Chapter7

Quantitativeseparation

techniquesinanalyticalchemistry

LecturedbyS.Wu1分離方法第1講Section1Abriefintroduction2分離方法第1講

（1）樣品多種組分，測定時彼此干擾

Interferenceelimination

影響分析的準確度，或無法測定。

簡單方法：控制分析條件或采用掩蔽劑。但許多情況下，控制分析條件或加入掩蔽劑，并不能消除干擾。

分離方法：把被測元素與干擾組分分離后測定。定量分離是分析化學的重要內容之一。1.分離在定量分析中的作用

Theroleofquantitativeseparation3分離方法第1講（2）試樣中被測元素含量很低

Verylowcontent

如飲用水中Cu2+的含量不超過0.1mg／L、Cr(Ⅵ)的含量不能超過0.65mg／L等。

直接滴定難以進行,分離的同時把被測組分富集起來，再進行測定。所以分離過程也是富集過程，提高了測定方法的靈敏度。4分離方法第1講2.回收率Recovery

分離效果，是否符合定量分析的要求，用回收率來判斷，例如，當分離物質A時，回收率

式中RA表示被分離組分回收的完全程度。

RA越大，（最大接近于1）分離效果越好。常量組分的分析：要求RA≥0.99;

微量組分的分析，要求RA≥0.95；痕量組分的分析（例如0.001-0.0001%），RA≥0.955分離方法第1講3.分離因數Separationfactor

如果在分離時，是為了將物質A與物質B分離開來。則希望兩者分離越完全越好，其分離效果可用分離因數SB/A表示。式中：SB/A表示分離的完全程度。在分離過程中，SB/A越小，分離效果越好。對常量組分的分析，一般要求SB/A≤10-3；對痕量組分分析，一般要求SB/A=10-6左右。6分離方法第1講4.常用分離方法Commonusedmethods

解決常規分離技術（蒸餾、重結晶）所不能解決的分離問題；性質特別接近的物質的分離。(1)沉淀分離法Precipitationseparation

傳統分離方法，采用沉淀劑；液-固分離。(2)溶劑萃取分離法Solventextractionseparation

被分離物質由一液相轉入互不相溶的另一液相的過程；液-液分離液-液兩相；互不相溶。超臨界萃取。7分離方法第1講(3)離子交換分離法Ionexchangeseparation

通過帶電荷溶質與固體(或液體)離子交換劑中可交換的離子進行反復多次交換而達到分離。(4)膜分離法Membraneseparation

發展較快的一種分離方法；模擬生物過程；利用半透膜（高選擇性）淡化海水。(5)色譜分離法chromatographicseparation

分析型色譜；柱層析；制備型氣相色譜；制備型液相色譜；8分離方法第1講5.現代分離技術的發展

Developmentofmodernseparationtechniques

現代分離技術以膜分離技術、高效制備色譜、超臨界萃取以及高效毛細管電泳為代表；

生物技術的發展需要高效分離技術：核酸、酶、蛋白質、多肽等的活性物質的純化；9分離方法第1講6.定量分離的應用

Applicationsofquantitativeseparation(1)分析對象的復雜性天然產物--提取具有生理活性的組分,如紫杉醇中草藥--有效組分的測定、分離生物樣品---蛋白質、核酸、氨基酸等(2)藥物、高純試劑的制備

青霉素過敏：含其它微量組分，提純后可口服。

235鈾、238鈾的分離是利用235UF6和238UF6蒸汽擴散速度的差別。(3)分析過程中的干擾分離儀器分析的選擇性和靈敏度不斷提高，但在很多情況下有干擾存在。干擾組分分離。10分離方法第1講Section2Solventextractionseparation11分離方法第1講1.萃取分離的原理與特點：

Principleandfeatures定義:

被分離物質由一液相轉入互不相溶另一液相的過程稱為萃取。原理:被分離組分在兩液相中的溶解度具有較大的差異；特點:萃取分離體系由互不相溶的兩液相組成優點:

設備簡單,操作快速,分離效果好,應用廣泛缺點:費時,工作量大,萃取溶劑易揮發,易燃,有毒12分離方法第1講2.分配系數Distributioncoefficient

在恒溫、恒壓、較稀濃度下，溶質(A)在兩相中達到平衡時，溶質在兩相中的平衡濃度比值為一常數.[A]O和[A]W是分配平衡后，溶質（A）在上、下層液相中的濃度。一般上層為有機相，下層為水相。13分離方法第1講討論1）不同溶質在不同的溶劑中具有不同的KD

值；2）KD

值越大表示該溶質在有機溶劑中溶解度越大；3）當混合物中各組分的KD

值很接近時，須通過不斷更新溶劑進行多次抽提才能彼此分離；4）分配系數與物質在兩相體系中的溶解度有關，但分配系數不等于溶質在兩種溶劑中溶解度的比值。溶解度是指飽和狀態，萃取則常用于稀溶液；14分離方法第1講3.分配比Distributionratio

cO

、cW

是分配平衡后，溶質A（包括所有的存在形式）分別在上、下層液相中的總濃度。當溶質在兩相中均以單一形體存在時，有

KD=D15分離方法第1講4.分離系數SeparationCoefficientβ=1：

DA=DB,A與B不能通過溶劑萃取被分離；β>1：

DA>DB,A與B可以通過溶劑萃取被分離；

β越大，分離效果越好β<1：

DA<DB,A與B不能通過溶劑萃取被分離；

β越小，分離效果越好16分離方法第1講萃取步驟1)萃取液兩相溶劑系統：水相：水或水醇有機相：烴類化合物、醚、酯等2)多次間歇萃取當一次萃取不能滿足要求時，采取多次萃取。17分離方法第1講5.間歇操作的萃取效率Extractionrate

設試樣水溶液體積為Vw(mL)，組分A的總量為nS(mmol)，加入有機溶劑體積VO(mL)，經過一次萃取后，A在水相中的殘留量為nA(mmol)，其分配比D：以回收率表示萃取效率，則組分A的萃取率RA的定義是：18分離方法第1講殘存在水相中A的量nA與分配比D的關系是：如果用等體積溶劑進行n次萃取,則總萃取率為：19分離方法第1講萃取效率EAp.236例8-120分離方法第1講6.重要萃取體系

Importantextractionsystems

1）金屬螯合物萃取Extractionofmetalchelates(1)金屬螯合物萃取原理Principle

金屬離子與螯合劑(亦稱萃取絡合劑)的陰離子結合而形成中性螯合物分子。這類金屬螯合物難溶于水，而易溶于有機溶劑，因而能被有機溶劑所萃取：如丁二酮肟鎳即屬于這種類型。Fe3+與銅鐵試劑所形成的螯合物也屬于此種類型。常用的螯合劑還有8-羥基喹啉、雙硫蹤(二苯硫蹤、二苯基硫卡巴腙)、乙酰丙酮和噻吩甲酰三氟丙酮(TTA)等。

21分離方法第1講(2)金屬螯合物的萃取平衡Extractionequilibrium

以雙硫腙萃取水溶液中的金屬離子M2+為例來說明。雙硫蹤H2Dz與M2+的反應為M2++2H2Dz=M(HDz)2+2H+雙硫腙為二元弱酸，可以用H2Dz表示。它難溶于水，而溶于CCl4(0.0021mol/L)和CHCl3(約0.08mol/L)。若K為反應平衡常數。其大小與螯合劑的電離度、螯合劑的分配比、螯合物的穩定常數和螯合物的分配比有關。當萃取溶劑和螯合劑一定時，則萃取效率的高低，可以通過M2+的分配比來判斷。22分離方法第1講(1)螯合劑的選擇所選揮的螯合劑與被萃取的金屬離子生成的螯合物越穩定，則萃取效率越高。此外螯合劑必須具有一定的親水基團，易溶于水，才能與金屬離子生成螯合物；但親水基團過多了，生成的螯合物反而不易被萃取到有機相中。因此要求螯合劑的親水基團要少，疏水基團要多。親水基團有-OH、-NH2、-COOH、-SO3H，疏水基團有脂肪基（-CH3、-C2H5等）、芳香基(苯和萘基)等。EDTA雖然能與許多種金屬離子生成螯合物，但這些螯合物多帶有電荷，不易被有機溶劑所萃取，故不能用作萃取螯合劑。2）萃取條件的選擇Extractionconditions23分離方法第1講

溶液的酸度越小，則被萃取的物質分配比越大，越有利于萃取。但酸度過低則可能引起金屬離子的水解或其他干擾反應發生。因此應根據不同的金屬離子控制適宜的酸度。例如，用雙硫腙作螯合劑，用CCl4從不同酸度的溶液中萃取Zn2+時，萃取Zn2+pH值必須大于6.5，才能完全萃取，但是當pH值大于10以上，萃取效率反而降低，這是因為生成難絡合的ZnO22+所致，所以萃取Zn2+最適宜的pH范圍為6.5-10之間。(2)溶液酸度的控制Aciditycontrol24分離方法第1講二苯硫腙-CCl4萃取重金屬離子的酸度曲線E%pH25分離方法第1講(3)溶劑選擇的一般規律Generalroles

（a）選擇一種對被分離物質溶解度大而對雜質溶解度小的溶劑，使被分離物質從混合組分中有選擇性地分離；（b）選擇一種對被分離物質溶解度小而對雜質溶解度大的溶劑，使雜質分離；（c）溶劑的選擇原則：“相似相溶”；常見溶劑的極性大小順序：飽和烴類<全氯代烴類<不飽和烴類<醚類<未全氯代烴類<酯類<芳胺類<酚類<酮類<醇類26分離方法第1講

在分析中應用較廣泛的萃取方法為間歇法(亦稱單效萃取法)。這種方法是取一定體積的被萃取溶液，加入適當的萃取劑，調節至控制酸度。然后移入分液漏斗中，加入一定體積的溶劑，充分振蕩至達到平衡為止。靜置待兩相分層后，輕輕轉動分液漏斗的活塞、使水溶液層或有機溶劑層流人另一容器中，使兩相彼此分離。如果被萃取物質的分配比足夠大時，則一次萃取即可達到定量分離的要求。如果被萃取物質的分配比不夠大，經第一次分離之后，再加入新鮮溶劑，重復操作，進行二次或三次萃取。但萃取次數太多、不僅操作費時，而且容易帶人雜質或損失萃取的組分。3)萃取操作方法Operations27分離方法第1講靜置分層時，有時在兩相交界處會出現一層乳濁液，其原因很多。在萃取過程中，如果在被萃取離子進入有機相的同時還有少量干擾離子亦轉入有機相時，可以采用洗滌的方法以除去雜質離子。洗滌液的組成與試液基本相同，但不含試樣。洗滌的方法與萃取操作相同。通常洗滌1-2次即可達到除去雜質的目的。分離以后，如果需要將被萃取的物質再轉到水相中進行測定，可改變條件進行反萃取。例如Fe3+在鹽酸介質中形成FeCl4-與甲基異丁酮結合成垟鹽而被萃取到有機相再用水反萃取到水溶液中(由于酸度降低)即可進行測定。28分離方法第1講4）超臨界流體萃取分離法超臨界流體萃取分離法原理萃取劑是超臨界液體,是一種介于氣態與液態之間的一種既非氣態又非液態的物質.它只能在物質的溫度和壓力超過臨界點時才能存在。常用的有二氧化碳、氨和氧化亞氮超臨界液體性質:1.密度較大,接近于液體,與溶質分子的相互作用力強,很容易溶解其它物質2.粘度較小,接近于氣體,傳質速率很高3.表面張力小,容易滲透固體顆粒,并保持較大的流速,可使萃取過程在高效、快速而又經濟的條件下進行。supercriticalfluidextraction

29分離方法第1講Section3Ionexchangeseparation30分離方法第1講1.離子交換反應

Ionextractionreaction

離子交換分離法是通過試樣離子在離子交換劑（固相）和淋洗液（液相）之間的分配（離子交換）而達到分離的方法。分配過程是一離子交換反應過程。陽離子交換反應：

Resin-SO3H+Na+=Resin-SO3Na+H+

Resin-SO3Na+H+=Resin-SO3H+Na+陰離子交換反應：

Resin-N(CH3)3OH+Cl-=N(CH3)3Cl

+OH-

Resin-N(CH3)3Cl+OH-=N(CH3)3OH

+Cl-

31分離方法第1講2.離子交換樹脂

Ionexchangeresin

離子交換反應發生在離子交換樹脂上的具有可交換離子的活性基團上。離子交換樹脂是以高分子聚合物為骨架，反應引入活性基團構成。高分子聚合物以苯乙烯-二乙烯苯共聚物小球常見，可引入各種特性的活性基團，使之具有選擇性。

Resin-SO3H（氫型）樹脂的酸性最強，其Resin-SO3Na（鈉型）比氫型穩定，商品常為鈉型，使用前用酸淋洗轉型（再生）。陰離子交換樹脂的Cl型穩定。離子交換反應是一可逆反應。離子交換樹脂使用后需要進行再生處理。32分離方法第1講3.離子交換容量

Ionexchangecapacity

離子交換樹脂在交換反應中可交換離子的數目用交換容量表示，單位mmol/g干樹脂。

將離子交換樹脂裝入玻璃柱即構成離子交換分離柱，可用來分離干擾離子。當淋洗液為中性水溶液時，干擾離子保留在柱中。離子交換反應是一可逆反應，被交換離子隨淋洗液pH不同而在分離柱中移動，由于不同離子與離子交換樹脂之間的作用力不同，流出分離柱的時間不同而被分離。一般使用的離子交換樹脂的粒度為50-100目。33分離方法第1講4.離子交換親和力與選擇性系數

Affinityandselectivecoefficient

離子交換分離中的分配系數是組分離子在樹脂上的濃度與在溶液中的濃度之比，對陽離子Mn+，分配系數KD為：分配系數KD反映了離子與樹脂的親和力大小。不同離子對樹脂的親和力大小具有如下規律：1)稀溶液中，離子電荷越大，親和力越大；2)相同電荷時，水合半徑越小，親和力越大；34分離方法第1講3)陰離子親和力的順序為：

SO42->C2O42->I->NO3->CrO42->Br->SCN->Cl->Ac->F-4)H+對強酸性離子交換樹脂的親和力在Na+與Li+之間，離子交換樹脂的酸性越弱，H+與其親和力越大；5)OH-對強堿性離子交換樹脂的親和力在Ac-與F-之間，離子交換樹脂的堿性越弱，OH-與其親和力越大；當溶液中有多種離子可與樹脂發生交換時：

R-A+B+=R-B+A+此反應的平衡常數稱為離子交換的選擇性系數KB/A。35分離方法第1講離子交換過程示意圖36分離方法第1講A+BABAB柱層析離子交換層析法將交換上去的離子，用適當的洗脫劑依次洗脫而分離.37分離方法第1講5.離子交換分離法的應用Applications

1)去離子水的制備

實驗室用去離子水及鍋爐用水的軟化。采用串聯的陽離子交換柱和陰離子交換柱。2)干擾組分的分離

如測定礦石中的鈾時，為了除去其它金屬離子的干擾，將礦石溶解后處理成0.1mol/L的硫酸溶液，U(VI)形成[UO2(SO4)2]2-或[UO2(SO4)3]4-

，在通過強堿性離子交換樹脂時，被留在樹脂上，其它金屬離子則流出。之后，將其破壞成為UO2+形式洗脫，回收率可達98%3)痕量組分的富集天然礦石中痕量釷的富集：釷在鹽酸溶液中難以形成穩定的配位離子，保留；共存的稀土則形成穩定的配位離子，被洗脫。38分離方法第1講Section4Chromatographicseparation39分離方法第1講1基本原理

Basicprinciple色譜法是一種物理化學分析方法。根據所用樣品混合物中各組分物理、化學性質的差異，各組分程度不同的分配到互不相溶的兩相中。當兩相相對運動時，各組分在兩相中反復多次重新分配，結果使混合物得到分離。

固定相：固定不動的一相流動相：移動的一相40分離方法第1講葉綠素

葉綠素葉黃素

'，

"葉黃素

茨維特色譜圖（1906）葉綠素的石油醚溶液流經裝有CaCO3的柱子，然后用石油醚淋洗.CaCO3對葉綠素各成分吸附能力不同，而分離成為色帶.41分離方法第1講2

色譜法的分類Classification1)根據流動相分類:氣相色譜—以氣體作流動相液相色譜—以液體作流動相超臨界色譜—流動相是在接近它的臨界溫度和壓力下工作的液體2)根據固定相的附著方式分類—固定相裝在圓柱管中—柱色譜

—固定相涂敷在玻璃或金屬板上—薄層色譜（平板色譜）

—液體固定相涂在紙上—紙色譜(平板色譜)42分離方法第1講3)根據分離機理分類分配色譜—樣品組分的分配系數不同

吸附色譜—樣品組分對固定相表面吸附力不同

體積排阻色譜—利用固定相孔徑不同，把樣品組分按分子大小分開

離子交換色譜—不同離子與固定相上相反電荷間的作用力大小不同43分離方法第1講3柱色譜法

ColumnChromatography機理:

吸附色譜吸附劑:Al2O3,SiO2(硅膠),

聚酰胺等吸附劑和洗脫劑的選擇:物質極性吸附活性洗脫劑極性

強小強弱大弱裝柱加入樣品層析后常用洗脫劑極性次序:石油醚<環己烷<CCl4<甲苯<CH2Cl2<CHCl3<乙醚<醋酸乙酯<正丙醇<乙醇<甲醇<水44分離方法第1講

紙色譜示意圖

Rf>0.02，A、B可分離.溶劑前沿起始線（原點）展開劑yx2x1層析缸層析紙與標樣比較可定性鑒定45分離方法第1講Rf值測量示意圖L0L1L2討論：Rf與組分性質、流動相及溶解度有關

極性組分→易保留,Rf小(流動相極性↑,Rf↑）

非極性組分→易流出,Rf大(流動相極性↑,Rf↓)46分離方法第1講定性檢出氨基蒽醌試樣中的各種異構體樣品：氨基蒽醌固定相：

-溴代萘附著于濾紙纖維素上.展開劑：吡啶:水（1:1）1,7-氨基蒽醌1,6-氨基蒽醌1,8-氨基蒽醌1-氨基蒽醌硝基蒽醌溶劑前沿原點47分離方法第1講例：氨基酸混合液點在15×15cm濾紙邊2cm處，風干，展開劑用CH3OH-H2O-吡啶（20:5:1），當溶劑移動至14cm處，取出風干。（第一次展開）

將濾紙折成筒狀，使斑點處于下方，再用叔丁醇-甲基乙基酮-H2O-二乙胺(10:10:5:1)展開至14cm，取出風干。(第二次展開)顯色：茚三酮-4-乙-2-甲氮苯-冰HAc

xx

第二次展開雙向紙色譜法第一次展開48分離方法第1講

氨基酸的Rf值展開劑正丁醇+吡啶+水0.200.290.600.200.330.241:1:1正丁醇+醋酸+水0.23

0.230.700.280.220.1112:3:5天冬氨酸甘氨酸白氨酸谷氨酸絲氨酸組氨酸PC檢測方法；顏色,顯色(反應顯色,I2蒸氣,紫外燈照)剪下斑點，用適當的溶劑洗脫后測定(比色,熒光)49分離方法第1講薄層板玻璃板上涂吸附劑層SiO2Al2O3上行法薄層板層析缸展開劑層析缸展開劑濾紙條下行法薄層板

4薄層色譜法Thin

Chromatography50分離方法第1講薄層色譜法點樣及展開過程51分離方法第1講展開后的薄層板52分離方法第1講薄層層析法的應用天然產物和有機化合物的分離與鑒定

(藥物,香精,氨基酸及其衍生物)發展:

薄層層析膠片，旋轉薄層層析儀，自動進樣技術，光譜掃描技術等。例:3,4-苯并芘的檢測

富集:

環己酮或石油醚提取,脫水后濃縮至0.1mL;

層析分離:

制板,點樣,展開;

測定:

截取-乙醚洗脫-蒸干-濃H2SO4溶解,

熒光法測定(對照標樣).53分離方法第1講氣相色譜儀的流程I-載氣系統;II-進樣系統;III-色譜柱和柱箱;IV-檢測系統;V-記錄系統54分離方法第1講液相色譜儀的流程55分離方法第1講硅膠孔結構對分離的影響固定相：LichrosorbSi100,500,1000,4000粒徑：10m色譜柱：200mmX3mmi.d.流動相：正庚烷流速：5ml/min1----苯;2----聯苯3----間三聯苯;4----間四聯苯5----間五聯苯;6---間六聯苯56分離方法第1講稠環芳烴的分析1--苯;2--萘;3--聯苯;4--菲;5--蒽;6--熒蒽7--芘;9--芑11--苯并芘[e]12--苯并芘[a]固定相：ODS（薄殼型）；流動相：線性梯度洗脫，20%甲醇-水---100%甲醇-水，2%/min；流速：1ml/min；柱溫：50；柱壓：70X105Pa；檢測器：UV57分離方法第1講5

生物大分子的色譜分離法

Chromatographicseparationofbiomacromolecules生物試樣：酶、蛋白質、核酸、多糖生命科學的發展需要提供高純試劑；色譜法是目前最有效的制備級的分離方法；基因工程中，治療用蛋白的分離純化即采用高壓制備液相色譜；空間排阻液相色譜：蛋白質大小差異，通用型蛋白分離純化工具；

58分離方法第1講親和色譜：利用固定相配基與生物大分子之間的特殊生物親和力的不同實現分離；

例如：將過渡金屬離子Cu2+、Zn2+、Ni2+等以亞胺金屬配合物的形式鍵合到固定相上，由于組胺酸和半胱胺酸能與這些離子形成配位鍵，形成亞胺-蛋白螯合物，故含有這兩種氨基酸的蛋白質可以被這種親和色譜固定相分離。離子交換色譜：利用蛋白質具有不同的等電點分離。59分離方法第1講Section5Membraneseparation60分離方法第1講透析——超濾分離技術

Dialysis:ultrafiltrationseparation原理：透析是采用半透膜作為濾膜,使試樣中的小分子經擴散作用不斷透出膜外,而大分子不能透過被保留，直到膜兩邊達到平衡。特點：半透膜兩邊均為液體，一邊為試樣溶液，另一邊為純凈溶劑（水或緩沖溶液）。可不斷更換外層溶劑使擴散不斷進行，直至符合要求。應用：制備或提純生物大分子時，除去小分子物質及其雜質，脫鹽。61分離方法第1講用于透析的半透膜應具備的條件1）在溶劑中能膨脹形成分子篩狀多孔薄膜，只允許小分子溶質通過，而阻止大分子（如蛋白質）通過；2）化學惰性；3）在水、鹽溶液、稀酸或稀堿溶液中穩定；4）有一定的機械強度和良好的再生性能。62分離方法第1講2.透析的裝置與方法

Instrumentationandmethods

半透膜可制成管狀，按需要截取一定長度，將一端封閉后，裝入需要透析的試樣溶液后，放入盛有溶劑的透析缸中。商品透析管常涂有甘油以防干裂，也可能含有其他微量雜質。

預處理：用50%乙醇慢慢煮沸一小時，再分別用50%乙醇、0.01mol/L碳酸氫納溶液、0.001mol/LEDTA溶液依次洗滌，最后用蒸餾水洗滌三次；63分離方法第1講透析過程注意點：1）透析前，對裝有試液的透析袋檢查是否有泄漏；2）透析袋裝一半左右，防止膜外溶劑因濃度差滲入將袋漲裂或過度膨脹使膜孔徑改變；3）攪拌；定期或連續更換外部溶劑可提高透析效果。64分離方法第1講3.超濾Ultrafiltration

超濾是指外源加壓的膜分離，其原理與過濾一樣。依據所加的操作壓力和膜的平均孔徑的不同，可分為三種模式：1)微孔過濾

操作壓力為0.07MPa，膜的平均孔徑為500埃至14

m，用于分離較大顆粒