色谱分析法理论基础

《色谱分析法理论基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《色谱分析法理论基础（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、7.2 色谱分析法理论基础,7.2.1 流出曲线及有关术语,在气相色谱分析法中，将以组分浓 度为纵坐标， 流出时间为横坐标，绘得的组分及其浓度随时间变 化的曲线称为色谱图，也称色谱流出曲线。下面是单个组分的色谱图，用以说明 色 谱分析法的相关术语。,基线和保留值,1. 基线：图中的O t 表示只有载气通过检测器时响应信号的记录。在条件稳定时为一直线。,2. 保留值：表示试样中各组分在色谱柱内停留的时间数值。通常用时间或相应的载气体积来表示。,（1）用时间表示的保留值,保留时间 tR：指待测组分从进样到柱后出现浓度最大值时所需的时间, 如图中的O B。 死时间tM：指不与固定相作用的气体（如空气

2、、甲烷等）的保留时间，如图中OA所示。,（1）用时间表示的保留值（二）_,调整保留时间 t R：指扣除了死时间的保留时间，如图中的AB。 即：tR = tR tM 注意：当固定相一定，在确定的实验条件下，任何物质都有一定的保留时间，它是色谱分析法的基本参数。,保留体积VR：指从进样到柱后出现待测组分浓度极大值时所通过的载气体积。 VRtR F0 F0 色谱柱出口处载气流速 （mL/min）,死体积VM：指色谱柱内除了填充物固定相以外的空隙体积、色谱仪中管路和连接头间的空间及检测器的空间的总和。 VMtMF0 调整保留体积VR：指扣除了死体积后的保留体积。,（2）用体积表示的保留值,3. 相对保

3、留值,相对保留值 r21： 指组分2和组分1调整保留值之比，是一个无 因次量。 r21 = tR2 /tR1 = VR2 /VR1,注意：相对保留值只与柱温及固定相性质有关，与其他色谱操作条件无关，它表示了色谱柱对这两种组分的选择性。,4. 区域宽度（一）,（1）标准偏差： 1/2EF1/4IJ（1/4Wb） 即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。 峰高 h 是色谱峰顶到基线的距离。h、是描述色谱流出曲线形态的两个重要参数 。 h 、与的关系如何？,即色谱峰宽度。习惯上常用以下三个量来表示。,区域宽度（二）,（2）半峰宽Y1/2: 峰高一半处色谱峰的宽度。如图中的GH。 半峰宽与标准偏差的关系

4、为：,注意：由于半峰宽容易测量，使用方便，所以一般用它来表示区域宽度。,区域宽度（三）,（3）峰基宽度Wb：即通过流出曲线的拐点所作的切线在基线的截距，如图I J所示。 Wb与的关系： Wb 4,7.2.2 色谱法中的主要参数和关系式 分配系数Kp和容量因子K ,（1）分配系数Kp：定温定压下物质在固定相和流动相中的浓度比。 KPAs / Am （s固定相； m流动相） （2）容量因子K：分配系数与两相体积有关的参数，表示溶质A在两相中的质量之比。 K=mAs / mAm =KPVS/Vm,分配系数Kp和体积保留值VR的关系,VR = VM + KpVs 即：VR = VM（1+ K） 或：K

5、（VRVM）/ VM 当流动相流速一定时有： K（tRtM）/tM tR/tM 从上两式可以看到，色谱分析法中各组分保留值随K 而变化，而tM 、tR都可以从色谱图上测得，从而可以求出K。容量因子K是描述溶质保留行为的一个重要参数。,（3）分离比a,色谱分析法中A、B两种物质的分离效率可用分离比表示。当两相体积一定时，分离比与保留值的关系为： aKp(B)/Kp(A)K(B)/K(A)tR(B)/ tR(A)B，A 在色谱法中，分离比等于被分离两种物质的调整保留值之比。 tR(B)/ tR(A)B，A也称相对保留值。,7.2.3 色谱柱的效能塔板理论,在50年代，色谱技术发展的初期，Marti

6、n等人把色谱分离过程比作分馏过程，并把分馏中的半经验理论塔板理论用于色谱分析法。,7.2.3 色谱柱的效能塔板理论（二）,这理论把色谱柱比作一个分馏塔，假设柱内有n个塔板，在每个塔板高度间隔内，试样各组分在两相中分配并达到平衡，最后,挥发度大的组分和挥发度小的组分彼此分离，挥发度大的最先从塔顶（即柱后）逸出。尽管这个理论（概念）并不完全符合色谱柱的分离过程，色谱分离和一般的分馏塔分离有着重大的差别，但是因为这个比喻形象简明，因此几十年来一直沿用。,7.2.3 色谱柱的效能塔板理论（三）,按照塔板理论，色谱柱的分离效能可以用塔板数来表示，由塔板理论导出的理论塔板数 n 的计算公式是： n=5.5

7、4(tR/y1/2)216(tR/Wb)2 注：使用该公式，分子分母应取相同单位。,7.2.3 色谱柱的效能塔板理论（四）,由于死体积VM (或死时间tM)内并没有发生分配作用，在考虑柱的实际分离效能时应予扣除，扣除死时间后色谱柱效用有效塔板数n有效 和有效塔板高度H有效。,H有效L / n有效,由于同一色谱柱对不同物质的柱效能不同，故用H、n、H有效、n有效等指标表示柱效能时应注明被测物质和色谱条件。,7.2.3 色谱柱的效能塔板理论（五）,n有效也可以用下式表达：,n有效与R的关系式为：,柱长,符号与上面讨论的相同。,7.2.3 色谱柱的效能塔板理论（六）,理论塔板高度（H）：H L /

8、n L 色谱柱长度 n 大或 H 小，表示柱的分离效能愈高。 有效塔板数（高度）：扣除了死体积或死时间后的塔板数（高度）。色谱柱内的死体积或相应的死时间实际上并没有参与分配作用。,7.2.4 影响色谱柱效能的因素 速率理论（一）,前面已知，用塔板理论来说明色谱柱内各组分的分离过程并不合理，因为色谱柱内并没有塔板。当同一试样进入同一色谱柱，当流动相速度变化时，得到不同的色谱图。测得的 n 和 H 也不同，充分说明塔板理论不足以说明色谱柱的分离过程。,7.2.4 影响色谱柱效能的因素 速率理论（二）,1956年，荷兰学者范德姆特（VanDeomter）等提出一个描述色谱柱分离过程中复杂因素使色谱峰

9、扩宽而致柱效降低（即：使 H 增大）影响的方程。此方程经简化后写为:,该式称为速率方程（范氏方程）。 下面我们将对公式中的各项进行讨论,7.2.4 影响色谱柱效能的因素 速率理论（三）,A 涡流扩散项, 反映溶质分子受固定相颗粒障碍改变移动方向，形成涡流引起扩散。与填充颗粒的大小及填充的均匀性有关，而与流动相的流速无关。A越大，色谱峰变宽更严重。,（范氏方程）。,7.2.4 影响色谱柱效能的因素 速率理论（四）,由于溶质区带前后存在着浓度差，因而产生纵向扩散使区带（色谱峰）扩宽。由于分子在液体中的扩散速率大约是在气体中的 1/105，所以该项对液相色谱来说很小，而对气相色谱则很重要。 扩散的严

10、重与否，关键是取决于流动相的线速度。,7.2.4 影响色谱柱效能的因素 速率理论（五）,此两项对色谱峰的影响均与流速成正比。在流速很高的情况下，由于没有足够的时间建立平衡，偏离更为严重。,C 固定相传质阻力项 D 流动相传质阻力项 (非平衡状态作用),对于一定的色谱体系，速率方程中A、B、C、D其值为一定。速率方程描述了流动相的平均线速度对柱效能的影响。,7.2.4 影响色谱柱效能的因素速率理论(六),固定填充柱，对某一物质在不同的载气流速下,测定塔板高度，即可作右图。,从图中可以看出，曲线最低点处 H 最小，即柱效能最高，该点对应的载气流速为最佳流速。 上述做法可用来求某条件下对某种物质的最

11、佳载气流速。,气相色谱分析法中，,7.2.5 分离效率的表示方法分离度,分离效率的表示方法 分离度（分辨率） 一个混合物（设只有A、B两种组分）经色谱分离后，得到的谱图可能为：,试评价（1）（2）（3）的分离效果。 （考虑两方面因素：溶质的保留值和溶质区带的区域宽度） 色谱分离效率用参数分离度（分辨率）R来表示。,7.2.5 分离效率的表示方法分离度（一）,色谱分离效率用分离度（分辨率）R来表示：,式中：分子反映了溶质在两相中分配行为对分离的影响， 是色谱分离的热力学因素。 分母反映了动态过程溶质区带的扩宽对分离的影响，是 色谱分离的动力学因素。 从中得到：两溶质保留时间相差越大，色谱峰越窄，

12、分 离越好。,7.2.5 分离效率的表示方法 分离度（二）,对于两个面积相等的对称峰，理论上可以证明： R 0.8 1.0 1.5 分离效果 89% 98% 99.7%,一般当 R1.5 时，可以认为两个组分分离完全。R也称为色谱总分离效能指标。,7.2.5 分离效率的表示方法分离度（三）,分离度R与容量因子K、理论塔板数n、分离比a的关系为：,以n有效表示，则有：,另外，当两组分的色谱峰分离较差，峰底宽度难于测量时，可用半峰宽代替峰底宽度，此时：,R 0.59R,7.2.5 分离效率的表示方法分离度（四）,关于R、n有效、r2.1、H有效、L柱长间关系如下：,对于一定的色谱柱和一定的难分离物质对，在一定的操作条件下，其r2.1和H有效为常数，,因此可得L R2 R,例： 假设两组分的相对保留值r2.1为1.15,要在一根填充柱上 获得完全分离（R1.5），需要有效塔板数和柱长为多少？,解：n有效16R2 161.5 2（1.15 / 0.15） 2112,一般的填充柱的H有效约为0.1cm Ln有效 H有效 211 cm,7.2.5 分离效率的表示方法 分离度（五）,