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1、色谱分析引论色谱分析引论色谱分析引论色谱分析引论第1页，本讲稿共80页1.1 1.1 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，就就成成为色谱分析法。为色谱分析法。第2页，本讲稿共80页v色谱法的最早应用是用于分离植物色素，其方法是色谱法的最早应用是用于分离植物色素，其方法是这样的：在一玻璃管中放入碳酸钙，将含有植物色这样的：在一玻璃管中放入碳酸钙，将含有植物色素（植物叶的提取液）的石油醚倒入管中。素（植物叶的提取液）的石油醚倒入管中。v此时，玻璃管的上端立即出
2、现几种颜色的混合谱带。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，随着石油醚的加入，谱带不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，并逐渐分开成几个不同颜色的谱带，断地向下移动，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，并可分别继续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。进行鉴定。色谱法也由此而得名。第3页，本讲稿共80页v现在的色谱法早已不现在的色谱法早已不局限于色素的分离，其局限于色素的分离，其方法也早已得到了极大方法也早已得到了极大的发展，但其分离的原的发展，但其分离的原理仍然是一样的。我们理仍
3、然是一样的。我们仍然叫它色谱分析。仍然叫它色谱分析。第4页，本讲稿共80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，称之为两相，一相是固定不动的，称之为固定固定相相；另一相则不断流过固定相，称之为；另一相则不断流过固定相，称之为流动相流动相。第5页，本讲稿共80页 色谱法的分离原理就是利用待分离的各种物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质在两相中的分配系数分配系数、吸附能力吸附能力等等亲和能力亲和能力的不同来进行分离的。的不同来进行分离的。第6页，本讲稿共80页v用用外外力力使使含含有有样样品品
4、的的流流动动相相（气气体体、液液体体）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分与固定相发生相互作用。与固定相发生相互作用。v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
5、留留的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中各组分的分离与检测。物中各组分的分离与检测。第7页，本讲稿共80页v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，从从不不同同的的角角度度出出发发可可以以有有不不同同的的分分类类方方法。法。v（一）从两相的状态分类：（一）从两相的状态分类：v 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（GC）和和液液相相色色谱谱法法（LC）。固固
6、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法分为谱法分为气气-液色谱液色谱、气气-固色谱固色谱、液液-固色谱固色谱、液液-液色谱液色谱。第8页，本讲稿共80页v（二）按固定相的形式分类：（二）按固定相的形式分类：v柱色谱柱色谱：固定相装在色谱柱中；：固定相装在色谱柱中；v纸色谱纸色谱：利用滤纸作载体，吸附在纸上的水作固定：利用滤纸作载体，吸附在纸上的水作固定相；相；v薄层色谱薄层色谱：将固体吸附剂在玻璃板或塑料板上制成：将固体吸附剂在玻璃板或塑料板上制成薄层作固定相。薄层作固定相。第9页，本讲稿
7、共80页第10页，本讲稿共80页（三）按分离原理分类：（三）按分离原理分类：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吸附能力的差别进行分离的方法。分吸附能力的差别进行分离的方法。分分配配色色谱谱法法：利利用用不不同同组组分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离的的方方法。法。离离子子交交换换色色谱谱：利利用用溶溶液液中中不不同同离离子子与与离离子子交交换换剂剂间间的的交交换换能能力力的的不同而进行分离的方法。不同而进行分离的方法。尺尺寸寸排排阻阻色色谱谱法法：利利用用多多孔孔性性物物质质对对不不同同大大
8、小小的的分分子子的的排排阻阻作作用进行分离的方法。用进行分离的方法。第11页，本讲稿共80页1.2 色谱流出曲线及有关术语色谱流出曲线及有关术语 一、气相色谱分离过程一、气相色谱分离过程 分分离离过过程程（以以分分离离A、B两两组组分分为例）为：为例）为：第12页，本讲稿共80页混合组分混合组分的分离过的分离过程及检测程及检测器对各组器对各组分在不同分在不同阶段的响阶段的响应应第13页，本讲稿共80页第14页，本讲稿共80页二、色谱流出曲线 从载气带着组分进入色谱柱起就用检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，并用记录器记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
9、曲线，此曲线就叫色录信号随时间变化的曲线，此曲线就叫色谱流出曲线，当待测组分流出色谱柱时，谱流出曲线，当待测组分流出色谱柱时，检测器就可检测到其组分的浓度，在流出检测器就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。曲线上表现为峰状，叫色谱峰。第15页，本讲稿共80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：第16页，本讲稿共80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
10、直与与否否可可反反应应出实验条件的稳定情况。出实验条件的稳定情况。2）峰峰高高（h）和和峰峰面面积积：色色谱谱峰峰顶顶点点与与基基线线的的距距离叫峰高。离叫峰高。色谱峰与峰底基线所围成区域的面积叫峰面积。色谱峰与峰底基线所围成区域的面积叫峰面积。第17页，本讲稿共80页v3）保留值保留值v a.死死时时间间(t0)：不不被被固固定定相相滞滞留留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，其其流速与流动相的流速相近。据流速与流动相的流速相近。据t0 可求出流
11、动相平均流速可求出流动相平均流速 vb.保保留留时时间间tr：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动相通过柱子的时间流动相通过柱子的时间t0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。vc.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，它它是是组组份份在固定相中的滞留时间。在固定相中的滞留时间。第18页，本讲稿共80页 d.死体积V0：色谱柱管内固定相颗粒间空隙、色谱仪管路和连接头间空隙和检测器间隙的总和。忽略后两项可得到：n其中，其中，Fco为柱出口的载气流速为柱
12、出口的载气流速（mL/min)，其，其值为：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-大气大气压；压；pw-室温时水蒸汽压。室温时水蒸汽压。第19页，本讲稿共80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出现现浓浓度度极极大大点时所通过的流动相的体积。点时所通过的流动相的体积。f.调调整整保保留留体体积积：某某组组分分的的保保留留体体积积扣扣除除死死体体积积后后的的体积。体积。g.相相对对保保留留值值r2,1：组组份份2的的调调整整保保留留值值与与组组份份1的的调调整整保保留值之比。留值之比。第20页，本讲稿共80
13、页n注意：注意：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，在在色色谱谱分析中，尤其是分析中，尤其是GC中广泛用于中广泛用于定性定性的依据！的依据！具具体体做做法法：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它峰其它峰 i 对标准峰的相对保留值，此时以对标准峰的相对保留值，此时以 表示：表示：1,又称选择因子。又称选择因子。第21页，本讲稿共80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
14、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，分分离离的效果也越好。的效果也越好。区域宽度通常有三种表示法：v标准偏差：峰高0.607 倍处峰宽处的一半。v半峰宽W1/2：峰高一半处的峰宽。W1/2=2.354 v峰底宽W：色谱峰两侧拐点上切线与基线的交点间的距离。W=4第22页，本讲稿共80页v色谱流出曲线的意义：色谱流出曲线的意义：色谱峰数（样品中单组份的最少个数）色谱峰数（样品中单组份的最少个数）色谱保留值（定性依据）色谱保留值（定性依据）色谱峰高或面积（定量依据）色谱峰高或面积（定量依
15、据）色色谱谱保保留留值值或或区区域域宽宽度度（色色谱谱柱柱分分离离效效能能评评价价指指标）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择是是否否合合适适的的依依据）据）第23页，本讲稿共80页1.3 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，组分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，两峰间的要达到完全分离，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，即与色谱过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离，如果程的热力学性质有关。但当两
16、峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能分开。这些峰每个峰都很宽，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行为决定的，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，要从热力学和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。动力学两方面来研究色谱行为。第24页，本讲稿共80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)：v 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
17、复多多次次地地分分配配过过程程，而而吸吸附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，而描述这种分配的参数称为分配系数。而描述这种分配的参数称为分配系数。第25页，本讲稿共80页 它是指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，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器无关。无关。第26页，本讲稿共80页v分配系数分配系数 K K的讨论的讨论n试样一定时，试样一定时
18、，K K主要取决于固定相性质，一定温度下，组分主要取决于固定相性质，一定温度下，组分的分配系数的分配系数K K越大，出峰越慢；每个组分在各种固定相上的分越大，出峰越慢；每个组分在各种固定相上的分配系数配系数K K不同；选择适宜的固定相可改善分离效果；不同；选择适宜的固定相可改善分离效果；试样中的试样中的各组分具有不同的各组分具有不同的K K值是分离的基础；值是分离的基础；某组分的某组分的K=0K=0时，即不被固时，即不被固定相保留，最先流出。定相保留，最先流出。n在一定条件下，各种物质的在一定条件下，各种物质的K K是不同的。是不同的。K K较小较小的组分在色谱分的组分在色谱分析中每次分配后析
19、中每次分配后在流动相中的浓度较大在流动相中的浓度较大，因此，因此较早较早流出色谱柱。流出色谱柱。K K较大的组分每次分配后在流动相中浓度较小，因此较晚流出较大的组分每次分配后在流动相中浓度较小，因此较晚流出色谱柱。色谱柱。第27页，本讲稿共80页v2.2.分配比分配比k k：v 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迁移速率。又称保留因子。也叫容量因子或容量比。的迁移速率。又称保留因子。也叫容量因子或容量比。n其中其中V
20、 Vm m V V0 0（死体积），V Vs s为固定相体积为固定相体积第28页，本讲稿共80页分配比分配比 k k 的求算：的求算：k k也等于组分的调整保留时间与死时间的比值也等于组分的调整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分在在柱柱中中停停留留时时间间的的长长短短。k k越越大大，停停留留时时间间也也就就越长。越长。第29页，本讲稿共80页v 称为相比率，它也是反映色谱柱柱型特点的参数。称为相比率，它也是反映色谱柱柱型特点的参数。对填充柱，对填充柱，=635=635；对毛细管柱，；对毛细管柱，=60
21、600=60600。3.3.K 与 k 的关系：第30页，本讲稿共80页4.选选择择因因子子 与与K、k的的关关系系：色谱柱对A、B两组分的选择因子 定义如下：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。第31页，本讲稿共80页v 注意：注意：vK 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
22、得越越好好。也也就就是是说说，两两组组分分在在两两相相间间的的分分配配系系数不同，是色谱分离的先决条件。数不同，是色谱分离的先决条件。v 和和 k k 是反映色谱柱分离效能的重要参数。是反映色谱柱分离效能的重要参数。第32页，本讲稿共80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
23、分配配行行为为。塔塔板板是是从从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，但它成功地解释了色谱流出曲线呈正态分布。但它成功地解释了色谱流出曲线呈正态分布。第33页，本讲稿共80页v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可可瞬间达到平衡；瞬间达到平衡；4 4）相相同同组组分分在在所所有有塔塔板板上上的的分分配配系系数相同；数相同；5 5）流流动动相相以以脉脉冲冲形形式式加加入入，一一个个脉脉冲冲的的体体积积等等于于一一块块塔塔板板体体积。积
24、。第34页，本讲稿共80页v（一）（一）色谱分离过程色谱分离过程v 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，组分在每个塔板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、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、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色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色谱柱，分配系数大的组分后离开色谱柱，从而使分配系数不同的组分彼此得到谱柱，分配系数大的组分后离开色谱柱，从而使分配系数不同的
25、组分彼此得到分离。分离。第35页，本讲稿共80页分离过程如下图所示分离过程如下图所示第36页，本讲稿共80页第37页，本讲稿共80页v为简单起见，设色谱柱由为简单起见，设色谱柱由5决塔板（决塔板（n=5为柱子的塔为柱子的塔板数）组成，并以板数）组成，并以r表示脉冲编号。表示脉冲编号。r=0，1，2，3，4，；某组分的分配比；某组分的分配比k=1。v根据上述假定，在色谱分离过程中，该组分的分布可根据上述假定，在色谱分离过程中，该组分的分布可计算如下：计算如下：v开始时，将单位质量（即开始时，将单位质量（即 m=1）的该组分进入）的该组分进入0号塔号塔板上，然后将流动相以一个板体积（板上，然后将流
26、动相以一个板体积（V）一个板体）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积的脉动形式进入色谱柱；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：第38页，本讲稿共80页 12345出口010000010.50.5000020.250.50.2500030.1250.3750.3750.1250040.0630.250.3750.250.063050.0320.1570.3130.3130.1570.032rn60.0160.0950.2350.3130.2350.07970.0080.0560.1160.2740.2740.11880.0040.0320.0
27、860.1960.2740.13390.0020.0180.0590.1410.2360.138 100.0010.0100.0380.1000.1890.1181100.0050.0240.0690.1450.0951200.0020.0160.0460.1070.0731300.0010.0080.0300.0760.05414000.0040.0190.0530.03815000.0020.0120.0360.02816000.0010.0080.0240.018第39页，本讲稿共80页v 由表中可见，当由表中可见，当r=5r=5时，即时，即5 5个塔板体积的流动相进入柱中时，个塔板体积
28、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。组分就开始从柱口流出。并且呈现先小后大的情况。v以上是当塔板数为以上是当塔板数为5 5时的情况，出现的峰形不对称时的情况，出现的峰形不对称 ，这是由于塔，这是由于塔板数太少的原因。当塔板数大于板数太少的原因。当塔板数大于5050时，峰形就是对称的。在实时，峰形就是对称的。在实际色谱柱中，际色谱柱中，n n值很大（约为值很大（约为10106 6 10 109 9 ）。所以色谱峰一般）。所以色谱峰一般为正态分布。为正态分布。第40页，本讲稿共80页（二）柱效能指标（二）柱效能指标v 对于一个色谱柱来说，其分离能力（叫柱效）的大小主要
29、对于一个色谱柱来说，其分离能力（叫柱效）的大小主要与塔板的数目有关，与塔板的数目有关，塔板数越多，柱效越高塔板数越多，柱效越高。v色谱柱的塔板数可以用色谱柱的塔板数可以用理论塔板数理论塔板数和和有效理论塔板数有效理论塔板数来表示。来表示。第41页，本讲稿共80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。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
30、，柱效也就越高。多，柱效也就越高。1 1理论塔板数理论塔板数n n对于一个柱子来说，其理论塔板数可由下式计算：对于一个柱子来说，其理论塔板数可由下式计算：第42页，本讲稿共80页对于一个柱长为对于一个柱长为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：每一个塔板的高度，即组分在柱内每达成一每一个塔板的高度，即组分在柱内每达成一次分配平衡所需要的柱长叫理论塔板高度。它越次分配平衡所需要的柱长叫理论塔板高度。它越小，也表示柱效越高。小，也表示柱效越高。第43页，本讲稿共80页v2 2有效理论塔板数有效理论塔板数n n有效有效v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
31、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柱效的柱效。为此，引入了有效塔板数的概念。为此，引入了有效塔板数的概念。v同理有效理论塔板高度为：第44页，本讲稿共80页3.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，柱柱效效能能则则越越高高，所所得色谱峰越窄。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
32、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塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，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，都都无无法法分离。分离。(4)(4)塔板理论无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。塔板理论无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。第45页，本讲稿共80页u 为流动相线速度；为流动相线速度；A，B，C为常数，其中为常数，其中 A涡流扩散系数
33、；涡流扩散系数；B分子扩散系数；分子扩散系数；C传质阻力系数（包括液相和固相传质阻力系数）。传质阻力系数（包括液相和固相传质阻力系数）。v 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度度（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法，都都可可降降低低H，从而提高柱效。，从而提高柱效。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
34、塔板板理理论论的的基基础础上上，给出了影响塔板高度的因素：给出了影响塔板高度的因素：第46页，本讲稿共80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。展宽程度以展宽程度以A A表示：表示：A=2A=2 d dp p其其中中d dp p填填充充物
35、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。对于空心毛细管柱，无涡流扩散，即对于空心毛细管柱，无涡流扩散，即A=0A=0。流动方向流动方向第47页，本讲稿共80页第48页，本讲稿共80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扩散散，使使谱谱峰
36、峰展展宽宽。其大小为其大小为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散的的阻阻碍碍情况；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。组组分分为为气气体体或或液液体体时时，分分别别以以 D Dg g 或或 D Dl l 表示；表示；第49页，本讲稿共80页q讨论：讨论：q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;qD Dg g 随随柱柱温温升升高高而而增增加加，随随柱柱压压降降低低而而减小；减小；q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；q
37、u u 增增加加，组组分分停停留留时时间间短短，纵纵向向扩扩散散小；小；（B/uB/u）q对对于于液液相相色色谱谱，因因D Dm m 较较小小，B B 项项可可勿勿略。略。球状颗粒；球状颗粒；大分子量流大分子量流动相；动相；适当增加适当增加流速；流速；短柱；短柱；低温。低温。第50页，本讲稿共80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
38、。下下面面分分别作讨论。别作讨论。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 Cg g和液相传质阻力系数和液相传质阻力系数C Cl l。df液膜厚度液膜厚度;dp填充颗粒直径填充颗粒直径dp第51页，本讲稿共80页流动相流动相气液界面气液界面固定液固定液组分分子组分分子ClCg第52页，本讲稿共80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 采采用用分分子子量量小小的的流流动动相相，使使气气体体扩扩散散系系数数D Dg g 增增加；加；F 减减小小液液膜膜厚厚度度d df f，液液相相传传质质阻阻力力系系数数C Cl
39、 l下下降降。但但此此时时k k又又减减小小。因因此此，当当保保持持固固定定液液含含量量不不变变时时，可可通通过过增增加加固固定定液液载载体体的的比比表表面面来来降降低低d df f。但但比比表表面过大又会因吸附过强使峰拖尾。面过大又会因吸附过强使峰拖尾。F 增增加加柱柱温温，可可增增加加D Dl l，但但k k值值也也减减小小，为为保保 持合适持合适C Cl l值，应控制柱温。值，应控制柱温。第53页，本讲稿共80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第54
40、页，本讲稿共80页v讨论：讨论：v 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)、微微孔孔大大小小及及其其数数量量等等有有关关。因因此此，降降低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、增增加加组组分分在在固固定定相相和和流流动动相相中中的的扩扩散散系系数数D D、适适当降低线速度、短柱。当降低线速度、短柱。v 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
41、因因子子k k 和和扩扩散散系系数数D Ds s等等有有关关。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相传传质质阻阻力力的表述相同。的表述相同。第55页，本讲稿共80页v4 4）流速）流速u uv 由方程由方程H=A+B/u+Cu H=A+B/u+Cu 知道：知道：v 当当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；反反之则柱效较低，色谱峰将展宽。之则柱效较低，色谱峰将展宽。v 以以 u u 对对 H H 作图，可得作图，可得 H-u H-u 曲线（如图），从该曲线得到：曲线（如图
42、），从该曲线得到：第56页，本讲稿共80页板高，板高，H(cm)HminA+B/u+CuCuCsuAB/u传质阻力项传质阻力项分子扩散分子扩散项项固相传质阻力固相传质阻力系数系数涡流扩散系数涡流扩散系数第57页，本讲稿共80页涡流扩散项涡流扩散项 A 与流速与流速 u 无关；无关；低低流流速速区区(u小小):B/u大大，分分子子扩扩散散项项占占主主导导，此此时时选选 择择分子量大的气体如分子量大的气体如N2和和Ar为载气，可减小扩散，提高柱效；为载气，可减小扩散，提高柱效；高高流流速速区区(u大大):Cu大大，传传质质阻阻力力项项占占主主导导，此此时时选选择择分分子子量量小小的的气气体体如如H
43、2和和He为为载载气气，可可增增加加扩扩散散系系数数，提提高高柱柱效；效；LC的的Hmin和和uopt均均比比GC的的小小一一个个数数量量级级，即即在在 LC中，较低流速可获得较大的柱效。中，较低流速可获得较大的柱效。曲曲线线的的最最低低点点对对应应最最佳佳线线速速uopt()下下的的最小板高最小板高Hmin()；第58页，本讲稿共80页5 5）固定相颗粒大小对板高的影响）固定相颗粒大小对板高的影响 实实验验表表明明，颗颗粒粒越越细细，板板高高越越小小，受受线线速速影影响响越越小小。即即在在HPLCHPLC分分析析中中采采用用细细粒粒作作固固定定相相的的理理论论根根据。据。但但颗颗粒粒细细导导
44、致致流流速速慢慢，当当采采用用高高压压技技术术，才才能实现能实现HPLCHPLC的分析要求。的分析要求。第59页，本讲稿共80页板高,H(cm)第60页，本讲稿共80页v 上上面面分分别别介介绍绍了了影影响响色色谱谱分分离离的的基基本本原原理理以以及及影影响响柱柱效效的的各各种种因因素素，但但是是如如何何从从总总体体上上定定量量描描述述色色谱谱分分离离效效能能？如如何将各种影响因素对分离的影响定量地表述出来呢？何将各种影响因素对分离的影响定量地表述出来呢？第61页，本讲稿共80页1.4 1.4 分离度及色谱分离方程分离度及色谱分离方程一、一、分离度分离度(Resolution,R)(Resol
45、ution,R)同同时时反反映映色色谱谱柱柱效效能能和和选选择择性性的的一一个个综综合合指指标标。也称总分离效能指标或分辨率。其定义为：也称总分离效能指标或分辨率。其定义为：用此式，可直接从用此式，可直接从色谱流出曲线上求出分离度色谱流出曲线上求出分离度R R。第62页，本讲稿共80页色谱分离中的四种典型情况色谱分离中的四种典型情况 分离效果差，柱效低，选择性（分离效果差，柱效低，选择性（）低）低 完全分离，柱效高，峰窄，完全分离，柱效高，峰窄，选择性（选择性（）低）低 ；完全分离，选择性（完全分离，选择性（）增）增加，柱效低，峰宽加，柱效低，峰宽完全分离，柱效高，选择性完全分离，柱效高，选择
46、性（）好）好第63页，本讲稿共80页vR R 越越大大，相相邻邻组组分分分分离离越越好好。当当R=1.5 R=1.5 时时，分分离离程程度度可可达达99.7%99.7%，称称基基线线分分离离，因因此此R=1.5 R=1.5 通常用作是否分开的判据。通常用作是否分开的判据。第64页，本讲稿共80页R=1.5R=0.75R=1.0响应信号响应信号保留时间保留时间 t,min第65页，本讲稿共80页二、二、色谱分离方程色谱分离方程 R的的定定义义并并未未反反映映影影响响分分离离度度的的各各种种因因素素。也也就就是是说说，R未未与与影影响响其其大大小小的的因因素素：柱柱效效n、选选择择因因子子 和和保
47、保留留因因子子k 联联系系起起来。来。对对于于相相邻邻的的难难分分离离组组分分，由由于于它它们们的的分分配配系系数数 K 相相差差小小，可可合合理理假假设设k1 k2=k，W1 W2=W。因因此此可可导导出出R与与n、和和 k 的关系：的关系：第66页，本讲稿共80页有关色谱方程的讨论有关色谱方程的讨论1 1）分离度）分离度R R与柱效的关系与柱效的关系 因因此此可可通通过过增增加加柱柱长长提提高高分分离离度度。然然而而，分分析析时时间间也也相相应应增增加加，且且峰峰宽宽也也更更宽宽，为为提提高高柱柱效效，用用减减小小塔塔板板高高度度 H H 的方法比增加柱长更有效。的方法比增加柱长更有效。第
48、67页，本讲稿共80页2 2）分离度）分离度R R与择性因子与择性因子 的关系的关系 越越大大，柱柱选选择择性性越越好好，对对分分离离有有利利。的的微微小小变变化化可可引引起起 R R 较较大大改改变变。如如，当当 从从1.011.01增增加加至至1.101.10(增增加加9%9%)时时，R R 则则增增加加 9 9 倍倍(但但 1.5,1.5,R R增加不大增加不大)。改改变变 的的方方法法有有：降降低低柱柱温温、改改变变流流动动相相及及固定相的性质和组成。固定相的性质和组成。3 3）分离度）分离度R R与分配比与分配比k k的关系的关系 k k 增增加加，分分离离度度R R 增增加加，但但
49、当当k10k10，则则R R的的增增加加不明显。通常不明显。通常k k在在210210之间。之间。第68页，本讲稿共80页70%CH3OH+30H2O60%CH3OH+40H2O50%CH3OH+50H2O40%CH3OH+60H2O溶剂溶剂(流动相流动相)组成对色谱分离的影响组成对色谱分离的影响(梯度淋洗梯度淋洗)1 1：9,10-9,10-蒽醌；蒽醌；2 2：2-2-甲基甲基-9,10-9,10-蒽醌；蒽醌；3 3：2-2-乙基乙基-9,10-9,10-蒽醌蒽醌4 4：1,4-1,4-二甲基二甲基-9,10-9,10-蒽醌；蒽醌；5 5：2-2-特丁基甲基特丁基甲基-9,10-9,10-蒽
50、醌；蒽醌；改变组成使 k 最佳第69页，本讲稿共80页色谱分离中的问题色谱分离中的问题 由由于于分分析析物物组组成成复复杂杂，以以某某一一组组成成的的流流动动相相可可能能使使部部分分待待测测物物得得到到好好的的分分离离，但但同同时时又又使使其其它它待待测测物物的的分分离离不不令令人人满满意意。实实际际工工作作中中采采用用程序升温程序升温（GC）和梯度淋洗和梯度淋洗（LC）来解决这个问题。来解决这个问题。第70页，本讲稿共80页4 4）分析时间）分析时间t t 分分析析时时间间通通常常指指最最后后一一个个组组分分出出峰峰的的时时间间。其其值值为为 可可见见，分分析析时时间间与与R R，k k、H