影响。(4)(4)各各种种因因素素相相互互制制约约，如如载载气气流流速速增增大大，分分子子扩扩散散项项的的影影响响减减小小，使使柱柱效效提提高高，但但同同时时传传质质阻阻力力项项的的影影响响增增大大，又又使使柱柱效效下下降降；柱柱温温升升高高，有有利利于于传传质质，但但又又加加剧剧了了分分子子扩扩散散的的影影响响，选选择择最最佳佳条条件件，才才能能使使柱柱效效达到最高。达到最高。本讲稿第五十五页，共六十八页（三）（三）分离度分离度 塔板理论和速
48、率理论都塔板理论和速率理论都难以描述难以描述难分离物质对的难分离物质对的实实际分离程度际分离程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。完全分离。难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影响：素的综合影响：保留值之差保留值之差色谱过程的热力学因素；色谱过程的热力学因素；区域宽度区域宽度 色谱过程的动力学因素。色谱过程的动力学因素。本讲稿第五十六页，共六十八页色谱分离中的四种情况的讨论：色谱分离中的四种情况的讨论：柱效较高，柱效较高，K(分配系数分配系数)较大较大,完全分离；完全分离；K不是很大，柱效较高，
49、峰较窄，基本上完全分离；不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；柱效较低，柱效较低，K较大较大,但分离的不好；但分离的不好；K小，柱效低，分离效果更差。小，柱效低，分离效果更差。本讲稿第五十七页，共六十八页分离度的表达式分离度的表达式：定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与两个组分色谱峰峰底宽度定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与两个组分色谱峰峰底宽度总和一半的比值。总和一半的比值。R=0.8：两峰的分离程度可达：两峰的分离程度可达89%，有部分重叠；，有部分重叠；R=1：分离程度：分离程度98%；R=1.5：达：达99.7%（相邻两峰完全分离的标准）。（相邻两峰完全分离的标准）。本讲稿第五十八
50、页，共六十八页（四）（四）色谱分离方程式色谱分离方程式1.选择因子：本讲稿第五十九页，共六十八页令令W Wb(2)b(2)=W Wb(1)b(1)=W Wb b（相邻两峰的峰底宽近似相等），引入相对保留相邻两峰的峰底宽近似相等），引入相对保留值和塔板数，可导出下式：值和塔板数，可导出下式：本讲稿第六十页，共六十八页（2 2）分离度与选择因子）分离度与选择因子r r2,12,1的关系的关系 增大增大r r2,12,1是提高分离度的最有效方法，是提高分离度的最有效方法，计算可知，在相同分离度下，当计算可知，在相同分离度下，当r r2,12,1增加一增加一倍，需要的倍，需要的n n有效有效 减小减小