一 分离与色谱法

“分离”的大概含义多数人是熟悉的，但给出一个准确、综合的定义却十分困难。分离方法、混合物类型、分离目的、处理物料数量是如此多种多样，其共同特征很难全部包罗，只能从基本分离属性进行说明。让我们先看一个最简单的例子。凡进人与化学相关实验室从事实验，人们常接触作为溶剂或试剂的纯水，一般是通过自来水蒸馏分离获得，按水的沸点在接收瓶里收集，常称为“蒸馏水”，矿物等杂质不能蒸出留在蒸馏瓶内被除去。现在，通过离子交换、膜分离均可获得纯水。其分离操作通过质量迁移将混合物各成分分别置于不同容器中。一个混合物的完全分离可用下式表示：

(a+b＋c+d+…）一→（a)＋(b)＋(c)＋(d)＋…

这里括号表示不同容器或不同区域空间。字母a,b,c,d,…表示不同的成分，按其表达式，原在一个容器中的混合物各组分，分离后进入不同容器。Rony曾提出这样定义：“分离（separation）是一种假定的（hypothetical）状态，在这种状态下，物质完全被分开（(isolation),就是说，含有n种化学组分的混合物被分成n种纯的形式，并把它们置于n个独立容器中。所谓假定，从理论上讲，把混合物各组分完全分离是不可能的，分离只是一个分离程度的记录。”就如上面讲的蒸馏水，可能含有沸点相近或可被水蒸气蒸出的微量杂质，而不可能是“绝对纯”的水。只是水的相对含量比蒸馏前提高了。因此，分离是提高原来混合物一个（或多个）组分相对（其他组分的）浓度或分子分数，这是分离的另一种表述方式。

分离的目标是将被分离各组分从混合物中分出，提高相对浓度，而其困难是阻碍分离的两个相关过程。其一是被分离组分在分离过程中再混合：

                             等体积混合

(a)+(b）+（c）+（d)一一一一→(a+b+c+d)

其二是被分离组分的浓度稀释或分子离散：

    稀释

(a)一→(a)(18一3)

即a占据的空间增大，所有被分离组分亦存在类似情况。根据热力学第二定律，混合是一个熵增加的自发过程，稀释或分子离散也是熵增加的自发过程。而分离和浓缩都是逆着大自然的非自发熵减过程，熵减过程必须有外加能量，必须做功才能完成，这是分离的热力学限制。例如，聚乙烯生产过程中，乙烯分离纯化耗能占整个生产过程总能耗的940o，而醋酸生产中分离提纯占生产能耗的98%。

色谱是一种最重要的物理化学分离方法，亦称为层析法，它能分离性质相近多组分的复杂混合物，而这是其他分离方法无法实现的。色谱分离是基于混合物各组分在两相中分布系数的差异，当两相作相对移动时，被分离物质在两相间进行连续、多次分配，组分分配系数微小差异导致迁移速率差异，实现组分分离。

早期的经典柱色谱主要作为一种分离技术，现代高效色谱柱技术和高灵敏度色谱检测技术发展，分离与检测相结合，色谱已成为高效、高灵敏、应用最广的分离分析方法。分离是色谱分析的主体或核心，检测技术是色谱分析不可分割的组成部分。气相色谱（GC)、高效液相色谱（HPLC)、高效毛细管电泳（HPCE)是现代色谱分析或分离分析的典型代表。色谱分析所需试样量少，试样量通常为mg,μg乃至更少；可测定混合物中含量极低的痕量成分。分析分离常在极微小体系内完成，如毛细管、芯片式的微通道。分离分析的微型化，即微分离（mi-croseparation)技术是当前的发展趋势之一。色谱分析亦可测定组分的某些物理化学常数，还可获得分离过程中分子间相互作用、二级平衡、分子迁移动态过程等信息，成为研究物理化学、有机化学、环境化学、生物医药学、分离机理、发展分离理论、分离方法、优化分离操作条件等的重要手段。工业生产中的在线色谱等分离分析亦是生产自动化控制技术。

色谱亦是高效制备分离方法。与分析分离相比，制备分离处理的试样或物料量要大得多，其目的也不尽相同。按分离目的和处理物料量可分为小规模实验室制备分离和大规模工业制备分离。为进行化合物的化学、物理性质或结构、生物活性测定，欲分离纯化混合物中某一成分，一般采用实验室制备分离，处理试样量大多在mg至9级范围。经典柱色谱、实验室制备色谱及萃取、精馏、结晶一般用于这类分离。工业生产中大规模制备分离，即分离工程，是燃料、石油化工、药物、食品、环境、资源利用、冶金、生物技术等生产过程的重要组成部分。分离工程是混合物分离、提纯的工程学科，是化学、生物与工程学的交叉学科。精馏、萃取、吸附、吸收、膜分离等是分离工程的典型代表，分离物料量以吨计。色谱分离大型化、工业化，属发展中的高效工业分离单元操作，其理论、设备、技术、成本是开发研究中的分离工程课题。

二 分离方法分类

分离方法有许多分类方式，每种分类基于分离方法某个或多个特性或特征—有表观的，也有深人分离迁移的某些本质方面—表述分离方法之间的共性和差异，但其中有些分类是不严格的。由于分离过程的复杂性，影响分离因素的多样性，分离的科学分类是分类学上仍需继续研究的课题。其目标是从分子水平上描述各种分离方法的共同基础和差异。这里有选择地介绍几种分类方法。

（一）按相的类型分类

大多数分离方法包含有两相。表18-1列出分离方法按两相状态分类。包括气气、气液、液液等不同类型分离。

（二）按分离机理分类

按分离过程或操作的物理、物理化学、化学机理等类型分类，如表18一2所示。

（三）按分离过程推动力分类

KingCJ把均相混合物分离过程分为两大类，即平衡过程和速率控制过程。趋向或达到平衡可作为分离的一种热力学“推动力”。色谱的高效在于平衡倾向或趋向平衡推动的连续过程。液液萃取是实现平衡过程，达到动态平衡需要相当长时间，若非连续过程，则分离效率和速度受到限制。速率过程是一种动力学的推动力，在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）作用下，溶质迁移速率差异实现分离。平衡过程又称为稳态过程，速率过程则称为非稳态或瞬变过程。表18-3列出这种分类，它主要考察分离过程的主要推动力，只具有相对意义。就色谱而言，决定分离选择性的基础是热力学平衡，而速率过程对色谱分离亦有重要影响。电色谱则是平衡和速率两种推动力的结合，带电粒子在电、磁场作用下按质荷比分离的质谱，具有质量分离能力，从理论上讲属电、磁分离技术。但一般未归入分离技术，而作为质量测定技术。

三 色谱法分类

色谱法包括多种分离和仪器类型、分离机理、理论处理方法、检测和操作技术等，色谱基于不同因素有多种分类方法。因而有时一种色谱方法可能有几种不同名称。

（一）按固定相的形态分类

固定相装在色谱柱内称为柱色谱。根据柱管的大小、结构和制备方法不同，又分为填充柱、整体柱、毛细管或开管柱。气相色谱、高效液相色谱均为柱色谱。

固定相呈平面状称为平面色谱，它包括固定相以均匀薄层涂敷在玻璃或塑料板上的薄层色谱和以滤纸作固定相或固定相载体的纸色谱。

（二）按色谱动力学过程分类

1．淋洗色谱法

又称为洗提法，以与固定相作用力比分离组分弱的流体为流动相，各组分按与固定相作用力、吸附力或溶解力等，从弱到强先后洗出，形成连续、区域宽度逐步展宽的Gaussian曲线色谱峰。淋洗色谱是使用最广泛的色谱分析方法，本章主要介绍这种色谱模式。

2.置换色谱法

也称为排代法、顶替法，用含与固定相作用力较被分离组分强的物质流体为流动相，依次将组分从固定相上置换出来，与固定相作用力弱的组分先被置换洗出。

3.迎头色谱法

也称为前沿法，以试样混合物为流动相，与固定相作用力弱的组分最先以纯物质状态流出，其后，吸附或溶解力较强的第二个组分与第一个组分的混合物流出色谱柱，余类推。此方法只适用于少数几个组分混合物的分离、纯化。化学类实验室或工业上采用活性炭等吸附剂对试样或物料脱色一般属这种色谱类型。

（三）按两相的物理形态、分离机理等分类

色谱最基本的分类方法是基于两相的物理形态、固定相性质和结构、分离组分或溶质在色谱体系迁移中两相间的平衡类型或作用机理。一般按流动相为液态、气态、超临界流体分为液相色谱、气相色谱、超临界流体色谱。进一步根据固定相性质可分为各种色谱方法。表18-4给出柱色谱法的基本类型。

各种气相、液相柱色谱是典型和应用最广泛的色谱方法。本章关于色谱基本概念、理论讨论，以这两类色谱为代表。在此基础上，参阅有关专业书籍、文献，自学掌握其他色谱方法不会困难。

四 色谱法与其他分离、分析方法比较

（一）与精馏、萃取分离比较

(1)色谱、精馏与萃取同属平衡分离方法，精馏、萃取存在真正气液、液液分布平衡：而色谱法只存在趋向平衡过程。

(2)色谱法与精馏、萃取分离比较具有速度快、效率和选择性高的特点。精馏、萃取是色谱法未出现前广泛应用的分离方法，分离速度慢、效率低。石油化学家采用精馏法鉴别出原油中200多种组分，为此花费20多年时间，而采用毛细管气相色谱一质谱联用方法只需几小时便可完成。

(3)精馏不能分离沸点相同的组分，萃取不能分离在溶剂中溶解度相同的组分；色谱法可分离沸点、溶解度相同的组分，可分离物理、化学性质相近，其他分离方法不能或难以分离的组分。

(4)精馏、萃取可分离物理化学性质差别较大的组分，如低分子与高分子化合物、无机物与有机物等，一般用于实际试样的初步分离，适用于色谱法试样的前处理，具有每次试样处理量大的优点；仪器分析色谱法每次处理试样量小。作为分析分离所需试样量小是其优点，但作为制备分离处理试样量小是其弱点。

(5)精馏过程和单次萃取不存在被分离组分被稀释；多级萃取和色谱法相似，分离过程中分离组分被稀释。

（二）与化学分析方法比较

(1)化学分析是基于物质的独特化学性质对元素、某个或某类化合物进行测定，而色谱分析不受化学性质限制，是一种分离分析方法，可分离泌定化学性质相同的同系物各组分、光学对映体等，这是化学分析难以解决的。

(2)化学分析本身不具备分离功能，它适用于测定某类相同化学性质的物质总量，如水、油脂等的总酸度，气体中的总含硫量，复合肥料中的总含氮、总含磷量等，这些常常是天然或合成产物的重要质量指标，化学分析简单、快速。

(3)化学分析一般不适用于分析多组分的混合物，需采用沉淀、萃取预分离或掩蔽等消除干扰测定物质，如水溶液中多种阴离子的测定，是化学分析长期未能解决的难题，而离子色谱法适用于这种混合成分分离测定。

(4)化学分析根据消耗的化学试剂量可直接计算出测定物质的量，定量方法简易；色谱法与其他仪器分析方法一样，在进行定量分析时，必须要用各纯物质侧定定量校正因子，定量测定较复杂。

（三）与光谱、质谱分析方法比较

(1)光谱、质谱主要是物质定性鉴定分析方法，它提供物质的各种结构信息，包括所含官能团、相对分子质量，乃至某个化合物，既可鉴定已知物，也可鉴定未知的新化合物；而色谱法本质上不具备定性分析功能，提供的分子结构信息有限，必须用已知物对照才能根据保留值定性，这是色谱法最大的弱点。

（2)色谱法最主要的特点是适用于多组分复杂混合物分离分析；这是光谱、质谱法分子分析所不及的。通过解联立方程，光谱法也只能分析二元、三元等简单混合物，而分析方法就比较复杂。采用数学方法和计算机技术，光谱、质谱法的发展有可能实现多组分混合物分析，但困难在于未知组分的干抚，如果有大量未知组分存在，光谱、质谱对多组分分析难以实现。

(3)色谱仪器的价格相对比分子光谱、质谱仪器低得多，适用范围和领域更广。

(4)一般来说色谱检测器比分子光谱法灵敏度更高，比质谱灵敏度低。色谱高分离能力与光谱、质谱的结构、定性鉴定相结合，色谱作为光谱、质谱进样系统，或光谱、质谱作为色谱检测器，即色谱与光谱、质谱联用是当今仪器分析广泛的应用技术和最重要发展方向之一。