色谱法分离原理
色谱法的分离原理
色谱法的分离原理色谱法是一种用于分离混合物中成分的分析技术。
它基于不同成分在固定相和流动相之间的不同相互作用力而实现分离。
色谱法可以分为两大类：一类是液相色谱法（Liquid Chromatography, LC），另一类是气相色谱法（Gas Chromatography, GC）。
下面将分别从液相色谱法和气相色谱法的分离原理进行介绍。
液相色谱法分离原理：液相色谱法是基于样品与液相载体在固定相表面上的相互作用力而进行分离的。
液相色谱法涉及两种基本类型的分离机制：吸附色谱和分配色谱。
1.吸附色谱：吸附色谱利用物质在固定相表面吸附的差异实现分离。
固定相通常是多孔吸附剂，具有大量活性表面。
当样品溶液通过固定相时，各组分与固定相之间的相互作用力不同，导致各组分在固定相上的吸附速率不同。
吸附速率较快的组分会滞留更少的时间在固定相上，因此会更早地被洗出。
吸附色谱广泛应用于分离极性化合物。
2.分配色谱：分配色谱基于样品组分在两种不相溶的液体流动相之间的分配差异实现分离。
固定相是一种多孔材料，比如固定相经过表面改性的多孔硅胶柱。
当样品溶液通过柱子时，样品中的各组分会被分配到液相和固定相之间，各组分在两相中的分配系数不同，导致各组分的迁移速率差异。
分配色谱广泛应用于分离中性有机化合物。
气相色谱法分离原理：气相色谱法是一种基于样品在气相载体中迁移速率的不同实现分离的方法。
它是通过将样品蒸发成气体并通过固定相柱进行分离的。
气相色谱法涉及两种基本类型的分离机制：分布系数和不饱和反应。
1.分布系数：在气相色谱法中，物质在流动相（气态）和固定相（涂覆在柱子上的材料）之间的分布行为是分离的基础。
各组分的分布系数不同，导致了在固定相中的不同保留时间和分离。
2.不饱和反应：气相色谱法中还存在不饱和反应的分离机制。
不饱和反应是指样品组分与固定相表面之间发生的特定化学反应。
这种化学反应会影响组分的迁移速率，从而实现分离。
需要注意的是，色谱法的具体分离原理和分离机制会受到多种因素的影响，包括载体的特性、流动相和固定相的选择、操作条件等。
高效液相色谱法的分离原理
高效液相色谱法的分离原理
高效液相色谱法（HPLC）的分离原理是：溶于流动相中的各组分经过固定相时，由于与固定相发生作用（吸附、分配、排阻、亲和）的大小、强弱不同，在固定相中滞留时间不同，从而先后从固定相中流出。
HPLC是在经典的液相色谱法基础上发展起来的，以液体作为流动相，并采用颗粒极细的高效固定相的柱色谱分离技术。
其分离机制与常规柱色谱相同，但填料更加精细，需高压泵推动，柱效高，分析速度快。
与气相色谱不同的是液相色谱中流动相亦参与组分的分离过程，其组成、比例和pH 值可灵活调节，分离模式多样。
在实际操作中主要通过改变流动相的组成来调节样品在色谱柱的保留值和选择性，从而使不同样品得到分离。
07第七章色谱法分离原理
合组分的能力
色谱柱的柱效随理论塔板数n的增加而增加， 随板高H的增大而减小。
3．塔板理论对色谱的解释：
第一，当溶质在柱中的平衡次数，即理论塔板数 n
第二大，即于当在5样0t时R品一，进定可入时得色，到谱若基柱色本后谱对，称只的要峰各形组曲分线在；两相 间峰的越分窄配，系则数n有值微越小大差，异，经过反复多次 的H分越配小平，衡柱后效，能仍越可高获。得良好的分离；
减小固定液的液膜厚度df，增大组分在液 相中的扩散系数Dl，可以减小 Cl值。
a.降低固定液含量，df减小，但容量因子k也 随之变小，对分离不利；
b.固定液含量一定时，df值随载体的比表面积 增加而降低。因此，一般用比表面积较大的
载体来降低df值； c.提高柱温，Dl增大，但k值减小，故应控制
适当的柱温。
宽受涡流扩散、分子扩散和传 质阻力三个动力学因素的控制。
板高方程为：
u L —— 流动相的平均线速度； A、tBM 、C —— 常数。A为涡流扩散项系 数
B为分子扩散项系数 C为传质阻力项系数
u一定时，只有当A、B、C较小
时，板高H才能小，柱效才会高； 反之，则柱效低，色谱峰扩张。
1.涡流扩散项（A）
变宽的程度由下式决定：
A=2λdp
① A与填充物的平均直径dp 和填充不规则因子λ有关， 与流动相的性质、线速度和 组分性质无关；
② 使用颗粒细和均匀的填 料，采用均匀填充，是减小 涡流扩散和提高柱效的有效 途径。
2.分子扩散项（ ）
气体分子的分子扩散项系数B为：
B=2γDg
γ—— 弯曲因子。它表示柱填充物 对分子扩散的阻碍程度。
③ 在溶质浓度低时，Cs 基本上正比于Cm，曲 线近似直线。
仪器分析第十一章色谱法分离原理
• ⑨保留值与分配系数K之间的关系 • 当某一组分的色谱峰最高点出现时，说明 该组分恰好有一半的量洗脱在保留体积的 流动相中，刚好流出色谱柱，其余一半则 仍留在柱内。 • 根据物料等衡原理得： • VRcm=Vmcm+Vscs • VR=Vm+(cs/cm)Vs VR=Vm+KVs • 又VM≈Vm ∴ VR=VM+KVs
• • • •
A—涡流扩散项 B—分子扩散项系数 C—传质阻力项系数 ū—流动相的平均线流速．即单位时间内流 动相在色谱柱中流动的距离．cm/s • 由上式，要降低H的数值，提高柱效，需降 低式中各项系数值。
• 1.涡流扩散项A • 在填充色谱柱中，流动相（载有组分分子） 通过填充物的不规则空隙及填充物颗粒时， 不断改变流动方向，形成紊乱的类似“涡 流”的流动。由于填充物颗粒大小的不同， 以及填充的不均匀性，使组分分子通过填 充柱时，有许多长短不等的路径。因此， 同一组分的不同分子，到达柱尾出口处的 时间有先有后，形成了一个统计分布，色 谱峰变宽。如图所示
K=cs/cm
当K与浓度无关 时，分配等温 线是线性的。 K为常数时所进 行的色谱过程 为线性色谱。
分布等温线方程参见 教材479-481页
典型的分配等温线
• 二、色谱图及相关术语 • 1.色谱图
色谱流出曲线
• 2.相关术语 • (1)基线：色谱柱中仅有流动相通过时，检 测器响应信号的记录值。稳定的基线应是 一条水平直线。 • (2)峰高：色谱峰顶点与基线之间的垂直距 离，以h表示。 • (3)保留值 • ①死时间tM：不被固定相吸附或溶解的物 质进入色谱柱时，从进样到色谱图上出现 峰极大值所需的时间。
• A=2dp • —填充不规则因子（包括固定相颗粒大小、 几何形状及装填紧密程度）。 • dp—填充物颗粒的平均直径。 • 注：A与流动相的性质、线速度和组分性质 无关。
第二章 色谱法的原理
按上述分配过程，对于n=5，k=1，m=1的体系，随 着脉动进入柱中板体积载气的增加，组分分布在柱内任一 板上的总量（气液两相中的总质量）,由塔板理论可建流 出曲线方程：
C
m n V 2 exp[ (1 ) ] 2 Vr 2 Vr
n
m为组分质量，Vr为保留体积，n为理论塔板数。 当流动相体积V=Vr 时，C值最大，即
分离度和柱效率
理论需要解决的问题：
塔板理论和速率理论都难 以描述难分离物质对的实 际分离程度。即柱效为多 大时，相邻两组份能够被 完全分离。
难分离物质对分离度的大 小受色谱过程中两种因素 的综合影响：
保留值之差──色谱 过程的热力学因素； 区域宽度──色谱过 程的动力学因素。
色谱分离中的四种情况：
① 柱效较高，△K(分配系数)较 大,完全分离； ② △K不是很大，柱效较高，峰 较窄，基本上完全分离； ③ △K较大,柱效较低，但分离的 不好； ④ △K小，柱效低，分离效果更 差。
分离度：相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽 总和之半的比值，（设W1=W2） 当R＜1时，两峰有部分重叠； 当R＝1时，分离程度可达98％；
分配系数K与分配比k的关系
cs ms / Vs Vm K k k cm mm / Vm Vs
相比率β：反映各种色谱柱型特点的参数 例如：填充柱，其β值一般为6～35； 毛细管柱，其β值为60～600。
二、 塔板理论（plate
theory）
最早由Martin等人提出塔板理论，把色 谱柱比作一个精馏塔，沿用精馏塔中塔板 的概念来描述组分在两相间的分配行为， 同时引入理论塔板数作为衡量柱效率的指 标。
色谱法分离原理
3. 按固定相的外型分类
固定相装于柱内的色谱法，称为柱色 谱。
固定相呈平板状的色谱，称为平板色 谱，它又可分为薄层色谱和纸色谱。
4. 按照展开程序分类
按照展开程序的不同，可将色谱法分 为洗脱法、顶替法、和迎头法。 洗脱法也称冲洗法。工作时，首先将样 品加到色谱柱头上，然后用吸附或溶解能 力比试样组分弱得多的气体或液体作冲洗 剂。由于各组分在固定相上的吸附或溶解 能力不同，被冲洗剂带出的先后次序也不 同，从而使组分彼此分离。流出曲线下图
例如：在分配色谱中，Vs表示固定液 的体积；在尺寸排阻色谱中，则表示 固定相的孔体积。
分配比 k 值可直接从色谱图中测得。 k = (t R – t M ) / t M = tR / t M = VR / V 0
3. 分配系数K与分配比 k 的关系
K = kVM/VS =k .
其中β称为相比，它是反映各种色谱柱 柱型特点的又一个参数。例如，对填充 柱，其β值一般为6-35；对毛细管柱，其 β值为60-600。
2.分配比 k
分配比又称容量因子，它是指在一定 温度和压力下，组分在两相间分配达平 衡时，分配在固定相和流动相中的物质 的量比。即
k = 组分在固定相中的物质的量 / 组分在流动相中的物质的量
= ns / nm
k值越大，说明组分在固定相中的量越
多，相当于柱的容量大，因此又称分配容 量或容量因子。它是衡量色谱柱对被分离
保留值之比，称为相对保留值。
r2,1= tR2 / tR1´= VR2 / VR1
由于相对保留值只与柱温及固定相性质 有关，而与柱径、柱长、填充情况及流动 相流速无关，因此，它在色谱法中，特别 是在气相色谱法中，广泛用作定性的依据。
在定性分析中，通常固定一个色谱峰 作为标准（s），然后再求其它峰（i）对 这个峰的相对保留值，此时可用符号表 示，即
色谱分离技术原理及其的应用
色谱分离技术原理及其的应用色谱法的最早应用是用于分离植物色素，其方法是这样的：在一玻璃管中放入碳酸钙，将含有植物色素（植物叶的提取液）的石油醚倒入管中。
此时，玻璃管的上端立即出现几种颜色的混合谱带。
然后用纯石油醚冲洗，随着石油醚的加入，谱带不断地向下移动，并逐渐分开成几个不同颜色的谱带，继续冲洗就可分别接得各种颜色的色素，并可分别进行鉴定。
色谱法也由此而得名。
现在的色谱法早已不局限于色素的分离，其方法也早已得到了极大的发展，但其分离的原理仍然是一样的。
我们仍然叫它色谱分析。
一、色谱分离基本原理：由以上方法可知，在色谱法中存在两相，一相是固定不动的，另一相则不断流过固定相，我们把它叫做流动相。
色谱法的分离原理就是利用待分离的各种物质在两相中的分配系数、吸附能力等亲和能力的不同来进行分离的。
使用外力使含有样品的流动相（气体、液体）通过一固定于柱中或平板上、与流动相互不相溶的固定相表面。
当流动相中携带的混合物流经固定相时，混合物中的各组分与固定相发生相互作用。
由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中先后流出。
与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。
二、色谱分类方法：色谱分析法有很多种类，从不同的角度出发可以有不同的分类方法。
从两相的状态分类：色谱法中，流动相可以是气体，也可以是液体，由此可GCLC）。
固定相既可以是固体，也可以是涂在固体上的液体，由此又可将气相色谱法和液相色谱法分为气-液色谱、气-固色谱、液-固色谱、液-液色谱。
70年代初期发展起来的一种以液体做流动相的新色谱技术。
高效液相色谱是在气相色谱和经典色谱的基础上发展起来的。
现代液相色谱和经典液相色谱没有本质的区别。
不同点仅仅是现代液相色谱比经典液相色谱有较高的效率和实现了自动化操作。
简述色谱分离的原理
简述色谱分离的原理
色谱分离是一种基于混合物中不同成分在固定相和流动相之间分配系数差异的分离方法。
其原理如下：
1. 固定相：色谱分离通常使用一个固定相，它可以是一个固体吸附剂（如硅胶、氧化铝）、一个液体固定相（如化学键合相）或一个凝胶。
2. 流动相：待分离的混合物通过流动相（通常是气体或液体）携带进入色谱柱。
3. 分配系数：混合物中的不同成分在固定相和流动相之间的分配系数不同。
分配系数是指成分在固定相和流动相之间达到平衡时的浓度比值。
4. 分离：当混合物通过色谱柱时，不同成分在固定相和流动相之间反复分配，由于分配系数的差异，不同成分在色谱柱中的移动速度不同，从而实现分离。
5. 检测：分离后的成分通过检测器进行检测，通常使用紫外线吸收、荧光、电化学或质谱等方法。
通过色谱分离，可以将混合物中的不同成分分离出来，并根据它们在色谱柱中的保留时间或洗脱顺序进行定性分析，还可以通过检测器的响应进行定量分析。
总的来说，色谱分离的原理是基于不同成分在固定相和流动相之间的分配系数差异，通过反复分配实现分离。
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气相色谱法gas chromatography, GC 气相色谱与质谱联用GC-MS 高效液相色谱 high performance liquid chromatography, HPLC 分离分析中的新技术 毛细管电泳capillary electrophoresis, CE 表面分析方法
归一法: 将试样中所有组分的含量之和按100%计算，以它们相 应的色谱峰面积或峰高为定量参数。优点是简便，准确；操作 条件变化时，对分析结果影响较小。尤其适合于进量少而其体 积不易准确测量的液体试样。
作业
P362, 3. 柱效能指标和柱的分离度有什么区别 和联系 P363, 18.
第一项称热力学因素，第二项称动力学因素，第三项称容量因素。 1. 的大小与两组分的性质有关。 一般可以用如下的方法来调节: 改变流动相的组成，包括改变pH 改变固定相的组成 改变柱温 采用特殊的化学效应 2. 增加塔板数，可以增加分离度。
3. 容量因子k取决于组分和色谱柱两者的性质。 加大容量因子可以增 加分离度，但是会延长分析时间，甚至造成谱带检测困难。常常通过 改变柱温或流动相的组成，将k控制在1 5之间。
1 n > 50, 可得到基本对称的峰形曲线。如气相色谱柱的n约为 103 106，这时的流出曲线可趋近于正态分布曲线。
2 当试样进入色谱柱后，只要各组分在两相间的分配系数有微 小差异，经过反复多次的分配平衡后，仍可获得良好的分离。
3 n与半峰宽度及峰底宽的关系式为:
n = 5.54 tR / Y1/22 = 16 tR / Y2 n有效 = 5.54 tR / Y1/22 = 16 tR / Y2
分离度 也称分辨率 (resolution, Rs)。它是指
相邻两色谱峰保留值之差与两峰底宽平均值之 比，即
当Rs < 1时，两峰总有部分重叠； 当Rs = 1时，两峰能明显分离； 当Rs = 1.5时，两峰已完全分离。
当然，更大的值分离效果会更好，但 会延长分析时间。
分离度受柱效n, 选择因子 和容量因子k的控制
色谱法分离原理
概述及分类 有关的术语 色谱法的基本理论 分离度 定性和定量分析 作业
色谱法chromatography与蒸馏，重结晶，溶剂
萃取，化学沉积及电解沉积法一样，也是一种分离技 术。特别适宜分离多组分的试样，是各种分离技术中 效率最高和应用最广的一种方法。 最早创立色谱法的是俄国植物学家茨维特Tsweet 将填入玻璃柱内静止不动的一相固相或液相称为固
速率理论
吸收了塔板理论中板高的概念，并同时考虑影响板高的 动力学因素，指出:填充柱的柱效受涡流扩散，分子扩 散，传质阻力，流动相的流速等因素的控制，从而较好 地解释了影响板高的各解释了色谱流出曲线的形状是高斯曲 线，认为可以用方差2作为色谱峰展宽的指标，进而可以用12， 22， 32 和42 分别表示涡流扩散，分子扩散，气相传质阻力 和液相传质阻力对谱峰展宽的贡献，即 2 = 12 22 32 42
定相
自上而下运动的一相一般是气体，液体或超临界流 体称为流动相 装有固定相的柱子玻璃或不锈钢称为色谱柱
Simulation of Tswett ‘s experiment
色谱的分类
按 照 分 离 过 程 中 相 系 统 的 形 式 和 特 征 填充柱色谱法
柱色谱法
毛细管色谱法
纸色谱法
平板色谱法
速率理论方程
板高方程: 指出了色谱柱填充的均匀程度，填料粒度的大小，流动相的种 类及流速，固定相的液膜厚度对柱效的影响。
分离度
柱效和选择性
理论塔板数n (n有效)是衡量柱效的指标，反映了色谱分离过程动力学性质。 常用色谱图上两峰间的距离衡量色谱柱的选择性，其距离越大说明柱子的 选择性越好。柱子的选择性主要取决于组分在固定相上的热力学性质。(α )
定性和定量分析
定性分析: 是确定色谱图上每一个峰所代表的物质。保留时间 定量分析: (1) 响应信号的测量 测量峰高和峰面积 (2) 定量校正因子: 绝对校正因子 相对效正因子 (3) 定量方法
外标法: 操作简单，适于工厂控制分析和自动分析。
内标法: 当只需测定试样中某几个组分，或试样中所有组分不 可能全部出峰时，可采用内标法。
薄层色谱法
依 据 色 谱 过 程 中 流 动 相 和 固 定 相 的 物 理 状 态
气固色谱法
气相色谱法
气液色谱法
液固色谱法
液相色谱法
液液色谱法
超临界流体色谱法
按 色 谱 动 力 学 过 程
迎头色谱
顶替色谱
线性洗脱色谱
洗脱色谱
非线性洗脱色谱
按所利用的物理化学原理将色谱法分为吸附色谱，分配色谱， 离子交换色谱，凝胶渗透色谱以及形成络合物色谱等。
区域宽度:是组分在色谱柱中谱带扩张的函数，反映了色谱操作条件
的动力学因素。度量法有:标准偏差 半峰宽Y1/2 基线宽度Y。
色谱流出曲线可以得到的重要信息
根据色谱峰的个数，可以判断试样中所含组 分的最少个数。 根据色谱峰的保留值或位置，可以进行定 性分析。 根据色谱峰下的面积或峰高，可以进行定量 分析。 色谱峰的保留值及其区域宽度，是评价色谱 柱分离效能的依据。 色谱峰两峰间的距离，是评价固定相和流 动选择是否合适的依据。
组分完全分离的必须条件:
组分的分配系数K必 须有差异; K = cs/cm 区域扩宽的速率应 小于区域分离的速 度; 在保证快速分离的 前提下，提供足够 长的色谱柱。
cs和cm 分别为组分在固定 相和流动相中的浓度
色谱法基本理论
塔板理论
n = L/H
L为色谱柱的长度，H称为塔板高度，简称板高。 n 称为理论塔板数，柱效随塔板数增加而增加。
色谱法中的有关术语
基线是柱中仅有流动相通过时，检测器响应信号的记录值。 峰高: 色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以 h 表示。 保留值: 1 死时间tM，不被固定相吸附或溶解的物质
2 保留时间tR，试样从进入开始到柱后出现峰极大值 3 调整保留时间 t'R = tR - tM 4 分配比k，也称容量因子。为组分在固定相和流动相中分 配量之比，是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要参数。