薄层色谱基础知识
第一篇 基础部分 第一章 绪论
薄层色谱是色谱分析技术中的一项重要分支。由于这一方法具有简单、迅速、灵敏高度、分离效能好等优点，因此已广泛一应用于化学分析的多种领域。目前在食品卫生化学分析中，也多采用薄层色谱技术，特别是对食品中的微量有机毒物的分离和分析，更显出薄层色谱的优越性，故已成为食品卫生化学分析中的一项重要技术。
第一节 色谱分析的发展
色谱分析是分离混合物组分的一种方法。这种方法是借助于混合物中的组分，在互不相容的两组间进行吸附或分配，以达到分离的目的。本世纪初，植物学家茨维特（Tsw-ett）用菊根粉柱及石油醚分离植物叶子提取物，结果在菊根粉柱上形成了几种植物色素的色谱带，从而分离出植物叶子中的各种色素。这种分离分析的方法，被称为色谱分析法，茨维特因此而被认为是色谱分析的奠基人。但这一方法在较长的时期内并没有被人们所重视。直至1931年以后，人们在应用色谱分析方法分离类胡萝卜素等工作中，提出了色谱分析的原理及其实用价值的报告，于是才逐步完善了这一技术方法，促进了色谱分析的发展。
茨维特所建立的色谱分析方法，被称为液一固吸附色谱法。这种方法是将溶解了的待分离组分的溶液，通过固体吸附剂柱，进行分离。1941年马丁（Wartin）等人，用含有水份的惰性支持剂（如含水硅胶）代替液一固吸附色谱中的固体吸附剂，将样品溶于不溶于水的有机溶剂中，并使通过装有含水的惰性支持剂柱，由于被分离的各组分在有机溶剂及水之间的溶解度不同，从而在两相间进行分配分离，这就诞生了液一液分配色谱。此后，康斯登（Consden）用滤纸代替含水硅胶作隋性支持剂，称之为纸色谱。 马丁等进一步将色谱分离系统中的流动相由液体改为气体，并在涂有硅铜油液体的硅藻土支持剂上成功地分离了脂肪酸，创建了一种新型的色谱分析方法。由于这一方法具有分离效能高、速度快等优点，因而得到了迅速的发展，成为目前色谱分析中的一项重要的技术——气相色谱法。
五十年代中期，斯塔尔（Stahl）发展了一种新型的色谱分析技术——薄层色谱法。这一方法将在第三节讨论。
由于色谱分析中所用静相物质的不同，于是产生了另外两种色谱分析方法：（1）离子交换色谱。这种方法是以离子交换树脂为色谱分析中的静相，利用交换树脂中的极性化学键，使被分离物质在两相之间形成可逆的反应。（2）凝胶透过色谱。这种方法是用分子筛为静相，用以分离分子大小不同的化合物。
第二节 色谱分析分类
色谱分析不断发展，出现了多种类型的色谱技术方法，而任何一种色谱分析，被分离的组分都是在两相间进行分离。其中一相是一种含有很大表面积的静止的物质，称为“静相”；而另外一相是通过或者沿着静相的表面流动的物质，称为“动相”。静相可以是固体，也可以是液体（这种液体是附着在惰性支持剂上）；动相可以是液体，也可以是气体。根据每一相的两种可能在色谱分离中所处的状态，可将色谱法分为四种基本类型，即气固色谱、气液色谱、液固色谱、液液色谱，如图1—1所示。但这一分类方法无法表示色谱分离的性质， 图1—1色谱法分类图
动 相 气体 液体 静 固 吸附柱色谱 气—固色谱 1
体 薄层色谱 相 液 分配柱色谱 气—液色谱 薄层色谱 体 纸色谱
因而有人提出按色谱分离过程的物理和化学性质分类的方法：
（一）吸附色谱：静相为固体吸附剂，包括气固吸附色谱及液固吸附色谱。利用固体吸附剂对混合物中各组分在吸附性能的不同，达到分离的目的。
（二）分配色谱：静相为附着在担体上的液体，包括气液分配色谱及液液分配色谱。利用混合物中各组分在两相中的溶解度不同而有着不同的分配系数，从而进行分离。
（三）离子交换色谱：静相为离子交换树脂。利用交换树脂中的极性化学键，使被分离的物质在两相间形成可逆的反应，达到分离混合物的目的。
（四）凝胶过滤色谱：静相为分子筛。利用混合物中各组分的分子大小的差异，使通过分子筛静相，进行分离。
除以上的两种理论的分类方法外，考虑到某些特殊情况，还可以根据色谱操作的技术方法来分类。图1—2即为这种分类的表示方法。
色谱法 ┴
液相色谱 气相色谱 ┴ ┴
纸色谱 薄层色谱 柱色谱 气液色谱 气固色谱
┬ ┬ ┬
液固色谱 液液色谱 离子交换色谱 凝胶过滤色
谱
图1—2色谱分析分类法
第三节 薄层色谱简述
早在1938年依斯迈洛夫（Izmailov）等人在试图将柱色谱的管柱内径缩小到1毫米，从而建立一种“微柱色谱”的工作失败以后，考虑到一种开放式的微柱色谱法。这种方法是在涂有氧化铝薄层的玻璃板上分离药用植物提取液内的生物碱。当时仅用几滴样品溶液，因此称之为“点滴色谱”。继后，人们用这一方法成功地进行了萜、烯等植物挥发油的分离，这一方法才有所发展，被称为“带色谱法”或“板色谱法”。
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五十年代初，克尔希内（Kirehner）发展了依斯迈洛夫的方法，但目前广泛使用遥薄层色谱技术，应归功于斯塔尔的工作。他在研究植物细胞组成的过程中，探索了高灵敏度的微量分离方法，详细地研究了以往的微量色谱技术，并将依斯迈洛夫提出的色谱方法中的仪器、吸附剂以及操作条件等标准化，使这一方法进一步发展成为一种新的色谱分析技术。斯塔尔称这种方法为“薄层色谱法”（简称TLC）。 薄层色谱实际上是柱色谱的一种改良，薄层板可以认为是一个开放的色谱柱。但就技术操作来看，又很类似纸色谱。其操作方法概述如下：
先制备薄层板，即在大小适当的玻璃板上，均匀涂上吸附剂，厚度在一毫米以内，然后在距底边1。5厘米处点上样品溶液，形成一个小点，称为“原点”。再将薄层板置于盛有动相溶剂的玻缸内（此溶剂称为“展开溶剂”，玻缸称为“展开槽”）。当溶剂沿薄层扩散到距原点以上一定距离时（一般10—12厘米），取出薄层板，记录展开溶剂扩展前沿距原
2
点的距离A。然后用喷洒显色试剂或紫外光线照射的方法使被分离的化合物显色，此过程称为“显谱”。观察并记录所显斑点的中心距原点的距离。斑点在薄层板上的位置通常用比移值（Rf）表示。Rf值为斑点中心距原点的距离与溶剂展开前沿距原点距离的比值 ：
斑点中心至原点的距离
Rf＝───── ───── 溶剂前沿至原点的距离
Rf值是与物质在两相中分配系数相关的数值，因此，在特定条件下为一常数。不同的物质由于在特定色谱条件下的两相间分配系数的差异，而有着不同的Rf值，这样就达到薄层色谱分离的目的。
根据薄层色谱所使用的静相物质的性质，可将薄层色谱分为以下几类： （1）吸附薄层色谱 （2）分配薄层色谱 （3）离子交换薄层色谱 （4）凝胶过滤薄层色谱
目前由于薄层色谱不断地发展，这一微量分离技术已显示出比纸色谱法更具有应用价值。其特点如下：
（1）混合物展开分离迅速。一般展开一次约在15—60分钟，而纸色谱多在几小时至十几小时，因此薄层色谱法更适于快速鉴定。
（2）分离效能比纸色谱好。由于展开距离比较短，因此斑点比较致密。 （3）样品溶液需要量少。一般为1微升至几十微升。
（4）操作简便。不需要特殊昂贵而又复杂的仪器，便于普及。 （5）灵敏度高。与纸色谱比较，其灵敏度约高10—100倍。
（6）受温度变化影响不大。因展开时间较短，不象纸色谱难于控制温度。 （7）可以使用强腐蚀性的显色剂。因静相物质多为隋性无机化合物，所以可以使用浓硫酸、浓硝酸、氢氧化钠等强腐蚀性显色试剂。这是纸色谱法所不及的。
（8）薄层色谱的分离容量较纸色谱为大，因此用作微量物质分离的制备色谱，较纸色谱为好。
（9）可以作为一种纯化手段，与气相色谱、红外分光光度等方法联用。 薄层色谱虽然有以上优点，并在色谱分析领域内构成了独特的一个分支。但事物总是一分为二的，薄层色谱也有不足之处。首先，限于操作条件，标准化不易严格控制，因此薄层色谱中Rf值重现性不够理想；其次由于薄层板的脆弱性，色谱不易保存；其三挥发性物质及高分子量化合物的应用上还存在着一定的问题等。因此，必须全面、正确地估价这一技术方法。表1—1是各种色谱分析技术在各方面的比较，供参考。
表1—1 各类色谱分析技术的比较 方 法 纸色谱 薄层色谱 气相色谱 液固柱色谱 凝胶过滤色谱
分离分离含量分 离 情 况 时间 效能 测定 挥发性物质 非挥发性物质 高分子物质 长 中 差 无用 可用 差 短 中 差 无用 可用 差 短 特高 很好 可用 无用 无用 短 高 好 可用 可用 差 中 中 好 无用 可用 可用 3
离子交换色谱 毛细管电泳 电泳
短 短 长 高 好 高 很好 中 差 可用 可用 无用 可用 可用 可用 无用 可用 可用 第二章 原 理
薄层色谱是柱色谱的改良，即开放式的柱色薄，而同时又类似纸色谱的操作技术。因此色谱法的一般原理对于薄层色谱也是适用的。在色谱分析中，主要是动相溶剂带动混合物组分流经静相（即色谱柱、薄层板、滤纸等）的过程。根据静相的性质，使被分离的组分基于以下的一种或几种因素，在动相与静相间进行分配，从而达到分离的目的。 （1）在静相的表面或内部所持有的液体中进行溶解分配。 （2）在静相的表面或孔隙中进行吸附分配。 （3）与静相的离子组分形成极性键。
在讨论以上现象的基本原理时，首先介绍以下两个名词：
分配系数：分配系数为色谱系统中两相内所含被分离物质的浓度比。 Kd= （1） 式中：
Kd：分配系数
CS：静相中所含被分离物质的浓度 CM：动相中所含被分离物质的浓度 分配系数是一个常数，设若被分离的溶质在两相间的分配吸附等温线是一个直线，则分配系数与溶质的总浓度无关，这种情况多为低浓度。 由式样（1）可知，若浓度有较大的分配系数，则溶质与静相有较强的亲和力。在色谱系统中就将保留相当长的时间，也就是说溶液质的移动速度非常缓慢。相反，若溶液质的分配系数小，则溶液质对动相有较强的亲和力，在色谱系统中就将保留较短的时间，也就是说溶液质的移动速度非常迅速。
保留因素：物质的色谱分离过程，可以用“保留因素”R值来描述。R值是溶质在色谱系统中的移动速度与一个典型地标准物质（通常是动相溶剂）的移动速度的比值。这一标准物质不被静相所吸附，或者是不溶解在静相中（Kd=0）。 R= （2） 式中：
TM：溶质留在动相中的时间 TS：溶质留在静相中的时间
由式（2）可知R值是在0—1之间的分数，当溶质在静相中保留的时间很短时，则TS值很小，可以忽略，而R值接近于1，溶质很快随动相移动至色谱系统的末端。若溶质在静相中保留的时间过长，则TS值很大，与TS值比较，TM值非常小可以忽略（即等于零）R值将接近于零。溶质将保留在原点不动。一般R值适用于按时间分离的柱色谱。而对于按距离移动分离的薄层色谱及纸色谱，普遍采用比移值Rf来表示溶质的色谱分离过程。此值与R值相似。
Rf＝ （3） 式中： Rf：比移值
a：溶质的移动距离 A：动相的移动距离
根据色谱中静相对于被分离物质的作用原理，可将薄层色谱分为四种类型，其原理分别为：
4
（一）分配薄层色谱：即被分离的物质在动相溶剂与静相中所含有的液体之间进行分配分离。其原理与纸色谱相同，根据被分离混合物中溶质间的分配系数的不同，进而达到分离的目的。分配系数小的溶质，在动相溶解得多，随动相移动的距离就大；分配系数大的溶质，移动的距离就小，因此使不同的化合物得以分离。化合物的分配系数与Rf值间有以下关系式：
Rf＝ （4） 式中： Rf：比移值
AM：动相横截面积 As：静相横截面积 Kd：分配系数 式（4）可用下式表示之：
Kd＝ （5）
在温度一定的条件下，AM/As为一常数。将式（5）两端取对数，则得：logKd=log （6） 设
RM=log 则式（6）可改写为
logKd=log +RM
由式（7）可以看出化合物的Rf值与分配系数K之间的关系。亦即是被分离化合物的Rf值与该化合物在两项间的分配系数有关。 （二）吸附薄层色谱：在薄层色谱中，吸附作用也是一种主要的形式。在用动相溶剂展开时，不同的化合物在吸附剂和展开剂之间发生连续不断的吸附、解吸、再吸附、再解吸的现象。假定分离的全过程被分离的物质的吸附分配系数Kd是一个常数，即吸附等温线为一直线。而且在一固定的色谱系统中，吸附剂的量WA（以克表示）及动相溶剂的量VM（以毫升表示）的比值是一个常数，则被分离物质的Rf值与该物质的吸附分配系数有以下关系式： Rf= （8）
另一方面，分配系数Kd与吸附剂、流动相及被分离化合物的性质之间，具有以下的关系式：
00
IogKd=IogVa+ φ （S－eAi） （9）
式中：Va：吸附剂的表面体积，以毫升/克表示之，对于一个煅烧过的吸附剂则
－82
Va=（3。5×10厘米）×表面积厘米/克
－82
Va=（3。5×10厘米）×表面积厘米/克－0。01h h代表吸附剂中水份含量的百分比 φ：吸附剂的吸附活动 0
S：被分离化合物被标准活度（φ=1。00）的吸附剂从溶剂中吸附的吸附能 Ai：被分离化合物的分子面积效应 0
e：动相溶剂的淋洗强度 将式（8）移项则得：
（10） 式（10）两端取对数则得 Iog（ （11）
将式（9）代入式（11）则：
00
Iog（ φ（S－eAi）
00
=Iog φ（S－eAi） （12）
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