色譜分析基本原理

1、色譜分析基本原理熱力學過流動相和固定相三者的熱力學性質(zhì)使不同組分在流動相和固定中或 吸附 -解吸的能力。因此在柱內(nèi)的移動速由于分配系數(shù)的差別，使各組分在柱內(nèi)形成差速移行，. 分配過程2 色譜主柱內(nèi)的分配平衡-揮發(fā)或吸附 -分配系數(shù)K( distribution coefficient ) ：分配系數(shù)也稱為平衡常數(shù)。是指在一定的溫度和壓力下，在兩相之間達到平衡時，組分溶解在固定相中的平均濃度與其在流動相中的平均濃度之比。(7)式中：cL為組分在固定相中的平均濃度；cG 為組分在流動相中的平均濃度，K 是一個無因次量，它是由組分及固定液的熱力學性質(zhì)決定的，只隨柱溫和柱壓而變化，與色譜柱中氣相和液相

2、的體積無關(guān)。分配系數(shù)K 是氣一液分配色譜中的重要參數(shù)。如果兩個組分的分配系數(shù)相同，則它們的色譜峰完全重合；反之，分配系數(shù)相差越大，相應(yīng)的色譜峰相距越遠，分離越好。分配比k( partition ration ) ：又稱 “容量因子 ”。即在一定的溫度和壓力下，組分在兩相間達到分配平衡時，組分在固定相和流動相中的質(zhì)量比：(8)式中：p 組分在固定相中的質(zhì)量，q 組分在流動相中的質(zhì)量。分配系數(shù) (K) 和分配比k 的關(guān)系：設(shè)Vs 為固定相的體積，Vm 為流動相的體積，則上式可寫成：Vm 為柱內(nèi)流動相的體積，也稱為柱的死體積：包括固定相顆粒之間 和顆粒內(nèi)部空隙中的流動相體積；Vs 為固定相的體積，它

3、指真正參與分配的那部分體積：若固定相是吸附劑、固定液、離子交換劑或凝膠，則分別指吸附表面積、固定液體積、離子交換劑交換容量或凝膠孔容。 為色譜柱的相比分配系數(shù)K 和分配比k 與保留值tR 的關(guān)系：分配平衡是在色譜柱中固定相和流動相之間進行的，因此分配比也可以用組分在固定相和流動相中的停留時間之比來表示，則分配比可寫成：（10）任一組分的k 值可由實驗測得，即為調(diào)整保留時間tR與不被固定相吸附或溶解的組分的保留時間t0 的比值?？蓪 看作色譜柱對組分保留能力的參數(shù)，k 值越大，保留時間越長。分配系數(shù)K 與保留時間的關(guān)系為：tR =k t0 =K t0 Vs/Vm （11）由此式可見，在一定的實

4、驗條件下，組分的調(diào)整保留時間正比于分配系數(shù)K（或分配比k） ， K（或k） 越大， 組分在色譜柱內(nèi)的保留時間越長。由于分配系數(shù)（或分配比）是由組分的性質(zhì)決定的，因此保留值可用于定性。在填充色譜柱中，選擇不同的固定液及其用量，可以控制組分在色譜柱上的保留值。綜上所述，在色譜分析中要使兩組分分離，它們的保留時間t 必須不同，而 t 是由兩組分的K 或 k 決定，所以待分離組分K 或 k 不同是色譜分離的先決條件。色譜峰間距離由分配系數(shù)決定，即與色譜的熱力學過程有關(guān)；色譜峰的寬窄由組分在色譜柱內(nèi)的傳質(zhì)和擴散行為決定，即與色譜的動力學過程有關(guān)。色譜理論可分為熱力學及動力學理論兩方面：熱力學理論是由相平

5、衡觀點來研究分離過程 塔板理論；動力學理論是以動力學觀點 速度來研究各種動力學因素對柱效的影響 速率理論。二塔板理論亦稱為平衡理論。以氣一液色譜為例：將氣一液色譜的分離過程看成組分在固定液中的分配平衡過程。1塔板理論塔板理論把色譜柱比作個分餾塔，塔板的概念是從分餾中借用來的，實際上色譜柱中并無塔板，只是引用了處理分餾過程的概念和理論來解釋色譜的分離過程。塔板理論把色譜柱想象成由許多塔板組成，在每一個塔板內(nèi)，一部分空間為涂在擔體上的液相占據(jù)，另一部分空間充滿載氣，載氣所占據(jù)的空間體積稱為板體積。組分隨載氣進入色譜柱后，在兩相間進行分配。塔板理論假設(shè)：（ 1）在色譜柱中的每一個小段長度H 內(nèi)，組分

6、可以迅速在氣液兩相間達到分配平衡，這一小段稱為理論塔板（實際在柱內(nèi)不存在）,其長度稱為理論塔板高度，簡稱板高，以H 表示。2）載氣不是連續(xù)流過色譜柱，而是脈沖式（間歇式），每次通過一個塔板體積。（ 3）樣品都加到第1 塊塔板上，且組分沿色譜柱（縱）向擴散可以忽略不計。（ 4）某一組分的分配系數(shù)在所有塔板上是常數(shù)。根據(jù)上述假設(shè)，試樣由載氣帶進色譜柱，與固定液接觸而被溶解，在每個塔板高度內(nèi)被分離的組分在氣相和液相之間達成一次分配平衡，隨著載氣的不斷進入，被溶解的組分又從固定液中揮發(fā)出來，揮發(fā)出來的組分隨載氣向前移動又再次被固定液溶解。經(jīng)過若干個塔板即經(jīng)過溶解一揮發(fā)的多次反復分配（103 106 次

7、） ，待分離組分由于分配系數(shù)不同而彼此分離，分配系數(shù)?。〒]發(fā)性大）的組分首先由色譜柱中流出，顯然，當塔板數(shù)足夠多時，即使分配系數(shù)差異微小的組分也能得到良好的分離效果。柱效能指標（n、 H ）可以由塔板理論導出理論塔板數(shù)（n）： 柱長 （L）一定時 ， n 越大，柱效就越高：經(jīng)驗公式（12）式中：tR、 Wh/2、 Wb應(yīng)該采用同一單位（時間或長度）理論塔板高度（H ）： 設(shè)色譜柱長為L，則理論塔板高度由此可見：色譜峰越窄即Wh/2 或Wb 越小，理論數(shù)塔板n 越大，對給定長度的色譜柱而言，塔板高度H 越小，組分在柱內(nèi)被分配的次數(shù)愈多，則柱效越高。因此n 和 H 可作為描述柱效能的指標。有效（理

8、論）塔板數(shù)（neft）在實際應(yīng)用中，常常出現(xiàn)計算出的n 雖然很大，但色譜柱的效卻不高，這是由于保留時間tR中包含了死時間t0， 而t0并不參加柱內(nèi)的分配過程，因此理論塔板數(shù)和理論塔板高度并不能真實地反映色譜柱分離效能的 好壞。為此，提出用有效塔板數(shù)neft 和有效高度Heft評價柱效能的指標，即：(14)4）有效塔板高度Heft(15)物質(zhì)在給定色譜柱上的neft 越大，說明該物質(zhì)在柱中進行分配平衡的次 數(shù)越多，對分離有利，但不能表示該物質(zhì)的實際分離效果。是否能在色譜柱上分離，主要取決于各組分在兩相間分配系數(shù)K 的差異。如果兩組分在同一色譜柱上的分配系數(shù)相同，無論 neft 有多大，這兩種組分

9、也無法被分離開.塔板理論在解釋色譜圖的形狀，計算n 和 H 方面是成功的。但其某些基本假設(shè)不完全符合色譜的實際情況（如K 和組分的量無關(guān)、組分在兩項中分配能迅速達到平衡、縱向擴散可以忽略等）。塔板理論只能定性地給出塔板高度的概念，而未能找出影響板高H 的因素， 也就更無法提出降低板高的途徑；這主要是由于塔板理論沒有考慮到動力學因素對色譜分離過程的影響。三速率理論1956 年 Van Deemter 等人在塔板理論的基礎(chǔ)上，提出了關(guān)于色譜過程的動力學理論 速率理論。該理論仍然采用塔板高度的概念，但同時考慮到H 還取決于同一組分的不同分子在柱中差速遷移過程中所引起的色譜蜂擴展程度，將色譜過程與組分

10、在兩相間的擴散和傳質(zhì)過程等動力學因素聯(lián)系起來，從理論上總結(jié)出影響塔板高度的各種因素，導出 H 與其影響因素之間的關(guān)系式：式中：A、 B、 C 在一定實驗條件下為常數(shù)；u 為載氣的線速度(cm s)速率理論綜合考慮了柱內(nèi)影響板高的三種動力學控制過程(使譜帶擴展的因素歸納成三項) 渦流擴散項A、縱向分子擴散項B u 和傳質(zhì)阻力項 Cu；欲降低H，提高柱效，需降低這三個塔板分量，各項的物理意義如下：渦流擴散項A( eddy diffusion)當色譜柱內(nèi)同時起步的組分 、 、 隨流動相進入色譜柱朝柱口方向移動時， 如果固定相顆粒大小及填充不均勻，組分分子穿過這些空隙時碰到大小不一的顆粒而必須不斷改變

11、流動方向，使組分分子在柱內(nèi)形成了紊亂的 “渦流 ”，不同的組分分子所經(jīng)過的路徑長短不一，組分分子或前或后流出色譜柱，造成色譜峰的峰形擴張。A = 2 dp 填充不規(guī)則因子；dp 固定相顆粒平均直徑；圖 3 渦流擴散使峰展寬渦流擴散項A 與填充物的平均直徑dp 和固定相填充不均勻因子又有關(guān)。采用粒度較細，顆粒均勻的擔體，盡量填充均勻可以降低渦流擴散項，降低板高H，提高桂效。但在氣相色譜中，粒度很小時，柱阻大，且不易填勻因此一般采用粒度為60-80 目或 80-100 目的填充物較好。（空心毛細管柱的A項為零）縱向分子擴散項（ molecular diffusion ） B u當試樣分子以“塞子 ”的形式進入色譜柱后，隨流動相在柱中前進時，由于存在濃度梯度，組分分子自發(fā)地向前和向后擴散即沿著色譜柱軸向擴散，這種擴散稱為