[发明专利]一种基于随机扩散理论的气相色谱分离仿真方法

说明书

基于随机扩散理论的气相色谱分离仿真方法：色谱柱圆柱体结构及其内部能垒的建立；目标分离粒子在圆柱体内做自由随机扩散运动，其速度大小具有分布特征；目标分离粒子在能垒以外区域还做定向扩散运动，定向扩散的驱动力为载气，其扩散速度大小和方向与载气流速相同；对大量粒子在色谱柱内的扩散分离过程进行模拟，粒子流出色谱柱的时间分布即为检测信号。本发明的优点在于保留了制约扩散行为的关键信息，简化粒子之间的相互作用，从而减少计算量，提高运行效率，实现气相色谱的全过程分离动态模拟。

技术领域

本发明属于分析化学、计算化学、计算机仿真领域，具体涉及一种基于随机扩散理论的气相色谱分离仿真方法。

背景技术

粒子扩散问题是微观理论化学研究中的基本问题，更是研究传质过程和计算传质速率的重要基础。实验上通常采用荧光显微镜、原子力显微镜等单粒子跟踪技术来追踪粒子的扩散过程。这些技术手段大大提高了人们对粒子微观运动的认识，然而基于现有的技术水平，依靠实验方法还不足以获得较为全面的扩散信息。随着计算技术的飞速发展，计算机模拟方法将成为分子微观行为研究中的重要辅助手段。它打破了实验技术水平的限制，同时各实验条件参数经过计算机模型化处理后更能清晰准确的表达对扩散行为的影响，从而揭示出粒子扩散的本质规律以及不同操作条件下的扩散模式，为实验提供理论基础。

色谱法是分离分析中最为常见的方法之一，其分离过程中的扩散问题是色谱动力学研究的基础。深入理解粒子在两相中的扩散和传质行为，探索不同条件下的扩散机理，可有效控制峰展宽、提高分离度，为实现快速优化分离、提升色谱性能和改进分离器件提供了重要的理论依据。

从微观上描述色谱扩散分离的方法可分为分子动力学和蒙特卡罗两种。分子动力学方法是一种确定性的模拟方法，其优势在于可全面模拟体系所经历的物理化学全过程，精确获取体系内部各种物理化学信息。例如考察气相色谱中气液界面的吸附和分配，非极性和极性物质在反相液相色谱中的保留机理，待测物质在气相色谱中的过保留行为以及流动相改性对分配的影响等等。而蒙特卡罗方法是随机动力学方法，求解问题通过建立概率模型然后统计分析得出，该方法侧重于结果而忽略过程中的细节。目前这两种方法均用于处理色谱吸附热力学、待分离物质的性质以及溶剂化环境等局部问题，尚未用于研究色谱扩散分离的整体情况，实现色谱的全过程模拟。这是因为现有的计算水平往往适用于较小的扩散体系，而对于色谱分离这种较大规模的扩散体系来说，计算量过大，模拟用时远远超过可以接受的程度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明研究了一种基于随机扩散理论的气相色谱分离仿真方法。该方法保留了制约扩散行为的关键信息，对粒子与固定相之间的溶解作用或吸附作用进行合理简化，将模拟步长的时间尺度放大，减小运算量，提高运算效率，实现对气液色谱和气固色谱扩散分离的全过程模拟。

为了实现上述目的，本发明创造采用的技术方案为：一种基于随机扩散理论的气相色谱分离仿真方法，其特征在于，其步骤为：

1)将气相色谱的色谱柱用数学圆柱体描述，其中圆柱体长度和内径分别对应气相色谱柱的柱长和内径；色谱柱内的固定相用能垒描述，色谱柱内壁表面附有能垒层时对应模拟毛细管柱；色谱柱空腔内包含均匀分散的能垒颗粒时对应模拟填充柱；

2)利用随机扩散运动描述粒子的无规则运动：目标分离粒子在圆柱体内无能垒区域做自由随机扩散运动，其扩散方向全随机，得到具有分布特征的扩散速率；

3)利用定向扩散运动描述目标分离粒子收到的载气驱动作用：目标分离粒子在圆柱体内无能垒区域做自由随机扩散运动外，还做定向扩散运动，定向速度大小和方向与载气流速大小和方向相同；

4)利用随机扩散速度衰减表示粒子在能垒即固定相中的溶解作用：目标分离粒子与能垒碰撞后进入能垒，粒子不受载气定向驱动作用的影响，在能垒内部只做随机扩散运动，且随机扩散速度小于能垒外区域的随机扩散速度；