大师作文网如何依据速率方程选择色谱操作条件
来源：学生作业帮 编辑：大师作文网作业帮 分类：生物作业 时间：2024/11/18 16:18:00
如何依据速率方程选择色谱操作条件
速率理论（又称随机模型理论）
1．液相色谱速率方程
1956年荷兰学者Van Deemter等人吸收了塔板理论的概念,并把影响塔板高度的动力学因素结合起来,提出了色谱过程的动力学理论--速率理论.它把色谱过程看作一个动态非平衡过程,研究过程中的动力学因素对峰展宽（即柱效）的影响.
后来Giddings和Snyder等人在Van Deemter方程（后称气相色谱速率方程）的基础上,根据液体与气体的性质差异,提出了液相色谱速率方程（即Giddings方程）.
2．影响柱效的因素
1）涡流扩散（eddy diffusion）.由于色谱柱内填充剂的几何结构不同,分子在色谱柱中的流速不同而引起的峰展宽.涡流扩散项A＝2λdp,dp为填料直径,λ为填充不规则因子,填充越不均匀λ越大.HPLC常用填料粒度一般为3~10μm,最好3~5μm,粒度分布RSD≤5%.但粒度太小难于填充均匀（λ大）,且会使柱压过高.大而均匀（球形或近球形）的颗粒容易填充规则均匀,λ越小.总的说来,应采用细而均匀的载体,这样有助于提高柱效.毛细管无填料,A＝0.
2）分子扩散（molecular diffusion）.又称纵向扩散.由于进样后溶质分子在柱内存在浓度梯度,导致轴向扩散而引起的峰展宽.分子扩散项B/u＝2γDm/u.u为流动相线速度,分子在柱内的滞留时间越长（u小）,展宽越严重.在低流速时,它对峰形的影响较大.Dm为分子在流动相中的扩散系数,由于液相的Dm很小,通常仅为气相的10-4~10-5,因此在HPLC中,只要流速不太低的话,这一项可以忽略不计.γ是考虑到填料的存在使溶质分子不能自由地轴向扩散,而引入的柱参数,用以对Dm进行校正.γ一般在0.0.7左右,毛细管柱的γ＝1.
3）传质阻抗（mass transfer resistance）.由于溶质分子在流动相、静态流动相和固定相中的传质过程而导致的峰展宽.溶质分子在流动相和固定相中的扩散、分配、转移的过程并不是瞬间达到平衡,实际传质速度是有限的,这一时间上的滞后使色谱柱总是在非平衡状态下工作,从而产生峰展宽.液相色谱的传质阻抗项Cu又分为三项.
①流动相传质阻抗Hm＝Cmd2pu/Dm,Cm为常数.这是由于在一个流路中流路中心和边缘的流速不等所致.靠近填充颗粒的流动相流速较慢,而中心较快,处于中心的分子还未来得及与固定相达到分配平衡就随流动相前移,因而产生峰展宽.
②静态流动相传质阻抗Hsm＝Csmd2pu/Dm,Csm为常数.这是由于溶质分子进入处于固定相孔穴内的静止流动相中,晚回到流路中而引起峰展宽.Hsm对峰展宽的影响在整个传质过程中起着主要作用.固定相的颗粒越小,微孔孔径越大,传质阻力就越小,传质速率越高.所以改进固定相结构,减小静态流动相传质阻力,是提高液相色谱柱效的关键.
Hm和Hsm都与固定相的粒径平方d2p 成正比,与扩散系数Dm成反比.因此应采用低粒度固定相和低粘度流动相.高柱温可以增大Dm,但用有机溶剂作流动相时,易产生气泡,因此一般采用室温.
③固定相传质阻抗Hs＝Csd2fu/Ds（液液分配色谱）,Cs为常数,df为固定液的液膜厚度,Ds为分子在固定液中的扩散系数.在分配色谱中Hs与df的平方成正比,在吸附色谱中Hs与吸附和解吸速度成反比.因此只有在厚涂层固定液、深孔离子交换树脂或解吸速度慢的吸附色谱中,Hs才有明显影响.采用单分子层的化学键合固定相时Hs可以忽略.
从速率方程式可以看出,要获得高效能的色谱分析,一般可采用以下措施：①进样时间要短.②填料粒度要小.③改善传质过程.过高的吸附作用力可导致严重的峰展宽和拖尾,甚至不可逆吸附.④适当的流速.以H对u作图,则有一最佳线速度uopt,在此线速度时,H最小.一般在液相色谱中,uopt很小（大约0.03~0.1mm/s）,在这样的线速度下分析样品需要很长时间,一般来说都选在1mm/s的条件下操作.⑤较小的检测器死体积.
3．柱外效应
速率理论研究的是柱内峰展宽因素,实际在柱外还存在引起峰展宽的因素,即柱外效应（色谱峰在柱外死空间里的扩展效应）.色谱峰展宽的总方差等于各方差之和,即：
σ2＝σ2柱内＋σ2柱外＋σ2其它柱外效应主要由低劣的进样技术、从进样点到检测池之间除柱子本身以外的所有死体积所引起.为了减少柱外效应,首先应尽可能减少柱外死体积,如使用"零死体积接头"连接各部件,管道对接宜呈流线形,检测器的内腔体积应尽可能小.研究表明柱外死体积之和应＜VR/.其次,希望将样品直接进在柱头的中心部位,但是由于进样阀与柱间有接头,柱外效应总是存在的.此外,要求进样体积≤VR/2.
柱外效应的直观标志是容量因子k小的组分（如k＜2）峰形拖尾和峰宽增加得更为明显；k大的组分影响不显著.由于HPLC的特殊条件,当柱子本身效率越高（N越大）,柱尺寸越小时,柱外效应越显得突出.而在经典LC中则影响相对较小.
1．液相色谱速率方程
1956年荷兰学者Van Deemter等人吸收了塔板理论的概念,并把影响塔板高度的动力学因素结合起来,提出了色谱过程的动力学理论--速率理论.它把色谱过程看作一个动态非平衡过程,研究过程中的动力学因素对峰展宽（即柱效）的影响.
后来Giddings和Snyder等人在Van Deemter方程（后称气相色谱速率方程）的基础上,根据液体与气体的性质差异,提出了液相色谱速率方程（即Giddings方程）.
2．影响柱效的因素
1）涡流扩散（eddy diffusion）.由于色谱柱内填充剂的几何结构不同,分子在色谱柱中的流速不同而引起的峰展宽.涡流扩散项A＝2λdp,dp为填料直径,λ为填充不规则因子,填充越不均匀λ越大.HPLC常用填料粒度一般为3~10μm,最好3~5μm,粒度分布RSD≤5%.但粒度太小难于填充均匀（λ大）,且会使柱压过高.大而均匀（球形或近球形）的颗粒容易填充规则均匀,λ越小.总的说来,应采用细而均匀的载体,这样有助于提高柱效.毛细管无填料,A＝0.
2）分子扩散（molecular diffusion）.又称纵向扩散.由于进样后溶质分子在柱内存在浓度梯度,导致轴向扩散而引起的峰展宽.分子扩散项B/u＝2γDm/u.u为流动相线速度,分子在柱内的滞留时间越长（u小）,展宽越严重.在低流速时,它对峰形的影响较大.Dm为分子在流动相中的扩散系数,由于液相的Dm很小,通常仅为气相的10-4~10-5,因此在HPLC中,只要流速不太低的话,这一项可以忽略不计.γ是考虑到填料的存在使溶质分子不能自由地轴向扩散,而引入的柱参数,用以对Dm进行校正.γ一般在0.0.7左右,毛细管柱的γ＝1.
3）传质阻抗（mass transfer resistance）.由于溶质分子在流动相、静态流动相和固定相中的传质过程而导致的峰展宽.溶质分子在流动相和固定相中的扩散、分配、转移的过程并不是瞬间达到平衡,实际传质速度是有限的,这一时间上的滞后使色谱柱总是在非平衡状态下工作,从而产生峰展宽.液相色谱的传质阻抗项Cu又分为三项.
①流动相传质阻抗Hm＝Cmd2pu/Dm,Cm为常数.这是由于在一个流路中流路中心和边缘的流速不等所致.靠近填充颗粒的流动相流速较慢,而中心较快,处于中心的分子还未来得及与固定相达到分配平衡就随流动相前移,因而产生峰展宽.
②静态流动相传质阻抗Hsm＝Csmd2pu/Dm,Csm为常数.这是由于溶质分子进入处于固定相孔穴内的静止流动相中,晚回到流路中而引起峰展宽.Hsm对峰展宽的影响在整个传质过程中起着主要作用.固定相的颗粒越小,微孔孔径越大,传质阻力就越小,传质速率越高.所以改进固定相结构,减小静态流动相传质阻力,是提高液相色谱柱效的关键.
Hm和Hsm都与固定相的粒径平方d2p 成正比,与扩散系数Dm成反比.因此应采用低粒度固定相和低粘度流动相.高柱温可以增大Dm,但用有机溶剂作流动相时,易产生气泡,因此一般采用室温.
③固定相传质阻抗Hs＝Csd2fu/Ds（液液分配色谱）,Cs为常数,df为固定液的液膜厚度,Ds为分子在固定液中的扩散系数.在分配色谱中Hs与df的平方成正比,在吸附色谱中Hs与吸附和解吸速度成反比.因此只有在厚涂层固定液、深孔离子交换树脂或解吸速度慢的吸附色谱中,Hs才有明显影响.采用单分子层的化学键合固定相时Hs可以忽略.
从速率方程式可以看出,要获得高效能的色谱分析,一般可采用以下措施：①进样时间要短.②填料粒度要小.③改善传质过程.过高的吸附作用力可导致严重的峰展宽和拖尾,甚至不可逆吸附.④适当的流速.以H对u作图,则有一最佳线速度uopt,在此线速度时,H最小.一般在液相色谱中,uopt很小（大约0.03~0.1mm/s）,在这样的线速度下分析样品需要很长时间,一般来说都选在1mm/s的条件下操作.⑤较小的检测器死体积.
3．柱外效应
速率理论研究的是柱内峰展宽因素,实际在柱外还存在引起峰展宽的因素,即柱外效应（色谱峰在柱外死空间里的扩展效应）.色谱峰展宽的总方差等于各方差之和,即：
σ2＝σ2柱内＋σ2柱外＋σ2其它柱外效应主要由低劣的进样技术、从进样点到检测池之间除柱子本身以外的所有死体积所引起.为了减少柱外效应,首先应尽可能减少柱外死体积,如使用"零死体积接头"连接各部件,管道对接宜呈流线形,检测器的内腔体积应尽可能小.研究表明柱外死体积之和应＜VR/.其次,希望将样品直接进在柱头的中心部位,但是由于进样阀与柱间有接头,柱外效应总是存在的.此外,要求进样体积≤VR/2.
柱外效应的直观标志是容量因子k小的组分（如k＜2）峰形拖尾和峰宽增加得更为明显；k大的组分影响不显著.由于HPLC的特殊条件,当柱子本身效率越高（N越大）,柱尺寸越小时,柱外效应越显得突出.而在经典LC中则影响相对较小.