色谱分离及其应用进展

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2011年 12 月 1 日 引言 虽然早在本世纪初，俄国植物学家Tswett l J研究植物色素的组成时，就首先提出了“色谱法”这一概念，并且认识色谱法做为分离技术的潜力。然而，遗憾的是，除了几例吸附色谱法分离某些天然产物 3 J之外，色谱法并未引起人们足够的重视，而被隔置了许多年。1931年，Lederel和Kuhn wime ein的工作进一步表明了色谱法做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(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。 而直到1952年James和Martin发表第一篇有关气相色谱的论文后气相色谱才引起人们的高度重视,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(I-IPLX)就应运而产生了。 最近20年来，提高产品分离的选择性和产率的过程程开发，弓l起了人们的浓厚兴趣。而其中色谱以其优越的分离效果倍受青睐。色谱是从混合物中分离组分的方法。色谱技术甚至能够分离物化性能差别很小的化合物。当混合物各组成部分的化学或物理性质十分接近，至使其它分离技术很难或根本无法应用时，色谱技术愈加显示出其实际有效的优越性。如在淀粉发酵生产味 精的工艺中，发酵液中除含有谷氨酸外，还含有大量的其他氨基酸，如将其中的氨基酸、有机酸提取出来，不仅可以提高经济效益，更可以减少污染。这是一般的分离技术无法完成的。 一、 色谱法的概念 色谱法是一种利用混合物中诸组分在两相间的分配原理以获得分离的方法。它利用不同物质在不同相态的选择性分配，以固定相对流动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。它具有高分离效率高检测性能、分析快速而成为现代仪器分析方法中应用最广泛的一种。 色谱有多种，按流动相的物态可分为气相色谱法、液相色谱法和超临界流动色谱法，按固定相的物态，又可分为气-固色谱法、气-液色谱法、液固色谱法和夜液色谱法。本文主要讨论的是气相色谱法和液相色谱技术在实际中的广泛应用及其发展。 气相色谱仪 气相色谱仪具有稳定流量的载气，将汽化的样品由汽化室带入色谱柱，在色谱柱中不同组分得到分离，并先后从色谱柱中流出，经过检测器和记录器，这些被分开的组分成为一个一个的色谱峰。色谱仪通常由下列五个部分组成：

1、 载气系统（包括气源和流量的调节与测量元件等） 2、进样系统（包括进样装置和汽化室两部分） 3、分离系统（主要是色谱柱） 4、检测、记录系统（包括检测器和记录器） 5、辅助系统（包括温控系统、数据处理系统等 液相色谱仪 气相色谱法是一种很好的分离、分析方法，它具有分析速度快、分离效能好和灵 敏度高等优点。但是气相色谱仅能分析在操作温度下能汽化而不分解的物质。据估计，在已知化合物中能直接进行气相色谱分析的化合物约占15％，加上制成衍生物的化合物，也不过20％左右。对于高沸点化合物；难挥发及热不稳定的化合物、离子型化合物及高聚物等，很难用气相色谱法分析。为解决这个问题，70年代初发展了高效液相色谱。高效液相色谱的原理与经典液相色谱相同，但是它采用了高效色谱拄、高压泵和高灵敏度检测器。因此，高效液相色谱的分离效率、分析速度和灵敏度大大提高。 就其分离机理的不同，高效液相色谱可以分为液－固吸附色谱、液－液分配色谱、 离子交换色谱和凝胶渗透色谱四类。 液—固色谱的色谱柱内填充固体吸附剂，由于不同组分具有不同的吸附能力，因此， 流动相带着被测组分经过色谱柱时，各组分被分开。 液—液色谱的流动相和固定相都是液体。作为固定相的液体涂在惰性担体上，流动相与固定液不互溶。当带有被测组分的流动相进入色谱柱时，组分在两相间很快达分配平衡，由于各组分在两相间分配系数不同而彼此分离。以非极性溶液作流动相，极性物质作固定相的液—液色谱叫正相色谱；极性溶液作流动相，非极性物质作固定相的液—液色谱叫反相色谱。 离子交换色谱的色谱柱内填充离子交换树脂，依靠样品离子交换能力的差别实现分离。而凝胶色谱是按试样中分子大小的不同来进行分离的。 在上述四类色谱中，应用最广泛的是液—液色谱，因此，在本节的讨论中以液—液 色谱为主。 高效液相色谱的基本理论和定性定量分析方法与气相色谱基本相同。高效液相色谱仪由输液系统、进样系统、分离系统、检测系统和数据处理系统组成。 三、色谱分离技术在实际中的应用 色谱是从混合物中分离组分的重要方法之一。色谱技术甚至能够分离物化性能差别很小的化合物，当混合物各组成部分的化学或物理性质十分接近，而其它分离技术很难或根本无法应用时，色谱技术愈加显示出其实际有效的优越性。如在消旋体处理等许多方面，所要求的产品纯度标准只有使用色谱技术才能达到。因而在医药、生物和精细化工工业中，发展色谱技 术进行大规模纯物质分离提取的重要性日益增加。下面，通过几个实际中的例子来说明色谱分离技术在实际中的应用。 （1）、气相色谱测定花生油掺伪 油脂加工企业在生产过程中，根据原料品种的不同，必然会遇到油罐排空和倒罐等情况，不仅破坏工艺连续性，降低生产效率，同时可能造成油品的掺杂，影响产品纯度和质量气相色谱可以利用色谱柱将脂肪酸甲酯按碳原子数，或不饱和键的数量来进行分离和测定，统计各种油的脂肪酸含量及分布范围，测定掺伪后油脂的脂肪酸含量变化曲线，从而快速、准确鉴定植物油的掺伪情况。采用气相色谱法检测鉴别花生油、大豆油的脂肪酸组成，配制模拟掺伪油样，建立其特征脂肪酸组成模式，并提出判断花生油掺伪大豆油的标准，为生产管理和产品质量控制提供指导。 （2）、色谱技术在发酵业中的应用 除杂： 采用离子交换树脂分离方法将脱色后的发酵液送入柱中进行离子交换，以除去脱色后发酵液中残留的蛋白质、有色物质和盐。经离子交换树脂处理的发酵液，盐可以降低到原来的十分之一，对有色物质及能产生颜色的物质去除彻底。因而，不但产品澄清度好，而且久置也不变色，有利于产品的保存。 处理固体技术 膜吸附色谱、磁稳定流化床、膨胀床等工艺技术都具有直接处理含固体颗粒液料的能力。 连续性操作技术： 通常吸附色谱的另一缺点是其本质上的间歇操作。间歇色谱需用大量昂贵的固定相，消耗大量流动相，吸附剂不能有效利用，分离产物浓度很低。而目前极力推广应用的连续性色谱技术是经济型工艺流程，并可实现调节和控制自动化，使其操作强度大大低于同等规模的间歇操作。最新发展起来的连续性色谱技术主要是环形色谱、错流梯度色谱和移动床色谱技术。 （3）、色谱分离技术在糖醇业的应用 木糖醇与阿拉伯醇的分离 我国生产木糖醇的工艺，一般是以玉米芯为原料经过酸水解、精制除杂、结晶等工序得到木糖，木糖重新溶于水后加氢，再经过精制结晶，得到木糖醇晶体，按这种工艺生产木糖醇产品，相对于玉米芯原料而言实际收率只有11％左右，相当于理论收率的1／3，收率比较低，而生产晶体木糖醇时，会得到约一倍的母液，该母液中含有75％的木糖醇，25％的阿拉伯醇，由于母液中木糖醇含量比较低，且粘度较大，所以很难结晶，只能作为副产品出售，市场价格很低。又由于其中的杂质阿拉伯醇与木糖醇属于同分异构体，性质很相近，所以用普通的方法很难将其分离开。采用模拟移动床技术可以达到很好的分离效果，木糖醇母液经模拟移动床分离后，可使木糖醇含量从75％提高到90％以上，分离收率达到90％ 以上。木糖醇母液经分离后，可以重新结晶利用，大大提高了母液的利用价值，具有很好的经济效益。 果糖与葡萄糖的分离 果糖的结晶必须具有较高的纯度，一般要在95％ 以上，才能将其结晶出来，制备结晶果糖。而蔗糖的水解产物或葡萄糖经异构酶作用生成的果葡糖浆，果糖含量只有45％左右，纯度很低，无法结晶，又由于果糖与葡萄糖是同分异构体，很难分离。用模拟移动床技术可以将果葡糖浆液的果糖含量从45％提高到97％以上，同时葡萄糖的含量也可达到85％ 以上，分离收率达到95％ 以上，这样，收集分离出的果糖馏分可以制备结晶果糖，收集分离出的葡萄糖馏分经氢化后可以制备液体山梨醇，使果葡糖浆液的附加值明显提高。

四、展望 目前，利用色谱技术分离还不够完善，例如在利用玉米芯生产木糖的工艺中，木糖液中的主要杂质为阿拉伯糖和葡萄糖，它严重影响了木糖的结晶效果和收率的高低。我们在色谱分析时发现木糖处于中间位置，前面有葡萄糖，后面有阿拉伯糖，且它们之间的保留时间相差很小，互相包容的较多，很难分离，关于这方面的分离技术问题有待于进一步的深人研究。 尽管不同色谱分离方法还存在一些不足之处，但它们以引人注目的各种优点．如高分辨率、快速、低成本等．赢得了人们的青昧 包谱分离方法不仅会在实验室得到广为应用，而且在大规模制备色谱领域内也具有极大的潜力。此外，各种色谱分离方法的合理组合技术方法，也是今后研究的重要内容。总之，色谱分离技术是一项技术难度大，分离专一性强的新型专用技术，由于其分离的收率高，能耗少，没有环境污染，对一些难以用其它方法分离的糖醇，具有很好的分离性能，因此，该技术在糖醇生产中的应用必将具有广阔的市场前景。

参考文献： 【1】色谱分离技术应用与进展 肖 勇 郭 萍 赵凤英(江西应用技术职业学院应用化学系，赣州341000) 【2】色谱分离技术在发酵工业中的应用 膨奇均 江南大学 【3】色谱分离技术在 糖醇生产中的应用 王成福 王星云 （田强山东福田药业有限公司，禹城251200） 【4】徐玲、孙培冬、场力等，制备色谱分离技术的现状和发展，离子交换与吸附，2001 【5】仪器分析 第四版 朱明华 胡坪 高等教育出版社