日用化工分析

第一章绪论第一节精细化学品的范畴和发展一、精细化学品的定义（FINECHEMICALS）精细化学品是与通用化工产品及大宗化学品相区别的一个术语，至今也没有严格的定义，一般是指初级和次级化学品经过深加工而制得的具有特定功能的小批量产品。其中包含两个方面的内容，一是功能性、二是产量小。欧美国家把产量小的化学品称为精细化学品，强调其规格和纯度，而把具有特殊功能的化学品称为专用化学品，强调的是功能和专用性。中国和日本则将二者统称为精细化学品。二、精细化学品的范畴1986年化工部规定了11种产品属于精细化学品，分别是农药、染料、涂料、颜料、高纯试剂、信息化学品、食品和饲料添加剂、粘合剂、催化剂和各种助剂、化学药品和日化用品、功能高分子材料。这些是传统的一些精细化学品，现在还有一些新型的精细化学品，例如医药中间体、精细陶瓷、油田化学品、汽车化学品等等。三、发展现状化工产品的精细化是发达国家化学工业发展的一个重要标志。近十几年来，精细化工的发展速度是其他工业难以比拟的。除传统精细化工产业得以迅猛发展以外，许多新兴的精细化工领域也正迅速建立起来，特别是功能材料领域，例如光电磁材料、功能树脂、医用高分子材料和智能材料等等。现在发达国家化学工业的精细化率已超过50，我国1980年仅为19，1985为23，2000年达到4045。精细化学品的发展与化合物的分离和分析技术的发展紧密联系。甚至可以说，分离和分析技术及设备的每一次突破和飞跃，都促进了精细化学品的发展。对任何一种精细化学品，不管是合成的、复配的或是天然提取的，如果不能分离并确定混合物中各组分的结构，各组分的含量，那么这种精细化学品就无法生产。第二节分离和分析方法的发展史一、分离技术的发展分离具有很悠久的历史，早期炼丹术和炼金术促进了精馏、过滤、结晶、升华、沉降，都是传统的分离方法。这些传统的技术经过数百年，已发展为现代分离工程，例如现在的吸附精馏、膜精馏、分子精馏、膜分离、分步结晶。1、传统的分离方法（1）沉淀分离法通过加入沉淀剂的方法改变溶质和溶剂的能量平衡，使要分离的物质以紊乱无规则的状态析出，分为无机盐沉淀、沉淀剂沉淀和等电点沉淀（）无机盐沉淀（利用无机物与有机物作用，分为金属盐沉淀和盐析法，盐析法主要用于蛋白质分析）提取茶多酚（功能）茶叶沸水浸提茶汁沉淀剂沉淀40硫酸转溶乙酸乙酯萃取真空干燥成品。精制卵磷脂（卵磷脂的功能、结构）大豆卵磷脂无水乙醇溶解60ZNCL2沉淀氯仿溶解乙醇萃取蒸干乙醚、丙酮洗涤干燥（655，纯度为821）（）沉淀剂沉淀（利用有机物与所分离组分沉淀，加入有机物，首先降低了溶液介电常数,从而增强了溶质分子间的静电力,导致溶质分子间发生聚合而析出。其次有脱水作用,有机溶剂溶解在水溶液中,减少溶质与水的作用,使溶质脱水而聚集沉淀。这种方法选择性高,沉淀后所得产品不需脱盐,残留沉淀剂可通过挥发而去除,但对某些生物大分子物质有失活作用,常在低温下操作。常用有机溶剂有甲醇、乙醇、丙酮）茶叶中提取茶多糖茶叶冷水浸提95乙醇或丙酮沉淀水溶解透析4872H95乙醇或丙酮沉淀脱水、减压干燥成品（）等电点沉淀（利用两性电解质分子在电中性时溶解度最低）大蒜细胞质中SOD的提取大蒜浸提、过滤、离心SOD粗酶液调PH34沉淀12000R/MIN除其他蛋白上清液离子交换。（2）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；液固萃取。新型的萃取技术双水相萃取（AQUEOUSTWOPHASEPARTITIONING）、凝胶萃取GELEXTRACTION、反胶束萃取REVERSEDMICELLE、膜萃取（MEMBRANEEXTRACTION）、液膜萃取（LIQUIDMEMBRANEEXTRACTION）、超临界流体萃取（SUPERCRITICALFLUIDEXTRACTION）（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的交换。人表皮生长因子的提取和脱色RHEGF发酵液离心盐析透析DEAESEPHADEX2A50离子交换D314离子交换真空冷冻干燥产品总RHEGF收率超过53,产品纯度高于32。果胶的提取水和树脂浸提减压浓缩冷却至5度乙醇沉淀减压抽滤除乙醇干燥得成品。2、现代分离方法以膜分离技术、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；（1）膜分离技术膜分离技术是20世纪60年代以来发展起来的一项新兴分离技术,它具有分离过程不发生相变、常温操作、步骤简单、选择性高、能耗低等特点,特别适合热敏性物质如蛋白质、多肽、氨基酸、药品等的分级分离和浓缩。膜分离技术以压力差为推动力，通常根据分离对象可分为微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）四种类型。微滤用于截留直径为00210M大小的粒子，用于发酵液除菌、澄清及细胞收集等。超滤可分离分子量从上千到数百万的可溶性大分子物质，对应孔径约220NM。超滤膜规格通常,不是以孔径大小作为标准，而是用截留分子量作为指标。纳滤集浓缩与脱盐为一体，膜平均孔径约12NM，用于分离溶液中分子量为2001000DA的小分子物质，如抗生素、氨基酸等。反渗透膜因其致密的分离结构，对离子有效截留，主要用于海水脱盐，纯水制造以及小分子产品浓缩等。芦荟原汁微滤1M微滤045M超滤双效浓缩罐装脱气高温瞬间灭菌。利用反渗透膜（高选择性）淡化海水。（2）超临界流体萃取（SFE）所谓超临界流体（SCF），是指物体处于其临界温度和临界压力以上时的状态。这种流体兼有液体和气体的优点，密度大，粘稠度低，表面张力小，有极高的溶解能力，能深入到提取材料的基质中，发挥非常有效的萃取功能。而且这种溶解能力随着压力的升高而急剧增大。这些特性使得超临界流体成为一种好的萃取剂。而超临界流体萃取，就是利用超临界流体的这一强溶解能力特性，从动、植物中提取各种有效成份，再通过减压将其释放出来的过程。中草药有效成分的提取银杏黄酮、紫杉醇、人参皂甙、甘草酸、卵磷脂、天然鱼油、沙棘籽油。（3）色谱分离方法柱层析、制备型气相色谱、制备型液相色谱；二、分析技术的发展在早期，化合物分析主要是通过重量法（分析燃烧以后产生的气体和固体推断）进行的，但这些的方法应用有限。到19世纪末20世纪初，利用化合物的特征反应和降阶反应，但这些方法对未知的、复杂的或物化性质十分接近的体系，采用上述经典的分离分析方法很难达到。例如，鸦片中吗啡碱的分离、结构测定及合成，自1805年历时60年才得以完成。1903年，俄国的植物学家茨维特发现了色谱技术，为现代化学品的分离分析开创了新局面。随着紫外、红外、核磁、原子吸收光谱、质谱、X射线衍射、元素分析等强有力的分析工具制造，其中一些和色谱联用，使化合物的分析和鉴定发生了翻天覆地的变化。分析化学已不仅仅局限于测定样品的成分及含量,而是着眼于降低测定下限、提高分析准确度上。第三节仪器分离与分析在精细化学品中的应用无论是研究开发新的专用化学品，还是老品种的生产控制以及产品质量的检测，均涉及到精细化学品的分离与分析。在国外发达国家的实验室中已普遍具备气相、液相和离子交换色谱；红外、紫外与可见、核磁、以及元素分析等仪器条件。在确定一复杂化合物的结构时往往需要联合使用上述的分析仪器。对已某一样品，一般要先分离，制备出一定的纯样品，然后再进行各组分的分析鉴定。例如洗涤剂、化妆品中各组分的剖析等。第二章现代分离方法第一节色谱法概述一、色谱历史1903年俄国植物学家茨维特（MICHAELTSWETT，18721919）在华沙自然科学学会生物学会议上发表了“一种新型吸附现象及其在生化分析上的应用”研究论文，介绍了一种应用吸附原理分离植物色素的新方法，称此方法为色谱法（CHROMATOGRAPHY）。茨维特被世人公认为色谱创始人。把白垩粉（CACO3）装在玻璃管中，将植物叶子的石油醚提取液倒入管中，然后加入石油醚淋洗。随着淋洗进行，样品中各种色素向下移动的速度不同，逐渐形成一圈圈的连续色带。茨维特在当时的实验中观察到6个色带，它们分别是胡萝卜素、叶黄素和叶绿素A和B。色谱历史1903年，MICHAELTSWETT提出色谱法1935年，离子交换色谱；1938年，薄层色谱；1941年，MARTIN和SYNGE提出分配色谱；1944年，提出纸色谱法；1952年，MARTIN和JAMES发明了气液色谱法；1953年，气固色谱；1955年，第一台商品气相色谱问世，标志着现代色谱分析的建立；1959年，凝胶色谱1967年，高效液相色谱仪；1975年，提出离子色谱；80年代，超临界色谱90年代，毛细管电泳获得1952年度的诺贝尔化学奖MARTIN和SYNGE的主要工作（1）采用水分饱和的硅胶作固定相，以含有乙醇的氯仿作流动相，分离了三组氨基酸；（2）首次提出分离过程的塔板理论；（3）提出了色谱法进一步发展最有远见的预言一是“流动相可用气体来代替，对分离更有好处”；二是“使用非常细颗粒的填料和柱两端施加较大的压差，应能得到最小的理论塔板”。二、色谱分析方法的分类1、按两相物理状态分类气相色谱（流动相为气体）气固色谱（GASSOLIDCHROMATOGRAPHY）气液色谱（GASLIQUIDCHROMATOGRAPHY）液相色谱（流动相为液体）液固色谱（LIQUIDSOLIDCHROMATOGRAPHY）液液色谱（LIQUIDLIQUIDCHROMATOGRAPHY）流动相为超临界流体（SUPERCRITICALFLUIDCHROMATOGRAPHY）2、按分离原理分类吸附色谱（ADSORPTIONCHROMATOGRAPHY利用吸附剂表面对不同组分具有不同的吸附力；分配色谱PARTITIONCHROMATOGRAPHY利用不同组分在给定两相中具有不同的分配系数；离子交换色谱IONEXCHANGECHROMATOGRAPHY利用不同组分对离子交换剂亲和力的不同而达到分离的一种色谱方法。凝胶色谱GELCHROMATOGRAPHY利用惰性多孔物，如凝胶，对不同组分分子的大小而产生不同的滞留作用，以达到分离的色谱方法。亲和色谱AFFINITYCHROMATOGRAPHY利用生物大分子和固定相表面存在某种特异亲和力，进行选择性分离的一种方法。3、按色谱动力学过程分类淋洗法ELUTIONMETHOD流动相与固定相的结合比样品与固定相的结合弱，分为等度淋洗和梯度淋洗。是目前色谱方法总最普遍的方法。置换法DISPLACEMENTMETHOD，替换法流动相与固定相的结合比样品与固定相的结合强前沿法FRONTALMETHOD），迎头法样品本身就是流动相，固定相上吸附或者溶解力最弱的最先流出，后面的就是混合物了。4、按固定相形式分类平板色谱纸色谱利用滤纸作固定相，让样品溶液在纸上展开，喷显色剂后，根据显色斑点的位置和大小进行鉴定和分析。薄层色谱将吸附剂研成粉末，在玻璃上涂成薄薄的一层，然后采取和纸色谱一样的方法。柱色谱填充柱色谱固定相装在玻璃或金属管内，例如填充柱GC，高效液相色谱；毛细管色谱固定相附在管子的内壁，中心是空的。棒色谱将吸附剂研碎后涂敷在石英棒上，再进行色谱操作。第二节色谱理论一、分离原理当流动相携带样品通过色谱的固定相时，样品分子与固定相分子之间发生相互作用，使样品分子在流动相和固定相之间进行分配。与固定相分子作用力越大的祖坟向前移动速度越慢，与固定相分子作用力越小的组分向前移动速度越快，经过一定的距离后，由于反复多次的分配，使原本性质（沸点、极性）差异很小的组分之间也可得到很好的分离。二、色谱参数色谱流出曲线是由检测器输出的电信号强度对时间作图所绘制的曲线，又称为色谱图。基线是在操作条件下，没有组分流出时的流出曲线。基线反映仪器主要是检测器的噪音随时间的变化。色谱峰是流出曲线上的突起部分。正常色谱峰、拖尾峰和前延峰。、1、峰宽（WB）峰两侧曲线在拐点作切线而在基线上相交的线段；、2、峰高（H）峰最高点至峰底的垂直距离；、3、半峰宽（Y1/2）峰高一半处峰的宽度；、4、标准偏差（）0607倍峰高处色谱峰宽的一半。保留值1保留时间RETENTIONTIMETR从进样到某组分在柱后出现浓度极大时的时间间隔。2死时间T0分配系数为零的组分，即不被固定相吸附或溶解的组分的保留时间。3调整保留时间RT某组分由于溶解（或被吸附）于固定相，比不溶解（或不被吸附）的组分在柱中多停留的时间。0RTT4保留体积VR从进样开始到某个组分在柱后出现浓度极大时，所需通过色谱柱的流动相体积。CRFTV5死体积V0由进样器至检测器的流路中未被固定相占有的空间。固定相颗粒间间隙、导管的容积、检测器内腔容积的总和。C0FTV6调整保留体积VR由保留体积扣除死体积后的体积CR0RFTV三、分配平衡1、分配系数和容量因子分配系数DISTRIBUTIONCOEFFICIENT组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、挥发的过程叫做分配过程。在一定温度和压力下，当分配体系达到分配平衡时，组分在固定相S与流动相M中的浓度C之比。MCKS组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度分配系数仅与组分、固定相和流动相的性质及温度（和压力）有关，是组分的特征常数。试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础；一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢；选择适宜的固定相可改善分离效果；某组分的K0时，即不被固定相保留，最先流出。分配比（PARTIONRADIO），也称容量因子CAPACITYFACTOR、容量比。在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。分配比是指在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的质量比MSK组分在流动相中的质量组分在固定相中的质量分配系数与分配比都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数，随分离柱温度、柱压的改变而变化。分配系数与分配比都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值越大，该组分的保留时间越长。分配比可以由实验测得。2、容量因子与分配系数的关系KVCMKMSSS式中为相比，即VM/VS填充柱相比635；毛细管柱的相比501500。VM为流动相体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积；VS为固定相体积，对不同类型色谱柱，VS的含义不同气液色谱柱VS为固定液体积；气固色谱柱VS为吸附剂表面容量；3、分配比与保留时间的关系某组分的K值可由实验测得，等于该组分的调整保留时间与死时间的比值0RTTK4、分配系数K及分配比K与选择因子R2,1的关系1212,KKTRR如果两组分的K或K值相等，则R2,11，两组分的色谱峰必将重合，说明分不开。两组分的K或K值相差越大，则分离得越好。因此两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先决条件。5、基本保留方程基本保留方程可表示为TRT01K若载气流量F0恒定，也可用保留体积表示，则VRVMKVS这就是色谱基本保留方程。上式说明，色谱柱确定后，VM和VS即为定值。由此可见，分配系数不同的各组分具有不同的保留值，因而在色谱图上有不同位置的色谱峰。例用一根固定相的体积为0148ML，流动相的体积为126ML的色谱柱分离A，B两个组分，它们的保留时间分别为144MIN，154MIN，不被保留组分的保留时间为42MIN，试计算（1）各组分的容量因子；（2）各组分的分配系数；（3）AB两组分的选择因子RB,A解（1）KA144MIN42MIN/42MIN243KB154MIN42MIN/42MIN267（2）KKKVM/VSKAKAVM/VS243126ML/0148ML207KBKBVM/VS267126ML/0148ML2273RB,AKB/KA227/207110四、色谱理论色谱理论需要解决的问题色谱分离过程的热力学和动力学问题、影响分离和柱效的因素、提高柱效的途径。两种色谱理论塔板理论和速率理论；1、塔板理论（PLATETHEORY）柱分离效能指标将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复（类似于蒸馏塔塔板上的平衡过程）；在每一个塔板上，被分离组分达到一次分配平衡。塔板理论的假设A在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达到；这一小段间隔的柱长称为理论塔板高度。B将载气看作成脉动（间歇）过程；C试样沿色谱柱方向的扩散可忽略；D每次分配的分配系数相同。色谱柱长L，虚拟的塔板间距离（理论塔板高度）H，色谱柱的理论塔板数N，则三者的关系为NL/H理论塔板数与色谱参数之间的关系为22/1654BRRWTTN单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。保留时间包含死时间，在死时间内不参与分配。因此提出有效塔板数和有效塔板高度EFFBRREFNLHWTT22/1654例用一根柱长为1M的色谱柱分离含有A，B，C，D四个组分的混合物，它们的保留时间TR分别为64MIN，144MIN，154MIN，207MIN，其峰底宽WB分别为045MIN，107MIN，116MIN，145MIN。试计算各色谱峰的理论塔板数。解3261MIN451720680I9N41326I50M62DCBABRNNWT塔板理论的特点和不足（1）塔板理论能够解释流出曲线的形状，色谱峰极大点的位置以及评价柱的效率。当色谱柱长度一定时，塔板数N越大塔板高度H越小，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，即使分配系数只有微小的差别，仍可获得好的分离效果。所得色谱峰越窄。（2）不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。（3）柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。（4）塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果，也无法指出影响柱效（如塔板高度H）的因素及提高柱效的途径。2、速率理论影响柱效的因素1956年荷兰学者范弟姆特（VANDEEMTER等提出了色谱过程的动力学理论，他们吸收了塔板理论的概念，并把影响塔板高度的动力学因素结合进去，导出了塔板高度H与载气线速度U的关系。（1）速率方程（也称范弟姆特方程式）HAB/UCUH理论塔板高度；U载气的线速度CM/S减小A、B、C三项可提高柱效；存在着最佳流速；A涡流扩散项A2DPDP固定相的平均颗粒直径；固定相的填充不均匀因子固定相颗粒越小DP，填充的越均匀，A，H，柱效N。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄。对于空心毛细管柱，A项为零。B/U分子扩散项B2DG弯曲因子，空心毛细管，1；填充柱色谱，09999）。在添加浓度为11，20，50G/ML时，回收率在9001028之间，精密度RSD27，最低检出限为香豆素03G/ML（S/N30）,6甲基香豆素03G/ML（S/N32），7甲氧基香豆素05G/ML（S/N50）。最后使用质谱进行验证。该法简便、快速、准确，可用于化妆品中的此三种物质含量的检测。（2）化妆品中酞酸酯的测定酞酸酯用在指甲油中能降低其脆性而避免碎裂，用在发胶中会在头发表面形成柔韧的膜而避免头发僵硬，用在香水等中作溶剂和防香味挥发剂。美国调查机构最近公布的一份报告显示美国市场3/4的化妆品中含有酞酸酯。美国疾病防治中心统计显示5的育龄妇女每日DBP的摄入量比正常人平均值高20倍。2002年底，瑞典科学家发现34种世界顶尖的香水和化妆品中含有致癌和导致不育的DEHP物质。人类与化妆品接触的密切程度仅次于食品。经常使用富含酞酸酯的化妆品，会使酞酸酯在体内不断蓄积。毛细管气相色谱分析。（3）化妆品中熊果苷的分析熊果苷是源于绿色植物的天然活性皮肤脱色组分，存在于杜鹃科多年生常绿植物中，是一种新兴的无刺激、无过敏、配伍性强的天然美白活性物质。色谱条件色谱柱5M153M2165M大口径毛细管柱。固定相10