第 二 章色谱分离技术的理论基础 现代分离技术ppt课件.ppt
Modern Separation Technique,现代分离技术,郑州大学化学系 张书胜,2006年2月19日,重点讲解色谱分离和毛细管电泳技术的基础理论；全面介绍现代分离技术在科学研究中的作用；强调实际实验技术，使学生能够比较熟练地运用所学 的基础理论知识解决自己科研和工作中的实际问题。授 课 对 象：硕士研究生学 时：40 学时,内容与目的,现代分离技术概论色谱理论气相色谱液相色谱毛细管电泳制备色谱现代色谱仪器新技术,主要讲授内容,第一节 色谱法简介 211 色谱法的历史 212 分类 213 色谱学文献 第二节 色谱法的重要参数 221 重要名词 222 色谱过程基本方程式 223 分辨率 第三节 平衡塔板理论 231 色谱分离的塔板理论 232 塔板理论的基本假设与方程 第四节 速率理论 241 涡流扩散 242 纵向分子扩散 243 传质阻力 244 速率理论方程 第五节 色谱过程的热力学基础 251 气相色谱分配平衡 252 液相色谱中的热力学基础 第六节 分子间的作用力 第七节 分辨率方程,第 二 章 色谱分离技术的理论基础,1901年，俄国植物学家茨维特（Tswett）将植物色素提取液加到装有碳酸钙微粒的玻璃柱子上部，继而以石油醚淋洗柱子，结果使不同的色素在柱中得到分离而形成不同颜色的谱带。混合色素通过碳酸钙微粒被分离成不同色带的现象，象一束光线通过棱镜时被分成不同色带的光谱现象一样。1906年在一篇论文中正式将这种方法命名为色谱法（Chromatography），色谱法由此得名。色谱法（chromatography）又称层析法或色层法，是一类重要的物理化学分离分析方法。这种方法与适当的检测手段相结合，已应用于分析化学各个领域。,第一节 色谱法简介,111 色谱法的历史,色谱法是一种以分配平衡为基础的分离方法。色谱分离体系包括两个相，一个是固定的，一个是流动的，当两相作相对运动时，反复多次地利用混合物中所有组分分配平衡性质的差异使彼此得到分离。(1)按流动相的物理状态分类：气相色谱(GC)、液相色谱(LC)和超临界流体色谱(SFC)。(2)按固定相的形状分类：柱色谱、纸色谱和薄层色谱。(3)按分离过程的物理化学现象分类：吸附色谱、分配色 谱、离子交换色谱和排阻色谱。(4)按固定相和流动相的极性分类：正相色谱、反相色谱,212 分类,期刊杂志 J.Chromatography A,新理论、方法 J.Chromatography B,生物医学 Chromatographic Science 理论 High Resolution Chromatography 理论 Liquid Chromatography 综合 Biomedical Chromatography 生物医学 J Capillary Electophoresis 综合 Electrophoresis 综合色谱，大连化物所，中国化学会；其他分析化学、药学、生物医学杂志均有报道。,213 色谱学文献,国际上有:International symposium on preparative chromatography International Ion Chromatography Symposium International Symposium on ChromatographyInternational Symposium on Capillary Electroseparation TechniquesInternational Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques.Symposium on Handling of Environmental and Biological Samples in Chromatography International Symposium on Hyphenated Techniques in Chromatography and Hyphenated Chromatographic Analyzers,Symposium on the Separation and Analysis of Proteins,Peptides and Polynucleotides,返回,学术会议,学术会议,国内有：北京国际分析测试及仪器展览会 全国色谱学术报告会 全国毛细管电泳及相关微分离学术报告会 地区色谱会议 全国分析化学会议 有机及微量分析学术会议等,固定相柱内的填充物。流动相沿柱流动的液体。保留值表示试样中各组分在色谱柱中停留的时间或将组分带出色谱柱所需流动 相体积的数值称为保留值，保留值可用作定性分析的参数。保留时间tR指某一组分自进入色谱柱开始至色谱峰最高点时所用的时间 保留体积VR指从色谱柱上洗脱某组分所需的流动相的体积，如果流动相的流速为F，则 VR=FtR,第二节 色谱法的重要参数,121 重要名词,死时间to非保留组分的出峰时间。死体积Vo非保留组分的保留体积，即Fto。分配系数K亦称平衡常数，是组分在固定相和流动相中平衡浓度之比，即 K=CS/CM 容量因子k在平衡时，组分在固定相和流动相中的质量比。根据K和k的 定义 k=KVS/VM 其中，VS和VM色谱柱中固定相和流动相的体积。,色谱法通常利用各组分在两相间分配系数的差异来进行分离。分配系数（K）是指在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达到平衡时的浓度比，即 Cs K Cm 分配系数K决定于组分及固定液的热力学性质，并随柱温、柱压的变化而变化，与柱中气相、液相体积无关。它是分配色谱中的重要参数。,分配系数,容量因子（k）是指在一定温度和压力下，组分在两相之间分配达到平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比，也称为分配比。ms k=mm k值决定于组分及固定相热力学性质，它不仅随柱温、柱压的变化而变化，而且还与流动相及固定相的体积有关。,容量因子,从统计的结果来看，溶质分子在固定相和流动相中停留的时间分数可用溶质在每一相中的量与总量的比值表示，即，溶质分子在固定相中停留的时间分数=qs/（qm+qs）=k/（1+k）；溶质分子在流动相中停留的时间分数=qm/（qm+qs）=1/（1+k）。我们知道，在色谱分离柱内，溶质只有被转移到流动相（溶剂）中，溶质才会沿着流动相流动的方向在柱内向前移动，所以溶质的谱带运动速度U谱带总是小于流动相的速度U，U谱带实际上等于流动相的速度U与溶质在流动相中停留的时间分数之乘积，U谱带=U/（1+k）对于长度为L的分离柱，溶质的保留时间tR为，tR=L/U谱带=（1+k）L/UL/U 表示流动相的流经分离柱的时间，也表示不被保留溶质的保留值即死时间to，所以，tR=t0（1+k）,222 色谱过程基本方程式,保留时间方程 tR=t0（1+k）保留体积方程 VR=V0（1+k）显然，k反映了色谱柱对组分的保留能力，k值越大，表示固定相对溶质分子的滞留能力越强，在柱内停留的时间越长，保留保留时间越大。,在色谱操作条件一定时，K或k值越大，则组分的保留值也越大。如果两个组分的K或k值相等，则两个组分的色谱峰必将重合。反之，两组分的K或k是值差别越大，则相应的两色谱峰相距就越远，因此两组分的K或k值不等是色谱分离的先决条件。,-定性依据,tR与K、k的关系,tR2 tR1R=2()1+,分离度作为色谱柱的总分离效能指标，以判断难分离物质对在色谱柱中的分离情况。分离度（R）定义为：,相邻两峰的保留时间之差与两组分峰宽平均值之比值，R 1时，两峰有 98 以 上的分离；R=1.5时，分离程度可达 99 7。一般用 R=1.5为相邻两峰完全分离的标志。,返回,223 分辨率,231 色谱分离的塔板理论 232 塔板理论的基本假设与方程当柱长为L时，理论塔板数为n，n=L/H色谱的理论塔板数n的经验式为 n=5.54(tR/W 0.5)2=16(tR/W)2 色谱柱有效塔板数俞大（有效塔板高度俞小），对组分分离俞有利。但不能预言并确定各组分有无分离的可能，因为分离的可能性不取决于分配次数的多少，而取决于组分在两相间的分配系数的差异。返回,第三节 平衡塔板理论,范氏方程 H=A+B/u+C u 241 涡流扩散 A=2dp 242 纵向分子扩散 B=2DM 243 传质阻力 C=qk(1+k)-2df2DS-1+dp2DM-1,第四节 速率理论,H=2dp+2DM/u+qk(1+k)-2df2DS-1+dp2DM-1 u u一定时，A，B，C越小，H越小，柱效越高，色谱峰越窄；颗粒越小，H越小，柱效越高。塔板高度H是表示质点在柱内一个小单元的离散程度。H越大，即单位柱长离散程度越大，色谱峰就越宽，柱效率就越差。因此，根据色谱柱内组分的运动速率，可以说明塔板高度、色谱峰扩张的各种因素。,返回,244 速率理论方程,251 气相色谱分配平衡,第五节 色谱过程的热力学基础,返回,252 液相色谱中的热力学基础,分配过程,吸附过程,离子交换,（1）定向力（2）诱导力（3）色散力（4）氢键力（5）超分子作用,第六节 分子间的作用力,返回,定向力,诱导力,色散力,氢键力,超分子作用,要判断两相邻组分的分离情况，常用分辨率RS作为总分离效能指标。RS=(n-0.5/4)(-1)/k/(1+k)式中 是分离因子，其表达式为，=tR2/tR1=K2/K1 分辨率不仅与n有关，而且与k有关，即与动力学过程和平衡热力学过程都有密切的关系，这正是我们要研究动力学和热力学过程的原因。要获得一次理想的分离，不仅要使各组分相互分离，而且色谱峰要尽可能的窄，分析时间要短。,第七节 分辨率方程,返回,
