第二章 现代分离科学

第二章 现代分离科学

在分析化学的研究和应用中，虽然建立了大量有效的方法，但是这些方法能否解决所有的分析问题这一直是在考验分析化学研究人员的一个重大命题。在自然世界，物质的存在有其必然的规律，我们面临的往往是复杂的研究对象，所谓复杂是指这些研究对象一般都是有多个组分共存的，而且，就物质世界本身的规律而言，越是容易共存的物质，其性质上就越接近，越难于区分。另一类复杂物质就是人们为生产生活需要而人为故意制造的，也就是通常所谓的配方，出于达到某种效果的需要，可能添加的成分的范围非常广泛。再则，象化工生产等过程也难于避免副反应的发生，产品中一般都含有一定量的杂质。象这样的复杂样品对分析化学方法提出了特定的要求，这就是我们在讨论分析化学方法时必须提出的技术指标之一，即方法是否具有选择性。如果方法具有很高的选择性，那就可以在复杂组分中检测出待测组分，整个分析过程就简单而快捷，因此在分析化学发展的历程中，人们开展了大量的研究工作以追求分析方法的选择性。但是，任何事物都不以人的意志为转移，迄今为止，真正意义上具有高的选择性的方法并不多，一般的方法在测定中或多或少受到共存物质的干扰，甚至只能测定多种物质的总量而无法分别测定，这显然成为阻碍分析科学发展的一个重大瓶颈。为解决这一问题，在分析化学发展的过程中，形成了形形色色的各种分离方法，所谓分离即指将各种共存物质彼此分开，从而达到不相互干扰测定的目的。经典的分离方法包括沉淀、溶剂萃取、离子交换等，这些方法一般需要比较大量的样品和试剂，且以手工操作为主，程序比较复杂，对操作要求高，效率和精度均较差。其后更为有效的分离方法如色谱（层析）占据了分离方法的主流，包括气相色谱、液相色谱等，作为自动化的分离手段，获得了较高的分离效率并方便了应用，而且这些技术还可以与检测技术联用，包括各种类型的检测装置如热学、电子、光学、电化学检测器及质谱检测器等，这样色谱分离技术就和检测技术结合为一体同时完成了分离和分析两大任务，因此色谱技术迅速发展成为分析科学领域一个重要的学科分支。随着研究的不断深入和对分离工作的要求的提高，更多的分离技术也在不断涌现，如近些年很快发展起来的固相萃取、固相微萃取、液相微萃取等，也为分离技术提供了更多的技术途径。现代科学技术的发展日新月异，分析科学技术迅速渗透到生命科学、环境科学等领域，各种极其复杂的研究对象和特殊的样品对分离技术提出了更高的要求，在这样的背景下，一系列新型的分离技术迅速地发展成熟起来，本章将重点介绍其中部分重要的技术。

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§2.1 现代色谱分析技术

色谱分析已经成为非常经典和实用的分离分析技术，其基本的分离模式包括气相色谱分离和液相色谱分离，其中气相色谱分离又包括基于吸附和分配的不同分离模式，液相色谱分离的分离模式则更多，除吸附和分配外，还包括离子交换、空间排阻等。在这些经典的色谱分离基础上，还发展形成了多种各具特色的现代色谱分离方法。

§2.1.1高效薄层色谱法

薄层色谱（thin layer chromatography，TLC）是将固定相均匀涂抹在玻璃板（或塑料板/铝制薄板）上成膜，用毛细管或适当的点样装置将试样点加在薄层的起始线上，等溶剂挥发后置于展开槽内用一定的溶剂展开，当展开到适当距离时取出，晾干、显色后进行定性、定量分析。薄层色谱具有操作简单、快速、不怕污染，流动相选择范围宽，有利于不同性质的化合物的分离与分析等特点。

薄层色谱是20世纪50年代由Kirchner等由经典柱色谱和纸色谱发展而来。20世纪60年代，Stahl等对薄层色谱进行了标准化、规格化及扩大应用等方面的工作，但由于自动化、分辨率及重现性等方面的不足较长时间停留在定性和半定量水平上。20世纪70年代开始，薄层色谱向仪器化、高效化发展，逐步形成了高效薄层色谱，即在高效薄层板上进行组分分离，并用仪器代替手工操作，得到分辨率极高的色谱图，再配以高质量的薄层色谱扫描仪，大大提高了薄层色谱定量结果的重现性和准确度。目前，高效薄层色谱已成为色谱领域不可或缺的一个分支。样品在薄层板上被分离的原理和柱色谱类似，按分离原理可分为吸附薄层色谱、分配薄层色谱、离子交换薄层色谱和空间排阻薄层色谱等，其中应用最广泛的是吸附薄层色谱。 1. 薄层色谱的技术参数

薄层色谱的分离操作过程与柱色谱不同，其技术参数也不完全相同。 （1）. 定性参数

比移值Rf

Rf?L1L0 （2-1）

L1为原点中心到样品斑点中心的距离；L2为原点中心到溶剂前沿的距离，如图2-1所示。

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图2-1 薄层色谱图及比移值

Rf值和样品、固定相、展开剂的性质均有关，可作为组分定性的参数。由图1可知Rf

只能在0 ? 1之间，实际操作中一般要求Rf在0.2 ? 0.8 之间。由于Rf值受到诸多因素的影响，不同色谱条件下很难比较，控制色谱条件也比较有限，因此往往用相对比移值Rr来定性。

Rr?Rf(i)Rf(s) （2-2）

Rf(i)和Rf(s)分别表示组分i和参考物质s在同一条件下测得的Rf值。Rr可大于也可小于1，可消除系统误差，所以重现性和可比性比Rf好。参考物质可以是加入的纯物质，也可以是样品中的某一已知组分。

1966年Gaspanri等提出了保留常数值RM：

RM?lg(1?1)Rf （2-3）

公式2-3表明保留常数和化合物Rf之间或与被测化合物结构之间存在的关系，用其可以推测同系物的RM值或鉴定同系物。

环形展开比移值Rfc为被分离物质原点迁移的半径与溶剂由原点至前沿半径的比值。由于直线展开时的移动距离与环形展开时的半径的平方相当，所以：

(Rfc)2?Rf （2-4）

环形展开适用于Rf值比较小的化合物，因为在环形展开时，在高比移值范围斑点扁平较分散，而在低比移值范围斑点集中，分离度好。 （2）. 相平衡参数

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薄层色谱的相平衡参数和柱色谱相同，用分配系数K和分配比k表示。比移值Rf与分配系数、分配比之间的关系为：

VsVm1?Rf或 k? 2-1-5 Rf （2-5）

1?K由2-5可知，Rf为1的组分，K或k为0，表示该组分不被固定相所保留；Rf为0的组分，K或k趋于?，表示该组分不溶于流动相，不被流动相所洗脱而停留在原点。 （3）. 分离参数

分离度（resolution，R）是薄层色谱的重要分离参数：

Rf?1?1 2-1-4 1?kR?d(w1?w2)2 （2-6）

w2分别为两个斑点的宽度，如图2-2所示。显然，

式中d为两个斑点的中心距，

w1，

薄层色谱中相邻两斑点之间的距离d越大，斑点面积越小，分离度越大，分离效能越好。

图2-2 薄层色谱的分辨率

分离数（separation number，SN）是衡量薄层色谱分离容量的主要参数。SN指相邻斑点的分离度为1.177时，在Rf=0和Rf=1两组分斑点之间能容纳的色谱斑点数。

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SN?L0?1b0?b1 （2-7）

式中L0指原点至前沿的距离，b0和b1分别为薄层扫描所得的Rf=0和Rf=1的组分的半峰宽。实际上b0和b1不能由薄层扫描图上直接得到，而是通过测量其他组分的Rf值和半峰宽，线性回归外推得到。经典薄层板的SN在7?10，高效薄层板的SN在10?20范围内。 （4）. 板效参数

薄层色谱也是用理论塔板数（number of theoretical plate，n）来表示分离效率的。n主要决定于色谱系统的物理特性，如固定相的粒度、均匀度、活度以及展开剂的流速及展开方式等。

n?16(L2)W （2-8）

式中L为原点到斑点中心的距离，W为组分斑点的宽度。n越大表明该薄层板的效能越高，斑点集中。普通TLC的n通常为600，高效TLC的n可达5000或更大。

和液相色谱一样，理论塔板高度（height of plate, H）也能表征分离效能。

H?2. 高效薄层色谱实验技术

L0n （2-9）

实现薄层色谱分析主要有两种途径，一是利用简易的实验室制备薄层板或商品薄层板采用手工或半自动方式点样、展开、显色并进行定性和半定量分析。在实验中主要考虑的问题包括固定相和黏合剂的选择、薄层板制备与活化、点样方式的选择、展开剂的选择以及定性和半定量的方法等，而现代高效薄层色谱则主要采用性能优良的商品薄层板，采用自动点样装置并利用高精度的薄层扫描仪完成分析测试工作，达到较高的分离分析水平。 （1）. 薄层色谱实验技术要素

薄层色谱所用固定相和一般柱色谱相同，但粒径较小，分离亲脂性化合物常选用氧化铝、硅胶及聚酰胺；分离亲水性化合物，常选用纤维素、离子交换纤维素、硅藻土及聚酰胺等。在固定相中经常需要加入黏合剂如煅石膏（CaSO4?2H2O）、羧甲基纤维素钠和淀粉等以保证固定相的稳定。有时为了分离某些物质的特殊需要，还可加入少量荧光剂、pH调节剂、络合剂等物质，制备成荧光薄层板、络合薄层板、酸碱薄层板等。

在薄层色谱技术中，点样是造成定量误差的主要来源。点样的一般要求是点样量合适，剂量准确，点样区带窄，重现性好。点样可采用手动点样、半自动点样和自动点样。高效薄

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