色谱基本理论.docx

1、色谱基本理论色谱基本理论第一节 色谱图及基本参数一、 谱图：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，其纵标为信号强度(mv)，横坐标为保留时间(min)。二、 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。峰底(Peak Base)：峰的起点与终点之间连接的直线。峰高h(Peak Height)：峰最大值到峰底的距离。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.就是从色谱峰两侧的转折点(拐点)作切线，在基线上的截距叫峰底宽；简称峰宽；峰高一半处色谱峰的宽度叫半峰宽。由于色谱峰顶呈圆孤形，色谱峰的半峰宽并不

2、等于峰底宽的一半半(高)峰宽W1/2(Peak Width at Half Height)：通过峰高的中点作平行于峰的直线，其与峰两侧相交两点之间的距离。峰面积(Peak Area)：峰与峰底之间的面积，又称响应值。标准偏差()(Standard Error)：峰高的0.607倍处所对应峰宽的一半。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。鬼峰(Ghost Peak)：不是试样所产生的峰，亦称假峰。基线(Baseline)：在正常操作条件下,仅由流动相所产生的响应信号的曲线。基线飘移(Baseline Drift

3、)：基线随时间定向的缓慢变化。基线噪声(N) (Baseline Noise)；由各种因素所引起的基线波动。谱带扩展（Band Broadening）：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。三、 保留值的基本参数保留时间(tR)(Retention time)：组分从进样到出现峰最大值所需的时间。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调整保留时间(tR )：tR= tR-tM ，即扣除了死时间的保留时间。校正保留时间（tRo）：tRo= j tR j为压力校正因子。净保留时间(tN)：tN = j t

4、R 经压力校正的调整保留时间。死体积(VM)(Dead volume)：不被固定相滞留的组分，从进样到出现峰最大值所需的流动相体积 。VM= tM Fc：即对应死时间的保留体积，Fc为色谱柱内载气平均流量。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 = tR FC ：即对应保留时间的载气体积。调整保留体积(VR)：VR= tR Fc = VRVM，即对应于调整保留时间的载气体积校正保留体积（VR0）：Vro =j VR 即经压力校正的保留体积净保留体积 (VN)：VN =j VR 即经压力校正的调整保留体积比保留体积(Vg)：Vg=(2

5、73/Tc)(VN/ML) 即单位质量固定液校正到273K时的净保留体积，TC为色谱柱温度，ML为色谱柱中固定液的质量。注：Vg是定性指标，只与固定液种类，柱温 有关四、有关分离的参数相对保留值：又叫选择性系数或选择性因子。定义：=1时两个组分分不开，改变的途径是：改变固定相，改变流动相，改变样品本身的性质（如衍生化法）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。K= CL/CG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。相比：色谱柱中气相体积与液相体积之比 讨论： K=0 则 tR = tM 组分无保留行为K=1 则 tR = 2tMK t

6、R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，改变流动相（对液相色谱），改变样品本身的性质色谱测K容易（因为只要测tR tM就行）所以常用容量因子K而不用分配系数K五、保留指数I 保留指数I是色谱定性的重要参数，最早由Kovats提出，所以又叫Kovats保留指数。定义为： 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 值是其他原子数的100倍，如：正庚烷I=700六、色谱柱效能的参数 柱效：也叫柱

7、效能 。是指色谱柱在分离过程主要由动力学因素所决定的分离效能，通常用理论塔板数n或用理论塔板高度H来表示。 理论塔板数n ： 有效理论塔板数neff：n理论塔板高度H： H = L/n第二节 气路系统 一 气体 气体可用 H2 N2 Air 也可用CO2 Ne Ar 纯度要求大于99.99 %目前可用氢气发生器来代替氢气钢瓶，较为安全气体控制系统（略）二 气体的纯化 检测器 常用净化剂 作用TCD ；FID 变色硅胶： 除H2OTCD ；FID 分子筛 除H2OFID ；ECD 活性碳： 除有机物FID ； ECD 脱氧剂 除O2 气体的压力与流量的测量：常用皂膜流量计，用时先将皂膜流量计管子

8、内壁润湿三 载气流量的校正用皂膜流量计测得的流量F皂（mL/min）是在柱后大气压下测得的，欲将其换算成色谱条件下的流量FC需作三种校正：湿度校正；压力校正；温度校正。1 湿度校正PW -室温下的的水饱和蒸汽压P0-柱出口处压力Pi -柱入口处压力 2压力校正 测流速时室温下的水的饱和蒸汽压；温度校正:TC 柱温室温 Tr 室温空心柱的载气流速通常不用皂膜流量计测量。而是由tM计算得到,载气的平均线速U=L/ tM例题“实验与习题”例4 （P125） 作业：P131 41；42（思考）；43；第三节 色谱基本理论塔板理论GC是一种分离技术,组分先分离才可定性定量. 如何选择最佳分离条件,这需要

9、色谱理论的指导.早在1940年 Wilson提出了平衡色谱理论-根据物料平衡原理导出组分在柱中移动关系式 无法说明色谱峰流出曲线的形状. 假设组分在整个色谱过程中任一瞬间都能达成分配平衡，因此，它无法说明组分纵向弥散因素对色谱峰展宽形响和传质速率的有限性对组分传质过程的影响。这样，平衡色谱理论不能说明色谱曲线的本质及曲线变化形状的影响因素，也说明不了各种实验操作条件变化所引起色谱峰展宽的原因。从严格的色谱动力学观点讲，应当根据色谱拄内组分移动的实际情况列出相应的编微分方程,然后求解这些偏微分方程组而获得描述色谱流出曲线状态方程. 但是求解这些偏微分方程组十分困难,因此色谱工作者不得不采用较简便

10、的模拟方法来研究色谱动力学过程。Martin和Synge在平衡色谱理论的的基础上,提出了塔板理论.该理论为广大色谱工作者所接受。一 关于塔板理论的假设条件1 在理论板高H内，组分在气液相内快速平衡把色谱柱分为若干小段，组分可在这一小段内瞬间建立气一液平衡。每个小段假定为一块塔板，每一小段的高度(H)叫做理论塔板高度，简称为板高。整个色谱桂是由一系列顺序排列的塔板所组成的。2 载气以脉冲式进入色谱柱 在柱中每个理论塔板区域内，一部分空间为涂在载体上的液相占据，另一部分空间为载气所占据，称此空间为板体积。假定载气进入色谱拄冲洗组分时，不是连续的充满板体积。3 无纵向扩散（柱向扩散）假定柱中所有组分

11、分子开始时都处于第一块塔板(即0号塔板)上，此时组分的纵(轴)向扩散是可以不计的。4分配系数K是常数 假定组分在所有的塔板上部是线性等温分配，即组分的分配系数(K)在各塔板上均为常数，且不随组分在某一塔板上的浓度变化而变化。根据对色谱拄模拟蒸馏塔的假设条件，具体展开讨论组分在色谱柱中移动分配过程如下：（动画）二 色谱曲线方程式基本关系式概率推导：设样品分子开始全部位于第0号塔板上，当色谱往中通过N体积线气后，计算在第n块塔板上出现某组分分子的概率。这个概率应该是考虑在塔板上某组分的一个分子出现在流动相中的概率(Mp) 等于在该塔板上流动相中组分分子的个数与整个塔板上组分分子个数之比。（数学推导

12、略）色谱流出曲线方程：三 塔板理论方程式的讨论 塔板理论成功之处1 较好地解析了色谱曲线形状 高斯分布曲线2 浓度极大点Cmax的位置是tR (即VR)3 可用N评价柱效 V=VR时流出曲线达浓度极大值Cmax Cmax的影响因素(1) 进样量W愈大,则Cmax愈大. W与Cmax 成正比。这是色谱峰高定量的依据。(2) H值愈小，柱效愈高，Cmax/W比值愈大。即H越小，柱效N越高(3) 色谱柱内径愈小，填充愈紧密，Cmax/W比值也愈大。即柱愈细填充愈紧密，柱效N越高。(4) 色谱柱愈短，Cmax值愈大。 (5) 先流出柱子的组分容量因子小，所以Cmax/W比值愈大，反之提高色谱柱的温度（

13、对GC），增加流动相中强洗脱溶剂的浓度（对HPLC），都可以使容量因子下降，比而使Cmax/W比值愈大，提高色谱检测灵敏度。四、塔板理论的作用与不足 (一) 塔扳理论在色谱分析法中的地位与作用： 通过以上几个方面对塔板理论的讨论和研究，可以一致地认为： 1 从塔板理论方程式的形式看它描述的色谱信号轨迹应该是正态分布函数，与实际记录的色谱流出曲线相符合，说明此方程是准确的，且对色谱分配系统有理论指导意义。2由塔板理论据导出来计算往效率的理论塔板数(N)公式，是行之有效的。长期以来用N值的大小评价色谱柱柱效是成功的，是色谱工作者不可缺少的计算公式。3 塔板理论方程式描述色谱峰极高点的Cmax数值是

14、符合公式要求的，实验数据证明Cmax 与N，W，VR之间的关系是正确的。各参数对Cmax之影响都是客观的。 4 按塔板理论模型所建立起来的一些方程式讨论了某些色谱参数对组分色谱峰区域半峰宽公式均符合流出曲线半高峰宽变化的实际。特别应指出的是，塔板理论也提出了理论塔板高度对色谱峰区域宽度扩张的影响，这一点过去往往被忽视。 综上所述塔板理论虽为半经验理论，但在色谱学发展中起到了率先作用和对实际工作的指导作用，所以至今延用不衰，为广大色谱工作者承认。 。 (二) 塔扳理论存在的不足： 1 塔板理论是在一些假设条件下而提出的，假设同实际情况有差距，所以他描述的色谱分配过程定量关系合有不准确的地方。 2

15、 对于塔板高度H这个抽象的物理量究竟由哪些参变量决定的？H又将怎样影响色谱峰扩张等一些实质性的较深入的问题，塔板理论却不能回答。 3 为什么流动相线速度()不同，柱效率(n)不同；而有时当值由很小一下变得很大时，则柱效能（n）指标并未变化许多，但峰宽各异，这些现象塔板理论也无能为力 4， 塔报理论忽略了组分分子在柱中塔板间的纵向扩散作用，特别当传质速率很快时，其纵向扩散作用为主导方面，这一关键问题并未阐述。 5， 塔板理论也未说明变化对组分在柱内移动速率的影响。实际上VL、VG在某些方面决定着组分分子的扩散行为和扩散距离 四 塔板理论不足之处不能解析载气流速U对N影响不能指出板高H受那些因素影响第四节 速率理论基于无规行走模型，定义H为单位柱长的离散度H=2/L式中为高斯峰形的标准偏差，L为柱长。并假设： 纵向扩散是造成谱带展宽的重要原因，必须予以考虑； 传质阻力是造成谱带展宽的主要原因，它使平衡成为不可能 对填充柱有涡流扩散的影响基