色層分析

色層分析 (Chromatography)
國立臺灣師範大學化學研究所碩士生張維中/國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

化學是研究物質結構和分子變化的學科，自古以來研究化學的人，無論是拿到一瓶天然物，或是一瓶化學反應的產生物，他首先所面臨的問題是：這瓶裡的東西是一種還是多種化合物？它們到底是什麼？

解決前者的辦法牽涉到化學分離法，解決後者的辦法是化學鑑定。這兩個問題不解決，就很難談到進一步的化學研究。想分開混合物也有不少方法，如利用化合物在溶劑內溶解度不同而採用的沉澱法與溶劑淬取法，當沸點不同時，則可用蒸餾法分離，熔點不一樣時，可用地域熔化法（zone melting），分子量大的可使用離心法（centrifugation）等，但用得最多且分離效果最好的應是本文所介紹的色層分析法（Chromatography）。

色層分析法（Chromatography）是俄國植物學家 Mikhail Semyonovich Tsvet在1906 年進行葉綠素研究時所發明，當時是採用碳酸鈣為吸附劑 （adsorbent） 與石油醚及酒精為洗提液（eluent）的液相吸附管柱來分離葉綠素及類胡蘿蔔素。由於植物色素可以在吸附劑上形成許多色層，所以稱為色層分析法（圖一）。

由於植物色素再不同的有機溶劑中的溶解度不同，例如葉綠素a及類胡蘿蔔素較為親脂性，易溶於極性較低的石油醚或甲苯中；而葉綠素b及葉黃素則較為親水性，故可溶於極性較大之甲醇、丙酮或酒精中。利用此一特性可將植物色素先以丙酮萃取，隨著展開劑石油醚之移動（為移動相，mobile phase），植物色素因親合力的差異會隨著其在濾紙（為固定相，stationary phase）上的向上移動而有分離的效果，此稱為濾紙色層分析法（paper chromatography）。色層分析法是利用各分子對兩種物質相對親合力（affinity）的不同把他們分離的一種方法，此法的應用範圍很廣，可從氫氦氧氮等小分子一直分到原子個數超過百萬的聚合物分子。此法用的儀器簡便，並可在一次分析中把各成份一一分出。值得稱道的是在分離的同時還能測出各成份的含量，可說是實驗室中最有效的分析方法。

薄層色層分析法（thin-layer chromatography，TLC）則是把吸附劑如矽膠（Silica gel）、纖維素（cellulose）或含硫酸鈣黏著劑的矽藻土（Keiselguhr G）等塗在玻璃板上以取代濾紙色層分析法中所用的濾紙，除可用於分離植物色素外，亦可用於分離醣類、胺基酸、脂肪、維他命等物質。使用薄層色層分析法可增快分析的速度以節省時間：且可利用螢光或呈色劑進行檢測，易從介質中將分離的各個成份回收回來，以利於定性與定量。

氣體色層分析（Gas-Chromatography）則是把混合物的各成份氣化後被攜帶氣體推送通過經特別裝填和處理的 分離管時，其流動的速率各不相同。這種方法，是英國化學家A. T. James和A. J. P. Martin於1941年最先提出的。我們所用的分離劑決定了層析方法的效能。分離劑必須對樣品中可能有的成份具有不同的親和力（Affinity）。若分離劑在操作溫度下為液體，有些分子很快地溶解在其中，而且當他們流經管中裝填物間的空隙時，液體和蒸氣間的動力平衡很快地就達到。在平衡時，二相中的分子濃度比乃是一常數。例如，化合物A的分子，可以平均分配於液相和氣相中；而化合物B的分子，卻有極大部份溶解於液相，因此達到平衡時，只有很少的B留在氣相中。在這情況下，攜帶氣體容易將化合物A的分子在管中推動，而令B分子落後留在液體中。一旦分子被攜帶到接觸新鮮液體的部份時，則又有一部份溶解而再度達成另一新的平衡。在另方面，當新的氣體流經含有B分子的液面時，一些B分子又將進入氣相以建立平衡。假使我們把這樣品想像成一段流經管子的分子柱時，可以瞭解到它們像是一群分子跳蛙；溶解性小的分子不斷地跳動到柱前再溶 解的地方；而一般溶解性大的分子落在柱後，但是它們仍不斷地被後來的氣體捕捉和驅趕向前。結果，如情況良好，所有較易揮發的成份將被帶到前方以和揮發性小 的分子顯明地分開。