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Van Deemter各項與最佳線速

科目:專技 - 藥物分析與生藥學(包括中藥學)|題數:14
Van Deemter各項與最佳線速
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建立於 2026年10月22日

學習重點 熟記 Van Deemter 方程式 H=A+B/u+Cu,能辨認各項的物理意義,以及各項與線性流速的關係。 建立「H 越小、效率越好」的觀念:低流速由縱向擴散(B/u)主導,高流速由質量轉移阻力(Cu)主導。 區分固定相質量轉移(C_s)與移動相質量轉移(C_m),理解粒徑、液膜厚度、擴散係數及管柱內徑的影響;一般液相層析在高流速時,標準答案取固定相質量轉移。 理解開口毛細管沒有多重流路效應(A=0),以及 GC 攜行氣體的惰性與擴散性質如何影響峰帶與最佳線速。 分清方程式中的參數,以及樣品注射量、管柱長度等不屬於方程式的因素。 核心觀念 一、先看懂 H、u 與管柱效率 Van Deemter 方程式可應用於氣相層析與液相層析,用來說明管柱效率及帶加寬現象。基本形式為H=A+B/u+Cu。H 為理論板高,也稱理論板等效高度(HETP);u 或 μ 為移動相的線性速度。線性速度是移動相沿管柱前進的距離除以時間,不能直接等同體積流量,也不是待測物(分析物)在管柱中的移動速率。 理論板數 N、管柱長度 L 與理論板高的關係為H=L/N。相同管柱長度下,H 越小,N 越大,管柱效率越好。Van Deemter 曲線以 u 為橫軸、H 為縱軸,曲線最低點就是效率最佳的位置。 二、三項帶加寬機制與流速關係 項目物理意義與線速的關係主要影響因素 A渦旋擴散(eddy diffusion),又稱多重流路效應(multiple flow paths)簡化模型中與 u 無關填料粒徑、形狀、填充均勻程度 B/u縱向擴散(longitudinal diffusion),又稱分子擴散(molecular diffusion)u 越小,貢獻越大分析物在移動相中的擴散係數(GC 中即在攜行氣體中的擴散係數) Cu質量轉移阻力(resistance to mass transfer)u 越大,貢獻越大分析物在固定相與移動相中的擴散速率、固定相液膜厚度、粒徑與傳質距離 A 項:填充管柱中,分子繞過填料所走的路徑長短不一,即使同時進入管柱,也會在不同時間到達出口,造成峰帶加寬。較小且均勻的顆粒與良好填充可降低此效應。「渦旋」在此指多重路徑,不宜理解為一定發生紊流。 B/u 項:分析物沿管柱軸向由高濃度區擴散至低濃度區,使峰帶前後展開。流速越慢,停留時間越長,縱向擴散越明顯;因此極低流速時,影響最大的是分析物在移動相中的分子擴散。液相層析的移動相是液體,所以「分子在液相中的擴散速率」在低流速題中就是指移動相中的縱向擴散;「分子在固定相中的擴散係數」、「固定相顆粒大小」、「漩渦擴散」都不是低流速的主導因子。 Cu 項:分析物在移動相、固定相及填料孔隙間的傳遞需要時間。流速過快時,分子來不及在兩相間充分交換、達到局部平衡,前進速度產生差異,造成峰帶加寬。 三、質量轉移分成 C_m 與 C_s 較細分的形式為H=A+B/u+(C_s+C_m)u。 C_s(固定相質量轉移):與固定相液膜厚度及分析物在固定相(液膜)中的擴散速率密切相關,是與靜相特性關係最大的參數。液膜越厚,擴散距離越長,阻力越大;分析物在固定相中擴散越快,阻力越小。 C_m(移動相質量轉移):包括流動移動相中不同流速區域間的交換,以及填料孔隙中滯留移動相(stagnant mobile phase)與流動移動相間的交換,與粒徑及分析物在移動相中的擴散係數有關。 國考對「一般液相層析法中,高流速下何者造成帶加寬影響最大、選管柱時需特別注意」的標準答案是固定相質量轉移(stationary phase mass transfer);選項中的渦旋擴散、縱向擴散、移動相(含滯留移動相)質量轉移都不是此題型的答案。 C 項既然取決於分子在液膜(固定液)及液體移動相中的擴散,所以「C 值與分子在液相中的擴散速率有關」是正確敘述。「在液相中的擴散」須依題意判斷:問低流速主導因子時,指 LC 移動相中的縱向擴散(B);描述 C 項內容時,指分子在液相中擴散影響傳質速度。兩種說法都成立,不要看到「液相」就只歸入單一項。 四、最佳線速:兼顧縱向擴散與傳質阻力 當 A、B、C 可視為常數時,令 H 對 u 的變化率為零,可得最佳線速 u_opt=√(B/C),對應最低板高 H_min=A+2√(BC)。在最佳線速處,B/u 與 Cu 的貢獻相等。 流速太低,B/u 增大;流速太高,Cu 增大,所以不能認為越慢或越快越好。A 項不改變最佳線速的位置,但會提高整條曲線,使最低可達的 H 增大。 五、GC 毛細管與攜行氣體 壁塗式開口毛細管(wall-coated,WCOT)管內沒有填充顆粒,不存在多重流路,因此漩渦擴散係數不影響開口式管柱的峰帶加寬(A=0);但縱向擴散與質量轉移阻力仍然存在。開口管內徑越小,分子徑向擴散到管壁液膜的距離越短,傳質越快,效率越高。 內壁附著支撐物顆粒的管柱(support-coated)或填充管柱,因顆粒造成多重流路而有 A 項,這才是其效率較低的主要原因;說成「因縱向擴散係數較大而效率較低」是錯的,縱向擴散取決於分析物在攜行氣體中的擴散係數,並非管柱是否填充。 分析物在氣體中的擴散係數遠大於在液體中,兩相間交換較快,因此GC 的質量轉移阻力影響不會比液相層析大;反之,GC 的縱向擴散較明顯。 攜行氣體須為惰性,即在操作條件下不與分析物、固定相發生反應;惰性是化學性質,並不表示分子不擴散。常用氮、氦、氫。分子量較小的氣體(氫、氦)中分析物擴散較快:B 項增大,但移動相傳質較快,C 項減小,因此最佳線速較高、曲線較平坦,可用較快流速而效率下降不多;氮的最佳線速較低。擴散快同時影響 B 與 C,不能只看其中一項就判定整體效率。 六、小粒徑、管柱長度與進樣量的界線 UPLC 使用較小粒徑填料,可降低多重流路效應(A),並縮短固定相傳質及靜相孔隙中滯留移動相的擴散距離(C),使高流速下仍維持良好效率。縱向擴散(B)取決於分析物在移動相中的擴散係數,不是 UPLC 小粒徑所減少的項目。 與方程式有關的因素:填料顆粒形狀與大小(A、C)、固定相厚度(C_s)、分析物於移動相的擴散係數(B、C_m)、移動相流速(u)。與方程式無關的因素:管柱長度、樣品注射量。管柱長度影響的是 N(H=L/N),而非 H;樣品注射量不是方程式中造成帶加寬的參數。 常考陷阱 「H(HETP)值越大,管柱效能越高」:方向顛倒;H 越小越好,N 越大越好。 「B 值與 eddy diffusion 有關」或「A 是相間傳質、B 是多重路徑、C 是縱向擴散」:名稱錯置;A 配渦旋擴散/多重路徑、B 配縱向(分子)擴散、C 配質量轉移阻力。 「u 是待測物在管柱中的移動速率」:錯在對象;u(μ)是移動相的線性速度。 「Van Deemter 公式只適用液相層析」:錯;GC、LC 皆可應用。 低流速題選顆粒大小、渦旋擴散或固定相擴散係數:極低流速先找 B/u,即分子在移動相(LC 為液相)中的擴散。 LC 高流速題選移動相質量轉移或 stagnant mobile phase mass transfer:本類題標準答案為固定相質量轉移(C_s)。 「與靜相特性關係最大的是 A 或 C_m」:應為 C_s。 「開口式毛細管內徑越小,效率越低」:錯;內徑越小,傳質距離越短,效率越高。 「填充式管柱效率低是因縱向擴散係數較大」:錯;主因是有 A 項(多重流路)。 「GC 質量轉移阻力的影響比 LC 大」:錯;氣相擴散快,傳質阻力影響較小。 「UPLC 主要降低縱向擴散」:錯;UPLC 改善的是 A 項與 C 項(含孔隙中滯留移動相的擴散阻力)。 「管柱長度、樣品注射量屬於 Van Deemter 方程式的因素」:錯;二者與方程式無關,顆粒形狀、固定相厚度、流速、擴散係數才有關。 記憶口訣 「A 多路、B 縱擴、C 傳質;慢怕 B,快怕 C;H 要低,N 要高。」 「靜相看 C_s,開管 A 為零;管細效率高,管長注射不入式。」 「最佳根號 B 除 C,u 是動相線速度。」

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  1. 複選題29.下列有關 Van Deemter 公式的敘述,何者正確? (A)可應用於氣相層析 (B)H 值越大,代表管柱效能越高 (C)B 值與 eddy di...
  2. 32.根據Van Deemter公式,移動相在低流速下會造成層析管的效率下降,下列何因子在極低流速時影響最大? (A)分子在固定相中的擴散...
  3. 30.一般液相層析法中,移動相在高流速下會造成層析峰變寬現象,下列何因子在極高流速時影響最 大? (A)漩渦擴散 (B)縱向擴散 (C)...
  4. 33.在下列Van Deemter equation中,何種參數與靜相特性關係最大? (A)A (B)B (C)Cm (D)Cs
  5. 30.下列關於氣相層析所使用的開口式(wall-coated)及充填式(support-coated)兩種毛細管管柱之敘述, 何者正確? (A)漩渦擴...
  6. 30.根據 Van Deemter equation,下列何者與層析帶加寬無關? (A)樣品注射量 (B)靜相厚度 (C)靜相顆粒大小 (D)分析物於移動相...
  7. 33.下列有關Van Deemter equation,HETP=A + B/µ + Cµ之敘述,何者錯誤﹖ (A)A項為eddy diffusion與粒徑大小有關 (B)B項為mol...
  8. 37.一般液相層析法中,移動相在高流速下會造成層析峰變寬(band broadening)現象,下列 何因子受高流速影響最大? (A)渦旋...