1、9.1 9.1 概述概述 色谱法也叫层析法，它是一种色谱法也叫层析法，它是一种高效能的物理分离技术，将它用于高效能的物理分离技术，将它用于分析化学并配合适当的检测手段，分析化学并配合适当的检测手段，就成为色谱分析法。就成为色谱分析法。 色谱法的最早应用是色谱法的最早应用是用于分离植物色素，其方用于分离植物色素，其方法是这样的：在一玻璃管法是这样的：在一玻璃管中放入碳酸钙，将含有植中放入碳酸钙，将含有植物色素（植物叶的提取液）物色素（植物叶的提取液）的石油醚倒入管中。的石油醚倒入管中。 此时，玻璃管的上端立即出现此时，玻璃管的上端立即出现几种颜色的混合谱带。然后用纯石油几种颜色的混合谱带。然后用
2、纯石油醚冲洗，随着石油醚的加入，谱带不醚冲洗，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，并可分别进行鉴得各种颜色的色素，并可分别进行鉴定。色谱法也由此而得名。定。色谱法也由此而得名。 现在的色谱法早已不局限于现在的色谱法早已不局限于色素的分离，其方法也早已得到色素的分离，其方法也早已得到了极大的发展，但其分离的原理了极大的发展，但其分离的原理仍然是一样的。我们仍然叫它色仍然是一样的。我们仍然叫它色谱分析。谱分析。一、色谱分离基本原理：一、色谱分离基本原理： 由以上方法
3、可知，在色谱法中由以上方法可知，在色谱法中存在两相，一相是固定不动的，我存在两相，一相是固定不动的，我们把它叫做固定相；另一相则不断们把它叫做固定相；另一相则不断流过固定相，我们把它叫做流动相。流过固定相，我们把它叫做流动相。 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。使用外力使含有样品的流动相（气使用外力使含有样品的流动相（气体、液体）通过一固定于柱中或平板上体、液体）通过一固定于柱中或平板上、与流动相互不相溶的固定相表面。、与流动相互不相
4、溶的固定相表面。当当流动相中携带的混合物流经固定相时，流动相中携带的混合物流经固定相时，混合物中的各组分与固定相发生相互作混合物中的各组分与固定相发生相互作用。用。 由于混合物中各组分在性质和由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的结构上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复相的移动，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，从而按一定次序相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中先后流出。与适当的柱后由固定相中先后流出。与适当的柱
5、后检测方法结合，实现混合物中各组分检测方法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。的分离与检测。 二、色谱分类方法：二、色谱分类方法： 色谱分析法有很多种类，从色谱分析法有很多种类，从不同的角度出发可以有不同的分类方不同的角度出发可以有不同的分类方法。法。 （一）从两相的状态分类：（一）从两相的状态分类： 色谱法中，流动相可以是气体，色谱法中，流动相可以是气体，也可以是液体，由此可分为气相色谱也可以是液体，由此可分为气相色谱法（法（GCGC）和液相色谱法（和液相色谱法（LCLC）。固定。固定相既可以是固体，也可以是涂在固体相既可以是固体，也可以是涂在固体上的液体，由此又可将气相色谱法和上的液体，
6、由此又可将气相色谱法和液相色谱法分为气液相色谱法分为气- -液色谱、气液色谱、气- -固色固色谱、液谱、液- -固色谱、液固色谱、液- -液色谱。分类情液色谱。分类情况如下：况如下：色谱法色谱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 （二）按固定相的形式分类：（二）按固定相的形式分类：按固定相的状态可分为：按固定相的状态可分为：柱色谱：固定相装在色谱柱中；柱色谱：固定相装在色谱柱中；纸色谱：利用滤纸作载体，吸纸色谱：利用滤纸作载体，吸附在纸上的水作固定相；附在纸上的水作固定相；薄层色谱：将
7、固体吸附剂在玻薄层色谱：将固体吸附剂在玻璃板或塑料板上制成薄层作固定璃板或塑料板上制成薄层作固定相。相。 （三）按分离原理分类：可分为：（三）按分离原理分类：可分为：吸附色谱法：利用吸附剂（固定吸附色谱法：利用吸附剂（固定相一般是固体）表面对不同组分吸相一般是固体）表面对不同组分吸附能力的差别进行分离的方法；附能力的差别进行分离的方法；分配色谱法：利用不同组分在分配色谱法：利用不同组分在两相间的分配系数的差别进行分两相间的分配系数的差别进行分离的方法。离的方法。 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。
8、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。9.2 色谱流出曲线（色谱图）及色谱流出曲线（色谱图）及有关术语有关术语 （一）气相色谱法分离的过程：（一）气相色谱法分离的过程： 分离过程（以分离分离过程（以分离A、B两组两组分为例）为：分为例）为： 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024681012024681002468101202468100246810120246810（二）色谱流出
9、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。如图所示为一色谱流出曲线：如图所示为一色谱流出曲线：色谱术语：色谱术语：1）基线：在实验条件下，色谱）基线：在实验条件下，色谱柱后仅有纯流动相进入检测器柱后仅有纯流动
10、相进入检测器时的流出曲线称为基线。基线时的流出曲线称为基线。基线在稳定的条件下应是一条水平在稳定的条件下应是一条水平的直线。它的平直与否可反应的直线。它的平直与否可反应出实验条件的稳定情况。出实验条件的稳定情况。2 2）峰高（）峰高（h h）和峰面积）和峰面积 ：色谱：色谱峰顶点与基线的距离叫峰高。色峰顶点与基线的距离叫峰高。色谱峰与峰底基线所围成区域的面谱峰与峰底基线所围成区域的面积叫峰面积。积叫峰面积。3 3）保留值）保留值 a.a. 死时间死时间(t(t0 0) ) ：不与固定相作用：不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大值时的时间的物质从进样到出现峰极大值时的时间，它与色谱柱的空隙体积
11、成正比。由于，它与色谱柱的空隙体积成正比。由于该物质不与固定相作用，因此，其流速该物质不与固定相作用，因此，其流速与流动相的流速相近。据与流动相的流速相近。据 t t0 0 可求出流可求出流动相平均流速动相平均流速 0tLu 柱长死时间ub.b. 保留时间保留时间trtr：试样从进样到：试样从进样到出现峰极大值时的时间。它包括出现峰极大值时的时间。它包括组份随流动相通过柱子的时间组份随流动相通过柱子的时间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。c. 调整保留时间调整保留时间tr ：某组份的保留：某组份的保留时间扣除死时间后的保留时间，它时间扣除死时间后的保留时间，它是组
12、份在固定相中的滞留时间。即是组份在固定相中的滞留时间。即 由于保留时间为色谱定性依据。但由于保留时间为色谱定性依据。但同一组份的保留时间与流速有关，同一组份的保留时间与流速有关，因此有时需用保留体积来表示保留因此有时需用保留体积来表示保留值。值。 0rrttt d. d. 死体积死体积V V0 0：色谱柱管内固：色谱柱管内固定相颗粒间空隙、色谱仪管路和连定相颗粒间空隙、色谱仪管路和连接头间空隙和检测器间隙的总和。接头间空隙和检测器间隙的总和。忽略后两项可得到：忽略后两项可得到：00coVt F000cwcorTppFFTpn其中，其中，Fco为柱出口的载气流为柱出口的载气流速速（mL/min)
13、，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-室温室温时水蒸汽压。时水蒸汽压。 e. 保留体积保留体积Vr：指从进样到待测：指从进样到待测物在柱后出现浓度极大点时所通过物在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积。的流动相的体积。 0rcoVtF f.f. 调整保留体积调整保留体积 ：某组：某组份的保留体积扣除死体积后的体积。份的保留体积扣除死体积后的体积。rV0rrrcoVVVtFg. 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。222,111rrrrtVrtVn注意：注意：r2,1只与柱温和固定
14、相性质有关只与柱温和固定相性质有关，而与柱内径、柱长，而与柱内径、柱长L、填充情况及流、填充情况及流动相流速无关，因此，在色谱分析中，动相流速无关，因此，在色谱分析中，尤其是尤其是GC中广泛用于定性的依据！中广泛用于定性的依据！具体做法：固定一个色谱峰为标准具体做法：固定一个色谱峰为标准s，然，然后再求其它峰后再求其它峰 i 对标准峰的相对保留值对标准峰的相对保留值，此时以，此时以 表示：表示：( )( )rst it sn 1, 又称选择因子。又称选择因子。 h. h. 区域宽度：色谱峰的区域区域宽度：色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参数之宽度是色谱流出曲线的重要参数之一，可用于衡量色谱
15、柱的柱效及反一，可用于衡量色谱柱的柱效及反映色谱操作条件下的动力学因素。映色谱操作条件下的动力学因素。宽度越窄，其效率越高，分离的效宽度越窄，其效率越高，分离的效果也越好。果也越好。区域宽度通常有三种表示方法：区域宽度通常有三种表示方法：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 色谱流出曲线的意义：色谱流出曲线的意
16、义： 色谱峰数色谱峰数= =样品中单组份的最少样品中单组份的最少个数；个数； 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； 色谱保留值或区域宽度色谱保留值或区域宽度色谱色谱柱分离效能评价指标；柱分离效能评价指标； 色谱峰间距色谱峰间距固定相或流动相固定相或流动相选择是否合适的依据。选择是否合适的依据。9.3 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，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，组分要达到完全分离，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两峰
17、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，如果每个峰都很宽，以致彼此间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能分开。这些峰的宽或窄是由组分重叠，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，即与色谱过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，要从热力学和动力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。学两方面来研究色谱行为。 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)： 如前
18、所述，分配色谱的分离如前所述，分配色谱的分离是基于样品组分在固定相和流动相之是基于样品组分在固定相和流动相之间反复多次地分配过程，而吸附色谱间反复多次地分配过程，而吸附色谱的分离是基于反复多次地吸附一脱附的分离是基于反复多次地吸附一脱附过程。这种分离过程经常用样品分子过程。这种分离过程经常用样品分子在两相间的分配来描述，而描述这种在两相间的分配来描述，而描述这种分配的参数称为分配系数。分配的参数称为分配系数。 它是指在一定温度和压力下，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，即衡时的浓度之比值，即 smccK 溶质在固定相中的
19、浓度溶质在流动相中的浓度K K 只与固定相和温度只与固定相和温度 有关，与两相体积、有关，与两相体积、 柱管特性和所用仪柱管特性和所用仪 器无关。器无关。分配系数分配系数 K Kn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主要取决于固定相性质一定温度下，组分的分配系数定温度下，组分的分配系数 K K 越大，出峰越慢；越大，出峰越慢；每个组份在各种固定相上的分配系数每个组份在各种固定相上的分配系数K K不同；选择不同；选择适宜的固定相可改善分离效果；试样中的各组分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具有不同的K K值是分离的基础；某组分的值是分离的基础；某组分的
20、K K = 0 = 0时时，即不被固定相保留，最先流出。，即不被固定相保留，最先流出。 在一定条件下，各种物质在一定条件下，各种物质的的K K是不同的。是不同的。K K较小的组分在较小的组分在色谱分析中每次分配后在气相色谱分析中每次分配后在气相中的浓度较大，因此较早流出中的浓度较大，因此较早流出色谱柱。色谱柱。K K较大的组分每次分配较大的组分每次分配后在气相中浓度较小，因此较后在气相中浓度较小，因此较晚流出色谱柱。晚流出色谱柱。当分配次数足够多时，就能将具有不同当分配次数足够多时，就能将具有不同K K的的组分分开。所以，我们可以认为，气相色谱法组分分开。所以，我们可以认为，气相色谱法是利用不
21、同的物质具有不同的是利用不同的物质具有不同的K K而进行分离的。而进行分离的。而而K K的不同则是由于各组分在固定相中的溶解的不同则是由于各组分在固定相中的溶解度（对气度（对气- -液色谱）或吸附能力（对气液色谱）或吸附能力（对气- -固色谱）固色谱）不同而造成的。不同而造成的。 2. 2. 分配比分配比： 在一定温度和压力下，组份在在一定温度和压力下，组份在两相间的分配达平衡时，分配在固定相两相间的分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比，称为分配比。它和流动相中的质量比，称为分配比。它反映了组分在柱中的迁移速率。又称保反映了组分在柱中的迁移速率。又称保留因子。也叫容量因子或容量比。留因
22、子。也叫容量因子或容量比。 smmmssmmc Vkc V组分在固定相中的质量组分在流动相中的质量n其其中其其中V Vm m V V0 0，V Vs s为固定相体积为固定相体积分配比分配比 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0Rtkt因此，因此，k k可通过实验测得。由此也可知道，可通过实验测得。由此也可知道，k k可表可表示出组分在柱中停留时间的长短。示出组分在柱中停留时间的长短。k k越大，停留时越大，停留时间也就越长。间也就越长。 称为相比率，它也是反映色称为相比率，它也是反映色谱柱柱型特点的参数。对填充柱谱柱柱型特
23、点的参数。对填充柱， = 6 3 5= 6 3 5； 对 毛 细 管 柱 ，； 对 毛 细 管 柱 ， =60600=60600。/sssmmmmscmVVKkkcmVV3.3. K K 与与 k k 的关系：的关系：4.4. 选择因子选择因子 ：色谱柱对：色谱柱对A A、B B两组分的选择因两组分的选择因子子 定义如下：定义如下：( )( )rBBrAAt BkKtAkKA 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。 注意：注意：K K 或或 k k 反映的是某一组分在两相间反映的是某一组分在两相间的分配；而的分配；而 是反映两组分间的分离情况！当是反映两组分
24、间的分离情况！当两组分两组分 K K 或或 k k 相同时，相同时， =1 =1 时，两组分不能时，两组分不能分开；当两组分分开；当两组分 K K 或或 k k 相差越大时，相差越大时， 越大，越大，分离得越好。也就是说，两组分在两相间的分配分离得越好。也就是说，两组分在两相间的分配系数不同，是色谱分离的先决条件。系数不同，是色谱分离的先决条件。 和和 k k 是计算色谱柱分离效能的重要是计算色谱柱分离效能的重要参数！参数！二、二、 塔板理论塔板理论 塔板理论是描述色谱柱中组分在两相间的分塔板理论是描述色谱柱中组分在两相间的分配状况及评价色谱柱的分离效能的一种半经验式的配状况及评价色谱柱的分离
25、效能的一种半经验式的理论。塔板理论将一根色谱柱当作一个由许多塔板理论。塔板理论将一根色谱柱当作一个由许多塔板组成的精馏塔，用塔板概念来描述组分在柱中的分组成的精馏塔，用塔板概念来描述组分在柱中的分配行为。塔板是从精馏中借用的，是一种半经验理配行为。塔板是从精馏中借用的，是一种半经验理论，但它成功地解释了色谱流出曲线呈正态分布。论，但它成功地解释了色谱流出曲线呈正态分布。 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）组分在各塔板内两相间的分配瞬间达至平）组分在各塔板内两相间的分配瞬间达至平衡，达一次平衡所需柱长为
26、理论塔板高度衡，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）流动相以不连续方式加入，即以一个一个）流动相以不连续方式加入，即以一个一个的塔板体积加入。的塔板体积加入。 ( (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。经个塔板、一个
27、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，过多次分配平衡后，分配系数小的组分，先离开蒸馏塔（色谱柱），分配系数大先离开蒸馏塔（色谱柱），分配系数大的组分后离开蒸馏塔（色谱柱），从而的组分后离开蒸馏塔（色谱柱），从而使分配系数不同的组分彼此得到分离。使分配系数不同的组分彼此得到分离。 分离过程如下图所示分离过程如下图所示 下面我们再举一个例子说明下面我们再举一个例子说明组分在色谱柱中的分配情况。组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决决塔板（塔板（n=5nn=5n为柱子的塔板数）组成，为柱子的塔板数）组成，并以并以r r表示塔板编号表示塔板
28、编号r=0r=0，1 1，2 2，3 3，4 4，5 5；某组分的；某组分的分配比分配比k=1k=1。 根据上述假定在色谱分离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：过程中。该组分的分布可计算如下： 开始时，将单位质量（即开始时，将单位质量（即 m=1m=1）的该组分进入）的该组分进入0 0号塔板上，然后号塔板上，然后将流动相以一个板体积（将流动相以一个板体积（V V）一个板）一个板体积的脉动形式进入色谱柱；此时组体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分将安下表所示在固定相和流动相进行分配：行分配： 板号r 载气体积0123进样mM0.5mS0.5VmM
29、0.250.25mS0.250.252VmM0.1250.125+0.1250.125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的增加，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：总量（气相和液相的总质量）见下表： r n01234出口010000010.50.5000020.250.50.2500030.125 0.375 0.375 0.1250040.063 0.250.375 0.250.063050.032 0.157 0.313 0.313
30、 0.157 0.0326 0.0160.095 0.235 0.313 0.235 0.0797 0.0080.056 0.116 0.274 0.274 0.1188 0.0040.032 0.086 0.196 0.274 0.1339 0.0020.018 0.059 0.141 0.236 0.138100.0010.010 0.038 0.100 0.189 0.118 n r01234出口11 00.005 0.024 0.069 0.145 0.09512 00.002 0.016 0.046 0.107 0.07313 00.001 0.008 0.030 0.076 0.0
31、5414 000.004 0.019 0.053 0.038由表中可见，当由表中可见，当n=5n=5时，即时，即5 5个塔板体个塔板体积的流动相进入柱中时，组分就开始从积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。柱口流出。并且呈现先小后大的情况。以上是当塔板数为以上是当塔板数为5 5时的情况，出现时的情况，出现的峰形不对称的峰形不对称 ，这是由于塔板数太少，这是由于塔板数太少的原因。当塔板数大于的原因。当塔板数大于5050时，峰形就时，峰形就是对称的。在实际色谱柱中，是对称的。在实际色谱柱中，n n值很大值很大（约为（约为10106 6 10109 9 ）。所以色谱峰一
32、般）。所以色谱峰一般为正态分布。为正态分布。（二）柱效能指标：对于一个色谱（二）柱效能指标：对于一个色谱柱来说，其分离能力（叫柱效能）的柱来说，其分离能力（叫柱效能）的大小主要与塔板的数目有关，塔板数大小主要与塔板的数目有关，塔板数越多，柱效能越高。越多，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。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。由式可见，柱子的理论塔板数与峰宽和保留时间由式可见
33、，柱子的理论塔板数与峰宽和保留时间有关。保留时间越大，峰越窄，理论塔板数就越有关。保留时间越大，峰越窄，理论塔板数就越多。柱效能也就越高。多。柱效能也就越高。221/25.54()16()RRttnww1 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：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为为每一个塔板的高度，即组分在柱内每达成一次分每一个塔板的高度，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。它越小，配平衡所需要的柱长叫理论塔板高度。它越小，也表示柱效能
34、越高。也表示柱效能越高。LHn2 2有效塔板数有效塔板数n n有效有效：在以上计算理论塔板数的式子中使在以上计算理论塔板数的式子中使用的是保留时间，它包括了死时间，用的是保留时间，它包括了死时间，它与组分在柱内的分配无关，因此不它与组分在柱内的分配无关，因此不能真正反映色谱柱的柱效能真正反映色谱柱的柱效。为此，引。为此，引入了有效塔板数的概念。入了有效塔板数的概念。221/25.54()16()RRttnww同理有效塔板高度为：LHn有效有效 (1) (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 n 越大越大( (塔塔板高度板高度 H H 越小越小) )，被测组分在柱内被分配
35、的次数越，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。 (2)(2)不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同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，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。指标时，应指明测定物质。 (3)(3)柱效不能表示被分离组分的实际分离效果柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数，当两组分的分配系数 K K 相同时，无论该色谱柱相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。的塔板数多大，都无法分离。 (4)(4)塔板理论无法指出影响柱效的因素
36、及提高塔板理论无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。柱效的途径。三速率理论三速率理论范弟姆特方程式：范弟姆特方程式： 塔板理论是一个半经验性的理论。它定性的给塔板理论是一个半经验性的理论。它定性的给出了板高的概念，但不能指出影响板高的因素。速出了板高的概念，但不能指出影响板高的因素。速率理论就是在塔板理论的基础上，给出了影响塔板率理论就是在塔板理论的基础上，给出了影响塔板高度的因素：高度的因素： BHACuuu 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 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
37、质阻力系数（包括液相和固相传质阻传质阻力系数（包括液相和固相传质阻力系数）。力系数）。 该式从动力学角度很好地解释了影响板该式从动力学角度很好地解释了影响板高（柱效）的各种因素！任何减少方程右边三项数高（柱效）的各种因素！任何减少方程右边三项数值的方法，都可降低值的方法，都可降低H H，从而提高柱效。，从而提高柱效。BHACuu1 1）涡流扩散项）涡流扩散项(A)(A) 在填充柱中，由于受到固定相颗在填充柱中，由于受到固定相颗粒的阻碍，组份在迁移过程中随流动粒的阻碍，组份在迁移过程中随流动相不断改变方向，形成紊乱的相不断改变方向，形成紊乱的“涡流涡流”：从图中可见，因填充物颗粒大小：从图中可见
38、，因填充物颗粒大小及填充的不均匀性及填充的不均匀性同一组分运行同一组分运行路线长短不同路线长短不同流出时间不同流出时间不同峰形展宽。展宽程度以峰形展宽。展宽程度以A A表示：表示：A=2A=2 d dp p其中其中d dp p填充物平均直径；填充物平均直径； 填充不填充不规则因子。规则因子。 可见，使用细粒的固定相并填充均匀可减小可见，使用细粒的固定相并填充均匀可减小A A，提高柱，提高柱效。对于空心毛细管柱，无涡流扩散，即效。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2 2）分子扩散项）分子扩散项(B/u)(B/u) 纵向分子扩散是由于浓度梯度引起的。当纵向分子扩散是由于
39、浓度梯度引起的。当样品被注入色谱柱时，它呈样品被注入色谱柱时，它呈“塞子塞子”状分布。随状分布。随着流动相的推进，着流动相的推进， “塞子塞子”因浓度梯度而向前后因浓度梯度而向前后自发地扩散，使谱峰展宽。其大小为自发地扩散，使谱峰展宽。其大小为B=2B=2 D D 称为弯曲因子，它表示固定相几何形状对自称为弯曲因子，它表示固定相几何形状对自由分子扩散的阻碍情况；由分子扩散的阻碍情况；D D组分在流动相中的扩散系数。组份为气体或液组分在流动相中的扩散系数。组份为气体或液体时，分别以体时，分别以D Dg g或或D Dm m表示；表示；讨论：讨论： 分子量大的组分，分子量大的组分，D Dg g小，即
40、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；大分子量大分子量流动相；流动相；适当增加适当增加流速；流速；短柱；短柱；低温。低温。3 3）传质阻力项）传质阻力项(Cu)(Cu) 因传质阻力的存在，使分配不能因传质阻力的存在，使分配不能“瞬间瞬间”达达至平衡，因此产
41、生峰形展宽。气相色谱以气体为至平衡，因此产生峰形展宽。气相色谱以气体为流动相，液相色谱以液体为流动相，二者传质过流动相，液相色谱以液体为流动相，二者传质过程不完全相同。下面分别作讨论。程不完全相同。下面分别作讨论。a a）气液色谱：传质阻力项）气液色谱：传质阻力项C C包括气相传质阻力系包括气相传质阻力系数数C Cs s和液相传质阻力系数和液相传质阻力系数C Cl l。222220.012 (1)3(1)pfglglddkkCCCkDkD流动相流动相固液界面固液界面固定液固定液组分分子组分分子ClCg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
42、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 持合适持合适C Cl l值，应控制柱温。值，应控制柱温。b b）液液色谱：传质阻力项）液液色谱：传质阻力项C C 包括流动相传质阻包括流动相传
43、质阻力系数力系数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。22m()msmpsfsmsddCCCDD sm讨论：讨论： 流动相传质阻力包括两方面：流动相中的传质阻力流动相传质阻力包括两方面：流动相中的传质阻力C Cm m、滞留的流动相传、滞留的流动相传 质阻力质阻力CsCs 。分别与填充物大小。分别与填充物大小 d dp p、扩散、扩散系数系数(D(Dm m) )、微孔大小及其数量等、微孔大小及其数量等 有关。有关。 因此，降低流动相传质阻力的方法有：细颗粒因此，降低流动相传质阻力的方法有：细颗粒固定相、增加组分在固定相、增加组分在 固定相和流动相中的扩散系数固定相
44、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。 固定相传质阻力与液膜厚度固定相传质阻力与液膜厚度d df f、保留因子、保留因子 k k 和扩散系和扩散系数数D Ds s等有关。等有关。 因此，降低固定相传质阻力的方法有：与气因此，降低固定相传质阻力的方法有：与气液色谱中液相传质阻力的表述相同。液色谱中液相传质阻力的表述相同。 4 4）流速）流速u u 由方程由方程 H = A + B/u + CuH = A + B/u + Cu知知道：道： 当当u u一定时，仅在一定时，仅在A A、B B、C C 较小时较小时，H H 较小，柱效较高；反之则柱效较较小，柱效较高；
45、反之则柱效较低，色谱峰将展宽。低，色谱峰将展宽。 以以u u对对H H作图，可得作图，可得H-uH-u曲线（曲线（如图），从该曲线得到：如图），从该曲线得到：板高，板高，H(cm)HminA+B/u+CuCmuCsuAB/u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 减小扩散，提高柱效；减小扩散，提高柱效；高流速区高流速区(u大大)，Cu大，传质阻力项占主导，大，传质阻力项占主导， 此时选择分子量小的气体如此时选择分子量小的气体如
46、H2和和He为载气，为载气， 可增加扩散系数，提高柱效；可增加扩散系数，提高柱效； LC的的Hmin和和uopt均比均比GC的小一个数量级，即在的小一个数量级，即在 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。 曲线的最低点对应最佳线速曲线的最低点对应最佳线速uopt( ) 下的下的 最小板高最小板高Hmin( )；/B C2ABC5 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 实验表明，颗粒越细，板高越小，受线速实验表明，颗粒越细，板高越小，受线速影响越小。即，在影响越小。即，在HPLCHPLC分析中采用细粒作固定分析中采用细粒作固定相的理论根据！相的理论
47、根据！ 但颗粒细导致柱流速慢，当采用高压技术，但颗粒细导致柱流速慢，当采用高压技术，才能实现才能实现HPLCHPLC的分析要求。的分析要求。板高, H(cm) 上面分别介绍了影响色谱分离上面分别介绍了影响色谱分离的基本原理以及影响柱效的各种因素的基本原理以及影响柱效的各种因素，但是如何从总体上定量描述色谱分，但是如何从总体上定量描述色谱分离效能？如何将各种影响因素对分离离效能？如何将各种影响因素对分离的影响定量地表述出来呢？的影响定量地表述出来呢？9.4 9.4 分离度及色谱分离方程分离度及色谱分离方程一、分离度一、分离度(Resolution, R)(Resolution, R) 同时反映色
48、谱柱效能和选择性的一个综合指同时反映色谱柱效能和选择性的一个综合指标。也称总分离效能指标或分辨率。其定义为：标。也称总分离效能指标或分辨率。其定义为：21212112122()()1()2rrrrrrttttttRWWWWW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。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，选择分离效果差，柱效低，选择性（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（ ）增加，柱效低，峰宽增加，柱效低，峰宽完全分离，柱效高
49、，选择性完全分离，柱效高，选择性（ ）好）好R R 越大，相邻组分分离越好。当越大，相邻组分分离越好。当R=1.5 R=1.5 时，分离程度可达时，分离程度可达99.7%99.7%，因此，因此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。R=1.5R=0.75R=1.0响应信号响应信号保留时间保留时间 t, mineff1()()41n1()4nkRkR或二、色谱分离方程二、色谱分离方程 R 的定义并未反映影响分离度的各种因素。也就是说，的定义并未反映影响分离度的各种因素。也就是说，R 未与影响其大小的因素：柱效未与影响其大小的因素：柱效n、选择因子、选择因子 和保留
50、因子和保留因子 k 联系起来。联系起来。 对于相邻的难分离组分，由于它们的分配系数对于相邻的难分离组分，由于它们的分配系数 K 相差小相差小，可合理假设，可合理假设k1 k2=k，W1 W2=W。因此可导出。因此可导出R与与n、 和和 k 的关系：的关系：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 分离度分离度R R与理论塔板数与理论塔板数n n 有关，即有关，即R R 受热力学受热力学性质的影响。性质的影响。 对具一定相对保留值对具一定相对保留值 的物质对，的物质对，R R与有效塔与有效塔板数板数n neffeff有关，说明有关，说明n n
