18:58:38,色譜分析基礎,第二節(jié) 色譜理論基礎,一、塔板理論 plate theory 二、速率理論 rate theory 三、分離度 resolution,fundamental of chromatograph analysis,fundamental of chromatograph theory,18:58:38,色譜理論,色譜理論需要解決的問題：色譜分離過程的熱力學和動力學問題。影響分離及柱效的因素與提高柱效的途徑，柱效與分離度的評價指標及其關系。,組分保留時間為何不同？色譜峰為何變寬？ 組分保留時間：色譜過程的熱力學因素控制； （組分和固定液的結構和性質） 色譜峰變寬：色譜過程的動力學因素控制； （兩相中的運動阻力，擴散） 兩種色譜理論：塔板理論和速率理論；,18:58:38,塔板理論的假設： (1) 在每一個平衡過程間隔內，平衡可以迅速達到； (2) 將載氣看作成脈動（間歇）過程； (3) 試樣沿色譜柱方向的擴散可忽略； (4) 每次分配的分配系數(shù)相同。,一、塔板理論-柱分離效能指標,1.塔板理論（plate theory） 半經驗理論； 將色譜分離過程比擬作蒸餾過程，將連續(xù)的色譜分離過程分割成多次的平衡過程的重復 （類似于蒸餾塔塔板上的平衡過程）；,（動畫）,18:58:38,色譜柱長：L， 虛擬的塔板間距離：H， 色譜柱的理論塔板數(shù)：n， 則三者的關系為： n = L / H 理論塔板數(shù)與色譜參數(shù)之間的關系為：,保留時間包含死時間，在死時間內不參與分配!,18:58:38,2.有效塔板數(shù)和有效塔板高度,單位柱長的塔板數(shù)越多，表明柱效越高。 用不同物質計算可得到不同的理論塔板數(shù)。 組分在tM時間內不參與柱內分配。需引入有效塔板數(shù)和有效塔板高度：,18:58:38,3.塔板理論的特點和不足,(1)當色譜柱長度一定時，塔板數(shù) n 越大(塔板高度 H 越小)，被測組分在柱內被分配的次數(shù)越多，柱效能則越高，所得色譜峰越窄。,(2)不同物質在同一色譜柱上的分配系數(shù)不同，用有效塔板數(shù)和有效塔板高度作為衡量柱效能的指標時，應指明測定物質。,(3)柱效不能表示被分離組分的實際分離效果，當兩組分的分配系數(shù)K相同時，無論該色譜柱的塔板數(shù)多大，都無法分離。,(4)塔板理論無法解釋同一色譜柱在不同的載氣流速下柱效不同的實驗結果，也無法指出影響柱效的因素及提高柱效的途徑。,18:58:38,二、 速率理論-影響柱效的因素,1. 速率方程（也稱范.弟姆特方程式） H = A + B/u + Cu H：理論塔板高度， u：載氣的線速度(cm/s),減小A、B、C三項可提高柱效； 存在著最佳流速； A、B、C三項各與哪些因素有關？,18:58:38,A渦流擴散項,A = 2dp dp：固定相的平均顆粒直徑 ：固定相的填充不均勻因子,固定相顆粒越小dp，填充的越均勻，A，H，柱效n。表現(xiàn)在渦流擴散所引起的色譜峰變寬現(xiàn)象減輕，色譜峰較窄。,（動畫）,18:58:38,B/u 分子擴散項,B = 2 Dg ：彎曲因子，填充柱色譜，<1。 Dg：試樣組分分子在氣相中的擴散系數(shù)（cm2s-1） (1) 存在著濃度差，產生縱向擴散; (2) 擴散導致色譜峰變寬，H(n)，分離變差; (3) 分子擴散項與流速有關，流速，滯留時間，擴散; (4) 擴散系數(shù)：Dg (M載氣)-1/2 ； M載氣，B值。,（動畫）,18:58:38,k為容量因子； Dg 、DL為擴散系數(shù)。 減小擔體粒度，選擇小分子量的氣體作載氣，可降低傳質阻力。,C u 傳質阻力項,傳質阻力包括氣相傳質阻力Cg和液相傳質阻力CL即： C =（Cg + CL）,（動畫）,18:58:38,2.載氣流速與柱效最佳流速,載氣流速高時： 傳質阻力項是影響柱效的主要因素，流速，柱效。 載氣流速低時： 分子擴散項成為影響柱效的主要因素，流速,柱效 。,H - u曲線與最佳流速： 由于流速對這兩項完全相反的作用，流速對柱效的總影響使得存在著一個最佳流速值，即速率方程式中塔板高度對流速的一階導數(shù)有一極小值。 以塔板高度H對應載氣流速u作圖，曲線最低點的流速即為最佳流速。,18:58:38,3. 速率理論的要點,(1)組分分子在柱內運行的多路徑與渦流擴散、濃度梯度所造成的分子擴散及傳質阻力使氣液兩相間的分配平衡不能瞬間達到等因素是造成色譜峰擴展柱效下降的主要原因。,(2)通過選擇適當?shù)墓潭ㄏ嗔６?、載氣種類、液膜厚度及載氣流速可提高柱效。,(3)速率理論為色譜分離和操作條件選擇提供了理論指導。闡明了流速和柱溫對柱效及分離的影響。,(4) 各種因素相互制約，如載氣流速增大，分子擴散項的影響減小，使柱效提高，但同時傳質阻力項的影響增大，又使柱效下降；柱溫升高，有利于傳質，但又加劇了分子擴散的影響，選擇最佳條件，才能使柱效達到最高。,18:58:38,三、 分離度,塔板理論和速率理論都難以描述難分離物質對的實際分離程度。即柱效為多大時，相鄰兩組份能夠被完全分離。 難分離物質對的分離度大小受色譜過程中兩種因素的綜合影響：保留值之差色譜過程的熱力學因素； 區(qū)域寬度色譜過程的動力學因素。 色譜分離中的四種情況如圖所示：,18:58:38,討論：,色譜分離中的四種情況的討論：, 柱效較高，K(分配系數(shù))較大,完全分離； K不是很大，柱效較高，峰較窄，基本上完全分離； 柱效較低，K較大,但分離的不好； K小，柱效低，分離效果更差。,18:58:38,分離度的表達式：,R=0.8：兩峰的分離程度可達89%； R=1：分離程度98%； R=1.5：達99.7%（相鄰兩峰完全分離的標準）。,18:58:38,令Wb(2)=Wb(1)=Wb（相鄰兩峰的峰底寬近似相等），引入相對保留值和塔板數(shù)，可導出下式：,18:58:38,討論：,（1）分離度與柱效 分離度與柱效的平方根成正比， r21一定時，增加柱效，可提高分離度，但組分保留時間增加且峰擴展，分析時間長。 （2）分離度與r21 增大r21是提高分離度的最有效方法，計算可知，在相同分離度下，當r21增加一倍，需要的n有效 減小10000倍。 增大r21的最有效方法是選擇合適的固定液。,18:58:38,例題1：,在一定條件下，兩個組分的調整保留時間分別為85秒和100秒，要達到完全分離，即R=1.5 。計算需要多少塊有效塔板。若填充柱的塔板高度為0.1 cm，柱長是多少？ 解： r21= 100 / 85 = 1.18 n有效 = 16R2 r21 / (r21 1) 2 = 161.52 (1.18 / 0.18 ) 2 = 1547（塊） L有效 = n有效H有效 = 15470.1 = 155 cm 即柱長為1.55米時，兩組分可以得到完全分離。,18:58:38,例題2：,在一定條件下，兩個組分的保留時間分別為12.2s和12.8s，計算分離度。要達到完全分離，即R=1.5，所需要的柱長。已知n=3600,L=1m 解：,分離度：,塔板數(shù)增加一倍，分離度增加多少？,r21 只與柱溫和固定相的性能有關，與柱長柱徑流動相流速無關,18:58:38,請選擇內容：,第一節(jié) 色譜法概述 generalization of chromatograph analysis 第二節(jié) 色譜理論基礎 fundamental of chromatograph theory 第三節(jié) 色譜定性、定量方法 qualitative and quantitative analysis in chromatograph,結束,