一 色谱分离和相应基础理论范畴

所有色谱分离体系都由两相组成，即固定不动的固定相和在外力作用下带着试样通过固定相的流动相。淋洗色谱过程流动相以一定速率连续流经色谱柱，被分离试样注入色谱柱柱头，试样各组分在流动相和固定相之间进行连续多次分配，由于组分与固定相和流动相作用力的差别，在两相中分布常数不同。在固定相上溶解、吸着或吸附力大，即分布常数大的组分迁移速率慢，保留时间长；在固定相上溶解、吸着或吸附力小，即分布常数小的组分迁移速率快。结果是试样各组分同时进入色谱柱，而以不同速率在色谱柱内迁移，导致各组分在不同时间从色谱柱洗出，实现组分分离。

试样组分在色谱体系或柱内运行有两个基本特点：一是混合物中不同组分的迁移速率不同，即差速迁移；二是同种组分分子在迁移过程中分布空间扩展，即分子分布离散。色谱基础理论是从微观分子运动和宏观分布平衡探讨最大限度提高分离迁移和降低离散迁移的科学原理，包括色谱热力学、色谱动力学和色谱分离理论。

不同组分的差速迁移或保留值的大小不同主要取决于组分或溶质（在色谱学中溶质一般均指被分离物质）与固定相作用力差异，与组分在两相中分布常数有关。分布常数大小源于组分或溶质、固定相、流动相分子结构及作用力的差别。研究分子结构与色谱保留值的关系及溶质在各种色谱条件下保留值的变化规律是色谱热力学研究的主要课题；它是发展高选择性色谱体系，特别是研发色谱固定相，探讨色谱分离机理、评价色谱固定相、流动相，建立色谱定性方法的理论基础。分子间作用类型和作用力大小与各种聚集态的微观分子状态密切相关，因此各种色谱类型，其色谱热力学的理论，如保留值方程等差别较大，一般将结合具体色谱方法讨论。

色谱过程的分子离散是同一化合物分子沿色谱柱迁移过程发生分子分布区域扩展，同种分子迁移速率差异来源于分子运动的速率差异，即在连续多次分配过程中流体分子扩散、传质等导致分布区带展宽。色谱过程流体分子运动规律是色谱动力学研究的课题，它是发展高效色谱柱材料、柱技术和色谱方法的理论基础。

色谱分离既要求组分保留值差别大，也要求色谱区带窄；改变色谱操作条件，两者均可发生变化。解决多组分混合物分离，不仅要求组分分离，还要求分离速度快、分离的组分多。这是一个与色谱热力学、色谱动力学有关的分离理论研究课题。它是研究、设计高效、高速、高选择性、高峰容量色谱分离材料或介质，色谱体系选择和色谱操作条件优化的理论基础；也是色谱方法选择、操作条件优化、色谱数据处理计算机程序设计的理论基础。

各种色谱方法具有基本相同的动力学理论，也有相似的分离理论规律，下两节将分别介绍这方面内容。

二 分布平衡

色谱过程涉及溶质在两相中的分布平衡（distributionequilibrium)，平衡常数K称为分布系数或分配系数，定义为

K=c_s/c_m

式中cs是溶质在固定相的浓度，cm是溶质在流动相的浓度，K是溶质在两相中分布平衡性质的度量，反映溶质与固定相、流动相作用力差别，决定溶质与固定相、流动相的分子结构。对淋洗色谱，主要决定溶质与固定相的分子结构。

热力学是描述平衡的最普遍方法，由此可导出平衡常数K与热力学参数之间的关系。溶质在两相间分布达到平衡，自由能不再变化，

(△G）T，p=0

即溶质在两相中的化学势相等。溶质在固定相的化学势产：和在流动相中的化学势μm分别为

μs=μs^θ+RTlnas

μm=μm^θ+RTlnam

式中a是溶质活度，μθ是溶质标准化学势，脚标s,m分别表示流动相和固定相，a=1时，μ=μθ。平衡状态下：

μs^θ+RTlnas=μm^θ+RTlnam

由于化学势和自由能的绝对值无法测定，活度也不总是已知。色谱体系中溶质量很小，可作稀溶液处理，活度R可用浓度。代替：

RTln(cs/cm)＝-(μsθ一μm^θ）

可导出平衡常数：

K=cs/cm=exp(△μ^θ/RT)                             (1-1)

式（1-1)表述分布平衡常数与有关状态函数之间关系，与其他平衡分离过程的分配系数的物理化学含义是一致的。在温度恒定时，△μθ是常数，K亦为常数。

三 分布等温线

分布系数与溶质浓度无关或随溶质浓度变化而改变。在恒定温度下，将cs对cm作图所得组分或溶质在两相中的浓度关系曲线，称为分布等温线。一般来说，色谱中存在三种类型分布等温线。一类为线性，其分布系数与溶质浓度无关的常数，能获得对称的色谱峰，分配色谱大多属这种类型。另两类呈非线性，分配系数随溶质浓度增大而变化。若等温线呈凸形，洗出不对称拖尾色谱峰，吸附色谱一般属这种类型。若等温线呈凹形，洗出前伸色谱峰。

四 分布等温线方程

描述吸附等温线的数学方程称为等温线方程。由于固体对气体或溶液的吸附现象十分复杂，等温线形状多种多样，有些还无合适方程来描述，在色谱领域常用的等温线方程主要有三种。

（一）Freundlich方程

FreundlichHMF(弗罗因德利希）从许多等温线总结出一个包含K的经验公式：

X/m=Kp^1/n

式中n为常数，X为吸附溶质的量，m为固体吸附剂的量，p为溶质的气体平衡分压。X/m和分压p可用溶质在固足相相流动相的浓度表示。

cs=Kc1/nm

取对数：

lgcs=1gK+1/nlgcm

若1/n=1，为线性等温线；1/n＜1，呈凸形等温线；1/n＞1，呈凹形等温线。

（二）Langmuir方程

Langmuir1(朗缪尔）假设吸附剂表面均匀，被吸附溶质分子间无作用力；形成单分子吸附层，在一定条件下吸附与脱附平衡，提出单分子层吸附等温线方程。

X/m=cs=K1K2p/1+K1p

式中K1为分布系数，K2为形成单分子吸附层的饱和吸附量。其他符号与上式相同，即p为cm。

在溶质分压或在流动相中浓度低时，Klcm<<1，则cs≈K1K2cm，与上述Fre-undlich经验方程相似，cs与cm成正比，等温线呈线性。在溶质分压或在流动相中浓度高时，K1cm》1，cs≈K2,形成饱和单分子吸附层，cs接近常数。

（三）BET(Bmmaure-Emmett-Teller）方程

它是在Freundlich单分子吸附层理论基础上发展起来的多分子层吸附理论，溶质在固体表面上吸附基于范德华力，吸附溶质分子间也存在范德华力，在单层吸附上还可能发生第二、第三层，即多层吸附，吸附量用下式表示：

X/m=cs=K2Cp/(p0-p)[1+(C-1)p/p0]

式中p0为实验温度下溶质饱和蒸气压，C是与吸附热有关的常数，其他字符含义与上两式相同。上式可改写为

p/cs(p0-p)=1/CK2+(C-1)p/K2Cp0

这是一个直线方程，以p/cs(p0-p)对p/p0作图得到一直线，其斜率为（C-1)/(CK2)，截距是1/(CK2)，由这两个数据可求出固体表面单分子吸附层的饱和吸附量K2。当被吸附分子的截面积已知，即可求出固体附剂的表面积。

根据上述BET几个等温线方程，可用吸附法测定各种吸附剂、色谱固定相填料的表面微孔结构、孔径、孔容、表面积。等温线方程亦用于研究固定相、色谱改性剂在固定相基质上的分布和物理形态及对色谱保留的影响；探讨色谱保留机理和动力学过程。因此，分布等温线方程在色谱基础研究、分离介质制备和表征、色谱方法设计、分离条件选择和优化等具重要应用价值。

五 色谱流动相流速

气相色谱的流动相为气体，常称为载气。液相色谱流动相常称为淋洗液或洗脱液。稳定的流动相流速是色谱系统正常运行的基本条件。流动相流速影响色谱柱效、分离度、分离速度和溶质保留体积等，是色谱分离优化的重要操作条件，也是计算保留体积等的基本参数。流动相的流速通常有两种度量方式。

1．体积流量

以Fc表示，为单位时间流过色谱柱的平均体积表示，单位一般为mL·min-1。液相色谱流动相的Fc采用校正过的容器收集柱后一定时间内流出流动相的体积测定。液体的压缩性很小，体积和密度随柱前压力或反压变化可以忽略，因而柱内平均体积流量与柱后测定流速基本一致。气体可压缩，其体积随压力、温度变化。气相色谱柱内各段压力呈梯度下降，柱温一般与室温不同，沿色谱柱的载气密度、体积流速亦不相同。欲测定平均体积流量，需测定柱内平均压力。一般用皂膜流速计测定气相色谱柱后大气压和室温下的体积流量，根据色谱前压和柱后压力比求出气体压缩性系数，经气体压缩性和柱温校正，可求出柱内室温、大气压下平均体积流速。

2．线速度

以μ表示，定义为单位时间内流动相流经色谱柱的长度，也可称为速率，单位是cm·min-1,mm·min-1或mm·s-1。实际应用中，一般根据柱长（L）和死时间（tM）求出。

μ=L/tM