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1、1,第 2 章 色谱基本理论,2.1 色谱过程,色谱过程是物质分子在相对运动的两相间分配“平衡”的过程。混合物中，若两个组分的分配系数不等，则被流动相携带的速率不等，即形成差速迁移而被分离。,2,色谱过程及色谱图,3,2.2 色谱图及基本参数,色谱图 试样中各组分经色谱柱分离后，随流动相依次进入检测器，检测器将各组分的浓度（或质量）的变化转换为电压（或电流）信号，再由记录仪记录下来。所得到的电信号强度-时间曲线即浓度（或质量）-时间曲线，称为流出曲线，也叫色谱图。简言之，色谱图是指色谱柱流出物通过检测器时所产生的响应信号对时间的曲线图,其纵坐标为信号强度,横坐标为保留时间。,4,典型的色谱图,
2、W1/2=2.35 ,5,色谱图相关术语,色谱峰(Peak):色谱柱流出组分通过检测器时产生的响应信号的微分曲 线。 基线(Baseline):在一定色谱条件下，仅有流动相通过检测系统时所产生的信号的曲线。实验条件稳定时，基线应是一条平行于横轴的线。 峰高 h (Peak Height):色谱峰顶点与基线之间的垂直距离。,W1/2=2.35 ,6,峰(底)宽 W (Peak Width): 峰两侧拐点处所作切线与峰底相交两点之间的距离。 半(高)峰宽 W1/2 (Peak Width at Half Height): 在峰高一半处的色谱峰的宽度，单位可用时间或距离表示。 标准偏差()(Stan
3、dard Error)：峰高0.607倍处峰宽的一半。,W1/2=2.35 ,色谱图相关术语,7,峰面积 (Peak Area): 色谱峰与基线（延长线）所包围的面积称为峰面积。峰面积与进入检测器的组分的量呈正比。拖尾峰 (Tailing Peak): 后沿较前沿平缓的不对称峰。前伸峰(Leading Peak)：前沿较后沿平缓的不对称峰。假（鬼）峰（Ghost Peak）：不是试样本身所产生的峰 。,色谱图相关术语,8,色谱峰的对称性在理想情况下，色谱峰的形状可以近似地用高斯曲线（Gaussian）描述。,为标准偏差（拐点处的半峰宽）， h为最大峰高，w为峰宽,9,不对称因子 在实际的色谱过
4、程中，很少符合高斯分布，而是具有一定的不对称性。可以定义一个不对称因子As来定量地表示色谱峰的不对称程度。,10,拖尾峰： 当As大于1时，色谱峰的形状是前半部分信号增加快，后半部分信号减少慢。引起峰拖尾的主要原因是溶质在固定相中存在吸附作用，因此，拖尾峰也称为吸附峰。 伸舌峰（前伸峰）： 当As小于1时，色谱峰是前半部分信号增加慢，后半部分信号减小快。因为伸舌峰主要是固定相不能给溶质提供足够数量合适的作用位置，使一部分溶质超过了峰的中心，即产生了超载，所以也称超载峰。,11,组分在色谱柱中谱带扩展(由于纵向扩散，传质阻力等因素的影响，使组分在色谱柱内移动过程中谱带宽度增加的现象)的函数，反映
5、了色谱操作条件的动力学因素 。,0.607倍峰高处色谱峰的宽的一半,半峰宽 W1/2,峰高一半处对应的色谱峰的宽度,基线宽度(峰底宽度) W,色谱峰两侧拐点上的切线在基线上的截 距,色谱峰的区域宽度,标准偏差s,12,色谱峰所能提供的重要信息,样品中所含组分的最少个数保留值-定性分析色谱峰面积（或峰高）-定量分析色谱峰的保留值和区域宽度-评价色谱柱的分离效能根据相邻色谱峰之间的距离来选择合适的色谱分离条件,13,保留值的基本参数,死时间(tM)(Dead time): 不被固定相滞留的组分从进样到出现峰最大值所需的时间(空气或甲烷）。 保留时间(tR)(Retention time): 组分从
6、进样到出现峰最大值所需时间。 不同的物质在不同的色谱柱上以不同的流动相洗脱会有不同的保留时间，因此保留时间是色谱定性分析的重要参数。 调整保留时间(tR)（Adjusted retention time): 扣除了死时间的保留时间。tR= tR- t0,14,校正保留时间（tR0）（Corrected retention time): 经压力校正因子修正的保留时间。tR0=j tR 净保留时间(tN)（Net retention time）: 经压力校正因子修正的调整保留时间。 tN=j tR,保留值的基本参数,15,保留值的基本参数,死体积(VM)(Dead volume): 不被固定相滞留
7、的组分从进样到出现峰最大值所需的流动相体积。死体积等于死时间乘以载气的流速。VM=tMFc 保留体积(VR)(Retention volume): 组分从进样到出现峰最大值所需的流动相体积。VR=tRFc调整保留体积(VR)（Adjusted retention volume): 对应于调整保留时间的流动相体积。VR= tRFc=VR- VM 校正保留体积（VR0）（Corrected retention time): 经压力校正因子修正的保留体积。VR0=j VR 净保留体积(tN)（Net retention time）: 经压力校正因子修正的调整保留时间。 VN=j VR,16,某组份2
8、的调整保留值与组份1的调整保留值之比,1,2,1,2,1,2,R,R,R,R,V,V,t,t,=,=,g,相对保留值2,1,1,2,1,2,1,2,R,R,R,R,V,V,t,t,=,=,g,由于相对保留值只与柱温及固定相的性质有关，而与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关，因此，它是色谱法中，特别是气相色谱法中，广泛使用的定性数据必须注意，相对保留值绝对不是两个组份保留时间或保留体积之比。,17,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，i,s可能大于1，也可能小于1在多元混合物分析中，通常选择一对最难分离的物质对，将它们的相对保留值作为
9、重要参数。在这种特殊情况下，可用符号表示：,式中tR2为后出峰的调整保留时间，所以这时总是大于1的 。,选择因子,18,分配系数K平衡状态时组分在固定相（CL）与流动相（CG）中的浓度之比。分配比(容量因子)K平衡状态时组分在固定相(P)与流动相(q)中的质量之比。,分配系数K与分配比(容量因子)K :,讨论： K=0 ；K=1 ；K,19,讨论： K=0 则 tR = tM 组分无保留行为K=1 则 tR = 2tMK tR很大 组分峰出不来 所以 K=1-5 最好 如何控制K？ 主要选择合适的固定液、流动相。,20,色谱柱效能的参数,理论塔板数n有效理论塔板数neff理论塔板高度H,21,
10、分离度,右图说明了柱效和选择性对分离的影响。图中（a）两色谱峰距离近并且峰形宽。两峰严重相叠，这表示选择性和柱效都很差。图中（b）虽然两峰距离拉开了，但峰形仍很宽，说明选择性好，但柱效低。图中（c）分离最理想，说明选择性好，柱效也高。,22,由此可见，单独用柱效或选择性不能真实反映组分在色谱柱中分离情况，故需引人一个综合性指标分离度R。分离度是既能反映柱效率又能反映选择性的指标，称总分离效能指标。分离度又叫分辨率，它定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽总和之半的比值，即,R值越大，表明相邻两组分分离越好。一般说，当R1时，两峰有部分重叠；当R1时，分离程度可达95；当R15时，分
11、离程度可达99.7。通常用R=1.5作为相邻两组分已完全分离的标志。,23,24,tR(x)-待测物X的调整保留时间 tR(z)-碳原子数为Z的正构烷烃的调整保留时间 tR(z+n)-碳原子数为z+n的正构烷烃的调整保留时间 tR(z) tR(x) tR(z+n) （通常 n=1） 规定正构烷烃的I 值是其碳原子的100倍， 如：正庚烷I=700,保留指数 I,1958年克瓦茨（Kovats)提出，用以表示化合物在一定温度下在某种固定液上的相对保留值，具体说它是以一系列正构烷烃作标准的相对保留值。,25,2.3 色谱学基本理论,塔板理论 (热力学理论：研究分配(分离)过程) 速率理论 (动力学
12、理论：研究各种动力学因素对峰展宽的影响)扩散理论 块状液膜模型 平衡色谱理论,26,最早由Martin等人提出塔板理论，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指标。,一、塔板理论（plate theory）,27,该理论假定：（i）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。（ii）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）。（iii）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。（iv）分配系数在所有塔板上是常数，与
13、组分在某一塔板上的量无关。为简单起见，设色谱往由5块塔板（n5，n为柱子的塔板数）组成，并以r表示塔板编号，r=1，2，nl；某组分的分配比k=1.,28,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0.5，其中气液（或气固）两相各为0.25而
14、1号板上所含总量同样为0.5气液（或气固）相亦各为0.25。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)。,29,30,31,流出曲线方程,1、二项式分布曲线以组分A在柱出口处的质量分数对N作图。,32,N 柱出口0 01 02 03 04 0 5 0.0326 0.0797 0.1188 0.1379 0.13710 0.124,k=1的组分从n=5色谱柱中的流出曲线图,33,2、色谱流出曲线当塔板数很大时，流出曲线趋于正态分布曲线。,34,3、色谱流出曲线方程（正态分布方程）描述组分流出色谱柱的浓度变化：,为标准差，tR为保留时间，C为任意时间t时的浓度，C
15、0为峰面积A，即相当于某组分的总量。,35,t=tR时，C有极大值：,Cmax即流出曲线的峰高h。 一定时， 峰高h取决于C0。 C0一定时， 峰高h取决于。,36,流出曲线方程的常用形式：,不论ttR或ttR时，浓度C恒小于Cmax。 C随时间t向峰两侧对称下降。 越小，峰越锐。 是柱效的标志。,37,色谱峰面积,以A代替C0，h代替Cmax，且W1/2=2.355 ，,峰面积:,A=h (2 )1/2,A=1.065W1/2h,38,色谱柱长：L，虚拟的塔板间距离：H，色谱柱的理论塔板数：n， 则三者的关系为：,理论塔板数与色谱参数之间的关系为：,39,从上两式可以看出，色谱峰W越小，n就越大，而H就越小，柱效能越高。因此，n和H是描述柱效能的指标。通常,填充色谱柱的n103，H1mm。而毛细管柱 n=105-106，H0.5mm,40,由于死时间tM包括在tR中,而实际的tM不参与柱内分配,所计算的n值尽管很大,H很小,但与实际柱效能相差甚远.所以,提出把tM扣除,采用有效理论塔板数neff和有效塔板高Heff评价柱效能。,41,塔板理论的特点和不足,(1)当色谱柱长度一定时，塔板数 n 越大(塔板高度 H 越小)，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。,
