分析化学中的分离技术课件.ppt

2023/3/26,第二章 分析化学中的分离技术,一、概述二、常用分离方法三、现代分离技术进展四、分离基本原理,第一节 概述,2010年10月8日1时44分,一、概述,1.分析对象的复杂性 天然产物提取具有生理活性的组分；紫杉醇 中草药有效组分的测定、分离 2.药物、高纯试剂的制备 青霉素过敏的原因：含微量其他组分；提纯后可口服 235铀、238铀的分离：利用235UF6和235UF6蒸汽扩散速度的差别。3.分析过程中的干扰 仪器分析的选择性和灵敏度不断提高，但在很多情况下有干扰存在。干扰组分分离。,2010年10月8日1时44分,分离在定量分析中的作用,(1)将被测组分从复杂体系中分离出来后测定(2)把对测定有干扰的组分分离除去(3)将性质相近的组分相互分开(4)把微量或痕量的待测组分通过分离达到富集的目的 分离前的体系：均相；两组分A、B的分离；分离体系总是两相；液-液；液-固；气-液；,2010年10月8日1时44分,二、常用分离方法,解决常规分离技术（蒸馏、重结晶、萃取等）所不能解决的分离问题；性质特别接近物质的分离。1.沉淀分离法 传统分离方法，采用沉淀剂；液-固分离。2.溶剂萃取分离法 被分离物质由一液相转入互不相溶的另一液相的过程；液-液两相；互不相溶。超临界萃取。,2010年10月8日1时44分,常用分离方法,3.离子交换分离法 通过带电荷溶质与固体（或液体）离子交换剂中可交换的离子进行反复多次交换而达到分离。4.膜分离技术 发展较快的一种分离方法；模拟生物过程；利用半透膜（高选择性）淡化海水。5.色谱分离方法 柱层析；制备型气相色谱；制备型液相色谱；,2010年10月8日1时44分,三、现代分离技术的进展,以膜分离技术、高效制备色谱、超临界萃取为代表的现代分离技术；生物技术的发展需要高效分离技术：核酸、酶、蛋白质、多肽等的活性纯化；,2010年10月8日1时44分,四、分离的基本原理,1 分配系数和分配比 描述被分离组分在两相中的分配平衡；判断分离的难易程度；溶质A在两相（相1和相2）中的活度之比（在一定温度下是一个常数），分配系数：,a、A、分别为活度、浓度、活度系数。两组分分配系数相差越大越易分离；两组分的分离比：,分配系数大者为分子项，分离比1。,2010年10月8日1时44分,2回收因子与分离因子,定量分析对分离的要求：待测组分A在分离过程中的损失要小，即回收完全；干扰组分B的残留量小。两个量化参数：回收因子（回收率）RA和分离因子SB/A。回收因子：,常量分析中，要求RA达到0.999。,2010年10月8日1时44分,分离因子,或称分离系数，用来表达A 与B 的分离程度；由分离因子与A、B 的原始比率乘积可得到最终分离后两组分的比值；分离因子SB/A：,故,常量分析中，要求SB/A达到0.001；痕量分析要求达到10-6。,2010年10月8日1时44分,内容选择,第一节 概述,第三节 溶剂萃取分离法,第四节 离子交换分离法,第五节 膜分离技术与生物试样分离,结束,第二节 沉淀分离法,2023/3/26,第二章 分析化学中的分离技术,一、无机沉淀剂沉淀分离法二、有机试剂沉淀分离法三、盐析法,第二节 沉淀分离法,2023/3/26,一、无机沉淀剂沉淀分离法,对沉淀反应的要求：所生成的沉淀溶解度小、纯度高、稳定1.氢氧化物沉淀分离法 沉淀剂：NaOH，NH4OH 影响因素：溶液pH，共沉淀,2023/3/26,2.硫化物沉淀分离法,沉淀剂：H2S 约40余种金属离子可生成难溶硫化物沉淀；各种金属硫化物沉淀的溶解度相差较大；根据H2S的分布曲线，溶液中S2-的浓度与pH有关，控制溶液pH 可控制分步沉淀。H2S 有毒，气味难闻；选择性差。,2023/3/26,二、有机试剂沉淀分离法,高选择性、高灵敏度；应用普遍；有机沉淀剂与金属离子生成的三种沉淀类型：1.螯合物沉淀 8-羟基喹啉与Mg2+生成六元环结构的螯合物沉淀；在氨缓冲溶液中，可实现镁与碱金属及碱土金属的分离；2.缔合物沉淀 四苯基硼化物与K+的反应产物；溶度积2.2510-8；3.三元配合物沉淀 提高选择性和灵敏度的一条途径；,2023/3/26,三、盐析法,在溶液中加入中性盐使溶质生成沉淀析出；易产生共沉淀，选择性差；成本低，简便；蛋白质的分离：对其生物活性有稳定作用；常用的中性盐：硫酸盐、磷酸盐、氯化物等；在蛋白质的分离中硫酸铵、硫酸钠应用较多。,2023/3/26,内容选择,第二节 沉淀分离法,第三节 溶剂萃取分离法,第四节 离子交换分离法,第五节 膜分离技术与生物试样分离,结束,第一节 概述,第八章 分析化学中的分离技术,一、分配系数和逆流分配分离二、间歇操作的萃取效率三、溶剂选择的一般规律,第三节 溶剂萃取分离法,2023/3/26,一、分配系数和逆流分配分离,萃取分离的原理与特点：定义：被分离物质由一液相转入互不相溶另一液相的过程称为萃取。特点：萃取分离体系由互不相溶的两液相组成；原理：被分离组分在两液相中的溶解度具有较大的差异；1.分配系数 萃取是溶质在两相中经过充分振摇，达到平衡后按一定比例重新分配的过程。在恒温、恒压、较稀浓度下，溶质在两相中达到平衡时，溶质在两相中的浓度比值为一常数（分配系数），即：,c1、c2 分配平衡后，溶质在上、下层液相中的浓度。,2023/3/26,讨论,（1）不同溶质在不同的溶剂中具有不同的 K 值；（2）K 值越大表示该溶质在上层溶剂中的溶解度越大；（3）当混合物中各组分的K 值很接近时，须通过不断更新溶剂进行多次抽提才能彼此分离；（4）分配系数与物质在两相体系中的溶解度有关，但分配系数不等于溶质在两种溶剂中溶解度的比值。溶解度是指饱和状态，萃取则常用于稀溶液；,2023/3/26,分配比,分配系数用于描述溶质为单一形式存在的情况，如果有多种存在形式，则引入分配比：,c1总、c2总 分配平衡后，溶质（包括所有的存在形式）分别在上、下层液相中的总浓度。当溶质以为单一形式存在时，K=D,2023/3/26,2.萃取液,两相溶剂系统：水 相：水或水醇 有机相：碳烃化合物、醚、酯等3.多次间歇萃取 当一次萃取不能满足要求时，采取多次萃取。4.逆流分配萃取 逆流分配仪：可连续上百次萃取。,2023/3/26,二、间歇操作的萃取效率,设试样水溶液体积为V水（mL），组分A的总量为XA（mmol），加入有机溶剂体积V有（mL），经过一次萃取后，A在水相中的残留量为YA（mmol），其分配系数K：,以回收率表示萃取效率，则组分A的萃取率RA的定义是：,2023/3/26,间歇操作的萃取效率,残余在水相中A的分数fA与萃取率RA的关系是：,如果用等体积溶剂进行n次萃取，则总萃取率为：,2023/3/26,三、溶剂选择的一般规律,（1）选择一种对被分离物质溶解度大而对杂质溶解度小的溶剂，使被分离物质从混合组分中有选择性地分离；（2）选择一对被分离物质溶解度小而对杂质溶解度大的溶剂，使杂质分离；（3）溶剂的选择原则：“相似相溶”；常见溶剂的极性大小顺序：饱和烃类全氯代烃类不饱和烃类醚类未全氯代烃类酯类芳胺类酚类酮类醇类,2023/3/26,四、溶剂萃取体系,1、非极性有机溶剂对分子组分的萃取,这类萃取的特点是欲萃物能溶于水相也能溶于有机相，并且不和有机相有任何的化学结合。纯粹是由于溶解的关系而萃取。所以也称为简单分子萃取，如HgCl2，HgBr2，HgI 之萃取入苯、己烷等。,2023/3/26,2、形成离子对的萃取2.1 季铵盐 伯、仲、叔胺都能接受氢离子，人们通常把它们当作弱碱但是，当铵离子的四个氢原子被四个烃基取代后，生成的季铵是一种强电解质，不能再接受氢离子，季铵以离子对的形式萃取阴离子如甲基三烷基铵的硝酸盐，其分子式为，,2023/3/26,它在有机相中的NO3-，可与水相中的金属络阴离子，如稀土的络阴离子RE(NO3)4-，RE(NO3)52-，RE(NO3)63-发生阴离子交换，而使稀土进入有机相其反应可写成,注：季铵盐只萃取能形成络阴离子的金属元素。不能形成络阴离子的金属元素，如碱金属、碱土金属等均不萃取。,2023/3/26,常用季铵盐的商品名称如下：Arquad 2HT-75 氧化二甲苯双十八烷基接：Arquad 2C R2N(CH3)2Cl 式中R平均约合16个碳原子；Hyamine 1622 氯化二异丁基二甲苄基苯乙氧乙基铵；Aliquat 336 氯化甲基三辛基铵，我国商品代号N263；Zephiramine 氯化二甲基十四烷基苄基铵。,2023/3/26,2.2 碱性染料,各种大结构、带正电的碱性染料也用于萃取金属配合物的阴离子由于这种染料与金属配阴离子形成有色的离子对可萃入有机溶剂中最常用的碱性染料如罗丹明、孔雀石绿、结晶紫等 例如在6N盐酸中，镓与罗丹明B形成红或红紫色氯镓酸罗丹明B，可用乙醚苯混合溶剂萃取后比色,2023/3/26,2.3 大阴离子萃取剂 有些一价大阴离子可以萃取阳离子大阴离子萃取剂萃取重的碱金属离子特别有效 如四苯硼酸根离子在硝基甲烷、硝基苯等溶剂中萃取铯，可使铯与许多其它金属离子分离,2023/3/26,2.4 含NCCN功能团的试剂,这类试剂本身是不带电荷的大分子螯合萃取剂它能与某些金属离子形成稳定的阳螯合离子这些阳螯合离子分子量大，可与水相中的阴离子以离子对形式萃入有机溶剂中而且，有些离子对使有机相显很深的颜色，从而可用比色法测定金属离子的浓度 如Fe2+离子与邻二氮菲形成 Fe(Phen)32+阳螯合离子子，再与水相中阴离子X-形成 M(Phen)xn+Xn-离子对，而与阴离子X-一起萃入有机相,2023/3/26,3、螯合萃取剂,由于大多数金属离子都能以螯合物形式萃取 因此，常用于分析化学的溶剂萃取中，特别是当金属离子量少时，这类萃取剂的应用就更为适用3.1 通过氧和或氮配位的萃取剂 分析化学中使用的许多螯合剂都合有氧和或氮原子这些原子可以与金属离子配位形成五元或六原环这类螯合萃取剂能萃取多种金属离子,2023/3/26,给予体为氧、氮原子的常用螯合剂,2023/3/26,3.2、通过硫配位的萃取剂,2023/3/26,烷基磷(膦)酸作为萃取剂来说，其选择性和特效性较差，因此，它在分析实验室中的应用仍然是有限的 与其它萃取剂比较，它们比较便宜，它们的金属盐亦易溶于有机溶剂中。因此，这类萃取剂适用于萃取大量金属离子,3.3、烷基磷(膦)酸,2023/3/26,各种高分子量胺用作萃取刘时，其优点是在分离中具有选择性除了可用于液液萃取外，亦可用于反相色谱，它包括柱、纸和薄层色谱其缺点是萃取时两相有时不易分离，甚至形成乳浊液最常用的一些高分子量胺如：Amberlite LA-1是一种长链仲胺，学名是N-十二碳烯基(三烷基代甲基)胺，溶于有机溶剂曾用于萃取铋、镉、钴、铜、镓、铁、镓、铟、锇、锰、铅、稀土元素、铊、铀、锌、锆等金属离子，以及硝酸、盐酸或硫酸,3.4、高分子量胺,2023/3/26,内容选择：,第一节 概述第二节 沉淀分离法第三节 溶剂萃取分离法第四节 离子交换分离法第五节 膜分离技术与生物试样分离,结束,2023/3/26,第八章 分析化学中的分离方法,一、离子交换与离子交换树脂二、离子交换亲和力与分离效率三、离子交换分离法的应用,第四节 离子交换分离法,2023/3/26,一、离子交换与离子交换树脂,1.离子交换反应 离子交换分离法是通过试样离子在离子交换剂（固相）和淋洗液（液相）之间的分配（离子交换）而达到分离的方法。分配过程是一离子交换反应过程。阳离子交换反应：Resin-SO3H+Na+=Resin-SO3 Na+H+Resin-SO3Na+H+=Resin-SO3 H+Na+阴离子交换反应：Resin-N(CH3)3OH+Cl-=N(CH3)3 Cl+OH+Resin-N(CH3)3 Cl+OH-=N(CH3)3 OH+Cl-,2023/3/26,2.离子交换树脂,离子交换反应发生在离子交换树脂上的具有可交换离子的活性基团上。离子交换树脂是以高分子聚合物为骨架，反应引入活性基团构成。高分子聚合物以苯乙烯-二乙烯苯共聚物小球常见，可引入各种特性的活性基团，使之具有选择性。Resin-SO3H（氢型）树脂的酸性最强，其Resin-SO3 Na（钠型）比氢型稳定，商品常为钠型，使用前用酸淋洗转型（再生）。阴离子交换树脂的Cl型稳定。离子交换反应是一可逆反应。离子交换树脂使用后需要进行再生处理。,2023/3/26,2023/3/26,3.离子交换容量,离子交换树脂在交换反应中可交换离子的数目用交换容量表示，单位 m mol/g 干树脂。将离子交换树脂装入玻璃柱即构成离子交换分离柱，可用来分离干扰离子。当淋洗液为中性水溶液时，干扰离子保留在柱中。离子交换反应是一可逆反应，被交换离子随淋洗液pH不同而在分离柱中移动，由于不同离子与离子交换树脂之间的作用力不同，流出分离柱的时间不同而被分离。一般使用的离子交换树脂的粒度为50-100目。,2023/3/26,二、离子交换亲和力与选择性系数,离子交换分离中的分配系数是组分离子在树脂上的浓度与在溶液中的浓度之比，对阳离子Mn+，分配系数KP为：,分配系数KP反映了离子与树脂的亲和力大小。不同离子对树脂的亲和力大小具有如下规律：(1)稀溶液中，离子电荷越大，亲和力越大；(2)相同电荷时，水合半径越小，亲和力越大；,2023/3/26,(3)多元素阴离子亲和力的顺序为：,SO42-C2O42-I-NO3-CrO42-Br-SCN-Cl-Ac-F-(4)H+对强酸性离子交换树脂的亲和力在Na+与Li+之间，离子交换树脂的酸性越弱，H+与其亲和力越大；(5)OH-对强碱性离子交换树脂的亲和力在Ac-与F-之间，离子交换树脂的碱性越弱，OH-与其亲和力越大；当溶液中有多种离子可与树脂发生交换时：R-A+B+=R-B+A+此反应的平衡常数称为离子交换的选择性系数KB/A。,2023/3/26,三、离子交换分离法的应用,1.去离子水的制备 实验室用去离子水及锅炉用水的软化。采用串联的阳离子交换柱和阴离子交换柱。2.干扰组分的分离 如测定矿石中的铀时，为了除去其他金属离子的干扰，将矿石溶解后处理成0.1mol/L的硫酸溶液，U(VI)形成UO2(SO4)22-或UO2(SO4)34-，在通过强碱性离子交换树脂时，被留在树脂上，金属离子则流出。之后，将其破坏成为UO2+形式洗脱，回收率可达98%3.痕量组分的富集 天然矿石中痕量钍的富集：钍在盐酸溶液中难以形成稳定的配位离子，保留；共存的稀土则形成稳定的配位离子，被洗脱。,2023/3/26,内容选择：,第一节 概述第二节 沉淀分离法第三节 溶剂萃取分离法第四节 离子交换分离法第五节 膜分离技术与生物试样分离,结束,2023/3/26,第八章 分析化学中的分离技术,第五节 膜分离技术与生物试样分离,一、透析 超滤分离技术二、超滤三、生物大分子的色谱分离法,2023/3/26,一、透析 超滤分离技术,原理：透析是采用半透膜作为滤膜,使试样中的小分子经扩散作用不断透出膜外,而大分子不能透过被保留，直到膜两边达到平衡。特点：半透膜两边均为液体，一边为试样溶液，另一边为纯净溶剂（水或缓冲溶液）。可不断更换外层溶剂使扩散不断进行，直至符合要求。应用：制备或提纯生物大分子时，除去小分子物质及其杂质，脱盐。用于透析的半透膜应具备的条件：（1）在溶剂中能膨胀形成分子筛状多孔薄膜，只允许小分子溶质通过，而阻止大分子（如蛋白质）通过；（2）化学惰性；（3）在水、盐溶液、稀酸或稀碱溶液中稳定；（4）有一定的机械强度和良好的再生性能。,2023/3/26,透析的装置与方法,半透膜可制成管状，按需要截取一定长度，将一端封闭后，装入需要透析的试样溶液后，放入盛有溶剂的透析缸中。商品透析管常涂有甘油以防干裂，也可能含有其他微量杂质。预处理：用50%乙醇慢慢煮沸一小时，再分别用50%乙醇、0.01mol/L碳酸氢纳溶液、0.001 mol/L EDTA 溶液依次洗涤，最后用蒸馏水洗涤三次；透析过程注意点：（1）透析前，对装有试液的透析袋检查是否有泄漏；（2）透析袋装一半左右，防止膜外溶剂因浓度差渗入将袋涨裂或过度膨胀使膜孔径改变；（3）搅拌；定期或连续更换外部溶剂可提高透析效果。,2023/3/26,二、超滤,超滤是指外源加压的膜分离，其原理与过滤一样。依据所加的操作压力和膜的平均孔径的不同，可分为三种模式：(1)微孔过滤 操作压力为0.07 MPa，膜的平均孔径为500埃至14 m，用于分离较大颗粒；(2)加压超滤 操作压力为0.03-6 MPa，膜的平均孔径为10-100埃至14 m，用于分离大分子溶质；(3)反渗透 操作压力为30-120 MPa，膜的平均孔径为10埃以下，用于分离小分子溶质；,2023/3/26,超滤装置与应用,超滤装置：目前应用最广的是采用中空纤维系统的超滤装置，其是由多根空心纤维细管成束地装配而成。空心纤维细管横截面的内表层细密，向外逐渐疏松，形成各向异性微孔膜管结构，管内径一般为0.2 mm，有效面积约1cm2，表面积与体积的比率极大，故滤速很高。DC-30型中空纤维系统的超滤装置：三组中空纤维套筒，膜表面积2.7 m2，在3个大气压下，滤液流量可达 1L/min。中空纤维系统的超滤装置用于透析、脱盐，在不到一小时可从溶液中除去99%的水。应用：浓缩酶、蛋白质、核酸、多糖；酶的浓缩回收率可达90%。特点：简单、经济、高效、快速的分离方法。,2023/3/26,三、生物大分子的色谱分离法,生物试样：酶、蛋白质、核酸、多糖 生命科学的发展需要提供高纯试剂；色谱法是目前最有效的制备级的分离方法；基因工程中，治疗用蛋白的分离纯化即采用高压制备液相色谱；空间排阻液相色谱：蛋白质大小差异，通用型蛋白分离纯化工具；亲和色谱：利用固定相配基与生物大分子之间的特殊生物亲和力的不同实现分离；例如：将过渡金属离子Cu2+、Zn2+、Ni2+等以亚胺金属配合物的形式键合到固定相上，由于组胺酸和半胱胺酸能与这些离子形成配位键，形成亚胺-蛋白螯合物，故含有这两种氨基酸的蛋白质可以被这种亲和色谱固定相分离。离子交换色谱：利用蛋白质具有不同的等电点分离。,2023/3/26,液膜分离,液膜分离是一种新发展的化学分离方法在液膜分离过程中，组分主要是依靠在互不相溶的两液相间的选择性渗透、化学反应、萃取和吸附等机理而进行分离这时欲分离的组分从膜外相透过液膜进入到膜内相而富集起来这种机理和液-液萃取机理相似，但是它把液-液萃取中的萃取和反萃这两步骤结合在一起，而且由于液膜很薄，传质速度很快，所以效率比溶剂萃取高,2023/3/26,近年来在模拟生物膜的结构与功能的基础上，液膜分离技术得到了发展生物膜基本上由类脂和蛋白质组成，此外，尚有少量糖，核酸和水等类脂规定了膜的大致形态，亲水的一端向外，亲油的一瑞向内，中心类似液体，膜蛋白嵌在类脂中赋与膜以特征功能，起着选择性输送物质的”载体”作用，并促进物质转移 如海带富集碘使其中碘的浓度比海水中碘的浓度高一千倍以上，就是依靠这种活性迁移功能近代发展的液膜，正是吸收了生物膜的这种特点，采用了流动载体，从而大为提高膜的传质效率与选择性,2023/3/26,液膜及其分类,液膜就是悬浮在液体中的很簿一层乳液微粒乳液通常是由溶剂(水或有机溶剂)，表面活性剂(作乳化剂)和添加剂制成的溶剂是构成膜的基体，表面活性剂合有亲水基和疏水甚，可以定向排列以固定油水界面使膜形稳定将乳液分散在外相(连续相)中，就形成了液膜膜的内相与外相都与液膜不互溶,2023/3/26,液膜类型可分为三种：即液滴型、隔膜型和乳化型其中以后者日前研究和使用得最多这种乳化型液膜的液滴直径范围为0.2 0.5mm，乳化的试剂滴直径范围为10-1 10-3mm，膜的有效厚度约110m,2023/3/26,内容选择：,第一节 概述第二节 沉淀分离法第三节 溶剂萃取分离法第四节 离子交换分离法第五节 膜分离技术与生物试样分离,结束,