22武汉大学仪器分析第二十二章.

第22章其他分离分析方法22.1.概论随分离分析技术发展，众多适用于混合物试样预分离或样品预处理、分离分析、制备分离的其他与色谱相关分离分析技术相继出现，如超临界流体色谱和萃取、逆流色谱、场流分离、多维色谱、膜色谱、固相萃取、固相微萃取等。分析试样预处理是仪器分析的首要步骤，约占分析工作量的70%。这是试样初步分离、净化、痕量成分富集技术，是样品分离分析的重要组成部分。22.2.超临界流体色谱22.2.1.超临界流体和超临界流体色谱超临界流体色谱(SupercriticalFluidChromatography;SFC)是以超临界流体（SupercriticalFluid，SFS)为流动相的色谱技术。在三相点下，气、固、液处在平衡状态，存在一个临界温度Tc和临界压力Pc。在高于Tc时，无论施加多大压力，物质也不会液化，即Pc、Tc以上或临界点以上条件下，物质不会成为液体或气体，物质聚集状态为介于气体和液体之间的流体，这种流体称为超临界流体。22.2.1.超临界流体和超临界流体色谱从热力学上看，超临界流体的密度是气体的100~1000倍，和液体相近，具有和液体相似的溶解能力及与溶质的作用力。而从动力学上看，SFS的粘度比液体低，可以使用比液相色谱更大的线速度;扩散系数是液体的10-100倍，传质速率高，因而可以获得比HPLC有更高的柱效和更快的分析速度。从理论上讲，SFC可分析不适用于GC高沸点、低挥发性样品和HPLC中缺少检测功能团的样品，约占色谱分离中25%的化合物。但1990s年代后期，SFC发展趋向低落。超临界流体自身物理性质带来SFC方法局限性，这是人们在SFC发展初期认识不足的。SFs兼具液体的溶剂化能力和气体的低粘度、高扩散系数很难在同一条件下实现。22.2.2.超临界流体色谱仪1.流动相储罐;2.调节阀;3.干燥净化器;4.截流阀;5.高压泵;6.泵头冷却装置;7.热交换柱;8.进样阀;9.分流器;10.色谱柱;11.限流器;12.检测器(FID)。22.2.3.流动相和固定相SFC可使用HPLC和GC中各种固定相。填充柱微粒填料主要是硅胶化学键合固定相，用填充柱分析极性样品时，大多需在流动相中添加极性改性剂。开管柱固定相主要是聚甲基硅氧烷苯基甲基聚硅氧烷、交联聚乙二醇等。在手性分离中使用较多的是环糊精类固定相。22.2.4.超临界流体色谱分离操作条件SFC与GC分离操作条件不同，其操作压力较高，一般为70~450x105Pa；和HPLC也不一样，其色谱柱工作温度较高，从常温到2500C。流动相的压力和密度在每一温度下以同样方式影响保留值，甚至在类似GC区也一样，增加压力，k值降低。而在较低温度下与HPLC的保留行为相似，k值随压力增加而降低。22.2.5.SFC与气相和高效液相色谱的比较基于超临界流体密度、扩散系数、粘度等物理性质介于气体和液体之间，可以预计，在最小板高色谱条件下，分析速度和柱效SFC亦介于GC与HPLC之间。根据速率理论方程，柱内径dC的毛细管柱最佳流速uopt及保留时间与柱效比(tR/N)的极限值分别为:SFC与GC比较，由于超临界流体扩散系数比气体低，粘度比气体高，较低线速下SFC色谱峰较窄，柱效优于GC;超临界流体密度比气体高，参与分离，以提高分离选择性;SFS溶剂化能力比气体强，能在比GC较低温度下分离高分子化合物、天然产物和热不稳定化合物。CMoptdDCBu2.4202)]([)1(241)(kfkPPDdNtiMCR22.2.6.超临界流体色谱的应用SFC可弥补GC和HPLC在分析性能上的某些不足，分离效能和分析速度介于两种色谱方法之间。几种色谱技术可分离样品的相对分子质量范围乙二醇齐聚的SFC分离色谱图22.3.超临界流体萃取超临界流体萃取(supercriticalfluidextraction;SFE)是用超临界流体为萃取溶剂的萃取分离、富集技术。其出现和发展均早于SFC。22.3.1.超临界流体萃取的特点基于SFS独特的物理化学性质，SFE具有传统液-液萃取不可比拟的优点：1.萃取速度快2.容易控制溶剂强度并调节选择性3.后处理简单4.操作自动化5.安全性好22.3.2.萃取仪器和技术1.SFS储瓶;2，4.高压开关阀;3.高压注射泵;5.萃取池;6.温度控制器;7.限流器;8.收集器。萃取操作主要有两种:1.静态萃取2.动态萃取22.3.2.萃取仪器和技术影响SFS萃取效率的因素主要是:1.超临界流体选择2.萃取条件选择3.样品量及流体流速4.萃取物收集22.3.3.SFE的应用SFE的应用可分为两方面，一是作为分析化学样品处理技术，特别是各种分离分析方法的样品前处理，即分离测定组分的前分离富集。SFE的另一个应用是制备分离，包括工业规模分离，即分离工程的组成部分。1.SFE与各种色谱和仪器方法联用2.样品处理3.工业生产中应用22.4.固相微萃取22.4.1.基本装置和特点固相微萃取(SolidPhaseMicro-Extraction，SPME)是在固相萃取(SolidPhaseExtraction，SPE)基础上发展起来的。SPME具有无需溶剂、萃取快速、样品消耗量小、分析重现性好、操作简便、可进行现场分析并易于实现自动化操作等特点。它将样品的富集和基底去除相结合，集取样、萃取、富集、进样于一体，导致分析速度和灵敏度提高，因此在短短的十几年间，SPME很快实现与GC、HPLC、SFC、CE等分离分析技术的联用，在萃取涂层研制、应用模式及基础理论研究方面均得到很大的发展。22.4.2.基本原理SPME技术的原理是基于分析物在固相涂层和样品中的分配平衡，因此分析物的萃取量随着萃取时间的延长而不断增加直到达到萃取平衡，一般在2~30min内可达到平衡。在萃取平衡时，吸附在固相涂层的样品量为:当Vs非常大时，即VsKVf，分析物在固相涂层的吸附量可简化为:由于慢传质过程，在一定时间内，平衡未完全实现，固相涂层吸附分析物的物质的量为:0CVKVVKVnfssf0CVKnf0212121)222exp(1CVKVVKVtVVKmVVmVmmKVmmAnsfsffsfssf22.4.3.固相微萃取头和制备技术萃取头是SPME装置的核心。按萃取头结构有两种基本类型：1.纤维2.毛细管(In-tubeSPME)无论是纤维或是萃取毛细管，其涂层材料根据它们的不同性质大致可分为非极性、中等极性和较强极性等三类。目前应用最多的材料有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚丙烯酸酯(PA)、聚苯基甲基硅氧烷、聚乙二醇(CW)、聚（苯乙烯/二乙烯基苯）等。溶胶-凝胶技术是当今SPME萃取头涂层的主要制备技术，得到的萃取涂层热和化学稳定性高，耐溶剂，且成本低。SPME固相层以非键合、键合、部分交联或高度交联的形式涂敷在石英纤维或毛细管上。22.4.4.SPME操作技术SPME作为样品采集、处理技术，主要用作各种分析方法进样手段，并与其联用，根据最终的分析结果判断SPME的优劣。SPME和分析仪器联用可分为离线模式和在线模式两种。离线操作分析物吸着(吸收)和解吸分别在样品进样口两处、分两步进行。SPME的吸附或萃取操作模式主要是两种:浸取法和顶空法。提高萃取效率的基本方法是对影响萃取效率基本操作条件进行优化，如萃取时间，样品搅拌速度，萃取温度，无机盐浓度，样品基底pH值等。除了萃取的条件外，解吸操作对于最终分析结果的影响视后续仪器或方法进样条件而异。22.4.5.SPME联用技术1.SPME-GC：最早发展、较为完善、广泛应用的技术。SPME装置可在GC仪进样口直接进样。2.SPME-HPLC：SPME-HPLC联用需要一个接口，接口装置多种式样，均基于对六通阀的改造而成。3.SPME-CE或CEC：SPME-CE在线联用是将150~220μm的较大内径热缩Teflon毛细管与CE分离毛细管连接，涂层纤维完成样品萃取后，插入该大口径毛细管中，施加电压，被萃取分析物经缓冲溶液解吸，进行电泳分离。4.其他联用技术1.SPME推拉杆，2.SPME针管,3.密封压缩垫片，4.解吸池，5.SPME头，6.六通阀,7.接注射器，8.废液排出,9.HPLC流动相储瓶，10.HPLC色谱柱，11.HPLC检测器。22.5.逆流色谱(CCC)这是一种无固相载体的液液分配色谱，分离柱为空心螺旋型或串连的直型聚四氟乙烯或玻璃管，互不相溶的两溶剂中的一相在重力或离心力作用下保留在柱内作为固定相，另一相在泵驱动下作为流动相携带样品从柱内流过，利用流体力学平衡体系两相连续、高效混合，样品中各组分基于在两相中分配系数差异实现分离。各种不同类型CCC色谱仪最大区别是色谱柱和作用力场，高效逆流色谱仪设计则同时利用重力和离心力场实现分离。基于分离原理，溶剂系统成为决定CCC分离选择性的首要因素。逆流色谱具有如下一些特点:1.无固相载体。2.适用范围广。3.适用分离样品容量范围宽。4.可与质谱、红外光谱等结构分析仪器联用，实现定性、定量分析。5.仪器柱结构系统较为复杂，操作技术较繁复，自动化水平不及HPLC等方法，是一个正在发展、有待进一步完善的分离技术。22.6.场流分离(field-flowfractionation,FFF)亦称为场流分级，它是利用载液流经空的柱槽时各流层具有非均匀流速，使溶质在外加物理力场作用下，基于各溶质质量、体积、扩散系数、电荷等物理性质差异实现分离的方法。场流分离仪由载液储瓶、输液泵、进样阀、柱槽、检测器、控制和数据处理系统组成。场流分离柱槽是分离技术核心，通常柱槽是在两块平行板之间放置薄的塑料或金属片组成一个两头呈三角形的矩形带状管道。场流分离的主要特点是:1.FFF主要用于大分子分离测定。2.可采用的载流溶剂和外加力场众多，适用样品范围广。3.具有较高分辨率和选择性，操作条件易于控制、调节和优化。4.有比较严谨的理论基础。22.7.多维色谱多维色谱是将同种色谱不同选择性分离柱或不同类型色谱分离技术组合，构成联用系统。现应用最多的是二维色谱，它是在单分离柱基础上发展起来的，其技术关键是联结两色谱分离系统之间的接口设备和技术。多维色谱有如下几种组合方式:1.同种色谱、不同选择性色谱柱串联。2.不同类型色谱分离串联。二维或多维色谱最突出的特点是峰容量高，具有强分离能力，获取样品信息量远大于通常的一维色谱。