第十六章--色谱法分离原理

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1、第十六章 色谱法分离原理第一节 概述 色谱法是一种重要的分离分析方法，它是根据组分在两相中作用 能力不同而达到分离目的。1941 Martin和Synge提出液-液色谱理论；1952 James和Martin发展了气相色谱；1956 Van Deemter提出速率理论；1967 Kirkland等研制高效液相色谱法；20世纪80年代以后出现毛细管电泳和毛细管电动色谱等一系列新的色谱分析方法。1903 俄国植物学家茨维特分离植物色素tso在色谱法中，将填入玻璃管或不锈钢 管内静止不动的一相（固体或液体） 称为固定相 ；o自上而下运动的一相（一般是气体或 液体）称为流动相 ；o装有固定相的管子（玻

2、璃管或不锈钢 管）称为色谱柱 。o当流动相中样品混合物经过固定相时 ，就会与固定相发生作用，由于各组 分在性质和结构上的差异，与固定相 相互作用的类型、强弱也有差异，因 此在同一推动力的作用下，不同组分 在固定相滞留时间长短不同，从而按 先后不同的次序从固定相中流出。分类分类按流动相分气相色谱（GC）液相色谱（LC）超临界流体色谱（SFC ）按机理分吸附色谱分配色谱离子交换色谱排阻色谱按固定相在支持 体中的形状分柱色谱平板色谱纸色谱薄层色谱按分离效率分经典液相色谱高效液相色谱第二节 色谱流出曲线及有关术语（一）色谱流出曲线和色谱峰由检测器输出的信号强度对时间作图，所得 曲线称为色谱流出曲线。曲

3、线上突起部分就是 色谱峰。如果进样量很小，浓度很低，在气固/液固 吸附色谱或气液/液液分配色谱的线性范围内 ，则色谱峰是对称的。（二）基线在实验操作条件下，色谱柱后没有样品 组分流出时的流出曲线称为基线，稳定的 基线应该是一条水平直线。 （三）峰高色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以 （h）表示。o 色谱流出曲线和色谱峰 o 基线（a） o 峰高（h）（四）保留值1.死时间tM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tM因为这种物质不被固定相吸附或溶解，故其流动速度将与流动相流动速度相近。测定流动相平均线速

4、时，可用柱长L与tM的比值计算，即 = L/tM2. 保留时间tR试样从进样到柱后出现峰极大点时所经 过的时间，称为保留时间，如下图。信号进样tR3.调整保留时间tR某组分的保留时间扣除死时间后，称为 该组分的调整保留时间，即 tR= tR tM 由于组分在色谱柱中的保留时间tR包含了组 分随流动相通过柱子所需的时间和组分在固 定相中滞留所须的时间，所以tR实际上是组 分在固定相中保留的总时间。保留时间是色谱法定性的基本依据，但同一组分的保留时间常受到流动相流速的影响，因此色谱工作者有时用保留体积来表示保留值。4.死体积V0指色谱柱在填充后，柱管内固定相颗 粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连

5、接头间的空间以及检测器的空间的总和 。当后两项很小可忽略不计时，死体积 可由死时间与色谱柱出口的载气流速Fco （cm3min-1）计算。V0 = tMFco式中 Fco为扣除饱和水蒸气压并 经温度校正的流速。仅适用于气相 色谱，不适用于液相色谱。5. 保留体积VR指从进样开始到被测组分在柱后出现浓 度极大点时所通过的流动相的体积。保留 时间与保留体积关系：VR= tR Fco6.调整保留体积VR某组分的保留体积扣除死体积后，称为 该组分的调整保留体积。VR = VR V0 = tR Fco 7.相对保留值r2,1 某组分2的调整保留值与组分1的调整保 留值之比，称为相对保留值。r2,1= t

6、R2 / tR1= VR2 / VR1由于相对保留值只与柱温及固定相性质有 关，而与柱径、柱长、填充情况及流动相流 速无关，因此，它在色谱法中，特别是在气 相色谱法中，广泛用作定性的依据。在定性分析中，通常固定一个色谱峰作为 标准（s），然后再求其它峰（i）对这个峰 的相对保留值，此时可用符号表示，即 = tR (i) / tR (s)式中tR (i)为后出峰的调整保留时间，所 以总是大于1的。相对保留值往往可作为衡 量固定相选择性的指标，又称选择因子。 (五) 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一，用于衡量柱效率及反映色谱操作条件的动力学因素。表示色谱峰区域宽度通常有三种方法

7、。1.标准偏差-即0.607倍峰高处色谱峰 宽的一半。 2.半峰宽Y1/2-即峰高一半处对应的峰宽 。它与标准偏差的关系为Y1/2=2.354 3.峰底宽度Y-即色谱峰两侧拐点上的切 线在基线上截距间的距离。它与标准偏 差的关系是Y = 4 从色谱流出曲线中，可得许多重要信息： (i) 根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含 组 分的最少个数； (ii) 根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析； (iii) 根据色谱峰的面积或峰高，可以进行定量 分析； (iv) 色谱峰的保留值及其区域宽度，是评价色谱 柱分离效能的依据； (v) 色谱峰两峰间的距离，是评价固定相（或流 动相）选择是否合适的依据。色

8、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。但是两峰间虽有一定距离，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，要从热力学和动力学两方 面来研究色谱行为。（一）分配系数K和分配比k1.分配系数K分配色谱的分离是基于样品组分在固定相和 流动相之间反复多次的分配过程，而吸附色谱的 分离是基于反复多次的吸附-脱附过程。这种分离过程经常用样品分子在两相间的分 配来描述，而描述这种分配的参数称

9、为分配系数 K。它（K）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=溶质在固定相中的浓度/ 溶质在流动相中的浓度 = Cs / Cm 分配系数是由组分和固定相的热力学性质决定的，它是每一个溶质的特征值，它仅与两个变量有关：固定相和温度。与两相体积、柱管的特性以及所使用的仪器无关。2.分配比 k分配比又称容量因子，它是指在一定温 度和压力下，组分在两相间分配达平衡时 ，分配在固定相和流动相中的物质的量比 。即k = 组分在固定相中的物质的量 / 组分在流动相中的物质的量 = ns / nmk值越大，说明组分在固定相中的量越多 ，相当于柱的容量大，因此又称分

10、配容量或 容量因子。它是衡量色谱柱对被分离组分保 留能力的重要参数。k值也决定于组分及固定 相热力学性质。它不仅随柱温、柱压变化而 变化，而且还与流动相及固定相的体积有关 。k = ns / nm =CsVS / CmVm式中cs,cm分别为组分在固定相和 流动相的浓度；Vm为柱中流动相的体 积，近似等于死体积。Vs为柱中固定 相的体积，在各种不同的类型的色谱 中有不同的含义。例如：在分配色谱中，Vs表示固定液的 体积；在尺寸排阻色谱中，则表示固定 相的孔体积。分配比 k 值可直接从色谱图中测得。k = (t R t M ) / t M = tR / t M = VR / V 0 3. 分配系

11、数K与分配比 k 的关系K = kVS/VM =k . 其中称为相比，它是反映各种色谱柱柱型 特点的又一个参数。例如，对填充柱，其 值一般为6-35；对毛细管柱，其值为60- 600。滞留因子Rs分配比k值可直接从色谱图测得。设流 动相在柱内的线速度为u，组分在柱内线速 度为us，由于固定相对组分有保留作用，所 以usu此两速度之比称为滞留因子Rs。 Rs若用质量分数表示，即对组分和流动相通过长度为L的色谱柱， 其所需时间分别为整理得 4.分配系数 K 及分配比 k 与选择因子的关系对A、B两组分的选择因子，用下式表示：= tR (B) / tR (A) = k（A） / k（B）=K（A）

12、/ K（B）通过选择因子把实验测量值k与热力学性 质的分配系数K直接联系起来，对固定相的 选择具有实际意义。如果两组分的K或k值相等，则=1 ，两个组分的色谱峰必将重合，说明 分不开。两组分的K或k值相差越大， 则分离得越好。因此两组分具有不同 的分配系数是色谱分离的先决条件。下图是 A、B两组分沿色谱柱移动时，不 同位置处的浓度轮廓。浓度沿柱移动距离 LABABKA KB图中KAKB ，因此，A组分在移动过程中滞后。 随着两组分在色谱柱中移动距离的增加，两峰间的 距离逐渐变大，同时，每一组分的浓度轮廓（即区 域宽度）也慢慢变宽。显然，区域扩宽对分离是不 利的，但又是不可避免的。若要使A、B组

13、分完全分 离，必须满足以下三点：第一，两组分的分配系数必须有差异；第二，区域扩宽的速率应小于区域分 离的速度；第三，在保证快速分离的前提下，提供足够长的色谱柱。第一、二点是完全分离的必要条件。 作为一个色谱理论，它不仅应说明组分 在色谱柱中移动的速率，而且应说明组 分在移动过程中引起区域扩宽的各种因 素。塔板理论和速率理论均以色谱过程 中分配系数恒定为前提，故称为线性色 谱理论。小 结色谱法研究的核心-选择最 适合的色谱体系和条件、在最短的 时间达到最佳的分离效果。（二）塔板理论把色谱柱比作一个精馏塔，沿用精馏 塔中塔板的概念来描述组分在两相间的分 配行为，同时引入理论塔板数作为衡量柱 效率的

14、指标，即色谱柱是由一系列连续的 、相等的水平塔板组成。每一块塔板的高 度用H表示，称为塔板高度，简称板高。塔板理论假设： 1. 在柱内一小段长度H内，组分可以在两相间 迅速达到平衡。这一小段柱长称为理论塔板 高度H。 2. 以气相色谱为例，载气进入色谱柱不是连 续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔 板体积（Vm）。 3. 所有组分开始时存在于第0号塔板上，而且 试样沿轴（纵）向扩散可忽略。 4. 分配系数在所有塔板上是常数，与组分在 某一塔板上的量无关。简单地认为：在每一块塔板上，溶质在 两相间很快达到分配平衡，然后随着流动相按 一个一个塔板的方式向前移动。对于一根长为 L的色谱柱，溶质平衡

15、的次数应为：n = L / Hn称为理论塔板数。与精馏塔一样，色谱 柱的柱效随理论塔板数n的增加而增加，随板 高H的增大而减小。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：开始时，若有单位质量，即m=1（例 1mg或1g）的该组分加到第0号塔板上，分 配平衡后，由于k=1，即ns=nm故nm=ns=0.5。 当一个板体积（lV）的载气以脉动形式进 入0号板时，就将气相中含有nm部分组分的 载气顶到1号板上，此时0号板液相（或固相 ）中ns部分组分及1号板气相中的nm部分组分 ，将各自在两相间重新分配。故0号板上所 含组分总量为05，其中气液（或气固）两 相各为025,而1号板上所

16、含总量同样为 05气液（或气固）相亦各为025 。以后每当一个新的板体积载气以脉 动式进入色谱柱时，上述过程就重复 一次(见下表)。塔板理论指出：第一，当溶质在柱中的平衡次数，即理 论塔板数n大于50时，可得到基本对称的峰 形曲线。在色谱柱中，n值一般很大，如气 相色谱柱的n约为103 -106 ，因而这时的流 出曲线可趋近于正态分布曲线。第二，当样品进入色谱柱后，只要各组 分在两相间的分配系数有微小差异，经过反 复多次的分配平衡后，仍可获得良好的分离 。第三，n与半峰宽及峰底宽的关系式为：n = 5.54(tR / Y1/2)2 = 16 (tR / Y)2 式中tR 与Y1/2 ( Y )应采用同一单位（时 间或距离）。从公式可以看出，在tR 一定时 ，如果色谱峰很窄，则说明n越大，H越小， 柱效能越高。在实际工作中，由公式 n