Transcript 色谱法导论

第十九章 色谱法导论
generalization of chromatograph analysis
第一节

概述
色谱法是一种物理或物理化学分离分析方法，
特别适宜于分离多组分的试样，是各种分离技
术中效率很高和应用最广的一种方法。

它是利用各物质在两相中具有不同的分配系数，
当两相作相对运动时，这些物质在两相中进行
多次反复的分配来达到分离的目的。
第一节

概述
一、色谱法的起源和发展
俄国植物学家M.Tswett于1906年首次提出色谱法。
固定相(stationary phase)：填入玻璃柱内静止不动
的一相(固体或液体)。
流动相(mobile phase)：自上而下流动的一相(液体
、气体或超临界流体)。
色谱柱(chromatographic column)：装有固定相的柱
子。


固定相——CaCO3颗粒
流动相——石油醚
色带
第一节









1906
1930
1938
1941
1944
1952
1959
1968
1988
概述
色谱法
离子交换色谱法（IEC)
薄层色谱法(TLC)
分配色谱法(LLC)
纸色谱(PC)
气相色谱法(GC)
凝胶色谱 (GPC)
高效液相色谱法 (HPLC)
超临界流体色谱(SFC)
第一节
概述
二、色谱法的分类
（一）按两相状态分类
 按流动相的状态分类 ：
气相色谱法(GC)：用气体作为流动相的色谱法
液相色谱法(LC)：用液体作为流动相的色谱法
超临界流体色谱法(SFC)：以超临界流体作为流动相的
色谱法
 按固定相的状态分类：
气相色谱法分：气-固色谱法(GSC)和气-液色谱法
(GLC)
液相色谱法分：液-固色谱法(LSC)和液-液色谱法(LLC)
第一节
概述
（二）按分离机理分类
吸附色谱法：利用物理吸附性能的差异
分配色谱法：利用分配系数的不同
离子交换色谱法：利用离子交换原理
尺寸排阻色谱法：利用分子在固定相中的选择渗透
（三）按操作形式分类
1.柱色谱法 填充柱色谱
毛细管柱色谱
纸色谱法
2.平面色谱法 薄层色谱法
薄膜色谱法
第二节 色谱流出曲线及有关术语



一、色谱流出曲线（色谱
图）
二、基线
当色谱柱后没有组分通过
检测器时，仪器记录到的
信号。
三、峰高
色谱峰顶点与基线之间的
垂直距离称为色谱峰高，
用h表示。
第二节 色谱流出曲线及有关术语
四、色谱峰区域宽度
用来衡量色谱峰宽度的参数，
有三种表示方法：
（1）标准偏差()：即0.607倍
峰高处色谱峰宽度的一半。
（2）半峰宽(W1/2)：色谱峰高
一半处的宽。W1/2=2.355
（3）基线宽度(W)：色谱峰两
侧拐点上切线在基线上截距
间的距离。 W=4 

第二节 色谱流出曲线及有关术语

五、拖尾因子
计算公式： T=W0.05h/2d1
拖尾因子用于衡量色谱峰的
对称性。
T应在0.95～1.05之间，此
时色谱峰为对称峰。
第二节 色谱流出曲线及有关术语
六、保留值
（一）保留时间
保留时间（tR）：组分从
进样到柱后出现浓度极
大值时所需的时间；
死时间（tM）：不与固定
相作用的气体（如空气
）的保留时间；
调整保留时间（tR ＇）：
tR＇= tR－tM

第二节 色谱流出曲线及有关术语
(二) 保留体积
保留体积（VR）：
VR = tR×Fc
Fc为柱出口处的载气流量，
单位：m L / min。
死体积（VM ）：
VM = tM ×Fc
调整保留体积(VR＇)：
V R＇ = VR －VM
第二节 色谱流出曲线及有关术语
（三）相对保留值ri，s
某一组分i的调整保留值与标
准物s的调整保留值之比，称为组
分i对标准物s的相对保留值ri，s
ri，s = t´Ri / t´R s
= V´Ri / V´R s
相对保留值只与柱温和固定
相性质有关，与其他色谱操作条
件无关，它表示了固定相对这两
种组分的选择性。
第二节 色谱流出曲线及有关术语

色谱流出曲线上重要信息：
（1）据色谱峰的个数，可以判断试样中含组分的最少个
数。
（2）根据色谱峰的保留值，可以对组分进行定性分析。
（3）根据色谱峰的面积或峰高，可以对组分进行定量分
析。
（4）利用色谱峰的保留值及区域宽度，可评价柱效。
（5）根据色谱峰间的距离，可评价色谱条件的选择是否
合理。
第二节 色谱流出曲线及有关术语
七、分配系数和容量因子
（一）分配系数(K)
分配系数是在一定温度和压力
下，组分在固定相和流动相中
平衡浓度的比值，
用K表示 ： K= Cs/ Cm
Cs组分在固定相中的浓度，
Cm组分在流动相中的浓度

第二节 色谱流出曲线及有关术语
（二）容量因子（k）
在一定温度和压力下，两相平衡时，组分在
两相中的质量比，用k表示 ： k= ms/ mm
ms为组分在固定相中的质量，mm为组分在
流动相中的质量。
第二节 色谱流出曲线及有关术语

八、容量因子与保留因子（R′）的关系
R′=溶质在流动相中分子数/溶质分子总数
tR = tM/R´=tm(1+ k )
此式说明在给定的条件下，容量因子（ k ）
越大，或保留因子（Rˊ）越大，溶质的保留时
间（tR）越长。
第三节 色谱法基本理论

一、塔板理论-柱分离效能指标

1.塔板理论（四点假设 ）

塔板理论是把色谱柱假想成一个精馏塔，在
柱内一小段长度内组分可达平衡，H为理论
塔板高度。
流动相每次进样一个塔板体积；
在每个塔板上，组分在两相间瞬时达成一
次分配平衡；
分配系数在所有塔板上都是常数。
第三节 色谱法基本理论
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：
n=L/H
理论塔板数与色谱参数之间的关系为：
n(
tR

) 2  5.54(
tR 2
t
)  16( R ) 2
W1 / 2
W
因而n或H可作为描述柱效能的指标，高
柱效有大的n值和小的H值。
第三节 色谱法基本理论

2.有效塔板数（n有效）和有效塔板高度（H有效）
单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。
用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。
组分在tM时间内不参与柱内分配。需引入有效
塔板数和有效塔板高度：
n有效
t＇R
t R' 2
t R' 2
（ ）  5.54
（
）  16
（ ）

W1 / 2
W
2
H 有效 
L
n有效
第三节 色谱法基本理论

3.塔板理论的特点和不足
（1）塔板理论在解释流出曲线的形状、浓度极大
点的位置及计算评价柱效等方面都取得了成功。
（2）塔板理论是半经验性理论，它的某些假设不
完全符合色谱的实际过程。例如，纵向扩散是不能忽
略的，色谱过程也不可能达到真正的平衡状态。
（3）它只能定性地给出塔板高度的概念，不能找
出影响塔板高度的因素，也不能解释峰形展宽(扩张)
的原因。
第三节 色谱法基本理论

二、速率理论-影响柱效的因素
1. 速率方程（也称范.弟姆特方程式）
H = A + B/u + C·u
H：理论塔板高度，
u：载气的线速度(cm/s)
减小A、B、C三项可提高柱效；
存在着最佳流速；
A、B、C三项各与哪些因素有关？
A─涡流扩散项
A = 2λdp
dp：固定相的平均颗粒直径
λ：固定相的填充不均匀因子
固定相颗粒越小dp↓，填充的越均匀，A↓，
H↓，柱效n↑。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽
现象减轻，色谱峰较窄。
B/u —分子扩散项
B = 2 νDg
ν ：弯曲因子，
填充柱色谱，ν<1。
Dg：试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2·s -1）
(1) 存在着浓度差，产生纵向扩散;
(2) 扩散导致色谱峰变宽，H↑(n↓)，分离变差;
(3) 分子扩散项与流速有关，流速↓，滞留时间↑，
扩散↑;
(4) 扩散系数：Dg ∝(M载气)-1/2 ； M载气↑，
B值↓。
C·u —传质阻力项
传质阻力包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力CL
即：
C =（Cg + CL）
2
2
0.01k d p
Cg 

2
(1  k ) D g
df
2
2
k
Cl  

2
3 (1  k ) Dl
k为容量因子； Dg 、DL为扩散系数。
减小担体粒度，选择小分子量的气体作载气，
可降低传质阻力。
2.载气流速与柱效
载气流速高时：
传质阻力项是影响柱效
的主要因素，流速↑，柱效↓。
载气流速低时：
分子扩散项成为影响柱效
的主要因素，流速↑,柱效↑。
H - u曲线与最佳流速：
由于流速对这两项完全相反的作用，流速对柱效
的总影响使得存在着一个最佳流速值，即速率方程式
中塔板高度对流速的一阶导数有一极小值。
以塔板高度H对应载气流速u作图，曲线最低点
的流速即为最佳流速。
当为最佳时，要使H足够小，还与A、B、C三项
中各参数有关，只有A、B、C较小时，H才能小、柱
效才会高。
载气最佳流速为：
uopt= B
u
第三节 色谱法基本理论

三、分离度
分离度是指相邻两组分保留时间之差与两组分
基线宽度平均值的比值，用R表示
R=
t R2  t R1
1 / 2(W1  W2 )
=
2(t R2  t R1 )
W1  W2
tR1,tR2分别为相邻两组分的保留时间，
W1、W2分别为两组分峰宽。
通常用R＝1.5，作为相邻两组分完全分离的标志。
第三节 色谱法基本理论
色谱分离中的四种情况如图所示：
① 柱效较高，△K(分配系数)较大,完全分离；
② △K不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上完全分离；
③柱效较低，，△K较大,但分离的不好；
④ △K小，柱效低，分离效果更差。
第三节 色谱法基本理论

四、色谱分离方程式
分离度R的定义并没有反映影响分离度的因
素。实际上，分离度还受柱效（n），选择因子
（α）和容量因子（k）三个参数的控制。
选择因子是指难分离物质对的调整保留值之比。
t R'
k2 K 2
 ' 

t R k1 K1
第三节 色谱法基本理论
整理后得色谱分离基本方程式：
n  1
k
R
(
)(
)
4

k 1
(a)
(b)
或
R
n有效
4
 1
）

（

(c)
(a)项为柱效项，（b）项为柱选择项，(c)
项为容量因子项，分离度与 (a)、 (b) 、(c)三
项有关。
第三节 色谱法基本理论
（一）分离度（ R ）与柱效（ n ）的关系
分离度与n的平方根成正比，增加柱长可改
进分离度，可见用较长的柱可以提高分离度，但
延长了分离时间，将引起峰扩张。
第三节 色谱法基本理论
（二）分离度（ R ）与选择因子（α）的关系
当α=1时，R＝0，两组分是无法分离的。
显然α大，选择性好，两组分容易分离。如α值
为1.10时，获得分离度为1.0的色谱柱的有效理
论塔板数为1900，但是α增至1.15，在同一柱的
上的分离度就可超过1.5以上。
第三节 色谱法基本理论
（三）分离度（ R ）与容量因子（k）的关系
容量因子k值增大时，对R有利。当k>10
时，k/k+1的改变不大，对R改进不明显，故k值
最佳范围是1<k<10，这样，既可得到较大的R
值，又可减少分析时间和峰的扩展。