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柱色譜理論原理
日期：2025-02-06 07:45
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摘要：
柱色譜理論
色譜柱及其操作條件的選擇是離子色譜法的核心，柱色譜理論和離子交換原理是研究色譜柱及選擇*佳分離條件的理論依據(jù)。
1分離度
任何分離的目標(biāo)都是使兩個相鄰的峰完全分開。分離度R定義為兩個相鄰色譜峰保留值之差與兩個組分色譜峰的平均峰寬的比值(圖5-2)。
圖5-2 液相色譜的分離度 |
（5-1）
式5-1給出了一個衡量分離好壞的尺度，但它并沒有告訴我們?nèi)绾潍@得一個較好的分離。為了搞清這個問題，我們將分離度表示為含有3個色譜分離參數(shù)的函數(shù)，這三個參數(shù)分別為柱效、選擇性系數(shù)和保留特性，這些參數(shù)與固定相和流動相性質(zhì)有關(guān)，與分離度R的關(guān)系如式5-2。
(5-2)
式中 —— 表示柱效；
——表示選擇性；
——表示保留特性。
分離初始，在零時間，樣品位于色譜柱的頂端。被分析的樣品隨流動相進(jìn)入固定相，樣品組分基于對兩相親和力的不同而被分離。一般地講，固定相與流動相之間化學(xué)性質(zhì)的差別應(yīng)該足夠大，被分析物才能與其中一相發(fā)生較強(qiáng)作用。正是由于保留時間的不同，使得分離得已實現(xiàn)。
2 柱效
柱效是指色譜柱保留某一化合物而不使其擴(kuò)散的能力，柱效能是一支色譜柱得到窄譜帶和改善分離的相對能力。我們可以通過一根柱子的理論塔板數(shù)來衡量色譜柱的柱效，在色譜柱中，理論塔板數(shù)N定義為：
圖5-3 理論塔板數(shù)示意圖 |
（5-3）
式（5-3）中，T是色譜峰中心與進(jìn)樣起始點間的距離，W1/2是峰高一半處峰的寬度（見圖5-3）。理論塔板是指固定相和流動相之間平衡的理論狀態(tài)。在一個塔板的平衡完成之后，分析物進(jìn)入下一個平衡塔板，這種傳送過程重復(fù)不斷，直到分離完全。分子根據(jù)自身的性質(zhì)（分子大小和電荷）進(jìn)行轉(zhuǎn)移或遷移，基于它們對固定相和流動相的親和力的不同進(jìn)行分離。分子移動并形成一條帶狀，以正態(tài)分布（高斯）的色譜峰流出。
理論塔板數(shù)可以用于衡量整個色譜系統(tǒng)譜帶的擴(kuò)散程度。譜帶擴(kuò)散程度越小（即色譜峰越窄），理論塔板數(shù)N越大。理論塔板數(shù)N與色譜柱長度成比例；也就是說，色譜柱越長，理論塔板數(shù)N 越大。
理論塔板高度（HETP）是單位長度色譜柱效能的量度，可用于比較不同長度的色譜柱的理論塔板數(shù)N。
（5-4）
式中 L——為色譜柱的長度。
式（5-4）表明高效率的色譜柱具有較大的理論塔板數(shù)。也就是說，具有較小的理論塔板高度。影響理論塔板高度的因素有：多流路，縱向擴(kuò)散，傳質(zhì)影響。
3 選擇性系數(shù)
選擇性系數(shù)α是交換過程的一個熱力學(xué)函數(shù)。色譜柱的選擇性是兩個化合物的調(diào)整保留時間的比值，也等于兩個化合物在固定相和流動相之間平衡常數(shù)的比值，見圖5-4及式（5-5）。
圖5-4 色譜柱的選擇性示意圖 |
（5-5）
式中T2和T1是兩峰峰中心與進(jìn)樣點的時間差值，T0是死體積保留時間。當(dāng)保留時間的比值等于1時，沒有任何分離度或稱共洗脫。選擇性越好或比值越大，對于兩個化合物的分離越容易。公式中相對較小的改變，就會使分離度發(fā)生較大的改變。較高選擇性可以在柱效相對較低的柱子上得到較好的分離。一般來說，流速和柱壓的改變，對選擇性沒有影響。
4 保留特性
用容量因子k描述化合物保留特性，其定義如式5-6：
（5-6）
式中，T是色譜峰中央到進(jìn)樣起始時間點的差值，T0是死體積保留時間。本質(zhì)上，容量因子k給出了分析物在固定相的時間超過在流動相中時間的數(shù)量。k值小說明化合物被柱子保留弱，化合物洗脫體積與死體積相近。k值大的說明被分析物與固定相作用較強(qiáng)而具有好的分離，但是較大的k值導(dǎo)致較長的分析時間和色譜峰的展寬。一般來說，k的*佳范圍在2～10之間；可以通過改變流動相來獲得*佳的k值。
5 傳質(zhì)影響
傳質(zhì)影響是描述由于柱子裝填不均，造成流路分叉而引起的擴(kuò)散。分析物在色譜柱中的流路受到柱子裝填和樹脂等許多因素的影響。填料顆粒的直徑直接影響柱效。一般來說，粒徑越小，分離效率越高。同時，顆粒大小和裝填的均勻度越好，柱效也越高。如果一根柱子由大小不均勻的顆粒填充，溶質(zhì)分子將由于相遇顆粒粒徑大小的不同而以不同速度移動。這樣造成溶質(zhì)分子的流出譜帶變寬。在一些裝填不均勻的柱子中，溶質(zhì)分子經(jīng)過一些未填滿的空隙或溶質(zhì)分子或與樹脂顆粒的相互作用將導(dǎo)致譜帶擴(kuò)散。因此，提高顆粒的均勻度和減小粒徑可以減小譜帶的擴(kuò)散。
6 縱向擴(kuò)散
用于描述任何氣體和液體擴(kuò)散或分散的內(nèi)在趨勢。這種情況可以發(fā)生在整個色譜系統(tǒng)中的任何地方。*初，在窄的譜帶中的溶質(zhì)分子向周圍的溶劑擴(kuò)散，使譜帶變寬。理論上講，縱向擴(kuò)散也可以在流動相和在固定相中發(fā)生。結(jié)果表明，擴(kuò)散問題在離子色譜填充柱中并不象在氣相色譜中那樣普遍。
7 溶質(zhì)傳遞動力學(xué)
是描述溶質(zhì)分子在固定相和流動相之間運動的速率。理想狀態(tài)下，與填充柱作用的溶質(zhì)分子不斷出入固定相中。當(dāng)分子在固定相中時，分子被保留而位于譜帶中央的后面。當(dāng)分子在流動相中時，由于液體流動速率總是大于譜帶的速率，則它的速率總是大于譜帶中心的速率。這種在兩相之間的隨意出入引起譜帶擴(kuò)散。如果不發(fā)生流動，溶質(zhì)分子就會在兩相之間達(dá)成平衡。正因為存在流動，在流動相中真實的溶質(zhì)濃度無法與相鄰的固定相中濃度達(dá)到平衡。色譜峰的擴(kuò)散可以通過減小不平衡程度和增加交換速率來降低。溶質(zhì)傳遞的動力學(xué)經(jīng)常是譜帶擴(kuò)散的主要原因，因此對柱效的影響也是*大的。
8 小結(jié)
式（5-2）顯示出分離度是一個與柱效、選擇性、保留特性有關(guān)的函數(shù)。利用這些參數(shù)可以獲得一個較好的分離度。其中每一項都可以用于改善分離效果。
當(dāng)建立一個方法時，柱子的選擇性系數(shù)是十分重要的，因為它對分離的影響是*大的。增加分離系數(shù)α，使(α－1)/α增大，從而提高分離度。
提高柱效，將增大，分離得到改善。柱效與柱性能有關(guān)還與流速有關(guān)，流速越慢，柱效越高。這是由于流動相中的被分析物可以有更多的時間與固定相作用，但這樣會導(dǎo)致峰形的擴(kuò)散。
作為容量因子的一個函數(shù)，保留特性是確定柱子的狀態(tài)*有用的參數(shù)，因此需要適當(dāng)清洗柱子以恢復(fù)其保留特性。增加容量因子k，使增大，R隨之增大。
