单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,*,7.2 基本原理,一.色谱流出曲线及有关术语,图7-2 色谱图,7.2 基本原理一.色谱流出曲线及有关术语,1,1.流出曲线,以组分的浓度变化作为纵坐标，流出时间作横作标，这种曲线叫流出曲线，也叫色谱图。,1.流出曲线,2,2.基线：,当色谱柱后没有组分进入检测器时，在实验操作条件下，反映检测器系统噪声随时间变化的线称为基线。稳定的基线是一条直线（或当有载气通过检测器时产生的噪声信号是直线）。,2.基线：,3,基线噪声：,指由各种因素所引起的基线起伏。,基线漂移：,指基线随时间定向的缓慢变化。,基线噪声：,4,3.保留值：组分在色谱柱内滞留时间的,数值。,死时间（,t,M,）：载气流经色谱柱的,时间。,死体积（,V,M,）：在死时间内流经色,谱柱载气的体积。,3.保留值：组分在色谱柱内滞留时间的,5,保留时间（,t,R,）：,t,R,=,t,M,+,t,R,组分从进样开始到出现最大浓度时的,时间叫保留时间。,保留体积（,V,R,）：,V,R,=,F,o,t,R,在保留时间内流经色谱柱载气的体积,叫保留体积。,保留时间（tR）：tR=tM+tR,6,调整保留时间（,t,R,）：,t,R,=,t,R,-,t,M,组分在固定相上滞留的时间。,不同组分,t,M,均相同，但,t,R,不同,调整保留,体积（,V,R,）,V,R,=,F,o,t,R,调整保留时间（t R）：tR=tR-tMVR,7,相对保留值（,r,）,也称色谱柱的选择性，,r,2,1,越大，分离的越好，色谱柱选择性越好。,相对保留值（r）,8,4.区域宽度,峰高（,h,）：峰的顶点到基线之间的距离称之,为峰高，用,h,表示。,峰底宽（,Y,）：从峰两边的拐点作切线与基线,相交部分的宽度，用,y,表示。,半峰宽（,Y,1,/2,）：峰高一半处对应的峰宽度。,半峰高（,h,1,/2,）：峰高,h,的1/2处。,A,=,h,Y,1/2,1.065,峰高与 峰面积是定量的指标或参数,保留值是定性的指标或参数,峰宽或半峰宽是衡量柱效的指标或参数。,4.区域宽度,9,二.色谱分离的理论依据,（一）色谱过程及分配系数,1.分配系数,2.气-液色谱的分配过程,（固定相是液体）,3.气-固色谱的分配过程,（固定相是固体）,二.色谱分离的理论依据,10,1 分配系数,物质在固定相和流动相（气相）之间发生的吸附、脱附和溶解、挥发的过程，叫分配过程。被测组分按其溶解和挥发能力（或吸附和脱附能力）的大小，以一定的比例分配在固定相和气相之间，溶解度（或吸附能力）大的组分分配给固定相多一些，气相中的量就少一些，溶解度（或吸附能力）小的组分分配给固定相的量就少一些，气相中的量就大一些。,1 分配系数,11,在一定温度下,组分在两相之间分配达到平衡时的浓度比称为分配系数,K,。,K,=,T、P,一定时 ，,K,为常数。,组分在固定相中的浓度,c,s,组分在流动相中的浓度,c,M,在一定温度下,组分在两相之间分配达到平衡时的浓度比,12,用,K,可以衡量不同组分与固定相作用力大小及在固定相停留时间长短。,分配系数是色谱分离的依据，实际工作中常应用分配比,k,表征色谱分配过程的参数。,k,=,P ,组分分配在固定相中的质量,q ,组分分配在流动相中的质量,K,=,c,s,c,M,=,P/,v,s,q/,v,M,=,k,.,v,M,v,s,=,k,.,用K可以衡量不同组分与固定相作用力大小及,13,2.气-液色谱的分配过程（固定相是液体）,溶解（在固定相上）,挥发,|,挥发,溶解（进一步）,不同组分中溶解度大的，在固定相上停留时间长。,2.气-液色谱的分配过程（固定相是液体）,14,3.气-固色谱的分配过程,（固定相是固体）,吸附,脱附 再吸附,脱附,不同组分在固定相上吸附能力不同。,3.气-固色谱的分配过程,15,气相色谱分析的分离原理是基于不同物质在两相间具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，试样中的各组分就在两相中进行反复多次的分配，使得原来分配系数只有微小差异的各组分产生很大的分离效果，从而各组分彼此分离开来。,气相色谱分析的分离原理是基于不同物质在两相,16,(二)色谱理论,色谱过程中的热力学因素,色谱理论 （塔板理论）,色谱过程中的动力学因素,(二)色谱理论,17,1.塔板理论,将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，引用了处理蒸馏过程的概念、理论和方法来处理色谱过程。把色谱柱比作一个分馏塔，色谱柱可由许多假想的塔板组成（既色谱柱可分成许多小段），在每一小段（塔板）内，一部分空间为涂在担体上的液相占据，另一部分空间充满着载气（气相），载气占据的空间称为板体积V。当欲分离的组分随载气进入色谱柱后，就在两相间进行分配。,1.塔板理论,18,由于流动相在不停地移动，组分就在这些塔板间隔的气液两相间不断地达到分配平衡。,由于流动相在不停地移动，组分就在这些塔板,19,V,（除去固定相，称为板体积）,塔板数（柱长 ）,L,H塔板高度,V（除去固定相，称为板体积）塔板数（柱长 ）LH塔板,20,塔板理论假定：,在这样一小段间隔内，气相平均组,成与液相平均组成可以很快达到分,配平衡，这样达到分配平衡的一小,段柱长，称为理论塔板高度H.,塔板理论假定：,21,载气进入色谱柱，不是连续而是脉动式的，每次进气为一个板体积。,试样开始时都加在第0号塔板上，且试样沿色谱柱方向的（纵向扩散）扩散可略而不计。,分配系数在各塔板上是常数。,载气进入色谱柱，不是连续而是脉动式的，每次进气为一个板体积,22,为简单起见，设色谱柱由5块塔板（n=5，n为柱子的塔板数)组成，并,以r表示塔板编号，r等于0，1，2，,，n1，某组分的分配比,k,=1,则,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：,为简单起见，设色谱柱由5块塔板（n=5，,23,开始时，若有单位质量，即m=l(1mg或1g)的该组分加,到第0号塔板上，分配达平衡后，,由于,k,=l，即p=q，故p=q=0.5.,开始时，若有单位质量，即m=l(1mg或1g)的该组分,24,当一个板体积(1v)的载气以脉动形式进入0号板时，就将气相中含有q部分组分的载气顶到1号板上,此时0号板液相中p部分组分及1号板气相中的q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，其中气液两相各为0.25，而1号板上所含总量同样为0.5，气液两相亦各为0.25。,当一个板体积(1v)的载气以脉动形式进入0号板时，就,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，如下所示：,塔板号r 0 1 2 3,进样 q 0.5,p 0.5,进气1V q 0.25 0.25,p 0.25 0.25,进气2V q 0.125 0.125+0.125 0.125,p 0.125 0.125+0.125 0.125,进气3V q 0.063 0.063+0.125 0.125+0.063 0.063,p 0.063 0.125+0.063 0.063+0.125 0.063,以后每当一个新的板体积载气以脉动式进入色谱柱,26,按上述分配过程，对于n=5，,k,=1，m=1的体系，随着脉动式进入柱中板体积载气的增加，组分分布在柱内任一板上的总量(气相、液相总质量)见表71。由表中数据可见，当n=5时，即5个板体积载气进入柱子后，组分就开始在柱出口出现，进入检测器产生讯号(见图74，图中纵坐标x为组分在柱出口出现的分数。,按上述分配过程，对于n=5，k=1，m=1,27,0,1,2,3,4,5,n=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,1,0.5,0.25,0.125,0.063,0.032,0.016,0.008,0.004,0.002,0.001,0,0,0,0,0,0,0,0.5,0.5,0.375,0.25,0.157,0.095,0.056,0.032,0.018,0.010,0.005,0.002,0.001,0,0,0,0,0,0.25,0.375,0.375,0.313,0.235,0.165,0.111,0.072,0.045,0.028,0.016,0.010,0.005,0.002,0.001,0,0,0,0.125,0.25,0.313,0.313,0.274,0.22,0.166,0.094,0.070,0.049,0.033,0.022,0.014,0.008,0,0,0,0,0.063,0.157,0.235,0.274,0.274,0.247,0.207,0.151,0.110,0.08,0.057,0.040,0.027,0,0,0,0,0,0.032,0.079,0.118,0.138,0.1380.124,0.104,0.076,0.056,0.040,0.028,0.020,载体板体积数N,r,表7-1,012345n=0100000载体板体积数Nr 表7-1,28,由图7-4可以看出，组分从具有5块塔板的柱中冲洗出来的最大浓度是在n为8和9时。流出曲线呈峰形但不对称。这是由于柱子的塔板数太少的缘故。当n50时，就可以得到对称的峰形曲线。在气相色谱中，n值是很大的，约为10,3,10,5,，因而这时的流出曲线可趋近于正态分布曲线。这样，流出曲线上的浓度,c,与时间,t,的关系可由下式示：,由图7-4可以看出，组分从具有5块塔板的,29,n,0.15,0.10,0.05,5,图7-4 组分从n=5柱中流出曲线图,为组分在柱出口的分数,x,n0.150.100.055图7-4 组分从n=5柱中,30,式中,c,o,为进样浓度，,t,R,为保留时间，为标准偏差，,c,为时间,t,时的浓度，此式称为流出曲线方程式。,以上讨论单一组分在色谱柱中的分配过程。,式中co为进样浓度，tR为保留时间，为标准,31,若试样为多组分混合物，则经过很多次的分配平衡后，如果各组分的分配系数有差异，则在柱口处出现最大浓度时所需的载气板体积亦将不同，由于色谱柱的塔板数相当多，因此分配系数有微小差异，仍可获得好的分离效果。,若试样为多组分混合物，则经过很多次的分配,32,色谱峰窄，塔板数n多，,理论塔板高小，柱效能高。,因而n或h作为描述柱效能的一个指标。,由塔板理论可导出n与色谱峰峰底宽度的关系：,式中L为色谱柱的长度，,t,R,及y,1/2,或y用同一单位（时间，距离）。,色谱峰窄，塔板数n多，,33,表示色谱柱的效能指标,t,R,，y,1/2,，y单位统一,对应的组分（标明物质）,L改变则n,有效,改变，对H,有效,无影响。,表示色谱柱的效能指标,34,塔板理论在解释流出曲线的形状，浓度极大点位置以及计算评价柱效能等方面取得了成功。,塔板理论在解释流出曲线的形状，浓度极大点位置,35,2.速率理论,1956年荷兰学者范第姆特（van Deemter)等提出了色谱过程的动力学理论。,H=A+Bu+Cu 范第姆特方程式,（速率方程式）,2.速率理论,36,涡流扩散项A,A与填充物的平均颗粒直径d,p,A=2d,p,的大小和填充均匀性有关。,A与载气性质及线速度和组分,无关。,分子扩散项（B）,Bu分子扩散项,B=2rD,g,r是因载体填充在柱内而引起,气体扩散路径弯曲的因素。,D,g,组分气相中的扩散系数。,涡流扩散项A,37,传质阻力项,传质项Cu,系数C包括气相传质阻力系数C,g,和液相传质阻力系数C,l,两项。,传质阻力项,38,载气线速(u),单位时间内载气流经色谱柱的长度。范第姆特方程式对于分离条件的选择具有指导意义。它可以说明，填充均匀程度，担体粒度，载气种类，载气流速、柱温、固定相液膜厚度等对柱效、峰扩张的影响。,H=A +Bu +Cu,载气线速(u)H=A +Bu +,39,3.分离度（,R,）,分离条件：,t,R(2),-,t,R(1),大,Y,小,3.分离度（R）,40,R=1.0时，分离程度可达97,R=1.5时，分离程度