常用的富集和分离方法.docx

1、常用的富集和分离方法分析化学中常用的分离和富集方法分离和富集在分析化学中占有十分的地位。分离是消除干扰最根本最彻底的方法，富集是微量组分分析和痕量组分分析中因分析方法和分析仪器的灵敏度所限而能保证分析结果具有较高准确度的常用基本方法。因此分离和富集是分析化学中极具活力的一个重要领域。是各种分析方法中必不可少的重要步骤。本章重点介绍沉淀分离、溶剂萃取分离法、色谱分离法和离子交换分离法，简介超临界流体萃取分离法和毛细管电泳分离法，本章是重点掌握各种方法的原理、特点及应用。第一节概述如何评价分离方法的分离效果，可用回收率和分离因素来衡量。一、回收率待测组分A的回收率RA为 式中，QAO为样品中A的总

2、量、QA为分离后所测得的量。RA越大，分离效果越好。在实际工作中，对于含量1%以上的常量组分，回收率应在99%以上，对于微量组分，回收率为95%，甚至更低一些也是允许的。第二节沉淀分离法沉淀分离法是一种经典的分离方法，它是利用沉淀反应有选择性地沉淀某些离子，而其它离子则留于溶液中，从而达到分离的目的，沉淀分离法的主要依据是溶度积原理，以下讨论几种重要的沉淀分离法。一、常量组分的沉淀分离(一)氢氧化物沉淀分离大多数金属离子都能生成氢氧化物沉淀，氢氧化物沉淀的形式溶液中的OH-有直接关系。由于各种氢氧化物沉淀的溶度积有很大差别，因此可以通过控制酸度使某些金属离子相互分离。常用的沉淀剂有：(1)氢氧

3、化钠(2)氨水法(3)有机碱法(4)ZnO悬浊液法(二)硫化物沉淀分离硫化物沉淀分离是根据各种硫化物的溶度积相差比较大的特点，通过控制溶液的酸度来控制硫离子浓度，而使金属离相互分离。(三)其它无机沉淀剂硫酸用于Ca2+、Sr2+、Ba2+、Pb2+、Ra2+等金属离子的分离。HF或NH4F用于Ca2+、Sr2+、Mg2+、Th(IV)、稀土金属离子的分离。磷酸用于Zr(IV)、Hf(IV)、Th(IV)、B13+等金属离子的分离。(四)利用有机沉淀剂进行分离苯酸用于Ca2+、Sr2+、Ba2+、Th(IV)、稀土金属离子与Fe3+、Al3+、Zr(IV)、Nb(V)、Ta(V)等金属离子的分离

4、。铜铁试剂(N-亚硝基苯胲铵盐)，用于Fe3+、Ti(IV)、V(v)与Al3+、Cr3+、Co2+、Ni2+等的分离。铜试剂(二乙基胺二硫代甲酸钠，简称DDTC),常用于沉淀除去重金属离子，使其与Al3+、稀土和碱土金属离子等分离。二、痕量组分的共沉淀分离和富集加入某种离子同沉淀剂生成沉淀作为载体，将痕量组分定量地沉淀下来，然后将沉淀分离，溶解在少量溶剂中以达到分离和富集的目的。其沉淀富集分离一方面要求欲富集的痕量组分回收率高，另一方面要求共沉淀剂不干扰富集组分的测定。所用的共沉淀剂主要有无机共沉淀剂和有机共沉淀剂(一)无机共沉淀剂1、利用表面吸附进行共沉淀2、利用生成混晶体进行共沉淀(二)

5、有机共沉淀剂1、利用胶体的凝聚作用进行共沉淀2、利用形成离子缔合物进行共沉淀3、利用“固体萃取剂”进行共沉淀第三节液一液萃取分离法液一液萃取分离法又称溶剂萃取分离法，简称萃取分离法。这种方法是利用与水不相混溶的有机溶剂同试液一起震荡。这时，一些组分进入有机相中，另一些组分仍留在水相中，从而达到分离富的目的。一、萃取分离法的基本原理(一)萃取过程的本质将物质由亲水性转化为疏水性的过程(二)分配定律当有机相和水相的混合物中溶有溶质A时，如果A在两相中的平衡浓度分别为A有、A水，根据分配定律，得到kO是分配系数，它与溶质和溶剂的特性及温度等因素有关。分配定律只适用于下列情况。溶质的浓度较低。溶质在两

6、相中的存在形式相同，没有离解、缔合系列反应。(三)分配比通常把溶质在有机相中的各种存在形式的总浓度C有与在水相中的各种存在形式的总浓度C水之比，称为分配比，用D表示： (四)萃取百分率萃取百分率可表示萃取的完全程度。萃取酚率是物质被萃取到有机相中的百分率。 (同除以CwV0)式中0、w分别为有机相和水相中溶质的浓度0、w分别为有机相和水相的体积。当分配比不高时，一次萃取不能满足分离或测定的要求，此时可采用多次连续萃取的方法来提高萃取率。设w水(ml)溶液内含有被萃取物m0(g)，用V0(ml)溶剂萃取一次,水相中剩余被萃取物 m1 (mg),则进入有机相的质量为:(m0 m1)则由 D = 用

7、V0(ml)溶剂萃取n次时,水相中的剩余的被萃取物的质量为: 二、重要的萃取体系根据萃取反应的类型，萃取体系可分为螯合物萃取体系、离子缔合物萃取体系、溶剂化合物萃取体系和简单分子萃取体系。、螯合物萃取体系广泛应用于金属阳离子的萃取、离子缔合物萃取体系金属阳离子的离子缔合物如u+与2，9一二甲基-1，10-邻二氮菲的螯合物带正电荷，能与氯离子生成可被氯仿萃取的离子缔合物。金属络阴离子或无机酸根的离子缔合物3、溶剂化合物萃取体系某些溶剂分子通过其配位系子与无机化合物中的金属离子相键合，形成溶剂化合物，从而可溶于该有机溶剂中。4、简单分子萃取体系三、萃取分离技术(一)萃以方式、单级萃取又称间歇萃取法

8、。通常用60-125mL的梨形分液漏斗进行萃取，萃取一般在几分钟内可达平衡，分析多采用这种方式。2、多级萃取又称错流萃取，将水相固定，多次用新鲜的有机相进行萃取，可提高分离效果。3、连续萃取使溶剂得到循环使用，用于待分离组分的分配比不高的情况。此方式常用于植物中有效成分的提取及中药成分的提取研究。(二)分层萃取后应将溶液静置一下，待其分层，然后将两相分开。(三)洗涤(四)反萃取第四节离子交换分离法离子交换分离法是利用离子交换剂与溶液中的离子之间所发生的交换反应来进行分离的方法。这种方法的分离效果很高，不仅用于带相反电荷的离子之间的分离，还可用于带相同电荷成性质相近的离子之间的分离，同时还广泛地

9、应用于微量组分的富集和高纯物质的制备等。这种方法的缺点是操作较麻烦，周期长。目前常用的离子交换剂为离子交换树脂。一、离子交换树脂离子交换树脂是一种高分子聚合物，具有网状结构，网状结构上有许多可交换的活性基团。网眼和孔道、交换容量指每克干燥树脂所能交换的物质的量(mmol)。2、交联度。树脂中所含二乙烯苯的重量百分率，就是该树脂的交联度。二、离子交换的亲和力离子交换树脂对离子的亲和力，反映了离子在离子交换树脂上的交换能力，实验证明，在常温下，在离子浓度不大的水溶液中，离子交换树脂对不同离子的亲和力有下列顺序。(一)强酸性阳离子交换树脂不同价的离子，电荷越高，亲和力越大。如：Na+Ca2+Al3+

10、Th()一价阳离子的亲和力顺序为：Li+H+Na+NH4+K+Rb+Cs+Tl+Ag+二价阳离子的亲和力顺序为：Mg2+Zn2+Co2+Cu2+Cd2+Ni2+Ca2+Sr2+Pb2+Ce3+Pr3+Nd3+Sm3+Eu3+Gd3+Tb3+Dy3+Y3+Ho3+Er3+Tm3+Yb3+Lu3+Sc3+(二)弱酸性阳离子交换树脂H+的亲和力比其他阳离子大，但其他阳离子的亲和力顺序与上面所述相似。(三)强碱性阴离子交换树脂常见阴离子的亲和力顺序为：F-OH-CH3COO-HCOO-Cl-NO2-CN-Br-NO3-HSO4-I-柠檬酸根离子(四)弱碱性阳离子交换树脂常见阴离子的亲和力顺序为：F-C

11、l-Br-I-=CH3COO-酒石酸根离子柠檬酸根离子OH-应该指出，以上所述仅是一般的规则。三、离子交换分离操伯1、交换过程2、洗脱过程3、树脂再生四、离子交换分离法的应用条例1、水的净化R(-SO3H)2+CaCl2=R(-SO3)2Ca+2HClR4NOH+HCl=R4NCl+H2O2、微量组分的富集3、阴、阳离子的分离4、相同电荷离子的分离第五节液相色谱分离法色谱法又称层析法或色层法，这类分离方法的分离效率高，能将各种性质极相似的组分彼此分离。这是一种物理化学分离法，利用各组分的物理化学性质的差异，而使各组分不同程度地分配在两相中。一相是固定相，另一相是流动相。根据流动相的状态，色谱法

12、可分为液相色谱法和气相色谱法。本节只简单介绍经典的液相色谱法的纸上色谱分离法，薄层色谱分离法一、纸上色谱分离法(一)方法原理纸上色谱分离法是根据不同物质在两相间的分配比不同而进行分离的。纸上色谱分离法用滤纸作为载体，将待分离的试液用毛细管滴在滤纸的原点位置上，利用纸上吸着的水分(一般的纸吸着约等于本身重量20%的水分)作为固定相，另取一有机溶剂作流动相(展开剂)。由于毛细管作用，流动相自下而上地不断上升。流动相上升时，与滤纸上的固定相相遇。这时，被分离的组分就在两相间一次又一次的分配(相当于一次又一次的萃取)。分配比大的组分上升得快，分配比小的组分上升得慢，从而将它们逐个分开。经一定时间后，取

13、出滤纸，喷上显色剂显斑。 (二)比移值在纸上色谱分离法中，通常用比移值(f值)来衡量各组分的分离情况。根据图8-4得到a为斑点中心到原点的距离(cm)，b为溶剂前沿以原点的距离(cm)。Rf值最大等于1，即该组分随溶剂一起上升，也就是分配比值非常大；Rf值最小等于，即该组分基本上留在原点不动，也就是分配比值非常小。原则上讲，只要两组分的f值有点差别，就能将它们分开。Rf值相差越大，分离效果越好。纸色谱法所用试样量少，设备和操作简单，分离效果也较好，适用于少量样品中微量组分或性质相近的物质的分离。在有机化学、生物化学、药物化学及无机稀有元素的分离与分析中应用较为广泛。二、薄层色谱分离法薄层色谱法

14、是在纸上色谱法的基础上发展起来的。在玻璃片或塑料板上铺一薄层吸附剂代替滤纸作为固定相，其展开方法和原理与纸色谱法基本相同，广泛应用于有机物的分析。近来在环境监测分析中应用很多，在无机物的分离中应用较少。第六节超临界流体萃取分离法1.基本原理超临界流体萃取分离法是利用超临界流体作萃取剂在两相之间进行的一种萃取方法。超临界流体是介于气液之间的一种既非气态又非液态的物态，它只能在物质的温度和压力越过临界点时才能存在。超临界流体的密度较大，与液体相仿，所以它与溶质分子的作用力很强，像大多数液体一样，在超临界状态下的流体其密度一般较大,很容易溶解其他物质。另一方面，它的粘度较小，接近于气体，所以传质速率

15、很高；加上表面张力小，容易渗透固体颗粒，并保持较大的流速，可使萃取过程在高效、快速又经济的条件下完成。超临界流体萃取中萃取剂的选择随萃取对象的不同而改变，通常用二氧化碳作超临界流体萃取剂分离萃取低极性和非极性的化合物；用氨或氧化亚氮作超临界流体萃取剂分离萃取极性较大的化合物。超临界流体萃取分离法的流程如图所示。a.超临界流体发生源由萃取剂贮槽、高压泵及其他附属装置组成。其功能是将萃取剂由常温常压态转化为超临界流体。图超临界流体萃取分离流程图b.超临界流体萃取部分由试样萃取管及附属装置组成。处于超临界态的萃取剂在这里将被萃取的溶质从试样基体中溶解出来，随着流体的流动，使含被萃取溶质的流体与试样基

16、体分开。c.溶质减压吸附分离部分由喷口及吸收管组成。萃取出来的溶质及流体，必须由超临界态经喷口减压降温转化为常温常压态，此时流体挥发逸出，而溶质吸附在吸收管内多孔填料表面。用合适溶剂淋洗吸收管就可把溶质洗脱收集备用。超临界流体萃取分离的操作方式分为动态、静态、循环萃取三种。动态法是超临界流体萃取剂一次直接通过试样萃取管，使被分离的组分直接从试样中分离出来进入吸收管的方法。它简单、方便、快速，特别适用于萃取那些在超临界流体萃取剂中溶解度大的物质，且试样基体又很容易被超临界流体渗透的场合。静态法是将萃取的试样“浸泡”在超临界流体内，经过一定时间后再把含被萃取溶质的萃取剂流体输入吸收管。静态法适合于

17、萃取与试样基体较难分离或在萃取剂流体内溶解度不大的物质，也适合于试样基体较为致密、超临界流体不易渗透的场合。循环法是动态法的结合，它首先将萃取剂流体充满试样萃取管，然后用循环泵使萃取管内的流体反复多次经过管内的试样，最后输入吸收管。它比静态法率高，同时克服了动态法的缺点，适合于动态法不宜萃取的试样和场合。2.影响因素a.压力的影响压力的改变会使超临界流体对物质的溶解能力发生很大的改变。利用这种特性，只需改变萃取剂流体的压力，就可把试样中的不同组分按它们在流体中溶解度的大小不同，先后萃取分离出来。在低压下溶解度大的物质先被萃取，随着压力增加，难溶物质也逐渐与基体分离。b.温度的影响萃取温度温度的

18、变化也会改变超临界流体萃取的能力，它体现在影响萃取剂的密度和溶质的蒸气压两个因素。在低温区(仍在临界温度以上)，温度升高降低流体密度，而溶质蒸气压增加不多，因此萃取剂的溶解能力降低，升温可以使溶质从流体萃取剂中析出；温度进一步升高到高温区时，虽然萃取剂密度进一步降低，但溶质的蒸气压迅速增加起了主要作用，因而挥发度提高，萃取率反而增大。吸收管和收集器的温度吸收管和收集器的温度也会影响到回收率，因为萃取出的溶质溶解或附在吸收管内，会放出吸附或溶解热，降低温度有利于提高收集率。有时在吸收管后附加一个冷阱可提高回收率。c.萃取时间萃取的时间取决于两个因素：被萃取物质在流体中的溶解度，溶解度越大，萃取效

19、率越高，速度也越快；被萃取物质在基体中的传质速率，速率越大，萃取越完全，效率也越高。d.其它溶剂的影响在超临界流体中加入少量其他溶剂可改变它对溶质的溶解能力。通常加入量不超过10%，而且以极性溶剂如甲醇、异丙醇等居多。加入少量的其他溶剂可使超临界萃取技术的适用范围扩大到极性较大的化合物。超临界流体萃取分离法具有高效、快速、后处理简单等特点，它特别适合于处理烃类及非极性脂溶化合物，如醚、酯、酮等。此法既有从原料中提取和纯化少量有效成分的功能，又能从粗制品中除去少量杂质，达到深度纯化的效果。超临界流体萃取分离法被广泛地用于从各种香料、草本植物、中草药中提取有效成分，如啤酒中常用的酒花中的苦味素，从

20、椰子、花生、大豆及葵花籽中提取植物油等。它也用于除去少量杂质或有害成分，如从咖啡豆中除去对人体有害的兴奋剂咖啡因，用二氧化碳作超临界流体，在70-90，16-27MPa压力下，可将绿咖啡豆中咖啡因的质量分数从0.7%-3%降至0.02%，而使咖啡豆的其他成分保持不变。它被用于活化或再生各种吸附剂，如活性碳、分子筛等。它还被应用于环境污染物的分离富集中，例如用该法萃取土壤、沉积物、大气颗粒物等试样中的多环芳烃、多氯联苯、农药、蒽醌、石油烃类、有机胺以及酚类等。超临界流体萃取的另一个特点是它能与其他仪器分法联用，从而避免了试样转移时间的损失，减少了各种人为的偶然误差，提高了方法的精密度和灵敏度。例

21、如，超临界流体萃取气相色谱、超临界流体萃取高效液相色谱等。第七节毛细管电泳分离法1. 基本原理电泳是荷电物质(离子)在电场中因受吸引或排斥而引起的差速运动，电泳分离是依据在电场中溶质不同的迁移速率。毛细管电泳分离法是在充有流动电解质的毛细管两端施加高电压，利用电位梯度及离子淌度的差别，实现流体中组分的电泳分离。对于给定的离子和介质，淌度是该离子的特征常数，是由该离子所受的电场力与其通过介质时所受的摩擦力的平衡所决定的。带电量大的物质具有的淌度高，而带电量小的物质淌度低。离子的迁移速度分别与电泳淌度和电场强度成正比。图8-14是一个普通毛细管电泳系统的示意图。一根细内径弹性石英毛细管的两端置于电

22、极槽内，毛细管和电极槽内充有相同组分和相同浓度的背景电解质溶液(缓冲溶液)。试样从毛细管的进样端导入，当毛细管两端加上一定的电压后，荷电物质便朝与其电荷极相反的电极方向移动。由于试样组分间的淌度不同，它们的迁移速度不同，因而经过一定时间后，各组分将按其速度(或淌度)大小顺序，依次到达检测器被检出，得到按时间分布的电泳谱图。用谱峰的迁移时间或保留时间作定性分析，按其谱峰的高度或峰面积作定量分析。毛细管电泳分离法中的一个基本的组成部分是电渗流(EOF)，电渗流是毛细管壁表面电荷所引起的管内液体的整体流动，它通过对溶质的淌度叠加一个体相流速而影响溶质在毛细管内的停留时间。由于引起流动的推动力沿毛细管

23、均匀地分布，不会在毛细管内形成压力差，所以流速到处接近相同，使电渗流具有平面流型的性质。电渗流可以使几乎所有的物种，不论其电荷性质如何，向同一方向运动。在一般情况下(带负毛细管表面)，电渗流的方向是由正极到负极。由于电渗流可以比阴离子的淌度大一个数量级，它可将阴离子推向阴极。因此，阴离子、中性物质以及阳离子可以向同一方向“迁移”而在一次分析中得到电泳分离。其中，阳离子迁移与电渗流同向，故其迁移速度最快；中性物质也可以随电渗流迁移但彼此不能分离；而阴离子则因为其迁移与电渗流反向而迁移速度最慢毛细管电泳分离法具有取样少(1-10nL)，分离效率高(柱效达100万理论塔板数)，分离速度快(10-30

24、min)，灵敏度高(检测限为10-15-10-20molL-1)等特点。2.操作方式及应用根据操作方式的不同，毛细管电泳分离法包括毛细管区带电泳(CZE)、胶束电动色谱(MEKC)、毛细管凝胶电泳(CGE)、毛细管等电聚焦电泳(CIEF)和毛细管等速电泳(CITP)。在大多数情况下，可以通过改变缓冲溶液的组成来实现不同的操作方式。a.毛细管区带电泳(CZE) 依据溶液的淌度进行分离。其应用主要集中在生物学领域，包括氨基酸分析、多肽分析、离子分析、广泛的对映体分析及许多其它离子态物质的分析。例如，在蛋白质分析领域，毛细管区带电泳被用于进行蛋白质的纯度鉴定，变体筛选和构象研究。b.胶束电动色谱(M

25、EKC) 是由电泳技术与色谱技术的交叉产生，分离机理是基于胶束与中性分子间的相互作用。对于带电的和不带电的物质以及广泛的具有亲水性或流水性的物质，都可以用该方法进行分离。其应用范围包括氨基酸、核酸、维生素、药物、芳烃化合物和易爆性物质等。c.毛细管凝胶电泳(CGE) 它是基于分子尺寸，让溶质在合适的起“分子筛”作用的聚合物内进行电泳分离。毛细管凝胶电泳在分子生物学和蛋白质化学上有着十分广泛的应用，例如，寡聚核苷酸的纯化、反应基因疗法、DNA测序、原蛋白和SDS结合蛋白的分离等。d.毛细管等电聚焦电泳(CIEF) 是依据pI(等电点)进行多肽或蛋白质分离的“高分辨”电泳技术。它被成功地用于测定蛋白质等电点，分离异构体，分离用其它方法难于分离的蛋白质，例如免疫球蛋白和血红蛋白，以及分析稀的生物溶液等。e.毛细管等速电泳(CITP) 是“移动界面”的电泳技术，用两种缓冲体系造成使所有被分离的区带等速迁移的状态，待分离区带被夹在前导电解质和尾随电解质之间，可同时分离正离子和负离子。