化工氣相色譜技術的研究與運用初探

李倩（唐山三友硅業公司質監部 郵編：063305）

氣相色譜技術是現代儀器分析的重要研究領域之一，由于其獨特、高效、快速的分離特性，已成為物理、化學分析不可缺少的重要工具。進入21世紀以來，氣相色譜技術的發展已漸趨成熟，基礎性的創新成果十分有限，但技術性的進步一直在進行著，尤其是與行業相關的應用性研究仍然十分活躍，以微柱閥切換、專用色譜柱和自控技術為基礎發展起來的各類試樣預處理系統和專用分析系統的標準化與商品化結果，使得這些新技術和新方法的應用變得越來越便利。下面對與氣相色譜技術在化工中應用相關的內容進行具體分析。

一、氣相色譜技術的原理及其系統組成

1、氣相色譜技術的原理

色譜法又叫層析法，它是一種物理分離技術。它的分離原理是使混合物中各組分在兩相間進行，其中一相是不動的，叫做固定相，另一相則是推動混合物流過此固定相的流體，叫做流動相。當流動相中所含的混合物經過固定相時，就會與固定相發生相互作用。由于各組分在性質與結構上的不同，相互作用的大小強弱也有差異。因此在同一推動力作用下，不同組分在固定相中的滯留時間有長有短，從而按先后秩序從固定相中流出，這種借在兩相分配原理而使混合物中各組分獲得分離的技術，稱為色譜分離技術或色譜法。當用液體作為流動相時，稱為液相色譜，當用氣體作為流動相時，稱為氣相色譜。

氣相色譜的分離原理是利用不同物質在兩相問具有不同的分配系數，當兩相作相對運動時，試樣的各組分就在兩相中經反復多次地分配，使得原來分配系數只有微小差別的各組分產生很大的分離效果，從而將各組分分離開來。然后再進入檢測器對各組分進行鑒定。

2、氣相色譜系統的組成

氣相色譜系統組成包括氣源、進樣系統、氣路控制系統、色譜分離系統、檢測器、記錄儀表、溫度控制器、檢測器電路等。

氣源一般采用高壓氣瓶，常用有：H2、N2、He、空氣等氣體鋼瓶；也可采用氣體發生器，如氫氣發生器、氮氣發生器、無油空氣泵等。進樣系統可根據不同的分析要求和不同的進樣器內襯確定。對于氣體樣品，最好采用六通閥進樣，可獲得良好的進樣重復性；做高純Ar分析，最好采用特殊設計的進樣壓力調節氣體進樣系統；液體樣品采用微量注射器進樣；固體樣品采用裂解爐與脈沖爐配合使用。氣路控制系統由開關閥、穩壓閥、針型閥、切換閥和氣阻、壓力表、流量計等組成。色譜分離系統主要是指色譜柱，它是解決樣品組分分離的關鍵，色譜柱分為填充柱和毛細管柱兩大類。檢測器是將樣品中的化學組分轉化為電訊號，實現非電量轉移的檢測裝置，其靈敏度和穩定性關系到整個儀器的性能。記錄儀表包括有記錄儀和數據處理機兩大類，后者有專用機和PC機發展出來的色譜工作站。溫度控制器有恒溫控制和程序升溫控制兩種方式，它是保證進樣器、色譜柱、檢測器能在正常溫度條件下工作的基本元件。檢測器電路是各種類型的檢測器必須配備的控制及檢測電路，用來實現非電量轉換。

二、氣相色譜在在化工分析中的應用

本文主要以汽油組分為依據，來分析氣相色譜在化工分析中的應用。汽油組成分析作為化石分析重要組成部分，按其應用分析需求，可以將其分為三類，第一類為產品質量控制分析方法，即以飽和烴/烯烴/芳烴(SOA)或烷烴/烯烴/環烷烴/芳烴(PONA)等汽油族組成和石腦油烴組成分析方法為代表的一類標準分析方法。第二類為研究的分析方法，即石油化工科學研究院開發的SOA多維色譜分析系統和荷蘭AC公司開發的新配方汽油分析儀是兩個典型的代表。但是用這類方法時需要注意的是烯烴的選擇性分離、定量檢測或方法是較為重要的技術。第三類為分析方法，也稱單體烴分析方法。其是基于毛細管單柱分離汽油單體烴的分析方法是應用最為普遍的方法，以單體烴分析數據為基礎還可以衍生出一系列定量結果與信息，但由于單柱分離容量的限制，不同類型試樣的混合峰的定性、定量分析一直是該類方法的一個缺陷。

此外，全二維氣相色譜/飛行時間質譜和溴加成-氣相色譜/原子發射光譜檢測器(GC-AED)聯用分析汽油單體烴技術是近年來開發應用的兩種新技術。下文主要結合第三種分析方法和全二維氣相普法進行具體分析。

1、氣相色譜技術在汽油中應用研究

（1）儀器

色譜儀為ThennoQuesl Trace GC 2000，這種色譜儀氣質聯用系統中配有管道線，用Finnigan polaris渦輪泵對系統進行控制，同時配有Trace GC 2000分流/不分流進樣器和Thermo Finnigan Quest AS 2000型自動進樣器，與電腦連接號能將分析數據直接顯示在電腦屏幕上，該色譜儀憑借其自動化、便捷、簡單等優勢在汽油檢驗過程中應用較多。

除選用色譜儀外，還需要選擇檢測器，本文選擇的檢測器為氫火焰檢測器。

（2）色譜柱與試劑

色譜柱：石英毛細管柱（60m×0.25mm×0.25），擔體為 6201 型紅色擔體，固定液與擔體的重量為38:62。

試劑：用異辛烷、苯、無水硫酸銅和氨水分析提純、正構烯為色譜純，甲酰胺為固定相。

（3）色譜技術條件

該化工氣相色譜探究過程中，其柱溫為180℃，室內溫度為200℃，檢測起始溫度30℃，此溫度持續半個小時后，以20℃/min的速度升至100℃，之后再以25℃/min的速度升溫至200℃，持續十分鐘左右；進樣口溫度為220℃，載氣為高純氦氣，柱流量為0.8ml/min，分流比為150，進樣量為1。

2、樣品分析

（1）定性分析

基于上述色譜條件，能分析出總離子流圖，如圖1。因不同色譜圖在質譜庫中有相似之處，對各色譜圖進行檢索，以找出相似性并結合色譜特征、保留指數等數據，以及章虎、鄭永杰、胡蕓等人的研究成果，對不同色譜峰進行定性分析。

在定性分析之前需要明確的是，雖然從上面色譜條件和圖中能分析出大部分色譜峰與基線是處于分離狀態的，但是還有重疊峰是我們用肉眼是無法識別的，需通過二維數據分析其混合組分構成。然而以往在是用直接法進行相似性檢索時，其匹配程度較低且不能進行準確定性分析，為此我們通過HELP方法進行定性分析。下面以HELP方法為依據，結合下面11.30～11.60min保留時間段的色譜峰圖進行定性分析。

首先，用二維數據對背景進行扣除。

其次，選擇性區域和確定組分，在這里要需要以特征跟蹤示意圖2（c）提供的數據信息為依據，來確定組分，并在此基礎上分析不同組分的流出點和流入點，通過所給信息和示意圖能看出，色譜峰超過兩個組分。為了更詳細的了解其內容，又以色譜峰出峰先進先出原則為依據進行分析，結果顯示能判斷出選擇性區域和零濃度區域。

最后，利用滿秩分辨技術，可以對已經選擇性信息和零濃度區域組的組分進行分辨，最后求出該組純光譜和純色譜如圖2（d）。

通過對上圖進行分析，可以將汽油氣相分為191個組分，其中可以準確定性的組分為139個，從中抽取幾種汽油化學成分進行列表，以便于對定量進行簡要分析。

(2)定量分析法

定量分析需要測定出各組分相對含量，為此該實驗采用面積歸一化方法進行測定，從測定結果可以看出，甲基叔丁基醚是汽油中含量最高的成分，其值為7.27%。在這里我們應該注意的是，甲基叔丁基醚是無鉛汽油中比較常見的添加劑，對環境影響較大，實際應用中必須不斷的提高其辛烷值，提高汽油燃燒完整度，減少環境污染。此外，苯、甲苯、乙苯等是石油產品中比較常見的芳烴，其含量高于其他芳烴，具有毒化神經的作用，是一種致癌物，有必要簡要對其進行分析。

三、結束語

隨著社會的不斷進步，人們對氣相色譜的研究將會越來越深入，使其朝更高靈敏度、更高選擇性、更方便快捷的方向發展，不斷推出新的方法來解決可能遇到的新的分析難題，計算機網絡的飛速發展也為這些領域的發展創造了更好的機遇與更廣闊的發展空間。

[1]蘇鳳仙.氣相色譜技術的新進展及應用[J].合成技術及應用.2006(03).

[2]齊景杰.氣相色譜的應用[J].化學工程與裝備.2010(07).