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现代分离技术课件第一章 概论1 jiangke yong.doc

现代分离技术课件第一章 概论1 jiangke yong

天地无极
2018-09-05 0人阅读 0 0 0 暂无简介 举报

简介:本文档为《现代分离技术课件第一章 概论1 jiangke yongdoc》,可适用于医药卫生领域

现代分离技术与分析(学时)第章概论次第章色谱分离技术理论次第章气相色谱次第章液相色谱次第章毛细管电泳次第章应用次张书胜zhangshushengnet第一章概论第节分析仪器的作用与发展史化学是研究物理原子、分子、生物大分子、超分子和凝聚态的组成、结构、性质、化学反应及其规律和应用的科学。分析化学是化学测量和表征的科学是研究获取物质化学组成和结构信息的科学分析测试是科技与生产的眼睛是衡量一个国家科技与经济发展水平的主要标志。众所周知世纪的光明前景取决于人类在能源科学、材料科学、信息科学、环境科学与生命科学的进步而取得这些领域进步的许多关键问题的解决都迫切需要现代分析化学都要求有分子-原子级水平和纳米尺度的新的分析检测方法要求有活体(invivo)、原位(insite)、在线(online)、实时(realtime)和多维分析(DA和DA)要求有分离分析联用一体化的高效、快速检测的分析方法等。现代分析化学的目标是要求获得更多、更好的化学信息但希望消耗更少的材料、时间、精力、风险和经费。从应用的分析手段来说分析测试方法大体上可分为化学法、物理法、化学物理法。化学法是以化学反应和化学性质为基础的分析检测方法(化学分析)它是分析化学的基础。物理法是以物理性质作为分析检测依据的方法(如以吸附或分配为基础的色谱法和毛细管区带电泳法等)。所谓物理性质就是指光、电、热、声和磁等这些性质。由于欲测定这些物质性质常需要使用组装成套的商品仪器来快速地完成。于是常叫做“仪器分析”(InstrumentalAnalysis)。仪器分析这个名称容易误解成对于仪器本身进行分析或组装(Instrumentation)所以必须正确理解这个名称的实质是以成套的(成型的)物理仪器或特殊的仪器设备(统称为商品仪器或分析仪器)为手段来从事和获取物质(试样)的化学组成和结构信息的分析测试方法。所以人们习惯上把分析化学中的各种分析方法不严格的区分为化学分析和仪器分析两大类。人们为了更好的认识自然、改造自然需要一定的工具来延伸手及眼睛的功能。分析仪器的出现正好为人们提供了不断深入认识自然的可能性同时也为人们在改造自然的过程中起着保证的作用。当代生物技术、计算机技术和信息科学等新成就以及各种联用技术的引入使现代仪器分析(ModernInstrumentalAnalysis)进入了一个崭新的境界。从世界化学史来看分析derlyingthesynthesisofadenosinetriphosphate(ATP)JENSCSKOUforthefirstdiscoveryofaniontransportingenzyme,Na,KATPaseROBERTFCURL,Jr,SIRHAROLDWKROTO,andRICHARDESMALLEYfortheirdiscoveryoffullerenesPAULCRUTZEN,MARIOMOLINA,andFSHERWOODROWLANDfortheirworkinatmosphericchemistry,particularlyconcerningtheformationanddecompositionofozoneGEORGEAOLAHforhiscontributiontocarbocationchemistryTheprizewasawardedforcontributionstothedevelopmentsofmethodswithinDNAbasedchemistryequallybetween:KARYBMULLISforhisinventionofthepolymerasechainreaction(PCR)methodMICHAELSMITHforhisfundamentalcontributionstotheestablishmentofoligonucleiotidebased,sitedirectedmutagenesisanditsdevelopmentforproteinstudiesRUDOLPHAMARCUSforhiscontributionstothetheoryofelectrontransferreactionsinchemicalsystemsRichardRErnstforhiscontributionstothedevelopmentofthemethodologyofhighresolutionnuclearmagneticresonance(NMR)spectroscopy对晶体电子显微镜的发展ELIASJAMESCOREYforhisdevelopmentofthetheoryandmethodologyoforganicsynthesisTheprizewasawardedjointlyto:SIDNEYALTMANandTHOMASRCECHfortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNAJOHANNDEISENHOFER,ROBERTHUBERandHARTMUTMICHELforthedeterminationofthethreedimensionalstructureofaphotosyntheticreactioncentreTheprizewasawardedjointlyto:DONALDJCRAM,JEANMARIELEHNandCHARLESJPEDERSENfortheirdevelopmentanduseofmoleculeswithstructurespecificinteractionsofhighselectivityTheprizewasawardedjointlyto:DUDLEYRHERSCHBACH,YUANTLEEandJOHNCPOLANYIfortheircontributionsconcerningthedynamicsofchemicalelementaryprocessesTheprizewasawardedjointlyto:HERBERTAHAUPTMANandJEROMEKARLEfortheiroutstandingachievementsinthedevelopmentofdirectmethodsforthedeterminationofcrystalstructuresROBERTBRUCEMERRIFIELDforhisdevelopmentofmethodologyforchemicalsynthesisonasolidmatrixHENRYTAUBEforhisworkonthemechanismsofelectrontransferreactions,especiallyinmetalcomplexesSirAronKlugforhisdevelopmentofcrystallographicelectronmicroscopyandhisstructuralelucidationofbiologicallyimportantnucleiacidproteincomplexes对晶体电子显微镜的发展KENICHIFUKUIandROALDHOFFMANNfortheirtheories,developedindependently,concerningthecourseofchemicalreactionsPAULBERGforhisfundamentalstudiesofthebiochemistryofnucleicacids,withparticularregardtorecombinantDNAWALTERGILBERTandFREDERICKSANGERfortheircontributionsconcerningthedeterminationofbasesequencesinnucleicacidsHERBERTCBROWNandGEORGWITTIGfortheirdevelopmentoftheuseofboronandphosphoruscontainingcompounds,respectively,intoimportantreagentsinorganicsynthesisPETERDMITCHELLforhiscontributiontotheunderstandingofbiologicalenergytransferthroughtheformulationofthechemiosmotictheoryILYAPRIGOGINEforhiscontributionstononequilibriumthermodynamics,particularlythetheoryofdissipativestructuresWILLIAMNLIPSCOMBforhisstudiesonthestructureofboranesilluminatingproblemsofchemicalbondingSIRJOHNWARCUPCORNFORTHforhisworkonthestereochemistryofenzymecatalyzedreactionsVLADIMIRPRELOGforhisresearchintothestereochemistryoforganicmoleculesandreactionsPAULJFLORYforhisfundamentalachievements,boththeoreticalandexperimental,inthephysicalchemistryofthemacromoleculesERNSTOTTOFISCHERandSIRGEOFFREYWILKINSONfortheirpioneeringwork,performedindependently,onthechemistryoftheorganometallic,socalledsandwichcompoundsCHRISTIANBANFINSENforhisworkonribonuclease,especiallyconcerningtheconnectionbetweentheaminoacidsequenceandthebiologicallyactiveconfirmationSTANFORDMOOREandWILLIAMHSTEINfortheircontributiontotheunderstandingoftheconnectionbetweenchemicalstructureandcatalyticactivityoftheactivecentreoftheribonucleasemoleculeGERHARDHERZBERGforhiscontributionstotheknowledgeofelectronicstuctureandgeometryofmolecules,particularlyfreeradicalsLUISFLELOIRforhisdiscoveryofsugarnucleotidesandtheirroleinthebiosynthesisofcarbohydratesTheprizewasdividedequallybetween:SIRDEREKHRBARTONandODDHASSELfortheircontributionstothedevelopmentoftheconceptofconformationanditsapplicationinchemistryLARSONSAGERforthediscoveryofthereciprocalrelationsbearinghisname,whicharefundamentalforthethermodynamicsofirreversibleprocessesMANFREDEIGENRONALDGEORGEWREYFORDNORRISHandLORDGEORGEPORTERfortheirstudiesofextremelyfastchemicalreactions,effectedbydisturbingtheequlibriumbymeansofveryshortpulsesofenergyROBERTSMULLIKENforhisfundamentalworkconcerningchemicalbondsandtheelectronicstructureofmoleculesbythemolecularorbitalmethodROBERTBURNSWOODWARDforhisoutstandingachievementsintheartoforganicsynthesisDOROTHYCROWFOOTHODGKINforherdeterminationsbyXraytechniquesofthestructuresofimportantbiochemicalsubstancesKARLZIEGLERandGIULIONATTAfortheirdiscoveriesinthefieldofthechemistryandtechnologyofhighpolymersTheprizewasdividedequallybetween:MAXFERDINANDPERUTZandSIRJOHNCOWDERYKENDREWfortheirstudiesofthestructuresofglobularproteinsMELVINCALVINforhisresearchonthecarbondioxideassimilationinplantsWILLARDFRANKLIBBYforhismethodtousecarbonforagedeterminationinarchaeology,geology,geophysics,andotherbranchesofscienceJaroslavHeyrovskyforhisdiscoveryanddevelopmentofthepolarographicmethodsofanalysis海罗夫斯基首先发展了极谱分析仪及分析方法FREDERICKSANGERforhisworkonthestructureofproteins,especiallythatofinsulinLORDALEXANDERRTODDforhisworkonnucleotidesandnucleotidecoenzymesSIRCYRILNORMANHINSHELWOODandNIKOLAYNIKOLAEVICHSEMENOVfortheirresearchesintothemechanismofchemicalreactionsVINCENTDUVIGNEAUDforhisworkonbiochemicallyimportantsulphurcompounds,especiallyforthefirstsynthesisofapolypeptidehormoneLINUSCARLPAULINGforhisresearchintothenatureofthechemicalbondanditsapplicationtotheelucidationofthestructureofcomplexsubstancesHERMANNSTAUDINGERforhisdiscoveriesinthefieldofmacromolecularchemistryARCHERJOHNPORTERMartinandRICHARDLAURENCEMILLINGTONSyngefortheirinventionofpartitionchromatography马丁和辛格发明了分配色谱EDWINMATTISONMCMILLANandGLENNTHEODORESEABORGfortheirdiscoveriesinthechemistryofthetransuraniumelementsOTTOPAULHERMANNDIELSandKURTALDERfortheirdiscoveryanddevelopmentofthedienesynthesisWILLIAMFRANCISGIAUQUEforhiscontributionsinthefieldofchemicalthermodynamics,particularlyconcerningthebehaviourofsubstancesatextremelylowtemperaturesARNEWILHELMKAURINTISELIUSforhisresearchonelectrophoresisandadsorptionanalysis,especiallyforhisdiscoveriesconcerningthecomplexnatureoftheserumproteins梯塞留斯采用电泳及吸附法发现了血浆蛋白质的性质SIRROBERTROBINSONforhisinvestigationsonplantproductsofbiologicalimportance,especiallythealkaloidsJAMESBATCHELLERSUMNERforhisdiscoverythatenzymescanbecrystallizedJOHNHOWARDNORTHROPandWENDELLMEREDITHSTANLEYfortheirpreparationofenzymesandvirusproteinsinapureformARTTURIILMARIVIRTANENforhisresearchandinventionsinagriculturalandnutritionchemistry,especiallyforhisfodderpreservationmethodOTTOHAHNforhisdiscoveryofthefissionofheavynucleiGEORGEDEHEVESYforhisworkontheuseofisotopesastracersinthestudyofchemicalprocessesTheprizemoneywasallocatedtotheMainFund()andtotheSpecialFund()ofthisprizesectionADOLFFRIEDRICHJOHANNBUTENANDTforhisworkonsexhormones(Causedbytheauthoritiesofhiscountrytodeclinetheawardbutlaterreceivedthediplomaandthemedal)LEOPOLDRUZICKAforhisworkonpolymethylenesandhigherterpenesRICHARDKUHNforhisworkoncarotenoidsandvitamins(Causedbytheauthoritiesofhiscountrytodeclinetheawardbutlaterreceivedthediplomaandthemedal)SIRWALTERNORMANHAWORTHforhisinvestigationsoncarbohydratesandvitaminCPAULKARRERforhisinvestigationsoncarotenoids,flavinsandvitaminsAandBPETRUS(PETER)JOSEPHUSWILHELMUSDEBYEforhiscontributionstoourknowledgeofmolecularstructurethroughhisinvestigationsondipolemomentsandonthediffractionofXraysandelectronsingasesFRICJOLIOTandIREJOLIOTCURIEinrecognitionoftheirsynthesisofnewradioactiveelementsHAROLDCLAYTONUREYforhisdiscoveryofheavyhydrogenTheprizemoneywasallocatedtotheMainFund()andtotheSpecialFund()ofthisprizesectionIRVINGLANGMUIRforhisdiscoveriesandinvestigationsinsurfacechemistryCARLBOSCHandFRIEDRICHBERGIUSinrecognitionoftheircontributionstotheinventionanddevelopmentofchemicalhighpressuremethodsHANSFISCHERforhisresearchesintotheconstitutionofhaeminandchlorophyllandespeciallyforhissynthesisofhaeminSIRARTHURHARDENandHANSKARLAUGUSTSIMONVONEULERCHELPINfortheirinvestigationsonthefermentationofsugarandfermentativeenzymesADOLFOTTOREINHOLDWINDAUSfortheservicesrenderedthroughhisresearchintotheconstitutionofthesterolsandtheirconnectionwiththevitaminsHEINRICHOTTOWIELANDforhisinvestigationsoftheconstitutionofthebileacidsandrelatedsubstancesTHE(THEODOR)Svedbergforhisworkondispersesystems斯维伯格采用超离心机研究分散体系RICHARDADOLFZSIGMONDYforhisdemonstrationoftheheterogenousnatureofcolloidsolutionsandforthemethodsheused,whichhavesincebecomefundamentalinmoderncolloidchemistryTheprizemoneyforwasallocatedtotheSpecialFundofthisprizesectionFRITZPREGLforhisinventionofthemethodofmicroanalysisoforganicsubstances弗雷兹发明了有机物的微量分析FRANCISWILLIAMASTONforhisdiscovery,bymeansofhismassspectrograph,ofisotopes,inalargenumberofnonradioactiveelements,andforhisenunciationofthewholenumberrule弗朗西斯发明了质谱技术可用来测定同位素FREDERICKSODDY,forhiscontributionstoourknowledgeofthechemistryofradioactivesubstances,andhisinvestigationsintotheoriginandnatureofisotopesWALTHERHERMANNNERNSTinrecognitionofhisworkinthermochemistryTheprizemoneyforwasallocatedtotheSpecialFundofthisprizesectionFRITZHABERforthesynthesisofammoniafromitselementsTheprizemoneyforwasallocatedtotheSpecialFundofthisprizesectionRICHARDMARTINWILLSTTERforhisresearchesonplantpigments,especiallychlorophyllTHEODOREWILLIAMRICHARDS,inrecognitionofhisaccuratedeterminationsoftheatomicweightofalargenumberofchemicalelementsALFREDWERNERinrecognitionofhisworkonthelinkageofatomsinmoleculesbywhichhehasthrownnewlightonearlierinvestigationsandopenedupnewfieldsofresearchespeciallyininorganicchemistryVICTORGRIGNARDforthediscoveryofthesocalledGrignardreagent,whichinrecentyearshasgreatlyadvancedtheprogressoforganicchemistryPAULSABATIERforhismethodofhydrogenatingorganiccompoundsinthepresenceoffinelydisintegratedmetalswherebytheprogressoforganicchemistryhasbeengreatlyadvancedinrecentyearsMARIECURIE,MarieSklodowska,inrecognitionofherservicestotheadvancementofchemistrybythediscoveryoftheelementsradiumandpolonium,bytheisolationofradiumandthestudyofthenatureandcompoundsofthisremarkableelementOTTOWALLACHinrecognitionofhisservicestoorganicchemistryandthechemicalindustrybyhispioneerworkinthefieldofalicycliccompoundsWILHELMOSTWALDinrecognitionofhisworkoncatalysisandforhisinvestigationsintothefundamentalprinciplesgoverningchemicalequilibriaandratesofreactionLORDERNESTRUTHERFORDforhisinvestigationsintothedisintegrationoftheelements,andthechemistryofradioactivesubstancesEDUARDBUCHNERforhisbiochemicalresearchesandhisdiscoveryofcellfreefermentationHENRIMOISSANinrecognitionofthegreatservicesrenderedbyhiminhisinvestigationandisolationoftheelementfluorine,andfortheadoptionintheserviceofscienceoftheelectricfurnacecalledafterhimJOHANNFRIEDRICHWILHELMADOLFVONBAEYERinrecognitionofhisservicesintheadvancementoforganicchemistryandthechemicalindustry,throughhisworkonorganicdyesandhydroaromaticcompoundsSIRWILLIAMRAMSAYinrecognitionofhisservicesinthediscoveryoftheinertgaseouselementsinair,andhisdeterminationoftheirplaceintheperiodicsystemSVANTEAUGUSTARRHENIUSinrecognitionoftheextraordinaryserviceshehasrenderedtotheadvancementofchemistrybyhiselectrolytictheoryofdissociationHERMANNEMILFISCHERinrecognitionoftheextraordinaryserviceshehasrenderedbyhisworkonsugarandpurinesynthesesJACOBUSHENRICUSVAN'THOFFinrecognitionoftheextraordinaryserviceshehasrenderedbythediscoveryofthelawsofchemicaldynamicsandosmoticpressureinsolutions发现了化学动力学的法则及溶液渗透压此外还有位物理学家在分析仪器方面作出了杰出贡献因而获得了诺贝尔物理学奖。()年W.C.Rontgen首先发明了X射线的存在()年S.Arrhenius对电解理论的贡献()年J.J.Thomson对气体电导率理论的研究及实验工作()年A.A.Michelson首先制造了光学精密仪器及对天体所作的光谱研究()年M.VonLane发现了结晶体X射线衍射()年W.H.Bragg及W.L.Bragg共同采用X射线对晶体结构进行分析()年C.G.Barkla发现各种元素X射线发射的不同()年W.Einthoven发现了心电图机制()年M.Sieghahn在X射线的仪器方面的发现与研究()年V.Raman发现了拉曼效应()年E.O.Lawrence发明并发展了回旋加速器()年I.I.Rabi用共振方法记录了原子核的磁性()年F.Block及E.T.S.Walton发展了核磁共振的精细测量方法()年F.Zernike发明了相差显微镜()年A.M.Cormack及G.N.Hounsfield发明了计算机控制扫描诊断()年K.M.Sieghahn发展了高分辨电子光谱仪现代分析仪器除了集中物理学、化学、电子学、计算机科学、化学计量学等学科的先进理论与技术外还采用了许多有关技术如:激光技术傅立叶转换技术分子束技术等其更新周期很短许多仪器用年就需要更新故应很谨慎的选购仪器必须事先对仪器性能有足够的了解否则会造成很大的浪费。分析过程通常包括采样、样品预处理、仪器校正、测量或表征和分析信号与数据处理等个环节。现代仪器分析的中心在于化学测量和表征在于研究获取物质化学组成和结构信息。第节现代分析仪器的基础..现代分析仪器的基本组成其基本构成如图所示JHJHKHK图现代分析仪器的组成结构框图现代分析仪器尽管种类繁多型式多变但归结起来就成为上图所示的大单元。..样品采样处理()样品的代表性这一原则看似简单但是在实践过程中会产生很多问题特别是涉及定量和重复性时样品的代表性就显得更加重要。对气体则需要附带有精密的刻度和密封阀门的气体量筒对色谱分析注射器及恒压力输送泵是必不可少的。在采样时温度、压力、流量的稳定对分析测试结果会产生较大影响。()改变物理状态时不改变成分特征对于有些样品需要外加能量使它活化或者进行标记然后进行分析测试时要求保证其成分特征不能改变。如激光光谱、发射光谱、质谱中的电子轰击过程以及裂解色谱中的热裂解等再如样品稀释、浓缩等等都不应该影响样品的原有成分特征。()排除样品中的干扰成分这个过程实质上可以认为是样品的简单或者叫做粗分离可以提高被测组分的丰度、检测灵敏度和选择性。..仪器的灵敏度和分辨率分析仪器的灵敏度和分辨率是分析仪器的重要性能指标但又是一对矛盾指标。从被检测的对象而言投入的量越少检测的信号越大越好这就是检测灵敏度高的概念但是通常伴有干扰信号的影响设计仪器时如何减少噪音水平提高检测灵敏度是仪器制造商和科学家始终追求的目标。()极限灵敏度(ultimatesensitivity)它是指仪器能确切地反映出某一组分的最小变化值也叫检测极限或最低检测限。检测限与检出限不同前者有定量的概念后者有定性含义。表列出了常见分析仪器的检测限。表常见分析仪器的检测限序号仪器名称主要用途检测限极谱仪溶液中可被氧化、还原的任何组分~mol经典极谱仪~mol交流极谱仪~mol方波极谱仪~mol脉冲极谱仪~mol溶出极谱仪~mol离子活度计溶液中多种阴阳离子分析~mol紫外和可见分光光度计有紫外和可见光吸收的物质~mol红外分光光度计鉴定化合物官能团特征~mol荧光光度计有荧光性质的组分分析~mol原子吸收分光光度计元素分析g发射光谱仪元素分析g电子探针微区分析器元素分析gX射线激发光电子谱仪元素分析g俄歇电子谱仪元素分析g核磁共振波谱仪结构定性、定量分析g质谱仪同位素、有机物质定性、定量分析g二次质谱仪元素分析g气相色谱仪易挥发有机化合物的定性定量分析gml气相色谱质谱仪易挥发有机化合物的定性定量分析gml液相色谱仪有机化合物的定性定量分析gml离子的分离分析gml聚合物的分子量分布研究gml液相色谱质谱仪有机化合物的定性定量分析gml超临界流体色谱仪天然产物的分离分析gml逆流色谱仪天然产物的分离制备mg凝胶电泳仪生化、蛋白质分离分析gml毛细管电泳仪生化、药物分离分析gml毛细管电泳质谱仪生化、药物分离定性定量分析gml从表可以看出新的毛细管电泳技术可以实现单分子检测也是目前检测灵敏度最高的分析仪器具有很大的发展前途。()分辨率与灵敏度对应的就是分辨率(Resolution)在分析仪器中有类仪器有自己的分辨率指标。A.光谱仪器的分辨本领(ResolvingPower)指波长相近两条谱带的分开能力R=(((()B.质谱仪分辨能力也用ResolvingPower一词它是表示不同质量组分分离和辨认的程度R=(mm)(mm)()C.核磁共振波谱有它的独特性它是用邻二氯甲苯为样品它的最大峰的半峰宽(Hz)为分辨率的数值。D.色谱分辨率是以它的相邻间的分辨程度表示R=(tRtR)(ww)()..现代分离是分析技术的“前沿”课题从古代的点金和炼丹技术开始人们便开始了通过对化合物的分离和筛选等开展了比色、比味、比嗅、比重等宏观分析方法逐步发展并观察到物质的吸收、放热、熔解、化合、分解等现象的经典化学分析方法。然而直到本世纪中叶由于新能源、高分子和半导体信息材料、生物蛋白和细胞生命科学、环境科学等新兴技术的飞跃发展迫使人们已不能再停留在对分子状态的解析而必须创造出能分析原子、电子及离子状态时的高精度、快速甚至能观察瞬间动态变化的各种新型分析仪器。而且宇宙间物质的存在和变化绝大多数是共生状态所谓“纯”物质只是相对的概念。因此不论是定性或定量分析时均不可避免的要将这些共生物质进行分离所以分离手段也就相应地提高到一个新的技术高度它往往是取得“精确”分析的一个技术“前沿”。经过多年反复实践常用的有效分离手段按历史发展排序有以下几种方式:()蒸馏利用物质的沸点或挥发性的不同在加热减压以至真空状态下福利混合物是一种经典有效方法统称为蒸馏。它的方式很多从简单的蒸馏、精馏、恒沸蒸馏、真空蒸馏以至发展到对固态材料的区熔提纯等现已广泛用于化学、石油、食品、冶金、半导体、原子能等方面的物质分析。()离心转速高于rmin的离心机既能对样本进行分离、浓缩和提纯又借光学系统能对样品沉降行为进行观察、测量和分析。有的气体离心机甚至可以分离铀中的同位素科学研究用的超高速离心机还可以测定高分子溶胶中高聚物的分子量。()离子迁移离子在单位电场强度下的迁移速度称为离子淌度亦称“离子迁移速率”其值视离子种类及电场强度而异。()膜分离利用流体中各组分对膜的渗透率(物质在单位推动力梯度作用下在单位时间内经过单位膜面积的透过量)的差别实现组分分离是一种属于传质分离过程的单元操作膜可以是液态、固态或自组装状态。所处理的物质可以是液体或气体过程的推动力可以是压力差、浓度差或电位差。()谱法分离物质混合物的色谱分离是基于该混合物中各组分在两相(固定相和流动相)间的分配或迁移的过程从物理或物理化学的现象可以解释为分配平衡分离和速度过程分离两大系统。色谱法由于它本身具有极大的灵活性和结构简便且易重复诸特点已成为世界上近几十年来在分离技术中应用最广、发展最快的手段。迄今它已经发展成为包括有许多分支的重要分离技术。如按固定相分则有柱色谱(包括毛细管色谱)和平板色谱(包括纸色谱和薄层色谱)如根据分离机理又可分为:①分配色谱(partitionchromatography),是基于样品组分在固定相和流动相中溶解度的不同②吸附色谱(absorptionchromatography),是通过样品组分对活性固体表面吸附亲和力的不同实现彼此分离③离子交换色谱(ionexchangechromatography),是根据试样组分离子交换亲和力的差异以亲水凝胶为固定相并用水溶液为洗脱液时分子的大小对分离起着主要作用的凝胶渗透色谱(gelpermeationchromatography)。()质谱法的分离质谱法的作用在于它首先用各种方法使被分析的混合物(包括气、液、固三态)或单位物质在离子源中得到电离然后使所形成的离子经高电位加速到达正交磁场因此在磁场力的作用下离子束就可按质量的不同而分离所用仪器部件称之为质量分析器。也有用变化的电磁场按时间或空间区不同质量的离子构成质量分析器的。这两种质量分析器从本世纪年代开始广泛应用很多高精尖的联用分析仪器上。第三节现代分离分析仪器和多维分离分析仪器表是经典样品前处理方法或叫传统分离方法。表几种主要的经典样品前处理方法(传统分离方法)方法原理适用范围物理方法吸附离心透析蒸馏过滤液液萃取冷冻干燥柱层析索氏萃取真空升华超声振荡化学方法衍生沉淀络合吸附能力强弱不同分子量或密度不同渗透压不同沸点或蒸汽压的不同颗粒或分子大小的不同在二种互不相溶液体中分配系数不同蒸汽压的不同溶质与固定相作用力的不同不同溶剂中溶解度的不同蒸汽压的不同不同溶剂中溶解度的不同通过化学及应改变溶质性质,提高灵敏度及选择性不同溶剂中溶度积不同使干扰物生成络合物,除去对被测组分测定的干扰气体、液体及可溶的固体不同相态或分子量有差别的物质分子与离子或渗透压不同的物质各种液体液固二相分离各种在二种液体中溶解度差别较大的物质在常温下易于失去生物活性的物质气体、液体及可溶的固体从固体、半固体中提取有用物质从固体中分离有一定蒸汽压的物质从固体中分离可溶物质能与衍生化试剂作用的化合物与沉淀剂发生反应生成沉淀的物质各种与配位体反应的金属离子或其它物质目前常用的现代分离分析仪器主要为色谱和毛细管电泳仪列于表。每一种方法还有它本身的好几种变化例如:GC有填充GC和毛细管GC之别LC又有微径LC和一般常用的LC之别。根据各种色谱变化的特点它们存在多种变体列出表。除了表和表所列的色谱变体外还有倒向气相色谱和顶替色谱等等。其中裂解色谱除了较多的用于鉴定高分子物质外最近在法庭化学中成功的用于鉴定油漆、橡胶、纤维、粘结剂和塑料。在复合爆炸剂中低含量的聚乙烯基乙酸酯也能被裂解色谱测出。表现代分离分析仪器仪器主要应用备注气相色谱仪(GC)液相色谱仪(LC)超临界流体色谱仪(SFC)排阻或筛析色谱仪(SEC)场流分离仪(FFF)逆流色谱仪CCC)薄层色谱(TLC)裂解色谱毛细管电泳(CE)适易于高效分离分析复杂多组分的挥发性有机化合物、同分异构体和旋光异构体以及痕量组分分离不太挥发的物质适宜于分离窄馏分或簇分离可分离重于气相色谱能分离的样品柱温可比气相色谱低分离速度和效率以及定性选择性比LC优越根据分子量大小分离高聚物可分离直径至几十个微米的颗粒样品分子量可达Da的超高分子量物质分离生化和植化样品制备少量样品(小于g)比LC有效和经济适宜于分离极性有机化合物高速和经济用于石油化工、高分子的高温裂解、结构分析分离无机和有机离子、中性化合物、氨基酸、肽、蛋白质、低聚核苷酸、DNA改换不同色谱柱和不同的检测器可改变的专一柱包括离子交换色谱和离子色谱改变柱型(不同柱填料)和不同检测器可改变方法的选择性流动相种类不够多对分离极性化合物还是有一定的局限性年开始采用凝胶过滤色谱(GFC),几年后采用凝胶渗透色谱(GPC),现在统称SEC,既包括过去的GFC和GPC有不同力场的FFF变体最新发展的一种为快速逆流色谱(HSCCC)可进行半制备的分离有平板和棒状TLC用高温裂解炉将大分子化学键断裂是近十年来发展起来的方法经常使用的有~种变体表色谱变体的特点色谱变体推动力滞留力存在固定相否扩张因素在分离过程中涉及的结构单元流动相和分离物混合物的均匀性(HM)或多相性(HT)决定迁移(m)或滞留(r)谱带性质分子吸着离子交换(离子对)排阻或筛析扩散吸着电迁移(电色谱)等速电泳沉降亲和共价(无极)沉淀逆流分配热色谱场流分离(单一相)流体动力学流动相流流动相流流动相流扩散电场电场、电解、质流重力流动相流流动相流流动相流以相反方向移动两个相流动相流推动的温度场流动相流流动相流物理吸着离子交换孔隙尺寸,扩散(有对吸着惰性的基体)物理吸着电解质的粘度电解质的粘度逆流流介质的粘度阿基米德力生物特征相互作用化学反应沉淀两相中的一相与色谱分离物质相反的方向移动及分离物质在这相中的溶解度物理吸着推动的温度场交叉力(重力电磁等)速度分布否否否否扩散动力学吸着等温线扩散动力学,离子交换等温线扩散扩散动力学扩散扩散扩散扩散动力学扩散扩散扩散动力学平衡等级扩散动力学扩散扩散分子离子大分子分子离子离子超大分子结构超大分子结构分子分子分子(可能是离子交换变体)分子超大分子结构胶体颗粒HMHMHTHMHMHMHTHMHMHMHMHMHTHT吸着能力(相分布)离子交换趋势(m,r)颗粒大小扩散系数(r)扩散系数(m)吸着能力(r)电泳的迁移率电荷(m)电泳的迁移率电荷颗粒的质量(m,r)与配位体相互作用的能力进行化学反应的能力(r)在流动相中的溶解度(m)在接触相中的相对溶解度(m,r)在不同温度下的吸着能力(r)质量等(r)颗粒大小(r)上表中所列毛细管电泳技术是最近分析化学中发展最快的分离分析方法。引起人们兴趣的主要原因是毛细管电泳只需极少量的样品(nl级)这对难以获得的生物医学样品来说是非常重要的。加上CE的高速和快速设备相对的比较简单因此CE成为可以用于分离分析生物高分子阴、阳离子和中性物质的有效方法。仅在年和两年内就出版有关的综述篇。毛细管电泳现在已发展为个主要的变体:毛细管区域电泳(CZE)也称之为自由溶液毛细管电泳、胶束电动毛细管色谱(MECC)、等速电泳(ITP)也称之为置换或顶替电泳、毛细管凝胶电泳(CGE)、毛细管电色谱(CEC)以及毛细管等电聚焦(CIEF)。激光诱导荧光检测器(LIFLaserInducedFluorence)已能检测zmol数量级的DNA序列(zmol等于mol)。将多种分离仪器组合可以增加分离效率表为现代多维分离分析仪器的简单组合。例如已有人采用毛细管等速电泳和毛细管区域电泳的组合还有采用LC和SFC结合的同时再与CE和离子色谱结合起来的四维分离分析的形式。最近几年内还发展了多维检测的系统其主要目的是要增加定性的分辨本领。多维分离和多维检测中最关键的问题是接口的合理设计和加工。表多维分离分析仪的组合GCLCSFCSECGCLCCETLC((((注:GC气相色谱LC液相色谱CE毛细管电泳TLC薄层色谱SFC超临界液体色谱SEC排阻筛析色谱第四节现代联用分析仪器光谱学家THirshfeld曾为联用分析方法定义为:“由合适的接口把两个分开的技术结为姻缘一般还靠一台计算机把所有的东西都连接起来”。联用法应起到增加定性分辨能力增加分离能力以及能体现出方法之间的协同效应。目前联用较多的是色谱与光谱之间的结合。原子光谱与色谱结合可提供馏出色谱峰的信息质谱、红外光谱、拉曼光谱、核磁共振波谱、紫外可见光谱以及荧光光谱等与色谱结合可提供馏出色谱峰的分子结构信息。此外还有热重分析仪与傅立叶红外光谱的联用和流动注射分析和原子吸收光谱或电感耦合等离子体质谱的联用。也有一个分离技术与两个光谱仪联用的如:气相色谱质谱红外光谱的联用仪和液相色谱质谱质谱的联用仪。前者的特点是有些异构体进行质谱鉴定时不能给出确切的结构式这时可利用异构体在红外光谱上的不同指纹峰来给予区别再与标准谱图对照后就可给出较确切的鉴定结果。后者的特点是当两台质谱仪联用后可大大的提高质谱的灵敏度和选择性而且只需要很少量的样品净化工作量因此由液相色谱馏出的峰不一定要求得到的分离。表常见的联用技术色谱光谱MSFTIRAASICPESMIPESGCLCSFCCETLC((((((注:色谱:GC气相色谱LC液相色谱SFC超临界流体色谱CE毛细管电泳TLC薄层色谱。光谱:MS质谱FTIR傅立叶红外光谱AAS原子吸收光谱ICPES电感耦合等离子体发射光谱MIPES微波电感等离子体发射光谱惠普公司把MIPES简写为AED(atomicemissiondetector)把联用仪器简称为GCAED表一些常见的联用技术的接口色谱技术所用的接口MSIRGC直接开口分流光管基体隔离LC热喷雾直接液体注射传送带ATR溴化钾片SFC直接流体注射分子束高压槽ATR溴化钾片注:GC气相色谱MS质谱LC液相色谱IR红外光谱SFC超临界流体色谱ATR衰减全反射需要指出的是上述分析仪器绝大多数是在科研院所和企业内使用的仪器。但从仪器的总数量来说更多的是集中在生产第一线如:采矿现场、资源开发现场、化学工业、石油工业、冶金工业、煤炭工业、半导体工业、机械工业、医药工业、商业、食品工业、环境保护检测站、各工厂的质量控制和环境检测、医院、防疫站等等单位(有关这方面的分析仪器将在本手册的其他章节内介绍)。如何把研究室的分析仪器应用到工业生产现场中去这会遇到许多在实验室内所不存在的难题。事实上不是所有实验室可用的分析仪器都能转化为生产过程连续操作使用。特别是在化学生产的工厂内工作环境的温度、振动、灰尘、液体喷雾、腐蚀或毒性蒸汽等条件是与一般有空调设备的分析实验室截然不同的。因此至此只有色谱、质谱和光谱(包括近红外、中红外和拉曼)发展为工业生产用的仪器。在这方面分析工作者和分析仪器的研制生产者还有大量工作要作的。对今后分离分析仪器的要求是如何进一步发展更有效的分离方法、减少样品用量、提高仪器的灵敏度和专一性以及如何降低分析的费用。为了适应生命科学和公安侦破物证所需必须把分析仪器超微型化以便于携带。最终希望把一个化学实验室的所有的功能集中在一张比名片还小的单元上。这些要求现在已有些进展和苗头。早在年前Callis等就在研究用光谱和数据分析来发展临床的第五代分析仪器即不接触实际样品的不侵入(noninvasive)分析方法。免疫化学方法检测空气中五氯苯酚土壤中多氯联苯以及汽油污水中苯、甲苯、二甲苯的方法已能达到快速、低价和手提带式的要求。这是环境保护的一个很大的改革。微型传感器已小到可以插入动脉进行血的的分析。Harrison等已制成硅片大小((cm)的毛细管电泳仪在秒钟内就可分开三个氨基酸理论塔板为万。微型化的复杂仪器如离子迁移光谱、气相色谱质谱、傅立叶变换红外光谱、气相色谱、高效液相色谱以及介电计已用于现场鉴定了违禁药物和爆炸物。电荷耦合检测器(chargecoupleddevice,CCD超微型和灵敏度高)的提出大大地推动了等电聚焦和拉曼光谱的应用。尤其是当CCD与傅立叶转换拉曼光谱仪结合已被用于控制工厂分馏塔的操作过程。被分离介质的采样处理单元被分离组分的解析分离单元检测器与传感器单元信号处理单元信号显示单元远近程数据库、信息网络同时传送、处理、报
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