仪器分析速率理论课件.ppt

1、n 关于色谱峰的术语峰峰高基线峰宽半峰宽峰面积标准偏差p峰底宽、半峰宽及标准偏差三者的关系为峰底宽、半峰宽及标准偏差三者的关系为：p W=4，Wh/2=2.354p拖尾峰拖尾峰p伸舌峰伸舌峰p鬼峰、假峰鬼峰、假峰p畸峰畸峰p峰底峰底p基线漂移基线漂移p基线噪声基线噪声p谱带扩张谱带扩张n 关于保留值的术语p死时间死时间( (tM): ): 无保留组分出峰时间无保留组分出峰时间p保留时间保留时间( (tR):):p调整保留时间调整保留时间( (tR):):p死体积死体积( (VM):):p保留体积保留体积( (VR):): p调整保留体积调整保留体积( (VR):):0FtVMMMRRttt0F

2、tVRR00)(FttFtVMRRRp相对保留值相对保留值(ri,s):p保留指数保留指数(I)：又叫：又叫Kovats，它规定正构烷烃的保，它规定正构烷烃的保留指数是其碳数的留指数是其碳数的100倍，其它物质的保留指数在倍，其它物质的保留指数在实际色谱条件下测定。选取与被测物相邻的两种实际色谱条件下测定。选取与被测物相邻的两种正构烷烃做参照系，其中一种碳数为正构烷烃做参照系，其中一种碳数为Z，另一种为另一种为Z+1，被测物的保留指数由下式计算，被测物的保留指数由下式计算：,RsRiRsRisiVVttrZttttIRzzRRzR100lglglglg100) 1(n 关于分配平衡p分配系数分

3、配系数K (distribution coefficient )p分配比分配比k又称为容量因子、容量比、分配容量，是指在一又称为容量因子、容量比、分配容量，是指在一定温度和压力下，平衡状态时组分在固定相中的量与在定温度和压力下，平衡状态时组分在固定相中的量与在流动相中的量之比值。流动相中的量之比值。是衡量柱子对组分保留能力的重是衡量柱子对组分保留能力的重要参数要参数。（柱温）量每毫升流动相上溶质的溶质的量或吸附每毫升固定相上溶解.)(KMRMSttVVKkp相比相比 色谱柱内固定相和流动相体积之比色谱柱内固定相和流动相体积之比 是柱型及结构的重要特征。是柱型及结构的重要特征。 kKVVSM二、

4、色谱分析法基本理论n研究理论的目的研究理论的目的解决色谱峰的分离问题解决色谱峰的分离问题n三个色谱基本理论问题三个色谱基本理论问题n色谱热力学问题色谱热力学问题发展高选择性色谱柱发展高选择性色谱柱n色谱动力学问题色谱动力学问题发展高效能色谱柱发展高效能色谱柱n分离条件的最优化问题分离条件的最优化问题分离条件优化分离条件优化1、色谱动力学理论 研究流出曲线展宽的本质及曲线形状变研究流出曲线展宽的本质及曲线形状变化的影响因素化的影响因素n塔板理论塔板理论n速率理论速率理论（1）塔板理论 塔板理论将色谱柱比作塔板理论将色谱柱比作精馏塔，通过概率理论精馏塔，通过概率理论得到流出曲线方程：得到流出曲线方

5、程：n当当t=tR时，时，C=Cmax，峰高正比于进样量，峰高正比于进样量C0，是，是峰高定量峰高定量的理论基础。的理论基础。n当当n越大，柱效越大，越大，柱效越大，Cmax/ C0越大。即保留时间一定时，越大。即保留时间一定时，塔板数越多，峰越高塔板数越多，峰越高。nCmax反比于反比于tR，tR小，小，Cmax大，大， 保留时间小的组分峰高且保留时间小的组分峰高且窄窄。tR大，大，Cmax小，小， 保留时间大的组分峰低且宽保留时间大的组分峰低且宽。n 对色谱流出曲线方程的讨论对色谱流出曲线方程的讨论nteCCRttR222)(02n 柱效n(塔板数） 由流出曲线方程导出由流出曲线方程导出：

6、 H=L/nnn是峰相对展宽的量度是峰相对展宽的量度nn是柱效的量度是柱效的量度nn是常数时，是常数时，Y与与tR 成正比成正比nn越大，越大，h越小，表明组分在柱中达到的分配平衡越小，表明组分在柱中达到的分配平衡次数越多，对分离越有利，但还不能预言各组分次数越多，对分离越有利，但还不能预言各组分有被分离的可能性。有被分离的可能性。222/122/1)(16)(54.5)(2ln8YtYtYtnRRRn 塔板理论的贡献n塔板理论有助于我们形象的理解色谱的塔板理论有助于我们形象的理解色谱的分离过程。分离过程。n导出色谱流出曲线方程，它符合高斯分导出色谱流出曲线方程，它符合高斯分布，与实验现象相吻

7、合。布，与实验现象相吻合。n导出理论塔板数的计算公式，作为柱效导出理论塔板数的计算公式，作为柱效的评价指标的评价指标。 n 塔板理论的局限n塔板高度塔板高度H是一个抽象的物理量，它的色谱本是一个抽象的物理量，它的色谱本质是什么？它与哪些参变量有关，又怎样影响质是什么？它与哪些参变量有关，又怎样影响峰的扩张？对实验的指导意义有限。峰的扩张？对实验的指导意义有限。n不能解释流速对理论塔板数的影响。不能解释流速对理论塔板数的影响。n有些假设不合理，如没有考虑纵向扩散对色谱有些假设不合理，如没有考虑纵向扩散对色谱分离的影响等。分离的影响等。 速率理论n速率理论是速率理论是1956年荷兰学者年荷兰学者V

8、an Deemter等提出，因此又称作范第姆特方程等提出，因此又称作范第姆特方程n运用流体分子规律研究色谱过程中产生色运用流体分子规律研究色谱过程中产生色谱峰扩展的因素，导出了理论塔板高度与谱峰扩展的因素，导出了理论塔板高度与流动相线速度的关系，揭示了影响塔板高流动相线速度的关系，揭示了影响塔板高度的动力学因素度的动力学因素 速率方程的导出n根据塔板计算公式：根据塔板计算公式： n=5.54(tR/Y1/2)2n速率理论讨论的是色谱峰展宽原因，即速率理论讨论的是色谱峰展宽原因，即影响塔板数影响塔板数n的因素，也就是影响塔板高的因素，也就是影响塔板高度度H的因素。的因素。nH=A+B/u+Cu涡

9、流扩散项A=2dp涡流扩散项均匀性因子粒径涡流扩散项n涡流扩散项涡流扩散项A：由不等路径造成的色谱峰：由不等路径造成的色谱峰扩展。由于柱填料粒径大小不同，粒度分扩展。由于柱填料粒径大小不同，粒度分布范围不一致及填充的不均匀，形成宽窄、布范围不一致及填充的不均匀，形成宽窄、长短不同的路径，因此流动相沿柱内各路长短不同的路径，因此流动相沿柱内各路径形成紊乱的涡流运动，有些溶质分子沿径形成紊乱的涡流运动，有些溶质分子沿较窄且直的路径运行，以较快的速度通过较窄且直的路径运行，以较快的速度通过色谱柱，发生分子超前，反之，有些分子色谱柱，发生分子超前，反之，有些分子发生滞后，从而使色谱峰产生扩散。发生滞后

10、，从而使色谱峰产生扩散。 分子扩散项nB/unB=2Dg Z (ttt )13 2弯曲因子扩散系数分子扩散项n分子扩散项：由于分子的纵向扩散造成分子扩散项：由于分子的纵向扩散造成的色谱峰扩展。即由于试样组分被载气的色谱峰扩展。即由于试样组分被载气带入色谱柱后，是以塞子的形式存在于带入色谱柱后，是以塞子的形式存在于色谱柱的很小一段空间中，由于在塞子色谱柱的很小一段空间中，由于在塞子前后存在浓度梯度，因此使运动着的分前后存在浓度梯度，因此使运动着的分子产生纵向扩散，引起色谱峰扩展子产生纵向扩散，引起色谱峰扩展 传质阻力项 平衡浓度固定相传质阻力引起非平衡过程示意图实际浓度分界面流动相气相传质阻力项

11、n气相传质阻力项气相传质阻力项Cg：试样组分从气相移：试样组分从气相移动到固定相表面的过程中，由于质量交动到固定相表面的过程中，由于质量交换过程需要一定时间（即传质阻力）而换过程需要一定时间（即传质阻力）而使分子有滞留倾向。在此过程中，部分使分子有滞留倾向。在此过程中，部分组分分子随流动相向前运动，发生分子组分分子随流动相向前运动，发生分子超前，引起色谱峰扩展。超前，引起色谱峰扩展。 气相传质阻力项表达式nCgunCg =容量因子液相传质阻力项n液相传质阻力项液相传质阻力项CL：试样组分从固定相：试样组分从固定相表面移动到固定相内部的过程中，由于表面移动到固定相内部的过程中，由于质量交换过程需

12、要一定时间（即传质阻质量交换过程需要一定时间（即传质阻力）而使分子有滞留倾向。在此过程中，力）而使分子有滞留倾向。在此过程中，部分组分分子先离开固定相表面，发生部分组分分子先离开固定相表面，发生分子超前，引起色谱峰扩展。分子超前，引起色谱峰扩展。 液相传质阻力相表达式nCL unCL = 液膜厚度液相扩散系数气相色谱中的速率方程uDdkkDgdkkuDgdpHLfp22222)1 (32)1 (01. 022速率方程给我们的什么启示n为柱型的研究和发展提供理论依据为柱型的研究和发展提供理论依据n为操作条件的选择提供理论指导为操作条件的选择提供理论指导n为色谱柱的填充提供理论指导为色谱柱的填充提

13、供理论指导对柱型研究和发展的影响nA=0?nGolay1957年提出年提出毛细管柱毛细管柱的概念的概念（opentube）n毛细管柱毛细管柱A=0，H=B/u+CunH，N，分离能力大大提高分离能力大大提高对柱型研究和发展的影响nB=0?n溶质在液体中的扩散系数溶质在液体中的扩散系数DL10-5cm2/sn溶质在气体中的扩散系数溶质在气体中的扩散系数Dg10-1cm2/snDL Dgn当采用液体作流动相时当采用液体作流动相时 B0n液体作流动相时可用更细的固定相，液体作流动相时可用更细的固定相，A nHPLC柱效比柱效比GC要高要高23个数量级个数量级操作条件对柱效的影响 u/cm.s-1 载

14、气线速度（流速）的影响n最佳流速：最佳流速：u=(B/C)1/2n实用最佳流速：比最佳流速更快实用最佳流速：比最佳流速更快nA与流速无关与流速无关nB/u：当流速小时，对：当流速小时，对H的大小起主导作用的大小起主导作用nCu：当流速大时，对：当流速大时，对H的大小起主导作用的大小起主导作用容量因子k的影响n不同组分不同组分k不同不同，测出的柱效不同测出的柱效不同n在气相传质阻力相中，在气相传质阻力相中，k ，Cg n理论上说理论上说k越小柱效越高，越小柱效越高，实际不可取实际不可取n在液相传质阻力相中，在液相传质阻力相中，k ，Cl先先， 后后当当k=1时，最大。时，最大。n希望希望k在一个

15、合适的范围内，通过改变柱温，在一个合适的范围内，通过改变柱温，固定相，柱型参数等可实现。固定相，柱型参数等可实现。柱温的影响n间接影响、十分复杂间接影响、十分复杂n对对k影响，对扩散系数影响，从而对柱影响，对扩散系数影响，从而对柱效产生影响，但影响情况难以判断效产生影响，但影响情况难以判断对色谱柱的填充提供理论指导n柱径：根据速率方程，柱径越小，柱效越柱径：根据速率方程，柱径越小，柱效越高，但柱径越小，固定相越难填充均匀。高，但柱径越小，固定相越难填充均匀。n柱长柱长L：柱长增加，总塔板数增加，但柱：柱长增加，总塔板数增加，但柱长增加，分离时间将增加。长增加，分离时间将增加。n固定相粒径固定相

16、粒径dp：根据速率方程，粒径减小，：根据速率方程，粒径减小，A项减小，项减小，C项减小，柱效增加。但粒径太项减小，柱效增加。但粒径太小，不易填充，同时小，不易填充，同时A项增大。项增大。对色谱柱的填充提供理论指导n液膜厚度液膜厚度df：从柱效角度考虑，液膜越：从柱效角度考虑，液膜越薄，柱效越高（根据速率方程），但允薄，柱效越高（根据速率方程），但允许的进样量减小。固定液与担体的配比许的进样量减小。固定液与担体的配比一般在一般在5:100-25:100之间，但现在更低之间，但现在更低配比的固定相也应用广泛。配比的固定相也应用广泛。n更重要的是：不同沸点的物质，应采用更重要的是：不同沸点的物质，应采用不同配比的固定相不同配比的固定相。影响谱带扩张的其他因素n非线性分配色谱非线性分配色谱n载体表面活性吸附中心造成的拖尾载体表面活性吸附中心造成的拖尾n柱外效应柱外效应n色谱柱外引起色谱峰扩展的因素：如进样色谱柱外引起色谱峰扩展的因素：如进样系统及进样方式、系统连接管、检测器死系统及进样方式、系统连接管、检测器死体积，检测器响应时间常数等因素引起的体积，检测器响应时间常数等因素引起的谱带宽展。谱带宽展。精品课件精品课件！精品课件精品课件！速率理论方程式的偶合式nH=(1/A+1/Cgu)-1+B/u+ClunA= (1/A+1/Cgu)-1为偶合项为偶合项n已被普遍接受已被普遍接受