高速逆流色譜法分離鑭系和錒系元素的研究進(jìn)展

李宇浩，丁有錢(qián)，王秀鳳，剛發(fā)源，岳遠(yuǎn)振，符之海，白 龍

中國(guó)原子能科學(xué)研究院 放射化學(xué)研究所，北京 102413

核燃料的燃耗測(cè)量一直是放化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。隨著國(guó)內(nèi)先進(jìn)堆型的研制，各種元件在深燃耗下得到的結(jié)果也使得對(duì)核燃料的燃耗分析有了越來(lái)越高的要求。為使用破壞法分析燃耗，需要對(duì)元件溶解液中的鑭系、錒系元素進(jìn)行系統(tǒng)分離，該過(guò)程的主要特點(diǎn)是基體量大且復(fù)雜，酸度高，并需要一次分離多種元素以供測(cè)量，這也是目前鑭系和錒系元素分離的難點(diǎn)。

高速逆流色譜（high-speed countercurrent chromatography，HSCCC）作為一種新型色譜技術(shù)，由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生院Ito博士于20世紀(jì)70年代研發(fā)出的逆流色譜法（CCC）改進(jìn)而來(lái)[1]。它以液液萃取法為基本原理，并結(jié)合了分配色譜的優(yōu)點(diǎn)，摒除了常用色譜方法中的固相載體，從而不再有常用色譜方法中的樣品吸附、拖尾等現(xiàn)象，并可以在保持幾千個(gè)理論塔板數(shù)的前提下，在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大量樣品的制備與分離。國(guó)內(nèi)有關(guān)逆流色譜法的研究由張?zhí)煊咏淌谟?0世紀(jì)80年代引入，并獨(dú)立開(kāi)發(fā)了制備型與分析型逆流色譜[2]：分析型色譜具有更高的分離效率，但進(jìn)樣量和處理量均相對(duì)較小，管路更細(xì)更長(zhǎng)，而制備型色譜的色譜柱更粗，著重于高的進(jìn)樣量與處理量，國(guó)內(nèi)在這些方面的研究水平處于國(guó)際領(lǐng)先地位。隨著逆流色譜法的設(shè)備經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化與改進(jìn)，高速逆流色譜以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于生物活性物質(zhì)的分離，并可以實(shí)現(xiàn)手性分子分離[3]。盡管在無(wú)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用較少，但HSCCC的特點(diǎn)在金屬離子的分離中也將具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

1 高速逆流色譜法簡(jiǎn)介

1.1 高速逆流色譜法原理

高速逆流色譜的特別之處在于其擺脫了傳統(tǒng)色譜技術(shù)使用固體作為固定相的桎梏，從而沒(méi)有因?yàn)槭褂霉滔噍d體而導(dǎo)致的缺點(diǎn)。為了讓固定相液體能始終保留在儀器管道之中，HSCCC使用了一種特殊的結(jié)構(gòu)——一個(gè)能繞公轉(zhuǎn)軸做行星式旋轉(zhuǎn)的螺旋管，管內(nèi)保留著所需的固定相溶液，而流動(dòng)相不斷穿過(guò)管內(nèi)與固定相交換，如圖1[1]所示。其中，自轉(zhuǎn)軸和公轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速與方向都相同。高速逆流色譜產(chǎn)生的分離效果主要由兩個(gè)因素構(gòu)成[4]。螺旋管的自轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生阿基米德螺旋力，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向的作用力，將所含液體推向管的一端，即高壓一端。當(dāng)兩種不相溶的液體存在于旋轉(zhuǎn)的螺旋管或柱中時(shí)，較重的液體會(huì)向螺旋管的尾部移動(dòng)，而較輕的液體則會(huì)被留在首端。阿基米德螺旋力的方向和強(qiáng)度取決于螺旋管的轉(zhuǎn)速、方向和螺距。在高的轉(zhuǎn)速下，首端相從尾端進(jìn)入，將穿過(guò)尾端相移動(dòng)到首端，反之亦然。這使得在使用螺旋管時(shí)可以自由的讓一相保留在管中，作為固定相。另一方面，行星式螺旋管的自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)的速率和方向均相同，使螺旋管中產(chǎn)生了不平衡的離心力：在公轉(zhuǎn)軸內(nèi)側(cè)，自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)方向相反，作用力抵消，此處的液體幾乎不受離心力的作用，即呈現(xiàn)出兩相混合的狀態(tài)；而在公轉(zhuǎn)軸外側(cè)，自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)方向相同，作用力疊加，兩相液體受到疊加的離心力影響，呈現(xiàn)出分相的狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)提高了分配次數(shù)與理論塔板數(shù)，增加了高速逆流色譜的分離效果。

圖1 HSCCC行星式螺旋管結(jié)構(gòu)示意圖[1]Fig.1 Schematic diagram of planetary column of HSCCC[1]

在擺脫了使用固體載體的缺陷后，高速逆流色譜得到了其它色譜方法不具備的優(yōu)勢(shì)：

1）靈活性

由于兩相均是液體，HSCCC在溶劑的選擇上十分多樣化，在應(yīng)用中經(jīng)常使用3～4組分混合的溶劑體系進(jìn)行分離，通過(guò)相圖可以輔助確定最優(yōu)的溶劑體系。同時(shí)任意一相都可以作為流動(dòng)相進(jìn)行分離。事實(shí)上，甚至在分離過(guò)程之中也可以進(jìn)行固定相與流動(dòng)相的轉(zhuǎn)換。由于固定相也為液相，可以在分離之后直接排干儀器，省去了很多清洗方面的麻煩。

2）適用性

在逆流色譜中，分離組分的固定相的有效性取決于液體中的擴(kuò)散過(guò)程和相混合與分離的效率，是由柱的設(shè)計(jì)參數(shù)、操作水動(dòng)力條件和兩相液體系統(tǒng)的物理化學(xué)性質(zhì)所決定的，因此其擁有更廣泛的適用性。在高效液相色譜法（HPLC）中使用硅膠作為固定相的骨架材料，將流動(dòng)相的p H限制在2～8。雖然現(xiàn)代昂貴的高效液相色譜固定相可以采用p H為1～10的流動(dòng)相，但堿性的體系仍可以溶解二氧化硅。相反，雙液相體系的溶劑對(duì)p H值不敏感，HSCCC使用聚四氟乙烯為柱材料，不存在額外的p H值問(wèn)題。在HPLC中，生物活性分子會(huì)與固定相產(chǎn)生嚴(yán)重的相互作用，這嚴(yán)重影響了分離后的生物分子活性，但是由于高速逆流色譜只存在液液分配，不會(huì)在分離時(shí)影響到生物活性，這使得高速逆流色譜在生物、藥物等領(lǐng)域的分離中大放異彩。同時(shí)，沒(méi)有了吸附、拖尾的現(xiàn)象，高速逆流色譜得到的峰形基本不變形，回收率高，更適用于痕量物質(zhì)分析。

3）高處理量

HSCCC的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是液體相比于固體有著更高的載入能力，被分離的溶質(zhì)可以溶解在整個(gè)相體積中。液相-液相吸附等溫線比液相-固相吸附等溫線具有更大的線性范圍。另外，其它使用固相載體的色譜方法發(fā)生的交換主要體現(xiàn)在兩相接觸表面的二維平面上，而HSCCC的交換發(fā)生在整個(gè)相體積中。因此其擁有著更高的處理量，一般逆流色譜進(jìn)樣量可達(dá)幾十毫克，一次可以分離克級(jí)的樣品。

HSCCC由于其特殊的構(gòu)造，使得它特別適合分離極性不同的物質(zhì)，這為天然產(chǎn)物分離、手性對(duì)映體分離、藥物與生物活性物質(zhì)的純化、食品分析等提供了有利的條件[5-8]。

1.2 高速逆流色譜的溶劑選擇

前面提到，高速逆流色譜在溶劑選擇上十分多樣化，通常來(lái)說(shuō)，合適的溶劑體系是控制分離過(guò)程中效率和速度的最重要和最關(guān)鍵的步驟之一，同時(shí)也是制約逆流色譜發(fā)展的關(guān)鍵因素。一般來(lái)說(shuō)，選擇溶劑體系都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，而沒(méi)有很充分的理論依據(jù)。通常在選擇兩相溶劑體系時(shí)應(yīng)滿足以下要求[9]：（1）溶劑體系不能影響分析物的穩(wěn)定性，必須能夠溶解它；（2）溶劑體系中形成非混相的體積比必須在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，盡量相等，以避免浪費(fèi)；（3）溶質(zhì)在兩相中的分配系數(shù)（K）必須介于0.5～2.0；（4）溶劑體系必須使其能充分保留固定相，這要求溶劑體系的分層時(shí)間要小于30 s。

逆流色譜的獨(dú)特之處在于，在許多情況下，流動(dòng)相和固定相的成分相關(guān)，改變一個(gè)就會(huì)改變另一個(gè)的組成[9-10]。這使得高速逆流色譜的溶劑選擇變得更加復(fù)雜，并且較難通過(guò)已有的靜態(tài)體系預(yù)測(cè)分離結(jié)果。在體系選擇上，主要有直接選用經(jīng)典分離體系和使用其他分離體系預(yù)測(cè)方法兩種。

1.2.1 經(jīng)典分離體系 目前常用的經(jīng)典分離體系有Ito體系[11]、HBAW體系[12]等。Ito體系由己烷-乙酸乙酯-甲醇-正丁醇-水在不同的體積比下組成，也是上述兩種分離體系中最常被使用的。Ito兩相溶劑體系按有機(jī)相疏水性順序排列，在分離時(shí)從極性最中間的體系（己烷-乙酸乙酯-甲醇-正丁醇-水體積比例為3∶5∶3∶0∶5）開(kāi)始嘗試，如果K值在合適的區(qū)間上，就再根據(jù)疏水性順序逐漸調(diào)整到合適的分離體系；相類(lèi)似的，HBAW體系給出了由正庚烷-正丁醇-乙腈-水構(gòu)成的兩相體系篩選方法，可有效分離可溶于乙腈或正丁醇的分析物。這些方法被廣泛用于有機(jī)物分離方面。

1.2.2 其他分離體系預(yù)測(cè)方法 對(duì)于并不在經(jīng)典分離體系中的分離方法，Berthod等[13]提出通過(guò)使用三元相圖的方法選擇溶劑體系。進(jìn)一步的，Hopmann等[14]使用真實(shí)溶劑似導(dǎo)體屏蔽模型法成功預(yù)測(cè)了烴-水體系溶解度的精確計(jì)算，用來(lái)預(yù)測(cè)高速逆流色譜在天然化合物分離中的洗脫結(jié)果，通過(guò)計(jì)算溶質(zhì)的分配系數(shù)，從而評(píng)估可能的兩相液體體系的適用性，大幅降低了溶劑的選擇時(shí)間花費(fèi)。譚龍泉等[15]提出了可以通過(guò)薄層色譜法（TLC）預(yù)測(cè)兩相溶劑的分離效果。利用薄層色譜方便、快速的特點(diǎn)，確定復(fù)雜產(chǎn)物分離時(shí)的溶劑體系選擇。由于在選擇溶劑體系時(shí)常常需要不斷更換介質(zhì)進(jìn)行多次檢測(cè)，TLC快速的特點(diǎn)更加凸顯。通過(guò)觀察TLC上色斑的相對(duì)流動(dòng)情況，能估計(jì)分配系數(shù)的差異，并確定各組分的流出順序。

1.3 高速逆流色譜的洗脫模式

與常用的色譜方法相同，通過(guò)調(diào)整洗脫模式，可以提高高速逆流色譜的分離效果。而由于HSCCC具有的雙液相體系，其洗脫方法的選擇相比其他色譜更多。

梯度洗脫是常用的色譜洗脫方法，在待分離物質(zhì)由于極性差異很難通過(guò)一次等容洗脫進(jìn)行分離時(shí)，改變流動(dòng)相組成通常是最優(yōu)的方法[16]，因此通過(guò)不斷改變洗脫組分或者操作條件能實(shí)現(xiàn)對(duì)洗脫效果的優(yōu)化，常用于高效液相色譜中。通過(guò)改變洗脫液的流動(dòng)相組成、p H、流速或者鹽析濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)梯度洗脫。這些參數(shù)的改變可以是連續(xù)的，也可以是非連續(xù)的，通過(guò)逐漸達(dá)到各個(gè)溶質(zhì)的合適的洗脫條件來(lái)實(shí)現(xiàn)多組分的分離。

相似的，擠出洗脫（EECCC）也非常適用于柱體中高保留組分的洗脫，與DCCC不同的是，在通入一定量流動(dòng)相洗出低分配比的樣品后，直接加入固定相擠出體系中余下的溶液，保留在固定相中高分配比組分將依次被洗脫。這可以大幅增加HSCCC所能分離的樣品的K值[18]。

此外，還有使用堿性固定相，并流過(guò)酸性流動(dòng)相以產(chǎn)生不斷變化的p H梯度，利用蛋白質(zhì)等電點(diǎn)不同實(shí)現(xiàn)分離的p H峰聚焦洗脫[19-20]；通過(guò)將經(jīng)過(guò)分離的流動(dòng)相繼續(xù)加入色譜柱中進(jìn)行的循環(huán)洗脫[21]等多種洗脫方法。

1.4 影響高速逆流色譜分離效果的因素

高速逆流色譜在分離無(wú)機(jī)元素時(shí)，主要通過(guò)固定相中溶解的萃取劑對(duì)樣品中的溶質(zhì)分子進(jìn)行萃取。不同溶質(zhì)的不同分配比會(huì)帶來(lái)不同的移動(dòng)速度，從而實(shí)現(xiàn)分離。Fedotov等[22]匯總了高速逆流色譜萃取時(shí)的影響因素，證實(shí)行星式離心機(jī)的操作參數(shù)會(huì)對(duì)分配產(chǎn)生影響，包括自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、流動(dòng)相流速、柱內(nèi)徑與樣品體積等。另外，所有會(huì)改變萃取行為的參數(shù)，包括萃取劑濃度、酸度、溫度等同樣會(huì)影響高速逆流色譜的分離效果。由于萃取行為通常包括離子在水相被配位并轉(zhuǎn)移到有機(jī)相等過(guò)程，在高速進(jìn)行分相-混合的離心系統(tǒng)中，分離接近為非平衡過(guò)程，因此，配位反應(yīng)速率與傳質(zhì)速率同樣是決定分離效率的主要因素。

1.5 小結(jié)

綜上所述，高速逆流色譜是一種具有獨(dú)特特點(diǎn)的新型分離方法，是一種結(jié)合了液液萃取法優(yōu)點(diǎn)的分配色譜，在分離上與高效液相色譜有著互補(bǔ)的效果。一般來(lái)說(shuō)，高效液相色譜更適用于實(shí)驗(yàn)室級(jí)性質(zhì)接近的微量組分的分離，需要體系較為純凈且不拖尾不變質(zhì)；而高速逆流色譜分離效率較低，但是更能實(shí)現(xiàn)那些無(wú)法進(jìn)入高效液相色譜的樣品的分離，比如存在雜質(zhì)、酸堿度過(guò)高、生物樣品等吸附拖尾嚴(yán)重或容易變質(zhì)等樣品的分離。高速逆流色譜與高效液相色譜的特點(diǎn)對(duì)比列入表1。

表1 高速逆流色譜與高效液相色譜特點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of characteristics between high-speed countercurrent chromatography and high performance liquid chromatography

2 高速逆流色譜分離鑭系、錒系元素研究進(jìn)展

在利用核燃料在反應(yīng)堆中受輻照釋放核能發(fā)電后，從反應(yīng)堆中卸出的核燃料即為乏燃料，其中包含著大量的三價(jià)錒系元素An（Ⅲ）和鑭系元素Ln（Ⅲ），而它們的分離也成為了核工業(yè)中研究重點(diǎn)之一。An（Ⅲ）和Ln（Ⅲ）的電子組態(tài)分別用[Rn]5fn和[Xe]4fn（n=0～14）表示，它們的外層電子組態(tài)相似，5f和4f軌道均有較好的屏蔽作用。一般來(lái)說(shuō)，不同周期離子半徑相差很明顯，使得不同周期元素性質(zhì)差異較大，但是由于錒系/鑭系收縮現(xiàn)象，An（Ⅲ）和Ln（Ⅲ）的離子半徑卻相差不大。另外，在水溶液中，An（Ⅲ）/Ln（Ⅲ）一般都以[M（H2O）i]3+的水合離子形式存在。它們的水合分子數(shù)（即i=12.7～14.1）、配位數(shù)（即n=8～9）、M—O鍵長(zhǎng)幾乎一樣[23]，又因?yàn)橥幱?3價(jià)氧化態(tài)，鑭系、錒系元素的化學(xué)性質(zhì)十分相近。這使得不論是鑭-錒元素分離還是鑭系元素間相互分離難度都很大，必須要充分利用它們之間的細(xì)微差別。

通常經(jīng)過(guò)乏燃料后處理得到的An（Ⅲ）和Ln（Ⅲ）混合液具有以下特點(diǎn)：酸度高，組成復(fù)雜，含量差別大。這使得通常的色譜分離法無(wú)法實(shí)現(xiàn)一次分離，并且需要較復(fù)雜的預(yù)處理流程。具有高適用性與高處理量的高速逆流色譜在分離這類(lèi)溶液上具有特定的優(yōu)勢(shì)。

目前，HSCCC進(jìn)行無(wú)機(jī)分離分析的研究較少，主要集中在重金屬元素、稀土元素等的分離上[24-25]。自1988年Araki等[26]第一次將高速逆流色譜應(yīng)用于無(wú)機(jī)領(lǐng)域后，研究者們發(fā)表了很多相關(guān)研究報(bào)道[27-44]，證明這種方法可以用于無(wú)機(jī)化學(xué)與放射化學(xué)的分離、純化、分析中。通過(guò)與電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）或電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）的聯(lián)用，HSCCC可以用于痕量金屬元素的分析。

該課程是環(huán)境設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)第三學(xué)期的課程，學(xué)生剛剛接觸到環(huán)境設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)方向的知識(shí)內(nèi)容，還處在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)階段，對(duì)本專(zhuān)業(yè)及專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)和了解還不深刻，部分學(xué)生可能缺乏心里準(zhǔn)備，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生現(xiàn)階段的學(xué)習(xí)狀況和心態(tài)，有的放矢、加強(qiáng)引導(dǎo)，注重過(guò)程性評(píng)價(jià)，增加課堂的趣味性，適當(dāng)插入任務(wù)模塊，引入實(shí)際案例，加強(qiáng)角色訓(xùn)練，通過(guò)運(yùn)用對(duì)分課堂教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，樹(shù)立學(xué)生的學(xué)習(xí)自信，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和拓展能力。

2.1 鑭系元素分離

Zolotov等[27]使用二（2-乙基己基）磷酸酯（HDEHP）的正己烷溶液，率先研究了從常量的堿土、堿金屬之中預(yù)濃縮稀土的可能性。通過(guò)放射性示蹤，經(jīng)過(guò)50 min的分離，只損失0.1%的總稀土金屬。并作為可以進(jìn)行稀土元素之間分離的例子，用不同濃度的硝酸溶液實(shí)現(xiàn)了Ce和Eu的分步洗脫。同時(shí)，研究了HSCCC的管壁材料與溶劑接觸的影響，通過(guò)選擇，確定聚四氟乙烯擁有著最低的接觸角，是最好的選擇。這使得之后高速逆流色譜基本確定為使用聚四氟乙烯作為柱材料，也使得HSCCC對(duì)于酸堿的耐受性進(jìn)一步提升，可以滿足更多的樣品分離條件。

之后，他們進(jìn)一步研究了從礦物樣本中萃取Nd、Sm的同位素來(lái)判斷礦物的地質(zhì)年齡的方法[28]。為了提高質(zhì)譜分析的準(zhǔn)確性，他們先用正癸烷中的HDEHP富集稀土元素，之后進(jìn)一步分離Nd和Sm，從而隔離可能影響測(cè)量的地質(zhì)元素如Ba、Ca、Fe等。

為了進(jìn)一步探討高速逆流色譜設(shè)備的分離效果，Kitazume等[29]進(jìn)行了稀土元素的分離實(shí)驗(yàn)，HDEHP分離稀土元素洗脫曲線示于圖2。通過(guò)使用HDEHP的正庚烷溶液為固定相、鹽酸為流動(dòng)相的體系進(jìn)行了十四種稀土元素的一步分離。但是，分離時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4.5 h，且對(duì)于性質(zhì)相近的Pr-Nd、Eu-Gd分離效果較 差。進(jìn)一 步 的，Berthod等[30]研究了該分離過(guò)程中的機(jī)理，即HDEHP在溶液中以至少二聚體的形式形成反向膠束，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬元素的萃取，并發(fā)現(xiàn)保留時(shí)間會(huì)隨著p H提高而變大。還研究了逆流色譜的載荷問(wèn)題，表明可以通過(guò)增加固定相配位劑的含量來(lái)增加逆流色譜的載荷，但必須在高酸性流動(dòng)相下工作，以補(bǔ)償配位劑濃度增加所造成的保留體積的增加。同時(shí)，由于逆流色譜較高的載荷，可以利用這個(gè)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)水的去離子化或者對(duì)溶質(zhì)的濃縮，提純流動(dòng)相中的金屬陽(yáng)離子。

圖2 使用HDEHP分離稀土元素洗脫曲線[29]Fig.2 Elution curve of rare earth separated using HDEHP[29]

Abe等[31]以30%（體積比，下同）HDEHP/氯仿（CCl4）/石蠟和HNO3為萃取體系，采用逆流色譜分離輕稀土元素。因?yàn)榉蛛x過(guò)程中不同稀土元素的萃取率相差較大，實(shí)驗(yàn)中采用改變氯仿/石蠟體積比來(lái)調(diào)節(jié)流動(dòng)相、固定相之間的密度以保證分離過(guò)程的正常運(yùn)作。并考察了固定相體積和轉(zhuǎn)速對(duì)HSCCC分離特性的影響，確定了最佳操作條件。同時(shí)考察了正構(gòu)烷烴（碳原子數(shù)為6～15）鏈長(zhǎng)對(duì)稀釋劑性能的影響，結(jié)果表明正十五烷的分離效率最高。在上述結(jié)果的基礎(chǔ)上，在體積比為30%HDEHP/15%CCl4/55%正十五烷的固定相和0.5 mol/L HNO3的流動(dòng)相萃取體系下，在4.5 kgf/cm2（1 kgf/cm2=0.098 MPa）的低泵壓下，成功實(shí)現(xiàn)了Ce、Nd、Pr、Sm、Eu、Gd的相互分離。

Akiba等[32]向HDEHP的二甲苯溶液中通入10-7mol/L量級(jí)的Ho與Er溶液，并使用碳酸鹽緩沖液洗脫，實(shí)現(xiàn)了從大量水溶液中有效富集并分離Ho和Er的效果。并證明樣品體積不會(huì)明顯影響在分離Ho與Er時(shí)的效果，大量水的進(jìn)入會(huì)自動(dòng)地改變固定相，形成一個(gè)合適的溶液。提高2 000倍樣品體積只會(huì)導(dǎo)致Ho與Er回收率下降15%。證明大量溶液中的痕量金屬同樣可以通過(guò)HSCCC進(jìn)行分析。

Spivakov等[33]研究了從礦物樣本中萃取Nd、Sm的同位素來(lái)判斷礦物地質(zhì)年齡的方法。為了提高質(zhì)譜分析的準(zhǔn)確性，先使用正癸烷中的HDEHP富集稀土元素，之后進(jìn)一步分離Nd、Sm，從而隔離可能影響測(cè)量的地質(zhì)元素如Ba、Ca、Fe等。由于礦石溶解樣品的高酸度、有固體微粒雜質(zhì)等缺點(diǎn)對(duì)于一般的色譜方法是致命的，而逆流色譜對(duì)于樣品要求并不高，因此，高速逆流色譜被認(rèn)為很適合用于地質(zhì)學(xué)分析。

2012年Soin等[34]發(fā)現(xiàn)了一種能從大量原油中提取稀土的方法，通過(guò)將硝酸作為固定相，含有稀土的原油溶液被連續(xù)地泵入逆流色譜中，并富集到約10 m L的固定相中，之后通入ICP-MS進(jìn)行測(cè)量。表明通過(guò)將逆流色譜與ICP-MS結(jié)合可以開(kāi)發(fā)一種快速、可靠、準(zhǔn)確的測(cè)定原油和石油產(chǎn)品中痕量稀土的方法。這種方法可以作為昂貴的中子活化分析（NAA）的替代方法。

Fedotov[35]使用二苯基（二丁基氨甲酰甲基）氧化膦（CMPO）的氯仿溶液成功從高純氯化鈣中分離了所含的痕量稀土，并利用四辛二胺的氯仿溶液從礦石樣本中預(yù)分離出Zr、Nb、Hf、Ta，并利用鹽酸、草酸體系相互分離洗脫。結(jié)果表明HSCCC可以在ng/g的量級(jí)上從自然樣本中回收痕量的稀土元素，并通過(guò)與液相色譜分離方法對(duì)比，提出HSCCC分離簡(jiǎn)單，用途多，分離時(shí)間短，可以很好地與其它方法進(jìn)行聯(lián)用。

Maryutina等[36]分析了石油和巖石中的痕量稀土元素。在樣品制備階段使用HSCCC可以將高純度材料中雜質(zhì)元素的檢測(cè)限降低到pg/g水平，即與直接使用電感耦合等離子體質(zhì)譜法的測(cè)定結(jié)果相比，其準(zhǔn)確度提高了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。在對(duì)油樣的分析中，對(duì)于在固定水相中含有的微量元素，包括La、Ce、Pr、Nd、Sm、Er等，高速逆流色譜可以測(cè)定其完整的微量元素組成。

國(guó)內(nèi)在稀土元素的分離上進(jìn)展較慢，金玉仁等[37]使用硝酸從二己基-N，N-二乙基甲酰胺基亞甲基膦酸脂（DHDECMP）的環(huán)己烷溶液中，以3 mol/L硝酸作為流動(dòng)相嘗試分離了9個(gè)鑭系元素，結(jié)果示于圖3。然而由于并沒(méi)有優(yōu)化洗脫條件，分離效果一般，對(duì)輕稀土元素的分離效果要優(yōu)于重稀土元素。并發(fā)現(xiàn)在無(wú)機(jī)物分離時(shí)無(wú)法通過(guò)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)M出動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)分配系數(shù)。他們認(rèn)為這是因?yàn)榻饘匐x子在兩相中形態(tài)不同：在水中以一種或多種離子存在，而在有機(jī)相中則以配合物形式存在，這使得溶質(zhì)在兩相轉(zhuǎn)移過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)影響很大，從而導(dǎo)致不能只通過(guò)分配系數(shù)、固定相與流動(dòng)相的組成與體積預(yù)測(cè)保留體積。

圖3 DHDECMP分離稀土元素的洗脫曲線[37]Fig.3 Elution curve of rare earth separated using DHDECMP[37]

2.2 鑭系-錒系元素分離

三價(jià)鑭系和錒系元素的分離同樣是研究的熱點(diǎn)之一。在放射性廢液的處理中，如何除去長(zhǎng)壽命的錒系元素是一個(gè)難題。由于鑭系收縮的結(jié)果，三價(jià)鑭系和錒系元素的價(jià)電子結(jié)構(gòu)、離子半徑和化學(xué)性質(zhì)十分接近，因此，有科學(xué)家們選擇HSCCC作為分離的方法。Myasoedov等[38]選用了多種雙齒有機(jī)磷類(lèi)萃取劑從三價(jià)稀土元素中分離超钚元素。由于超钚元素的分離系數(shù)均比稀土元素的更高，所以分離過(guò)程較為簡(jiǎn)單。在500 r/min旋轉(zhuǎn)的20 m L柱中，分離僅需17～20 min。

Hoshi等[39]建立了一套分離三價(jià)鑭系與錒系元素的體系。使用對(duì)Am有親和作用的lix63-正己烷作為固定相，并使用高氯酸鈉洗脫，結(jié)果表明241Am和152Eu的峰值明顯分離。

吳劍峰等[40]以二氯苯基二硫代膦酸（DCPDTPI）的二甲苯溶液為固定相、0.1 mol/L NaCl O4為流動(dòng)相，并通過(guò)優(yōu)化分離條件，可以實(shí)現(xiàn)Am（Ⅲ）和Eu（Ⅲ）的相互分離，分離因子達(dá)到2.87。同時(shí)發(fā)現(xiàn)通過(guò)適當(dāng)?shù)慕档腕w系酸度，可以使分離效果變好，峰形變好，而通過(guò)改變萃取劑濃度的方法優(yōu)化分離效果的同時(shí)會(huì)使得理論塔板數(shù)降低，色譜峰展寬。通過(guò)降低流速，分離效果會(huì)提高，但色譜峰展寬且時(shí)間延長(zhǎng)。

2005年，Myasoedov等[41]使用逆流色譜研究了三種丙二酰胺萃取劑N，N′-二甲基-N，N′-二丁基-十四烷基丙二酰胺（DMDBTDMA）、N，N′-二甲基-N，N′-二辛基-二（2'-己基氧乙基）丙二酰胺（DMDOHEMA）和N，N′-二甲基-N，N′-二丁基-十二烷基乙氧基丙二酰胺（DMDBDDEMA），結(jié)果表明，這些二胺類(lèi)化合物可用于CCC分離Am（Ⅲ）和Cm（Ⅲ）。通過(guò)增加柱長(zhǎng)、降低流速，并使用兩層螺旋柱和等速洗脫體系得到了最佳的Am/Cm分離。應(yīng)用CCC可以在100 min內(nèi)分離出元素。分離因子為1.71，Cm和Am組分中所含的雜質(zhì)不超過(guò)0.6%。

2007年Litvina等[42]將高速逆流色譜法用于MOX燃料中U、Pu、Am的分離，以DMDBDDEMA的十二烷溶液為固定相，并采用分步洗脫法進(jìn)行，第一步可以完全分離Am，第二步洗脫出100%的U和0.7%的Pu，第三步洗脫余下99.3%的Pu。能得到較高純度的放射性核素。

如何檢測(cè)釋放到環(huán)境中钚的量與同位素組成一直是環(huán)境化學(xué)和放射化學(xué)關(guān)注的問(wèn)題之一，吳劍峰等[43]利用HSCCC和ICP-MS聯(lián)用測(cè)定土壤中超痕量钚。采用φ=1%三辛胺-正庚烷溶液作為固定相進(jìn)行預(yù)分離，為使基體中多原子干擾最小化，采用不同組成的酸溶液進(jìn)行淋洗，對(duì)U和Th的去污因子達(dá)到104和103，并大大消除了基體效應(yīng)，從而在使用草酸-硝酸體系洗脫P(yáng)u后可直接進(jìn)樣進(jìn)行ICP-MS測(cè)試，對(duì)Pu進(jìn)行在線分離檢測(cè)。之后，他們進(jìn)一步研究了在無(wú)機(jī)體系中痕量鈾的分離方法[44]。通過(guò)使用三正辛基氧化膦（TOPO）-正庚烷體系，將市售酸樣品中的鈾含量降低到pg/m L級(jí)，并且可用約30 m L的柱體積純化超過(guò)104L的溶液。

2.3 小結(jié)

表2給出了高速逆流色譜法的主要發(fā)展歷程?？梢钥闯觯M管高速逆流色譜法有著分離效率較低的缺點(diǎn)，但是在高酸度，復(fù)雜組成，巖石、土壤溶解液分析或者痕量物質(zhì)分析上具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使得這種方法開(kāi)始逐漸得到研究者們的關(guān)注。這使得高速逆流色譜正在緩慢而穩(wěn)定地在無(wú)機(jī)或放化領(lǐng)域得到發(fā)展。

表2 高速逆流色譜法的主要發(fā)展歷程Table 2 Main development of high-speed countercurrent chromatography

總的來(lái)說(shuō)，高速逆流色譜法在以下分離領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)：對(duì)含有固體或膠體顆粒的樣品有著更高的耐受性；在分離生物材料時(shí)，由于生物材料會(huì)與固體載體發(fā)生強(qiáng)烈或不可逆的相互作用，可能導(dǎo)致其變性和丟失，此時(shí)使用逆流色譜更為合適；適用于任何不可逆吸附在液相色譜柱材料上的物質(zhì)；對(duì)含有高濃度酸、堿、鹽和其他可溶樣品成分的溶液的分析時(shí)，不需要進(jìn)行預(yù)處理；使用封閉的逆流色譜體系使放射性核素的放化分析更加安全；樣品僅與聚四氟乙烯柱材接觸，可將樣品污染的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

3 總結(jié)與展望

HSCCC作為一種不需固相載體的色譜分離法，正逐漸得到國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。經(jīng)過(guò)不到40年的發(fā)展，其理論逐漸成熟，技術(shù)也逐漸完善。已有的研究表明：（1）HSCCC是一種有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的分離方法，它易于開(kāi)發(fā)、靈活性強(qiáng)、適用性廣；影響HSCCC分離效果的因素主要來(lái)源于兩方面，一是如主機(jī)轉(zhuǎn)速、流動(dòng)相流速、管徑、柱長(zhǎng)等參數(shù)，通過(guò)影響固定相保留率，間接改變分離效果；另一方面是從分配原理上，通過(guò)改變流動(dòng)相與固定相體系與組成、萃取劑濃度、酸度等影響分離效果；（2）研究?jī)?nèi)容主要集中在稀土元素萃取分離、過(guò)渡元素分離、鑭系-錒系元素分離以及痕量重金屬元素測(cè)量等方面，高速逆流色譜在這些方面表現(xiàn)出比高效液相色譜較低的分離效率，但是由于處理量大且無(wú)需固相載體，在從復(fù)雜體系、環(huán)境樣品、痕量元素分析中進(jìn)行元素的分離與提純方面，HSCCC展現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)。

高速逆流色譜作為一種新型分離方法，在放化領(lǐng)域的應(yīng)用仍處在發(fā)展階段，有著極大優(yōu)勢(shì)與廣闊的發(fā)展前景。比如由于放化法燃耗分析需要對(duì)溶解液中的燃耗監(jiān)測(cè)體以及可裂變核素進(jìn)行測(cè)量，在分離時(shí)存在以下難點(diǎn)：（1）可裂變核素含量通常是燃耗監(jiān)測(cè)體核素含量的千倍以上；（2）通常選用的燃耗監(jiān)測(cè)體為148Nd，在分離時(shí)需要進(jìn)行稀土元素分離。因此，目前常用的測(cè)量流程為先對(duì)U等元素進(jìn)行萃取，再通過(guò)萃取色層進(jìn)行稀土組分離，再使用高效液相色譜進(jìn)行148Nd分離。該流程復(fù)雜，耗時(shí)較長(zhǎng)。高速逆流色譜由于處理量大、分離效率高，特別有望實(shí)現(xiàn)燃耗測(cè)量的一次分離，能大幅度降低分離時(shí)間，提高效率。