分离技术chapter 2

ModernSeparationTechnique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2．1．1色谱法的历史2．1．2分类2．1．3色谱学文献第二节色谱法的重要参数2．2．1重要名词2．2．2色谱过程基本方程式2．2．3分辨率第三节平衡塔板理论2．3．1色谱分离的塔板理论2．3．2塔板理论的基本假设与方程第四节速率理论2．4．1涡流扩散2．4．2纵向分子扩散2．4．3传质阻力2．4．4速率理论方程第五节色谱过程的热力学基础2．5．1气相色谱分配平衡2．5．2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1．1．1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2．1．2分类期刊杂志J.ChromatographyA,新理论、方法J.ChromatographyB,生物医学ChromatographicScience理论HighResolutionChromatography理论LiquidChromatography综合BiomedicalChromatography生物医学JCapillaryElectophoresis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。2．1．3色谱学文献国际上有:InternationalsymposiumonpreparativechromatographyInternationalIonChromatographySymposiumInternationalSymposiumonChromatographyInternationalSymposiumonCapillaryElectroseparationTechniquesInternationalSymposiumonHighPerformanceLiquidPhaseSeparationsandRelatedTechniques.SymposiumonHandlingofEnvironmentalandBiologicalSamplesinChromatographyInternationalSymposiumonHyphenatedTechniquesinChromatographyandHyphenatedChromatographicAnalyzers,SymposiumontheSeparationandAnalysisofProteins,PeptidesandPolynucleotides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=F×tR第二节色谱法的重要参数1．2．1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CsK＝──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。msk’=───mmk’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’）2．2．2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×(━━━━━━)ω1+ω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2．2．3分辨率2．3．1色谱分离的塔板理论2．3．2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/W0.5)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+Cu2．4．1涡流扩散A=2dp2．4．2纵向分子扩散B=2DM2．4．3传质阻力C=qk’(1+k’)-2df2DS-1+dp2DM-1第四节速率理论高效液相色谱法高效液相色谱法（HPLC）是在20世纪60年代末，以经典液相色谱为基础，引入了气相色谱的理论与实验方法，流动相改为高压输送，采用高效固定相及高灵敏度检测器，发展而成的分离分析方法。H=2dp+2DM/u+[qk’(1+k’)-2df2DS-1+dp2DM-1]uu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2．4．4速率理论方程2．5．1气相色谱分配平衡第五节色谱过程的热力学基础返回当组分在固定相和流动相之间达到平衡时，k’=ns/nm（25）假定组分溶解在固定相中所组成的溶液是无限稀释的溶液，在平衡时，组分在固定相中的摩尔数为，ns=xms=xsVs/ms（26）ms是固定液的摩尔数，x为组分在固定相中的摩尔分数，Vs为固定液的体积，s为固定液的密度。组分在气相（流动相）中的摩尔数为，nm=pVm/RTc（27）p为组分的分压，Vm为气相体积，Tc为柱温。在平衡时，p=x00（28）0为无限稀释溶液的活度系数，0为该柱温下的饱和蒸汽压。将上述公式合并后，k’=RTcsVs/Vm00ms（29）K=k’Vm/Vs=RTcs/Vm00（30）由此可以看出，K、k’是在一定条件下是个常数。2．5．2液相色谱中的热力学基础分配过程假设在分配平衡体系中，欲分离的溶质的浓度很低，固定相和流动相的性质由本体组分决定，不受被分离组分的性质影响。在一定温度和压力条件下，溶质组分在x和y相之间的分配可以表示为，iyix（31）在某一相时，溶质i的化学势定义为：=（G/ni）T，P（32）G是该相的自由能，ni是i的摩尔数。达到平衡时，溶质i在两相中自由能变化为0，即，y=x（33）在任一相中可表达为，=0+RTlna（34）a是溶质在该相中的活度，0是溶质在选定的标准状态下（a=1）的化学势。在平衡条件下，由（33）、（34）可得，0，x+RTlnax=0，y+RTlnay（35）即，RTln（ax/ay）=0，y—0，x（36）因为0，y、0，x是常数，所以活度比ax/ay也是常数，用K0表示，我们称其为热力学平衡常数。吸附过程吸附是溶质分子与吸附剂表面活性部位相互作用生成吸附产物的过程：i+nA=iAn（40）i表示液相中的溶质分子，一个溶质i占据吸附剂表面n个活性部位，生成吸附产物iAn。A和iAn均处于吸附剂表面的吸附相中。吸附过程的热力学平衡常数K0等于，K0=aiAn/[ai（aA）n](41)若以活度系数和摩尔分数表示活度，则，K0=iAnxiAn/[ixi（aA）n]（42）NiAn是吸附产物的摩尔数，NA是吸附活性部位的总摩尔数。如果用摩尔浓度表示分配系数，吸附相中的吸附产物浓度可以用单位质量吸附剂所吸附溶质的摩尔数来表示，Kc=ciAn/ci=NiAn/w/ci（45）离子交换在离子交换平衡中，离子交换剂的配衡离子A与液相中电解质的同电荷离子B不是同一种离子，在离子交换过程中，A、B之间发生交换，离子交换剂中A离子部分被B所取代。A（交换剂）+B（液相）=B（交换剂）+A（液相）（48）达到平衡后，离子交换剂和液相中同时含有A、B。此时K0，K0=(aAx)nB(aBy)nA/[(aBx)nA(aAy)nB](49)x、y代表液相和交换剂（固定相），nA、nB代表A、B的价数。同样可以用摩尔分数和摩尔浓度表示分配常数Kx和Kc。当A的浓度足够大，B的浓度大大低于