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分离科学第六章 色谱法第1页，共193页，2023年，2月20日，星期一色谱学基本概念和术语：

色谱的流出曲线 基线色谱峰峰高区域宽度峰面积保留值相对保留值 柱效分离度第六章　色谱法第2页，共193页，2023年，2月20日，星期一两个基本特点：

(1)不同组分分子差速迁移

热力学

(2)同种组分分子分布离散

动力学第六章　色谱法第3页，共193页，2023年，2月20日，星期一色谱过程热力学基础　　　两相分配差异造成差速迁移

自发过程----自由能减少

判断依据----化学势(偏摩尔自由能)

平衡状态----化学势相等第六章　色谱法第4页，共193页，2023年，2月20日，星期一色谱体系中溶质量很小，一般做稀溶液处理：第六章　色谱法第5页，共193页，2023年，2月20日，星期一分配系数K（1-5）

（1-6）

相互作用力差别（焓变）自由度的变化（熵变）官能基团分子大小和空间排列第六章　色谱法第6页，共193页，2023年，2月20日，星期一影响分配系数的因素:

　　　　(1)溶质

(2)固定相

(3)流动相

(4)温度

T一定、K为常数?分配等温线第六章　色谱法第7页，共193页，2023年，2月20日，星期一三种分配等温线及其相应色谱峰形 第六章　色谱法第8页，共193页，2023年，2月20日，星期一色谱过程动力学理论基础色谱流出曲线的形状色谱区域宽度扩张峰形拖尾高效能色谱柱系统峰形预测重叠峰定量解析选择最佳分离方法解释实现第六章　色谱法第9页，共193页，2023年，2月20日，星期一图1.4　四种色谱类型的流出曲线（1）线性理想色谱。溶质的迁移决定于分配系数，迁移过程中谱带形状不变（2）非线性理想色谱。谱带不对称，呈鲜明的前升或者拖尾第六章　色谱法第10页，共193页，2023年，2月20日，星期一图1.4　四种色谱类型的流出曲线（3）线性非理想色谱。存在分子扩散和传质阻力等，溶质通过色谱柱后谱带对称展宽，呈Gaussian曲线。大部分色谱过程属于这种类型第六章　色谱法（4）非线性非理想色谱。数学处理非常复杂，做适当假设和简化后可以部分说明实验数据。 第11页，共193页，2023年，2月20日，星期一色谱动力学理论发展：　　　根据溶质迁移过程及各种影响因素，列出偏微分方程组，求出描述色谱谱带运动的方程式。

平衡色谱理论（ 1940年Wilson ）　　　　塔板理论（1941年，Martin和Synge）　　　　速率理论（50年代，van Deemter等）第六章　色谱法第12页，共193页，2023年，2月20日，星期一平衡色谱理论　　基本假设：不考虑传质速率的有限性和物质的扩散对平衡过程的影响。dxc+dcc(c+dc)puqdt=pqdxcpuqdtMobile phaseStationary phaseq=(1-p)qdx第六章　色谱法第13页，共193页，2023年，2月20日，星期一

色谱柱内某一小段dx处，其柱截面积为q，p为柱管横截面上流动相占的分数。则进入dx内的物质量为cpuqdt。由于固定相对组分的吸收，流动相中组分的浓度变为c+dc。自小段dx出来的物质量为puq(c+dc)dt。小段在相应时间内物质的变化量为同理，小段固定相内物质的变化量为第六章　色谱法第14页，共193页，2023年，2月20日，星期一

进入dx小段内流动相中组分的量和从小段中出来的组分量之差，等于小段内（包括流动相和固定相两部分）相应时间内该组分变化的总量，即：第六章　色谱法第15页，共193页，2023年，2月20日，星期一设物质在两相间的分配方程为：第六章　色谱法第16页，共193页，2023年，2月20日，星期一可以得到区域中心移动速度　　　 的关系式：　保留时间等于柱长除以谱带移动速度，即 第六章　色谱法第17页，共193页，2023年，2月20日，星期一k’定义为容量因子为流动相所占体积与固定相所占体积之比，称为相比。　局限性在于没能解释色谱峰展宽的现象。第六章　色谱法第18页，共193页，2023年，2月20日，星期一塔板理论（1）平衡能够在一个小段色谱柱（理论塔板）内形成，相应的色谱柱长称为理论塔板高度（H）。K为分配系数。（2）H为常数，色谱柱内塔板数目为n=L/H。（3）流动相不可以被压缩。（4）塔板编号依次为0，1，2，3，n，总塔板数为n+1，实际上n很大，所以总塔板数约等于n。第六章　色谱法第19页，共193页，2023年，2月20日，星期一（5）假定流动相不是采取连续的方式前进，而是跳跃式前进。设q和 p分别是柱的横截面积和在柱横截面积中流动相所占据的截面积分数，那么一个塔板上流动相所占据的空间体积为Hqp。当通过色谱柱的流动相体积为V时，相当于流动相在整个柱内每个塔板上跳动的次数为r=V/Hqp。（6）全部样品开始都集中在第一块塔板上。（7）分配系数不随组分浓度变化，即分配等温线是线性的。 第六章　色谱法第20页，共193页，2023年，2月20日，星期一基本关系式

　　在塔板上，某一个分子出现在流动相中的概率Pm： 第六章　色谱法第21页，共193页，2023年，2月20日，星期一经过r次跳跃后，各塔板上溶质的分布可以用二项展开式来描述。根据上面的式子可知，经过r次跳跃后在第n块塔板上出现的概率P(r,n)（rn）为：第六章　色谱法第22页，共193页，2023年，2月20日，星期一如果进样量为m，那么第n号塔板上物质出现的量为：

塔板理论的保留值　 （1-27）

第六章　色谱法第23页，共193页，2023年，2月20日，星期一第六章　色谱法第24页，共193页，2023年，2月20日，星期一塔板理论的色谱流出曲线方程　　　当二项式分布的n，r很大时，可以用正态分布函数来表示： 所以

第六章　色谱法第25页，共193页，2023年，2月20日，星期一r足够大时，进入检测器的溶质浓度为： 第六章　色谱法第26页，共193页，2023年，2月20日，星期一当V=VR时，流出浓度最大：

影响色谱峰高的因素有：(1) 进样量m----进样量和色谱峰高成正比；(2) 塔板高度H----H小，柱效率高，Cmax/m大；(3) 色谱柱越细，q越小，填充越紧密，p越小， Cmax/m越大。在其他参数不变时， Cmax正比于m/q，因此单位体积柱管进样量大小是衡量柱管负载的指标；(4)　色谱柱越短（L越小）， Cmax/m越大；(5)　k’大的组分Cmax/m小（假定H对所以组分相同）。 第六章　色谱法第27页，共193页，2023年，2月20日，星期一色谱峰区域宽度与溶质的保留值成正比。死体积与色谱柱的结构有关，色谱柱内径大，填充疏松，死体积大，色谱峰区域宽度大。色谱峰区域宽度与柱长的平方根成正比。色谱峰区域宽度与塔板高度的平方根成正比，即色谱柱柱效越高，H越小，色谱峰区域宽度越小。 第六章　色谱法第28页，共193页，2023年，2月20日，星期一（1）不能解释不同流动相流速下同一溶质将给出不同的理论塔板数。（2）没有阐明理论塔板数和塔板高度的色谱含义和实质。（3）没有深入讨论影响塔板高度的因素，因而对色谱体系的设计、色谱操作条件的选择的指导意义十分有限。 第六章　色谱法第29页，共193页，2023年，2月20日，星期一速率理论

运用流体分子规律研究色谱分离这种“非平衡”过程。

随机过程总是导致Gaussian分布　　　2----溶质在色谱柱内离散的度量，与柱长成正比： 第六章　色谱法第30页，共193页，2023年，2月20日，星期一

色谱过程总的色谱区带扩张等于各个独立因素引起色谱区带扩张的和，即各独立离散项具有加和性： 第六章　色谱法第31页，共193页，2023年，2月20日，星期一（1）涡流扩散；（2）纵向分子扩散；（3）传质，包括流动相传质和固定相传质。第六章　色谱法第32页，共193页，2023年，2月20日，星期一填充柱气相色谱速率方程液相色谱速率方程　　 第六章　色谱法第33页，共193页，2023年，2月20日，星期一6.2 高分辨气相色谱 (毛细管柱气相色谱）概述

1956年，Goly认为填充柱可以看成是一束涂有固定液的毛细管。他认为用中空的开管柱，将固定液涂渍在其内壁，从而克服路径差异。并从理论上推断，柱效达到填充柱的上百倍甚至更高。因此出现了开管柱气相色谱的概念。第六章　色谱法第34页，共193页，2023年，2月20日，星期一开管柱气相色谱速率方程

1958年，基于Van Deemter方程，Goly提出了影响开管柱色谱峰扩张的因素：第六章　色谱法第35页，共193页，2023年，2月20日，星期一与填充柱的速率方程相比：（1）开管柱只有一个气体流路，没有涡流扩散项（多径项），即　A＝0　。（2）分子扩散项和填充柱相似，但是没有分子扩散路径弯曲，其路径弯曲因子γ＝1 。（3）传质项和填充柱相似，但是以柱内径r代替载体粒径dp，而且Cl一般比填充柱小，气相传质阻力常常是色谱峰扩张的主要因素。 第六章　色谱法第36页，共193页，2023年，2月20日，星期一影响开管柱柱效的因素：（1）流动相及其线速度图1　开管柱板高随流动相线速度的变化曲线 第六章　色谱法第37页，共193页，2023年，2月20日，星期一和填充柱相似，同样有最小板高和最佳流速，分别为： （8）（9）第六章　色谱法第38页，共193页，2023年，2月20日，星期一

当u>uopt时，因为开管柱液膜厚度小，液相传质阻力小，开管柱的板高随流速的上升斜率小于填充柱。比填充柱更适合于快速分析。填充柱和开管柱板高随流动相线速度的变化曲线第六章　色谱法第39页，共193页，2023年，2月20日，星期一（2）柱内径

　　　 最小板高和柱内径成正比，因此应该尽可能使用小内径的柱子。　　　 实际应用中一般大于0.25mm，因为太细的柱子固定液涂渍操作不便，柱子渗透性差，柱容量低。　　　 柱内径选择要兼顾柱效和分析速度以及柱容量。第六章　色谱法第40页，共193页，2023年，2月20日，星期一（3）液膜厚度 　　　　液膜厚度dl是开管柱的重要参数。液相传质阻力系数和dl2成正比。因此降低液膜厚度是提高柱效的重要方法。　　　　但是dl降低，柱容量降低，对进样和检测系统提出了更高的要求。液膜厚度过大，稳定性下降，因此要兼顾柱效、柱容量和稳定性来选择液膜厚度。　　　 一般WCOT柱dl在0.1~1m之间，SCOT柱dl在0.8~2m之间，填充柱dl达10m。 第六章　色谱法第41页，共193页，2023年，2月20日，星期一（4）相比

同一种固定液开管柱的相比要比填充柱大得多，因此要达到相同的分离度，所需要的理论塔板数要大得多。　　　　同理，当柱子内径增加时，相比也增大，因此要得到相同的分离度，柱子长度也要相应增加。第六章　色谱法第42页，共193页，2023年，2月20日，星期一3　开管柱的制备（1）柱材料（a）表面惰性化，不参与保留或吸附被分离组分；（b）表面改性以确保固定液能够均匀涂渍。　 第六章　色谱法第43页，共193页，2023年，2月20日，星期一金属材料：铜、镍、不锈钢等，早期应用，价格贵，表面活性大，高温下催化样品塑料：早期应用，不耐高温玻璃：表面性质优于金属材料，实验室易于拉制，价格便宜，70年代后应用较多石英：性能最好，应用最多，商品化，80年代开始取代玻璃称为主要材料第六章　色谱法第44页，共193页，2023年，2月20日，星期一（2） 开管柱的表面特性　　　　超纯石英的融凝硅石（99.9999%SiO2）只含有小于1ppm的硅醇基和金属氧化物，具有很好的表面惰性和稳定性，不必经过处理或者钝化就能涂渍固定液。　　　 然而一般纯度不高的石英含有180~1200ppm的硅醇基和金属氧化物杂质，涂渍前也需要进行表面处理。 第六章　色谱法第45页，共193页，2023年，2月20日，星期一（3）开管柱内表面处理目的：

1）除去表面活性点，使表面能分布均匀；

2）改变表面的物理化学性质，提高表面润湿性。

3）增加表面积，提高固定液的涂渍量。第六章　色谱法第46页，共193页，2023年，2月20日，星期一

这些目标很难同时实现。当表面去活后，原来的高能表面变成低能表面，对于大多数非极性固定液的涂渍不存在问题。　　　　对于中等极性的固定液，要求表面去活而又需要保持一定的表面能，常遇到一些困难。　　　　对于高极性的固定液，趋向于形成自己的去活层或者块状活性点，不进行表面处理也可以进行涂渍。　　　　因此，对于不同极性的固定液，表面处理的方法也应该不相同。第六章　色谱法第47页，共193页，2023年，2月20日，星期一表面粗糙化处理　　　增加表面积来提高润湿性。　　　因为表面上界面间的作用力可以消耗液滴的内聚力，液滴下被粗糙化的表面积越大，总的作用力越大，消耗的内聚力越大，从而减少液滴在该表面上的接触角而铺展开来。　　　　另外，增大表面积还可以增大涂渍量从而增大柱容量。　　　　第六章　色谱法第48页，共193页，2023年，2月20日，星期一柱壁粗糙化方法一般采用：1） 表面腐蚀：　　　　腐蚀一般用氯化氢气体（氯化钠加浓硫酸产生）以静态或者动态的方法进行，使之形成规则排列的氯化钠晶体粗糙层。静态法：柱子充满氯化氢气体，两端用微型喷灯封死，在300-400C约3~12小时。形成的颗粒均匀。动态法则让氯化氢连续不断通过柱子。

腐蚀法不适合石英毛细管柱，因为腐蚀后柱壁变薄，容易脆断。第六章　色谱法第49页，共193页，2023年，2月20日，星期一2） 沉积惰性微粒。　　　　 从溶液中沉积一层薄而均匀的微颗粒物质。如采用动态涂渍法将含有三氯乙烷的饱和NaCl的甲醇饱和溶液通过柱子，可以形成致密的氯化钠晶体层，去活后可涂渍极性和中等极性固定液；将二氧化硅的分散悬浮溶液通过柱子，然后挥发去溶剂可以沉积 SiO2粉末涂层，经此方法涂渍的柱子可以涂渍极性较大的固定液。第六章　色谱法第50页，共193页，2023年，2月20日，星期一表面惰化处理　　　　表面粗糙化可以改善柱子的浸润性，但也使活性增大。如果不能有效去活，对于涂渍非极性和中等极性固定液的柱子将会造成严重吸附。　　　　通常硅醇基团的去活比金属杂质造成的Lewis酸点的去活要容易。第六章　色谱法第51页，共193页，2023年，2月20日，星期一1）　表面羟基化－涂渍极性柱　　　　石英柱因为在高温下拉制，表面羟基很少。因此水热处理以获取丰富得表面羟基对涂渍极性柱非常重要。很多人提出用盐酸或者硝酸来处理柱子，其中20%的硝酸在200C处理，随后硅烷化处理可以得到最好的去活效果。　　　　对于玻璃柱可以用不同浓度的盐酸进行沥滤处理。第六章　色谱法第52页，共193页，2023年，2月20日，星期一2）　去活（惰化）　　　 有效的去活作用取决于石英的特性、固定液和被分析样品的种类以及表面粗糙化的方法等诸多因素，没有通用的去活方法。（a）早期,在表面预涂上一层表面活性剂薄膜，利用其极性端与柱表面活性点作用使之惰化，另一非极性端朝向固定相使其表面张力下降，从而改善润湿性。　　　缺点去活难以完全，难重复，热稳定性有限。第六章　色谱法第53页，共193页，2023年，2月20日，星期一（b）用有机化合物的高温下热解产物与硅羟基反应也能够有效地掩蔽活性点。例如经过280C 热处理，聚乙二醇在表面形成非萃取的分子层。（c）更广泛的应用方法是各种硅烷化方法，它是消除表面羟基最有效的方法。　　　硅烷化试剂主要有三甲基氯硅烷、六甲基二硅氨烷、二甲基二氯硅烷、三苯基氯硅烷等，完全硅烷化反应需要300-400C高温。第六章　色谱法第54页，共193页，2023年，2月20日，星期一（4） 固定液　　　 固定液决定了对被分离物质的选择性能力，这和固定液的组成与结构有关。要求:

组成明确　　　　 不含容易引起试样催化分解的活性杂质

易于涂渍　　　　 热稳定性和化学稳定性好第六章　色谱法第55页，共193页，2023年，2月20日，星期一聚乙二醇（PEG，又名Carbowax）　　　 包括不同分子量的聚乙二醇，改性聚乙二醇、聚乙二醇与不同的酸反应得到的脂等，广泛应用于胆甾醇脂、脂肪酸甲脂、精油等多种极性化合物的分析。　　　 主要问题是化学稳定性差，最高使用温度低（2的条件下测定，常用的物质有萘、十二烷等。 第六章　色谱法第76页，共193页，2023年，2月20日，星期一（2）涂渍效率（coating efficiency, CE）　　　　涂渍效率是在最佳条件下理论和实测的塔板高度之比，用百分数表示： （13）其中H理论即Hmin由下式计算得到： （14）第六章　色谱法第77页，共193页，2023年，2月20日，星期一

涂渍效率高，说明柱子的理论利用效率高。　　　用它来评价柱效的优点是和柱子长度无关，而且包括了组分容量比和柱子直径等参数，可用于柱子间质量的直接比较。　　　　一般较好的柱子涂渍效率在80%~100%之间。涂渍效率计算不适用于PLOT柱和须状表面柱。

第六章　色谱法第78页，共193页，2023年，2月20日，星期一（3）惰性　　　 色谱柱的惰性好坏直接影响柱子的柱效、柱内液膜的稳定性以及对组分的有效分离和检测。　　　活性与柱子材料、处理方法、固定相极性、柱内载体材料、液膜厚度等有关。　　　活性主要指的是吸附活性和催化活性。其中吸附活性又可表现为可逆吸附和不可逆吸附两种。　　　 第六章　色谱法第79页，共193页，2023年，2月20日，星期一

柱子的活性会导致：（1）峰展宽；（2）峰型拖尾；（3）峰面积或者峰高减小甚至消失；（4）峰面积变化不大但是保留值显著增加。　　　　第六章　色谱法第80页，共193页，2023年，2月20日，星期一

吸附作用大致分为三种：（1）极性组分与柱子内壁硅羟基或者硅氧烷桥之间的氢健相互作用；（2）与氢健作用无关但是机理不清楚的吸附作用；（3）存在于玻璃或者载体内金属氧化物所表现出来的酸碱活性引起的吸附，这类活性点在高温时也会产生对试样催化作用。第六章　色谱法第81页，共193页，2023年，2月20日，星期一Grob提出了评价毛细管柱综合性能的标准化实验方法：浓的Grob实验混合物的组成实验缩写20mL正己烷溶剂中物质

所溶解的量（mg）甲基癸酸脂E10242甲基十一酸脂E11236甲基十二酸脂E12230癸烷C10172十一烷C11174十二烷**C12

辛醇-1ol222壬醛al2502，3-丁二醇*D (diol)3802，6-二甲苯胺A2052，6-二甲苯酚P194二环己基胺am2042-乙基己酸S242* 2，3-丁二醇溶于氯仿；**代替十一烷以减少在极性固定相中峰重叠的可能性。（取各种所需物质1mL混合, 稀释至200倍）第六章　色谱法第82页，共193页，2023年，2月20日，星期一辛醇-1和2，3-丁二醇用来检测第一类氢健吸附;壬醛用来检测第二类吸附;第三类吸附用AP实验来测定，即将含有AP的混合样进样，根据二者的峰高或者峰面积的比值来表征柱子的酸性、碱性或者中性。即A/P>1为碱性，A/P