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分离科学的形成

发布时间:2015-08-10 00:00 作者:中国标准物质网 阅读量:1750

化学的基础是各种分离过程。“化学”一词的荷兰语意(schekude)是“分离技艺”。分离与化学及相关学科的产生、发展密切相关,从古代炼金术到18世纪冶金工业与化学和相分离技术的产生、发展同步。古代炼丹术、炼金术和酿造中应用了蒸馏,中国在一千多年前的宋代已出现蒸馏器,16世纪在欧洲已发展较完善的蒸馏设备,从酿酒通过蒸馏制取酒精,这可能是近代分离技术的起源。18世纪中,从天然产物提取各种有机酸、生物碱、香料。19世纪中叶,相继从羊毛、明胶等天然产物水解液中提取、分离各种氨基酸。20世纪初,德国化学家WallachO经大量萃取、蒸馏从植物中分离芳香油主要成分的菇烯类化合物,并测定其结构。18世纪到20世纪,大多数化学元素的发现、确认,广泛采用沉淀、结晶、电解等分离技术。19世纪上半叶发展起来的金属硫化物系统沉淀分组分离,对金属元素分离、分析鉴定起了重要作用。沉淀分离与光谱测定相结合成为发现新元素的主要技术途径之一。1898-1902年,CurieM和CurieP夫妇曾从8t沥青铀矿渣中反复萃取、沉淀分离得到100mg氯化镭,1910年通过电解得到金属镭。1860年,SolvayE法工业化生产碳酸钠,结晶或沉淀分离成为早期无机化工分离的核心,至今仍是无机化工主要分离技术。上世纪30到40年代,从主要含铀238(含量99.275%)天然铀中分离、浓缩仅含0.725%的铀235,开发研究并实现工业规模的气体扩散、离心、离子交换等分离技术,导致原子能时代的到来。

20世纪50到60年代,通过精馏、区域熔炼等分离纯化技术,制备超纯硅、锗半导体材料,导致晶体管、集成电路、微型计算机产生、发展和信息时代的到来。同年代,实现海水淡化的膜分离工业应用,是分离科学技术发展的一次突跃,给人类生产、生活已经并将继续产生重大影响。萃取、精馏、结晶等分离技术在有机化学产生、发展中起了极其重要作用。精馏分离是当代石油工业的技术基础。

1903-1906年,俄国植物学家Tswett(LIseTMC,茨维特)利用吸附原理分离植物色素而发明色谱法((chromatography),这是分离科学技术发展中的重要里程碑。他把菊根粉或碳酸钙等吸附剂填充在玻璃管中,将植物叶子的石油醚提取液倒入管中,然后加入石油醚自上而下淋洗。随着连续淋洗,试样中各种色素在吸附剂上吸附力大小不同,向下移动速率不同,逐渐形成一圈圈的连续色带,它们分别是胡萝卜素,叶黄素,叶绿素A,B。这种连续色带称为色层或色谱,色谱法由此而得名。色谱分离过程中所使用的玻璃管称为色谱柱(chroma-tographiccolumn),管内的碳酸钙等填充材料称为固定相(stationaryphase),石油醚淋洗液称为流动相(mobilephase)或淋洗剂(eluent)。色谱法不断发展,广泛用于分离无色化合物,并不显示有色谱带,但色谱法的名称一直沿用下来。Tswett发明的经典液相柱色谱法,由于分离速度慢,分离效率低,长时间内未引起人们重视。1925年,瑞典生物化学家TiseliusAWK从事蛋白质电泳分离,自制超速离心机并研究蛋白质分子大小和形状,1940年成功地采用电泳分离血清中的白蛋白,a、β和γ球蛋白。1131-1933年德国化学家KuhnR采用柱层析,将100年来公认为单一成分的胡萝卜素分离出a、β异构体并发现多种类胡萝卜素。20世纪40年代出现以滤纸为固定相的纸色谱(paperchromatogra-phy,PC),50年代出现了简便的薄层色谱(thinlayerchromatography,TLC)。50年代前后,StingerF经长期研究,采用色谱、电泳分离,2,4一二硝基氟苯测定氨基酸,测出胰岛素中全部氨基酸序列。其后Sanger将类似分离技术用子DNA一级结构研究.。在色谱技术发展过程中,最重要的贡献是1941年MartinAJP和SyngeRLM发明液液分配色谱、提出色谱塔板理论和预见采用气体流动相的优点,为此获得1952年诺贝尔化学奖。1952年,Martin和JamesAT发明气相色谱(gaschromatography,GO,并迅速成为石油化工、环境检测的主要分离分析方法,使色谱法发展成为分析化学的重要分支学科。70年代发展起来的高效液相色谱(high-performanceliquidchromatography,HPLC)成为生物医学、药学、食品等的重要分离分析技术。80年代,JorgensonJW等的研究工作推动高效毛细管电泳(high-performancecapillaryelectrophoresis,HPCE)高速发展。近100年来,石油化工、生物化学、分子生物学、环境科学的产生、发展与色谱、电泳、超速离心、膜分离等产生、发展密切相关。各种分离技术相互渗透,形成多种新的分离方法,如电色谱、生物膜色谱、分子蒸馏等,并迅速从实验室向工业生产发展,使以精馏为代表的传统分离技术发生巨大变化。形成了以色谱分析为代表的各种现代分离分析方法。

在历史发展较长时期内,各种分离技术、方法及有关基础理论,分散在分析化学、有机化学、生物化学和技术、药学、化学工程、环境科学和工程、石油、冶金等多个基础、应用及技术工程学科,是被工业和教育界所忽视的领域。20世纪70年代前后,学术界提出“色谱理论—一种统一的研究方法”,从分子水平研究分离的平衡原理、热力学基础、动力学过程的统一研究方法,形成了不仅对色谱,而且对各种分离技术都适用的统一研究方法、分离理论。色谱学是现代分离科学(separationscience)的基础,正是由于色谱学的发展,色谱理论的形成,导致分离技术发展成分离科学。分离通常是通过物理方法实现,虽然有些分离过程可能包含化学反应。分离基本特征是混合物组分迁移并在空间上重新分布以实现分离目标。从科学含义上讲,分离是研究物质分离、富(浓)集和纯化的一门科学,研究分离过程混合物分离组分在空间迁移,微观分子相互作用、分布、宏观浓度变化规律的科学。我们在学习色谱法基本知识和原理时,了解一点分离科学和技术的基本概念及发展背景,以扩大知识面,并有助于理解色谱法的基本原理、地位及与相邻学科的关系。

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