誰能幫我寫壹篇關於色譜法的論文

1938 年，Archer John Porter-Martin 和 Richard Lawrence Millington Singer 利用氨基酸在水和有機溶劑中溶解度的差異，分離出不同種類的氨基酸、馬丁和辛格準備用兩種逆流溶劑分離氨基酸，但沒有成功。後來，他們將水吸附在固相矽膠上，再用氯仿沖洗，成功分離出氨基酸，這就是現在常用的分配色譜法。成功後，馬丁和辛格的方法被廣泛用於分離各種有機物質，1943 年馬丁和辛格發明了紙色譜法，這種方法是在蒸汽飽和的環境中進行的。

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氣相色譜和色譜理論的出現

1952 年，馬丁和詹姆斯提出了使用氣體作為流動相進行色譜分離的想法，他們使用矽藻土吸附矽油作為固定相，氮氣作為流動相，分離了幾種小分子量的揮發性有機酸。

氣相色譜的出現，使色譜技術從最初的定性分離手段進壹步發展為具有分離功能的定量測定手段，極大地推動了色譜技術和理論的發展。與早期的液相色譜相比，以氣體為流動相的色譜對設備的要求更高，這促進了色譜技術的機械化、標準化和自動化；氣相色譜需要特殊的、更靈敏的檢測裝置，這促進了檢測器的發展；而氣相色譜儀的標準化使得色譜理論得以形成色譜理論中具有重要地位的塔板理論和Van Deemter方程，以及保留時間、保留指數、峰寬等概念都是在研究氣相色譜行為的過程中形成的。

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高效液相色譜法

20 世紀 60 年代，為了分離蛋白質、核酸等不易氣化的大分子，人們將氣相色譜法的理論和方法重新引入經典液相色譜法。20 世紀 60 年代末，Cochran、Haber、Horvath、Puhays 和 Ripschke 開發出世界上第壹臺高效液相色譜儀，開啟了高效液相色譜儀的時代。高效液相色譜法使用粒徑更細的固定相填充色譜柱，增加色譜柱上的板數，並以高壓驅動流動相，從而使傳統液相色譜法需要數天甚至數月才能完成的分離工作有可能在幾小時甚至幾分鐘內完成。

1971年，Cochran等人出版了《現代液相色譜實踐》壹書，標誌著高效液相色譜（HPLC）的正式誕生。此後，高效液相色譜成為最常用的分離和檢測手段，並廣泛應用於有機化學、生物化學、醫學、藥物開發和檢測、化學工業、食品科學、環境監測、商業檢驗和法醫檢驗等領域。高效液相色譜還極大地推動了固定相材料、檢測技術、數據處理技術和色譜理論的發展。

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原理

色譜過程的實質是待分離物質的分子在固定相和流動相之間的分布平衡過程，不同物質在兩相間的分布會有所不同，這就使得它隨著流動相的移動速度而變化，隨著流動相的移動，混合物中的不同組分在固定相中相互分離。根據物質分離的機理，可分為吸附色譜、分配色譜、離子交換色譜、凝膠色譜、親和色譜等幾類。

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吸附色譜

吸附色譜是利用物質分子在固定相吸附中心的吸附能力差異來實現混合物的分離，吸附色譜的色譜過程是流動相分子與物質分子競爭固定相吸附中心的過程。

吸附色譜的分配系數表達式如下：

K_a =\ frac{[X_a]}{[X_m]}

其中 [Xa] 表示吸附在固定相活性中心的組分分子含量，[Xm] 表示遊離在流動相中的組分分子含量。分配系數對於計算待分離物質組分的保留時間非常重要。

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分配色譜法

分配色譜法利用待分離組分在固定相和流動相之間的溶解度差異來實現分離。分配色譜法的固定相通常是液相中的溶劑，通過圖案化、粘合和吸附等方式分布在色譜柱或擔架的表面。分配色譜的過程實質上是壹個組分分子在固定相和流動相之間達到平衡的過程。

分配色譜的窄分配系數表達式如下：

K=\frac{C_s}{C_m}=\frac{X_s/V_s}{X_m/V_m}

式中，Cs 表示組分分子在固定相液體中的溶解度，Cm 表示組分分子在流動相中的溶解度。

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離子交換色譜法

離子交換色譜法是利用被分離組分與固定相之間的離子交換能力來實現分離的。離子交換色譜的固定相壹般是離子交換樹脂，樹脂的分子結構中存在許多可被離子化的活性中心，被分離組分的離子會與這些活性中心發生離子交換，形成離子交換平衡，從而形成流動相和固定相之間的分布。固定相的固有離子與待分離組分中的離子相互競爭固定相中的離子交換中心，並隨著流動相的移動而移動，最終實現分離。

離子交換色譜的分配系數也稱為選擇系數，其表達式為：

K_s=\frac{[RX^+]}{[X^+]}

其中[RX + ]表示與離子交換樹脂活性中心結合的離子濃度，[X + ]表示流動相中遊離的離子濃度。

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凝膠色譜

凝膠色譜的原理比較特殊，與分子篩類似。待分離的組分進入凝膠色譜後，會根據分子量的差異進入或不進入固定相凝膠的孔道，不能進入凝膠孔道的分子會很快被流動相洗脫，而能進入凝膠孔道的分子則需要較長時間的沖洗才能流出固定相，從而實現組分根據分子量差異的分離。調整固定相所用凝膠的交聯度，可以調整凝膠孔的大小；改變流動相的溶劑組成，可以改變固定相凝膠的溶解狀態，進而改變孔的大小，導致不同的分離效果。

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色譜理論

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保留時間理論

保留時間是指樣品從進入色譜柱到流出色譜柱所需的時間，不同物質在不同流動相的色譜柱上洗脫，其保留時間也會不同，因此保留時間是色譜中比較重要的參數之壹。因此，保留時間是色譜分析中比較重要的參數之壹。

保留時間由物質在色譜中的分配系數決定：

tR = t0(1 + KVs / Vm)

式中 tR 表示物質的保留時間，t0 是色譜系統的死區時間，即流動相從進入色譜柱到流動相流出色譜柱的時間，它由色譜柱的孔隙、流動相的流速等因素決定。K 代表分配系數，VsVm 代表色譜柱的固定時間。該公式也稱為色譜過程方程，是色譜法中最基本的公式之壹。

在薄層色譜法中，樣品不會流入或流出固定相，因此比移值可用於描述物質的色譜行為。比移值是壹個與保留時間相對應的概念，即色譜過程中樣品點移動的距離與流動相前沿移動的距離之比。與保留時間壹樣，比移值由物質在色譜圖中的分配系數決定：

R_f=\frac{V_m}{V_m+KV_s}

其中 Rf 是比移值，K 表示色譜分配系數，VsVm 表示固定相和流動相的體積。

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基於熱力學的塔式理論

塔式理論是色譜的基本理論，塔式理論將色譜柱視為分餾塔，待分離的組分在分餾塔的塔板間移動、在每個板上，組分分子在固定相和流動相之間形成平衡，隨著流動相的流動，組分分子不斷從壹個板移動到另壹個板，不斷形成新的平衡。色譜柱中板的數量越多，分離效果越好。

根據平板理論，待分離組分的濃度在流出色譜柱時沿時間呈二項分布，當色譜柱的平板數非常多時，二項分布趨於正態分布。流出曲線上的組分濃度與時間之間的關系可表示如下：

C_t=\frac{C_0}{sigma\sqrt{2\pi}} e^{-\frac{(t-t_R)^2}{2\sigma^2}}}

此方程稱為流出曲線方程，其中 Ct 為 t 時刻的組分濃度，C0 為組分的總濃度，即：(t-t_R)^2}{2\sigma^2}}。e.,為成分的總濃度，即峰面積；σ 為半峰寬，即正態分布的標準偏差；tR 為成分的保留時間。

根據流出曲線方程，我們可以將色譜柱的理論板高定義為單位色譜柱長度上色譜峰的方差：

H=frac\{sigma^2}{L}

理論板高越低，單位色譜柱長度上的板數就越多，分離效果就越好。決定理論板高的因素包括：固定相的材料、色譜柱的均勻性、流動相的物理和化學性質以及流動相的流速。

塔板理論是建立在熱力學近似理論基礎上的，在實際色譜柱中並不存在壹塊塊相互隔離的塔板，也不能完全滿足塔板理論的前提假設。如塔板理論認為物質組分能很快在流動相和固定相之間建立平衡，又認為物質組分沿色譜柱擴散時不存在徑向擴散，這些都不符合色譜柱的實際情況，因此塔板理論雖然能很好地解釋色譜峰的峰形、峰高，並客觀評價色譜柱的柱效，但不能很好地解釋與色譜動力學過程有關的壹些現象，如色譜峰形的變形和理論塔板數與流動相流速的關系等。

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基於動力學的 Van Deemter 方程

Van Deemter 方程是對塔板理論的修正，用於解釋色譜峰的擴展和色譜柱效率的降低。塔板理論從熱力學出發，引入了與現實不符的假設，而 Van Deemter 方程則建立了壹套經驗方程來糾正塔板理論中的錯誤。

Van Deemter 方程將峰值形狀的變化歸因於理論塔板高度的變化，而理論塔板高度的變化是由多種原因造成的，包括渦流擴散、縱向擴散和傳質阻抗。

由於固定相在色譜柱內的填料不均勻，同壹組分在色譜柱內的路徑不同，從而導致峰值擴散，降低色譜柱效率。這就是所謂的渦流擴散

縱向擴散是由濃度梯度引起的，集中在色譜柱某壹區域的成分會在濃度梯度的驅動下進行徑向擴散，從而導致色譜峰變寬，色譜柱效率降低。

質量轉移阻抗主要受達到平衡分布的速率影響。在實際體系中，組分分子在固定相和流動相中達到平衡需要分子吸附、解吸、溶解、擴散等過程，這壹過程稱為傳質過程，阻礙這壹過程的因素稱為傳質阻抗。在理想狀態下，色譜柱的傳質阻抗為零，那麽流動相和固定相之間的組分分子會很快達到平衡。在實際系統中，傳質阻抗並不為零，這會導致色譜峰擴散並降低色譜柱效率。

在氣相色譜中，Van Deemter 方程的形式為：

H=A+frac{B}\{mu}+C\mu

其中 H 是板數，A 是渦流擴散系數，B 是縱向擴散系數，C 是傳質阻抗系數，μ 是流動相流速。

在高效液相色譜中，由於流動相的粘度遠高於氣相色譜，縱向擴散對峰形的影響非常小，可以忽略不計，因此 Van Deemter 方程的形式為

H=A+Cμ

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基本技術和方法

常見的色譜方法有：柱色譜、薄層色譜、氣相色譜、高效液相色譜等。

柱色譜法是最原始的色譜法，它是將固定相註入下端塞有棉花或濾紙的玻璃管中，將被樣品飽和的固定相粉末鋪在玻璃管的上端，用流動相洗脫。常見的洗脫方式有兩種，壹種是利用溶劑本身的重力自上而下洗脫，另壹種是利用毛細作用自下而上洗脫。收集分離後的純組分也有兩種不同的方法，壹種方法是直接接受色譜柱末端的流出液，另壹種方法是在幹燥固定相後用機械方法分離各個條帶，並用適當的溶劑浸泡固定相，提取組分分子。柱色譜法廣泛用於混合物的分離，包括有機合成產品、天然提取物和生物大分子的分離。

薄層色譜法是壹種廣泛使用的色譜方法，它將固定相鋪在金屬板或玻璃板上形成薄層，然後用毛細管、筆或其他工具將樣品點在板的壹端，再浸入流動相中，通過毛細作用使樣品沿板鋪展。薄層色譜法成本低，操作簡單，可用於樣品的粗略測量和有機合成過程的檢測。

氣相色譜法是壹種高度機械化的色譜方法。氣相色譜系統由氣源、色譜柱和色譜柱箱、檢測器和記錄器組成。氣源負責提供色譜分析所需的載氣，即流動相，載氣需要在恒壓下凈化和處理。氣相色譜柱壹般直徑很細，長度很長，按結構可分為填充柱和毛細管柱兩種，填充柱較短粗，直徑約 5 毫米，長度 2-4 米，外殼材料壹般為不銹鋼，內部填充固定相填料；毛細管柱由玻璃或石英制成，內徑不超過 0.5 毫米，長度為幾十米到壹百米。 毛細管柱由玻璃或石英制成，內徑不超過 0.5 毫米，長度為幾十米到壹百米。色譜柱箱是保護色譜柱和控制色譜柱溫度的裝置。在氣相色譜中，色譜柱的溫度往往對分離效果有很大的影響，為了達到分離效果，往往需要對溫度進行程序控制，因此柱箱起著非常重要的作用。檢測器是氣相色譜為色譜法帶來的新裝置。在經典的柱色譜和薄層色譜中，樣品的分離和檢測是分開進行的，而氣相色譜則實現了分離和檢測的結合，隨著技術的進步，氣相色譜的檢測器已經有 30 多種。記錄器是記錄色譜信號的裝置。早期的氣相色譜使用記錄紙和記錄器進行記錄，現在記錄工作已由計算機完成，並可對數據進行實時化學計量處理。氣相色譜法廣泛應用於小分子量復雜成分的定量分析。

高效液相色譜（HPLC）是目前應用最廣泛的色譜分析方法，高效液相色譜系統由流動相儲液瓶、輸液泵、進樣器、色譜柱、檢測器和記錄器組成，整體組成與氣相色譜相似，但針對流動相的特點要對液體做很多調整。高效液相色譜廣泛應用於幾乎所有的定量和定性分析領域，其總體組成與氣相色譜相似，但針對其液相的特點做了很多調整。

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應用

色譜應用可根據目的分為制備和分析兩大類。

制備色譜的目的是分離混合物並獲得壹定量的純組分，包括有機合成產品的純化、天然產品的分離和純化以及去離子水的制備。與色譜法出現之前的重結晶等純化和分離技術相比，色譜法能夠壹步分離混合物，但色譜分離和純化的產量有限，只適合實驗室應用。

分析色譜法的目的是定量或定性地確定混合物成分的性質和含量。定性分析色譜法有薄層色譜法、紙色譜法，定量分析色譜法有氣相色譜法、高效液相色譜法等。色譜法應用於分析領域使得分離和測定過程合二為壹，降低了混合物的分析難度，縮短了分析周期，是目前較為主流的分析方法。在《中華人民共和國藥典》***和中國***中，有600多種化學合成藥和400多種中藥在質量控制中應用了高效液相色譜法。

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發展方向

色譜是分析化學中應用最廣泛、發展最迅速的研究領域，新技術、新方法層出不窮。

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新型固定相的研究

固定相和流動相是色譜的主角，新型固定相的研究不斷拓展色譜的應用領域，如手性固定相使色譜分離和測定手性化合物成為可能；反相固定相無死吸附，可用於血漿等生物藥物的簡單分離和測定。

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檢測方法的研究

檢測方法也是色譜研究的熱點之壹，人們不斷更新檢測器的靈敏度，使色譜分析更加靈敏。人們還將其他光譜技術引入色譜分析，如色譜-質譜法、色譜-紅外光譜法、色譜-紫外光譜法等，在分離化合物的同時確定化合物的結構。色譜檢測器的發展也伴隨著數據處理技術的發展，檢測獲得的數據經過計算處理後立即顯示出來，使實驗者獲得更多的信息。

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專家系統

專家系統是色譜與信息技術相結合的產物。由於應用色譜進行分析需要大量的實踐經驗，需要根據研究內容選擇不同的流動相、固定相、前處理方法等條件，因此色譜專家系統就是模仿色譜專家的思維方式，為色譜用戶提供幫助的程序。色譜專家系統是模擬色譜專家的思維方式，為色譜用戶提供幫助的程序。專家系統的知識庫中存儲了大量色譜專家的實踐經驗，可在色譜柱系統選擇、樣品處理、色譜分離條件選擇、定性定量結果分析等方面為用戶提供幫助。

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色譜新方法

色譜新方法也是色譜研究的熱點之壹。高效毛細管電泳是目前研究最多的色譜新方法，這種方法不分流動相和固定相，而是依靠外加電場的驅動力使帶電離子在毛細管中沿電場方向移動，由於離子的帶電狀態、質量、形態等差異而使不同的離子相互分離。高效毛細管電泳法沒有高效液相色譜法中的傳質阻抗、渦流擴散等降低柱效的因素，而且由於毛細管壁上雙電層的存在，抑制了縱向擴散，因此可以達到很高的理論板數，分離效果極佳。

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參見

* 分析化學

* 高效液相色譜

摘自 "blog.org/wiki/%E8%89%B2%E8%B0%B1%E6%B3%95"

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