【文章內(nèi)容簡介】 0。塔板理論是一種半經(jīng)驗(yàn)性理論。 它用熱力學(xué)的觀點(diǎn) 定量說明了溶質(zhì)在色譜柱中移動(dòng)的速率，解釋了流出曲線的形狀，并提出了計(jì)算和評價(jià)柱效高低的參數(shù)。但是 ，色譜過程不僅受熱力學(xué)因素的影響， 而且還與分子的擴(kuò)散、傳質(zhì)等動(dòng)力學(xué)因素有關(guān)， 因此塔板理論只能定性地給出板高的概念，卻不能解釋板高受哪些因素影響；也不能說明為什么在不同的流速下，可以測得不同的理論塔板數(shù)，因而限制了它的應(yīng)用。66 從理論上得到了描述色譜流出曲線的方程，通過該方程可以預(yù)測具有不同分配系數(shù) K的兩種物質(zhì)在塔板數(shù)為 n的色譜柱上分離的情況；小結(jié) 通過這一方程看出影響柱效率的因素是理論板數(shù) n， 其值越大，色譜峰月窄，分離效果越好；67 既然色譜分離的依據(jù)是組分在兩相中的分配能力差異，因此，兩相不限于液 固相，對氣體成分而言，亦可是氣 固項(xiàng)或氣 液相。68（三）速率理論 1956年荷蘭學(xué)者 vanDeemter（ 范第姆特）等在研究氣液色譜時(shí)，提出了色譜過程動(dòng)力學(xué)理論 —— 速率理論 。他們吸收了塔板理論中板高的概念，并充分考慮了組分在兩相間的擴(kuò)散和傳質(zhì)過程，從而在動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上較好地解釋了影響板高的各種因素。該理論模型對氣相、液相色譜都適用。69vanDeemter方程 的數(shù)學(xué)簡化式為H=A+B/u+Cu式中 u為流動(dòng)相的線速度； A、 B、C、 為常數(shù)，分別代表渦流擴(kuò)散系數(shù)、分子擴(kuò)散項(xiàng)系數(shù)、傳質(zhì)阻力項(xiàng)系數(shù)。70 A 在填充色譜柱中，當(dāng)組分隨流動(dòng)相向柱出口遷移時(shí)，流動(dòng)相由于受到固定相顆粒障礙，不斷改變流動(dòng)方向，使組分分子在前進(jìn)中形成紊亂的類似渦流的流動(dòng)，故稱 渦流擴(kuò)散。 7172渦流擴(kuò)散示意圖渦流擴(kuò)散示意圖73 由于填充物顆粒大小的不同及填充物的不均勻性，使組分在色譜柱中路徑長短不一，因而同時(shí)進(jìn)色譜柱的相同組分到達(dá)柱口時(shí)間并不一致，引起了色譜峰的變寬。色譜峰變寬的程度由下式?jīng)Q定： A=2λdp74 上式表明， A與填充物的平均直徑dp的大小和填充不規(guī)則因子 λ有關(guān) ，與流動(dòng)相的性質(zhì)、線速度和組分性質(zhì)無關(guān)。為了減少渦流擴(kuò)散，提高柱效，使用細(xì)而均勻的顆粒，并且填充均勻是十分必要的。 對于空心毛細(xì)管，不存在渦流擴(kuò)散，因此 A=0。752.分子擴(kuò)散項(xiàng) B/u（ 縱向擴(kuò)散項(xiàng)）縱向分子擴(kuò)散是由濃度梯度造成的。組分從柱入口加入，其濃度分布的構(gòu)型呈 “塞子 ”狀。它隨著流動(dòng)相向前推進(jìn)，由于存在濃度梯度， “塞子 ”必然自發(fā)的向前和向后擴(kuò)散，造成譜帶展寬。分子擴(kuò)散項(xiàng)系數(shù)為 B=2γDg76B/u（ 縱向分子擴(kuò)散項(xiàng)） —— 指分子沿色譜柱軸向擴(kuò)散引起的色譜譜帶展寬B=2γDm式中： γ—— 彎曲因子，填充柱 γ 1 空心柱 γ = 1 Dm—— 組分在流動(dòng)相中的擴(kuò)散系數(shù)由于組分在液相中的擴(kuò)散系數(shù)只有氣體中的1/105，因此在液相色譜中 B可以忽略。77 γ是填充柱內(nèi)流動(dòng)相擴(kuò)散路徑彎曲的因素， 也稱彎曲因子 ，它反映了固定相顆粒的幾何形狀對自由分子擴(kuò)散的阻礙情況。Dg為組分在流動(dòng)相中 擴(kuò)散系數(shù) （ cm3s1） ,分子擴(kuò)散項(xiàng)與組分在流動(dòng)相中 擴(kuò)散系數(shù) Dg成正比 . 7879 Dg與流動(dòng)相及組分性質(zhì)有關(guān)： (a) 相對分子質(zhì)量大的組分 Dg小， Dg反比于流動(dòng)相相對分子質(zhì)量的平方根，所以 采用相對分子質(zhì)量較大的流動(dòng)相，可使 B項(xiàng)降低； (b) Dg隨柱溫增高而增加，但反比于柱壓。80 另外縱向擴(kuò)散與 組分在色譜柱內(nèi)停留時(shí)間有關(guān) ，流動(dòng)相流速小，組分停留時(shí)間長，縱向擴(kuò)散就大。因此為降低縱向擴(kuò)散影響，要加大流動(dòng)相速度。 對于液相色譜，組分在流動(dòng)相中縱向擴(kuò)散可以忽略 。813. 傳質(zhì)阻力項(xiàng) Cu 由于氣相色譜以氣體為流動(dòng)相，液相色譜以液體為流動(dòng)相，它們的傳質(zhì)過程不完全相同。（ 1）氣液色譜 傳質(zhì)阻力系數(shù) C包括氣相傳質(zhì)阻力系數(shù) Cg和液相傳質(zhì)阻力系數(shù) C1兩項(xiàng)，即 C=Cg+C182 氣相傳質(zhì)過程是指試樣組分從氣相移動(dòng)到固定相表面的過程 。這一過程中試樣組分將在兩相間進(jìn)行質(zhì)量交換，即進(jìn)行濃度分配。有的分子還來不及進(jìn)入兩相界面，就被氣相帶走；有的則進(jìn)入兩相界面又來不及返回氣相。這樣使得試樣在兩相界面上不能瞬間達(dá)到分配平衡，引起滯后現(xiàn)象，從而使色譜峰變寬。83對于填充柱，氣相傳質(zhì)阻力系數(shù) Cg為：式中 k為容量因子 。由上式看出，氣相傳質(zhì)阻力與填充物粒度 dp的平方成正比，與組分在載氣流中的擴(kuò)散系數(shù) Dg成反比。因此， 采用粒度小的填充物和相對分子質(zhì)量小的氣體（如氫氣）做載氣，可使 Cg減小，提高柱效。84 液相傳質(zhì)過程是指試樣組分從固定相的氣 /液界面移動(dòng)到液相內(nèi)部，并發(fā)生質(zhì)量交換，達(dá)到分配平衡 ，然后又返回氣 /液界面的傳質(zhì)過程。這個(gè)過程也需要一定的時(shí)間，此時(shí)，氣相中組分的其它分子仍隨載氣不斷向柱口運(yùn)動(dòng)，于是造成峰形擴(kuò)張。85 液相傳質(zhì)阻力系數(shù) C1為： 由上式看出，固定相的液膜厚度 df薄，組分在液相的擴(kuò)散系數(shù) D1大，則液相傳質(zhì)阻力就小。降低固定液的含量，可以降低液膜厚度，但 k值隨之變小，又會(huì)使 C1增大。86 當(dāng)固定液含量一定時(shí)，液膜厚度隨載體的比表面積增加而降低，因此，一般采用比表面積較大的載體來降低液膜厚度。但比表面太大，由于吸附造成拖尾峰，也不利于分離。雖然提高柱溫可增大 D1， 但會(huì)使 k值減小，為了保持適當(dāng)?shù)?C1值，應(yīng)控制適宜的柱溫。87將上面式總結(jié)，即可得 氣液色譜速率板高方程 這一方程對選擇色譜分離條件具有實(shí)際指導(dǎo)意義， 它指出了色譜柱填充的均勻程度，填料顆粒的大小，流動(dòng)相的種類及流速，固定相的液膜厚度等對柱效的影響 。 88 （ 2）對于液液分配色譜，傳質(zhì)阻力系數(shù)（ C） 包含流動(dòng)相傳質(zhì)阻力系數(shù)（ Cm） 和固定相傳質(zhì)系數(shù)（ Cs）， 即C＝ Cm＋ Cs其中 Cm又包含流動(dòng)的流動(dòng)相中的傳質(zhì)阻力和滯留的流動(dòng)相中的傳質(zhì)阻力，即 89 式中右邊第一項(xiàng)為流動(dòng)的流動(dòng)相中的傳質(zhì)阻力。當(dāng)流動(dòng)相流過色譜柱內(nèi)的填充物時(shí)，靠近填充物顆粒的流動(dòng)相流速比在流路中間的稍慢一些，故柱內(nèi)流動(dòng)相的流速是不均勻。ωm是由柱和填充的性質(zhì)決定的因子；ωsm是一常數(shù)，它與顆粒微孔中被流動(dòng)相所占據(jù)部分的分?jǐn)?shù)及容量因子有關(guān)。 90 液液色譜中固定相傳質(zhì)阻力系數(shù)（ Cs） 可用下式表示： 91 該式與氣液色譜速率方程的形式基本一致， 主要區(qū)別在液液色譜中縱向擴(kuò)散項(xiàng)可忽略不計(jì)，影響柱效的主要因素是傳質(zhì)阻力項(xiàng) 。 綜上所述，對 液液色譜的 VanDeemter方程式 可表達(dá)為： 92問題： 怎樣裝柱才能使色譜柱的效率提高？ 空心柱是否能夠用于色譜分離？ 如何獲得色譜最佳流速？93u在上述方程各項(xiàng)中存在矛盾，因此，應(yīng)求出最佳值：94uHminuopt954.流動(dòng)相線速度對板高的影響（ 1） LC和 GC的 Hu圖 根據(jù) vanDeemter公式作 LC和 GC的Hu圖， LC和 GC的 Hu圖十分相似 ，對應(yīng)某一流速都有一個(gè)板高的極小值，這個(gè)極小值就是柱效最高點(diǎn)；96分子擴(kuò)散項(xiàng)和傳質(zhì)阻力項(xiàng)對板高的貢獻(xiàn)97 LC板高極小值比 GC的極小值小一個(gè)數(shù)量級以上 ，說明液相色譜的柱效比氣相色譜高得多； LC的板高最低點(diǎn)相應(yīng)流速比起 GC的流速亦小一個(gè)數(shù)量級，說明對于 LC， 為了取得良好的柱效，流速不一定要很高。98(2)分子擴(kuò)散項(xiàng)和傳質(zhì)阻力項(xiàng)對板高的貢獻(xiàn)252。較低線速時(shí)， 分子擴(kuò)散項(xiàng)起主要作用；較高線速時(shí)， 傳質(zhì)阻力項(xiàng)起主要作用 ；其中流動(dòng)相傳質(zhì)阻力項(xiàng)對板高的貢獻(xiàn)幾乎是一個(gè)定值。252。在高線速度時(shí)， 固定相傳質(zhì)阻力項(xiàng)成為影響板高的主要因素 ，隨著速度增高，板高值越來越大，柱效急劇下降。99分子擴(kuò)散項(xiàng)和傳質(zhì)阻力項(xiàng)對板高的貢獻(xiàn)1005.固定相粒度大小對板高的影響粒度越細(xì)，板高越小，并且受線速度影響亦小。這就是為什么在 HPLC中采用細(xì)顆粒作固定相的根據(jù)。當(dāng)然，固定相顆粒愈細(xì)，柱流速愈慢。只有采取高壓技術(shù)，流動(dòng)相流速才能符合實(shí)驗(yàn)要求。101 固定相粒度大小對板高的影響 102 第四節(jié) 分離度 分離度 R是一個(gè)綜合性指標(biāo)。分離度是既能反映 柱效率 又能反映 選擇性 的指標(biāo)，稱總分離效能指標(biāo)。分離度又叫分辨率，它定義為相鄰兩組分色譜峰保留值之差與兩組分色譜峰底寬總和之半的比值，即R=2(tR2tR1)/Y1+Y2 103 R值越大，表明相鄰兩組分分離越好。一般說，當(dāng) R1時(shí)，兩峰有部分重疊；當(dāng)R=1時(shí)，分離程度可達(dá) 98% ；當(dāng) R=，分離程度可達(dá) % 。通常用 R=分離的標(biāo)志。104 圖 1表示不同分離度時(shí)色譜峰分離的程度105 分離度受柱效（ n）、 選擇因子（ α）和容量因子（ k） 三個(gè)參數(shù)的控制。對于難分離物質(zhì)對，由于它們的分配系數(shù)差別小，可合理地假設(shè) k1≈k2 =k，Y1≈Y2=Y。 由 n=16（ tR/Y） 2得：1/Y=（ ?n/4） ?（ 1/tR）106分離度 R為：R=（ ?n/4） ?（ α1/α）（ k /