色谱技术概述及应用

西北农林科技大学课程名称：专业班级：学生姓名：学号：色谱分离分析技术概述及其应用摘要：色谱技术作为分离分析的重要方法之一，是分析化学中最富活力的领域之一，能够分离物化性能差别很小的化合物，是化学领域不可缺的分离分析方法。色谱技术是一项分离分析复杂样品的技术，在我国工业生产中具有广泛应用。本文简述了近些年来提出几种比较流行的色谱概念、基础理论，对分离分析原理和分析仪器、操作步骤以及样品制备要求做了概括，并分析了色谱分离分析技术在实际中的广泛应用及其发展。关键词：色谱技术；色谱分离；色谱分析方法；色谱原理；应用；色谱样品处理ChromatographyanalysisTechnicalOverviewandApplicationsAbstract:chromatographictechniquesasanimportantmethodofseparatinganalysisistoanalyzeoneofthemostdynamicareasofchemistry,physicalandchemicalpropertiesofthecompoundcanbeisolatedlittledifference,separationandanalysismethodsisessentialfieldofchemistry.Chromatographyisaseparationofcomplexsamplestechnology,widelyusedinChina'sindustrialproduction.Thispaperdescribestherecentyearspresentedseveralpopularchromatographicconcept,basictheory,theprincipleofseparationofanalysisandanalyticalinstruments,aswellassamplepreparationstepsrequiredtodosummarizedandanalyzedthechromatographicseparationandanalysistechnologyiswidelyusedinpracticeitsdevelopment.Keywords:chromatography;chromatography;Chromatography;chromatographyprinciple;application;ChromatographySamplePreparation1色谱技术概念及分类1.1色谱分析技术1.1.1色谱分析技术概念及原理色谱技术在不同的应用领域中有不同的称呼，在分析技术中叫做色谱分析，在分离技术中叫做色谱分离。色谱法（chromatography）又称色谱分析、色谱分析法、层析法，是一种物理化学分离和物理化学分析方法，在分析化学、有机化学、生物化学等领域有着非常广泛的应用。它利用不同溶质（样品）与固定相和流动相之间的作用力（分配、吸附、离子交换等）的差别，当两相做相对移动时，各溶质在两相间进行多次平衡，使各溶质达到相互分离。所以色谱法是利用不同物质在不同相态的选择性分配，以流动相对固定相中的混合物进行洗脱，混合物中不同的物质会以不同的速度沿固定相移动，最终达到分离的效果。色谱法体系中的两相作相对运动时，通常其中一个相是固定不动的，称为固定相；另一相是移动的，称为流动相。在色谱分析过程中，物质的迁移速度取决于它们与固定相和流动相的相对作用力。溶质和两相的吸引力是分子间的作用力，包括色散力、诱导效应、场间效应、氢键力和路易斯酸碱相互作用。对于离子，还有离子间的静电吸引力。被较强吸引在固定相上的溶质相对滞后于较强地吸引在流动相中的溶质，随着移动的反复进行与多次分配，使混合物中的各组分得到分离（如图1-1所示）。图1-1色谱技术原理1.1.2色谱分析技术分类色谱分析法的分类比较复杂。根据流动相和固定相的不同，色谱法分为气相色谱法和液相色谱法。(1)气相色谱法的流动相是气体，又可分为：气固色谱法，其流动相是气体，固定相为固体；气液色谱法，其流动相是气体，固定相是涂在惰性固体上的液体。(2)液相色谱法的流动相是液体，又可分为液固色谱法，其流动相是液体，固定相是固体。(3)液液色谱法，其流动相和固定相均是液体。按吸附剂及其使用形式可分为柱色谱、纸色谱和薄层色谱。按吸附力可分为吸附色谱、离子交换色谱、分配色谱和凝胶渗透色谱。按色谱操作终止的方法可分为展开色谱和洗脱色谱。按进样方法可分为区带色谱、迎头色谱和顶替色谱。色谱法的特点：(1)分离效率高。可分离性质十分相近的物质，可将含有上百种组分的复杂混合物进行分离。(2)分离速度快。几分钟到几十分钟就能完成一次复杂物质的分离操作。(3)灵敏度高。能检测含量在10-12g以下的物质。(4)可进行大规模的纯物质制备。1.2色谱分离技术1.2.1色谱分离技术概念及原理色谱分离是利用混合物中各组分在两相中分配系数不同，当流动相推动样品中的组分通过固定相时，在两相中进行的连续多次反复的分配，从而形成差速移动，达到分离目的的方法。色谱分离技术是基于不同物质在由固定相和流动相构成的体系中具有不同的分配系数，在采用流动相洗脱过程中呈现不同保留时间，从而实现分离。传统色谱分离技术采用固定的色谱塔进行，先进入一定量物料，然后采用洗脱剂不断洗脱，在同一出口在不同时间段就可接到不同的产品组分，此过程费时费力。经过分析并加以改进，我们把固定相的树脂做成可以连续流动的系统，利用物质与固定相的相对运动速度不同实现分离。类似龟兔赛跑的原理，我们把固定相比成一个传送带，把兔子乌龟分别比成快慢不同的两组份，只要使固定相加上一个与洗脱方向相反的驱动力，使传送带运动速度处于兔子和乌龟速度中间，跑的快的兔子比固定相快从前头得到，跑得慢的乌龟被传送带带到后面得到。1.2.2色谱分离技术分类及特点色谱法简单分为气相色谱法、液相色谱法、超临界流体色谱法。根据气相和液相制备的不同，再分为填充柱色谱法、毛细管色谱法、经典液相色谱柱法、高效液相色谱法、薄层色谱法、紫色普法、毛细管电泳法。按照固定相与流动相状态具体分类如下表1-1：色谱属性固定相流动相类型液相色谱固体液体液—固色谱液体液体液—液色谱气相色谱固体气体气—固色谱液体气体气—液色谱表1-1固定相与流动相状态具体分类无论怎么分类，都有共同的特点：(1)凡是色谱分离都具有固定相和流动相。(2)固定相是不动的，流动相相对于固定相做相对运动。(3)被分离的组分与流动相和固定相都有不同的作用力。这种作用力有吸附力、溶解力、离子交换能力等。在色谱分析中常用分配系数来描述组分对流动相和固定相的作用力的差别：K=Cs/Ca由此可见，分配系数的差别性是能够分离的基本原因。2色谱技术的发展及动力学理论2.1色谱技术发展早在本世纪初，俄国植物学家Tswett研究植物色素的组成时，就首先提出了色谱法这一概念，并且认识色谱法为分离技术的潜力。然而遗憾的是，除了几例吸附色谱法分离某些天然产物之外，色谱法并未引起人们足够的重视，而被隔置许多年。1931年，Lederer和KuhnWinterstein的工作进一步表明了色谱法作为一中化工分离技术的潜力。接着是Zechmeisrer和Cholnoky，strain以及Karrer和Strong，他们用色谱法分离出克量级的植物色素混合物（叶绿素、叶黄素、叶红素）以及其他的天然产物（例如辣淑红等）。自此色谱分离技术才引起各国科学家的足够重视。1941年Martin和Simge提出了分配色谱的概念。并巧妙地把描述分馏过程的塔板理论移植并应用色谱过程，获得了很大的帮助。他们还指出使用小颗粒填料和高的移动相压力，还可以改善液相色谱的效能。并且还预言，液相色谱的流动相可用气体所代替，这不仅大大促进了液相色谱的发展，同时也为气相色谱的出现奠定了基础。虽然Martin和Simge早在40年代初就预见性的指出，液相色谱的流动相也可用气相所代替，但是一直到1952年James和Martin才发表第一篇有关气相色谱的论文。自此，气相色谱才引起人们的高度重视，得到了卓有成效的发展。目前气相色谱的技术已达到相当完善的程度，在石油、化学、化工、生物、医学、食品等各行各业中得到了广泛的应用。气相色谱的产生，可以说是色谱技术的一项革命性的发展。但是应用气相色谱技术只能分析分离能够气化的物质，或者在分析温度下具有足够蒸气压的物质。对于非挥发性的物质、热敏性的物质，以及具有生物活性物质分析分离，气相色谱技术将无能为力。为了根本上解决气相色谱技术的不足之处，高效液相色谱(HPLX)就应运而产生了。2.2色谱动力学理论从四十年代起，随着液相色谱技术的发展，许多研究者对色谱基础理论进行了不懈的研究，提出了众多理论。其中比较著名的有：平衡色谱理论、塔板理论、轴向扩散理论、速率理论、双膜理论等。2.2.1平衡色谱理论早在1940年，Wilson就提出来了平衡色谱理论，随后DeVault等人应用这一理论解释实验现象，使这一理论得到了进一步发展。此理论认为在整个色谱过程中，组分在流动相和固定相之间的分配平衡能瞬时达成。平衡色谱理论能很好地解释实验过程中谱线的移动速度，以及非线性等温线时的流出曲线形状。但是，由于这一理论忽略了传质速率的有限性与物质分子轴向扩散性的影响，因而不能解释线性色谱条件下的区域扩张现象。2.2.2塔板理论1941年，Martin和Synge在提出分配色谱的论文中，阐述了色谱、蒸馏和萃取之间的相似性，提出了色谱的塔板理论。在这一理论中，他们将色谱过程比拟为蒸馏过程，把色谱看成是由一系列平衡单元一理论塔板所组成。在每一个塔板高度内，组分在流动相和固定相之间的分配平衡能瞬时达成。在色谱柱足够长，理论塔板高度足够小，以及线性等温线的条件下，塔板理论可以对色谱流出曲线分布、谱带移动规律以及柱长与理论塔板高度对区域扩张的影响等给予近似的说明。但是塔板理论对影响理论塔板高度的各种因素没有从本质上考虑，因而这一理论只是半经验的理论，不能揭示色谱过程的本质。尽管如此，塔板理论对于色谱早期理论的发展，还是做出了宝贵的贡献。而且，由于塔板理论能简单明地说明柱效，所以仍为大多数色谱研究者所接受。2.2.3轴向扩散理论为了进一步揭示色谱过程的本质，Amundson等人通过大量实验，提出了色谱的轴向扩散理论。这个理论认为，在色谱过程中，组分在流动中的轴向扩散是影响色谱区域谱带扩张的主要因素，而有限的传质速率对区域谱带扩张没有影响。当传质速率较快而轴向扩散为区域扩张的主要因素时，轴向扩散理论具有较好的指导意义。例如，在气相色谱中，当流动相的流速较低，且柱温较高时，轴向扩散理论能很好地解释实验结果。3色谱技术在生产中的应用3.1精细化工领域目前在精细化工研究领域，产品的精细分离与含量测定越来越严格，同时规模化的生产也对成本核算和质量要求越来越苛刻，所以，如何高效分离分析化工产品各组分成为一个严峻的课题随着色谱分离技术研究的不断深入，尤其集成化和规模化色谱分离技术的应用，使得色谱分离技术在精细化工领域应用越来越广泛，尤其在发掘工业生产过程中，色谱分离技术尤为重要在发掘工业领域，发酵液成分复杂，杂质多样，而目标样品往往含量较低，如何实现目标成分的高效分离分析，对于该行业的发展起着关键作用在发酵工业中，目前应用较为广泛的色谱技术主要是离子交换技术，主要针对发酵液中离子含量复杂多样利用离子交换柱，目前常见的分离样品主要包括味精生产，淀粉生产，麦芽糖生产，醇类生产等等。3.2医药领域随着医药现代化生产的不断发展，对于医药组分的分离与单一成分研究要求越来越高但由于药学成分提取复杂，有效成分含量较低等原因，因此需要更为严格的分离分析手段进行药效成分的分离和含量测定目前在医药成分分离分析领域主要应用到的色谱技术主要包括薄层色谱，气相色谱和毛细管电泳技术而随着现代分析仪器的不断发展，尤其中药及天然药物药效成分组成极其复杂，对其分离要求也愈发严格，需要发展更为精密的色