主题：【资料】色谱100年回顾扎记(共72讲)

色谱100年回顾扎记（30）

                气相色谱发展初期在各个重要领域中的应用（2）

  在石油的分析中的应用（2）

    使用气相色谱分析“轻石油”(LPG)样品不需要大量气体样品，只要有1–5 mL 气体样品就可以了，而且分析时间不需要几个小时，只要23 min 就可以完成一次分析，这样用立刻用 gc 代替已有的复杂、费时的方法就不奇怪了。但是当时的色谱工作者还没有认识到 gc 对石油化工领域所起到的突破性作用，所以还有每天用老方法进行LPG 样品的分析，另外当时没有积分仪，计算峰面积需要很长时间，所以计算样品组分需要的时间要比分析耗费更长的时间。

    在石油和石油化工中其他的一些分析问题，在引入 gc 之后也得到了解决，其中解释石油复杂成分的难题得到了解释，石油几百种各种各样的烃类，它们沸点范围很宽。科学家们十分想知道这些组分是什么，在 1927年美国石油研究所（American Petroleum Institute）启动了6号研究计划（Research Project Number 6），

这一计划想要分离并鉴定原油的组成，选择从俄克拉荷马州彭加人城 6 号（Brett Number 6 of Ponca City, Oklahoma ）得到的石油作为代表性样品，第一个所使用的分离方法是物理方法——主要是分部蒸馏法——，但是从 1945 年起使用液相色谱的方法，用一根很长的色谱柱，把 15–20-m 长的柱子安装在一幢多层楼梯井里，在1927 到 1951 年间进行了艰苦的工作，在分离方面获得成功，或者说是成功地把石油分离出 100 多个组分（D.L. Camin and A.J. Raymond, J. Chromatogr.Sci. 1973，11, 625–638）。一些大的石油公司如壳牌（Shell）和大不列颠石油公司（British Petroleum）在 50 年代都开始使用 gc 来研究石油的组分了。例如 R.P.W. Scott 已经研究了一些高性能的填充色谱柱，他在 1958 年报道了使用 50 英尺长填充色谱柱得到的结果（R.P.W. Scott, 在 Gas Chromatography 1958 [Amsterdam Symposium], D.H. Desty, Ed. [Butterworths,

London, 1958], pp. 189–199）。但是这种色谱柱是不切实际的，而且填充柱的柱效不够高。这一情况到开管柱（毛细管柱）出现时有了很大的改观，British Petroleum 的 Desty, Goldup, 和 Swanton 用 900-英尺长的毛细管色谱柱的到的色谱图震动了色谱所界（D.H. Desty, A. Goldup, and W.T. Swanton, 在 Gas  Chromatography[1961 Instrument Society of America Symposium], N. Brenner, J.E. Callen, and M.D. Weiss, Eds. [Academic Press, New York, 1962], pp. 105–138）。这一方法在 3.5 h 内分离了 C3–C9  的 122 个化合物，见图 30-1。



                                图 30-1 -42～150℃ 石油馏分的色谱图

      色谱柱 900 × 0.152 mm 玻璃毛细管柱；柱温：25℃；检测器：FID

1-    甲烷（标记），4-正丁烷，6-2，2-二甲基丁烷，13-正己烷，

16-苯，19-环己烷，29-正庚烷，32-1，1，3-三甲基环戊烷

      （全部分析时间 3小时 27 分钟）

摘自 Leslie S. Ettre， LC-gc NORTH AMERICA， 2004，22 （1 ）： 42

  色谱100年回顾扎记（31）

                    气相色谱发展初期在各个重要领域中的应用（3）

  在石油的分析中的应用（3）
在后来的几年里，这样的研究进一步增多，值得注意的是 Sanders 和 Maynard的工作，他们在 1968 年用 200 英尺长的毛细管柱把优质汽油（最大碳数为C13）在两个小时内分离出 240 个峰。在 80 年代末，具有特殊性能的毛细管柱出现，它可以经受 450 ℃ 的高温，它可以分离碳数为 C100 的烃类混合物，图 31-1 是 Hinshaw 所得到的 C110 烃类混合物的色谱图（J.V. Hinshaw, J. Chromatogr. Sci. 1987，25： 49–55 ）。


                      图 31-1  C110 烃类混合物（Polywax 1000 ）的色谱图

        色谱柱：8 m × 0.25 mm 镀铝石英毛细管柱（键合聚甲基硅氧烷，膜厚

        0.1 μm )，柱温从50℃程序升温到430℃，升温速率15℃/min ），进样0.5μL(样品在二硫化碳与正己烷一比一的溶液，1mg/mL),载气为氮气，检测`器是FID



    使用这种色谱柱把 gc 扩展到可以分析相对分子量大远于1000（C100H202=1404.7）的化合物，这样，这种只能用 HPLC才能分析的样品现在可以使用高温gc来分析了（ D. Filmore, Today’s Chem. Work ，2003，12(6)： 29–32）。

摘自 Leslie S. Ettre， LC-gc NORTH AMERICA， 2004，22 （1 ）： 42

色谱100年回顾扎记（32）

              气相色谱发展初期在各个重要领域中的应用（4）



在食品的分析中的应用（1）

脂肪酸分析（1）

    气-液分配色谱实际上起源于脂肪酸分析，在1950年 A.J.P. Martin 和伦敦北部Mill Hill 的 Medical Research 实验室进行合作研究，他的同事 George Popjak 正在研究脂肪酸的代谢问题，希望 Martin 帮助他分离这些化合物。此时 Martin 和他的年青的同事 A.T. James 进行这项研究，继续他们把液-液分配色谱扩展到气-液分配色谱的研究（和 A.T. James 一起发表的创造性的论文，提出用气体做流动相代替液体做流动相），在解决了一些问题（在固定相上酸出现二聚体）之后，他们成功地用 gc 把C1～C12 脂肪酸分离开。在他们的论文中不仅讨论脂肪酸的分离，还阐述了 gc 的理论（A.T. James and A.J.P. Martin, Biochem. J. 1952，50, 679–690）。不久其他人的研究证明如果把脂肪酸进行甲酯化可以分离到 C22 的 脂肪酸（  F.R. Cropper and A. Heywood, Nature (London) ，1953，172：1101–1102）。在开始时对固定的选择很有限，只有少数非极性固定相在高温 ( 200–230℃) 下才稳定，而且这类固定相对碳数相同的饱和及不饱脂肪酸没有很好的选择性，到 1958 年有了突破性进展，使用了聚酯类增塑剂Reoplex 400作固定相（C.H. Orr and J.E. Callen, J. Am. Chem. Soc. ，1958，80： 249 ；C.H. Orr and J.E. Callen, Ann. N.Y. Acad. Sci. 72, 649–665 (1959)。不久一些小的公司开始研究生产了这种聚酯类 gc 固定相，如 Applied Science Laboratories  [State College, Pennsylvania])。图 32-1 是分离复杂脂肪酸甲酯的色谱图（G.L. Feldman and J.Q. Walker, J. Gas Chromatogr.， 1963， 1(9)：26）。




        图 32-1 复杂脂肪酸甲酯的色谱图

        色谱柱：10 英尺 × 1/8 英寸（外径）填充柱，10% 丁二酸乙二醇氰乙基酯固定相，涂渍在硅烷化载体上；柱温：194 ℃；检测器：FID



摘自 Leslie S. Ettre， LC-gc NORTH AMERICA， 2004，22 （1 ）： 42

色谱100年回顾扎记（33）

              气相色谱发展初期在各个重要领域中的应用（5）

在食品的分析中的应用（2）
脂肪酸分析（2)

用 gc 分析脂肪酸甲酯的可能性十分重要，当时，脂肪和油类的分析是利用很不适当的方法来表征，主要是利用物理方法和一些古老的化学方法，如溴值法来表示不饱和度。用 gc 测定单独的成分十分容易，完全改变了当时脂肪酸的状况。Leslie S. Ettre 博士叙述了当时他们的经验（见后面的文献），大约在 1960–1962 年间，Perkin-Elmer 公司在奥地利的代表与 Leslie S. Ettre 博士联系请求帮助。当时要加工一批 sunflower 油，其中买方认为有搀假，混入了廉价油。问题述诸法庭，当时一位官方实验室的年青化学家，要求用 gc 测试这批油，和真正的 sunflower 油进行比较，用 gc 测定的结果说明其差别很明显。这一实例是第一次把 gc 作为法律的物证方法。

在毛细管气相色谱柱和火焰离子话检测器出现以后，同时又有了很稳定的固定相，脂肪酸的分析得到了新的发展，可以分析不饱和脂肪酸中的反-顺异构体（S.R. Lipsky, J.E. Lovelock, and R.A. Landowne, J. Am. Chem. Soc. 1959， 81：010  ）。不久这一方法成为标准方法，广泛地用于农业和食品和生物化学方面，来评估脂肪含量，和脂类 (化合物)或甘油三酸酯中各个脂肪酸的含量。

实际上，脂肪酸的组分指纹图谱已用于微生物的鉴定。在这一领域的最新突破是用脂肪酸分析来鉴定细菌，即分析从细菌细胞壁提取出来的脂肪酸。近来MIDI Inc.(Newark, Delaware) 建立了一个有多于 1500 种细菌的脂肪酸轮廓图谱的数据库。2001 秋季出现了对这一数据库令人兴奋的应用，当时把这一方法用于一位 94 岁老妇人死于炭疽热传染病的鉴定，（D. Filmore, Today’s Chem. Work ，2003，12(6), 29–32）。



摘自 Leslie S. Ettre， LC-gc NORTH AMERICA， 2004，22 （1 ）： 42

色谱100年回顾扎记（34）

          气相色谱发展初期在各个重要领域中的应用（6）

            在食品的分析中的应用（3）

脂肪酸分析（3）

对甘油三酸酯的分析，必须先进行水解后进行甲酯化，完成这一过程只要一步即可，是一个常规分析方法。但是现在的高温毛细管气相色谱方法，不需要进行水解，可以直接分析甘油三酸酯，这一工作是比利时的 Sandra 博士的研究组首先进行的 （E. Geeraert, P. Sandra, and D. De Schepper, J. Chromatogr.， 1983，279：287；E. Geeraert and P. Sandra, J. High Resolut.Chromatogr.，1985，8： 415 ）。形成的色谱峰是一簇一簇的，每一簇峰代表同碳数的一群甘油三酸酯异构体，图 34-1 是花生油甘油三酸酯的分析（J.V. Hinshaw and W. Seferovic, J. High Resolut.Chromatogr. 1986，9：731 ）。T54 表示一组甘油三酸酯的三个脂肪酸的总碳数为 54，这也表示当时 gc 可以分析化合物的范围。



                  图 34-1 花生油甘油三酸酯的色谱图



分析所用色谱柱：15 m×0.25 mm 熔融石英毛细管柱（键合65%苯基的聚甲基硅氧烷，膜厚 0.1 μm），柱温，程序升温从 300℃ 到 360℃，升温速率为4℃/min，汽化室从 50℃ 到 400℃。进样 0.5μL （20-μg/mL 异丁烷溶液）。分流比为1:50，载气为氢气。检测器是 FID。T 代表甘油三酸酯中的三个脂肪酸的总碳数。

图中符号 P— 棕榈酸(16:0)；S—硬脂酸(18:0)；O—油酸 (18:1,cis) ；

L—亚油酸(18:2, cis–cis) ；A—花生酸(20:0) ；Ga—二十碳烯酸(18:2, cis–cis) ；Be—二十二碳烷酸(22:0) ；Lg—二十四碳烷酸(24:0)



摘自 Leslie S. Ettre， LC-gc NORTH AMERICA， 2004，22 （1 ）： 42

色谱100年回顾扎记（35）

          气相色谱发展初期在各个重要领域中的应用（7）

    在食品的分析中的应用（4）

    香料化合物和精油（1）

    一个利用 gc 进行分析十分优越的领域就是香料、香精和精油化合物。在其发展初期总是把 gc 和用鼻子闻进行对比，把鼻子闻到的每一种物质都和 gc 测定进行对比，实际上正是这一对比才体现出 gc 在这一领域的优越性。Keene  P. Dimick 研究香精的故事能够说明 gc 在这一领域的无比潜力，Dimick 原来是在美国Albany, California 农业部 Western Regional Research Laboratory 的一位农业化学家，在 1946 初他在研究草莓的天然香味化合物，他用了六年时间处理了 30 吨草莓，得到了约 35 mL 草莓果实的油，但是他还是没有适当的分析方法来研究这些草莓油，因为不知道如何分离和鉴定这些重要的化合物。就暂时搁置此计划。一直到 1953 年当他听说可以使用 gc 之后才有转机。gc 完全改变了对此研究的形势。和他的合作者一起搭建了气相色谱仪,使用 Gow-Mac 热导池作检测器，用以研究草莓的香精。他们的第一篇报告于 1956 年在著名的 129 届美国化学会会议上发表，并在 Food Technology 上发表两篇论文（K.P. Dimick and B.B. Makower, Food Technol. 1956,10, 73 ;  K.P. Dimick and J. Corse, Food Technol. 1956,10:360 )。这一研究变得名声显赫，所以在 1958 年的二月份出版的美国分析化学用了一张草莓香精的色谱图作 gc 潜在作用的说明（Anal. Chem.， 1958，30(2)：17A）。这一研究的另外一个结果就是在 1956 年他的妻子 Dimick 组建了一个生产仪器的公司（Wilkens Instrument and Research Co.），这是一个十分成功的公司，开发上市了以 Aerograph 命名的气相色谱仪，后来合并到瓦里安（Varian），现在是瓦里安的色谱仪分部。

摘自 Leslie S. Ettre， LC-gc NORTH AMERICA， 2004，22 （1 ）： 42

色谱100年回顾扎记（36）

          气相色谱发展初期在各个重要领域中的应用（8）



在食品的分析中的应用（5）

香料化合物和精油（2）

气相色谱在香料化合物分析中起重要作用的另示例是 Kováts 的工作 ( Kováts 当时在瑞士苏黎士联邦技术大学 [Federal Technical University ] 工作)。1955年 Kováts 在 Leopold Ruzicka （ 1939 年诺贝尔化学奖得主）实验室做精油的研究。他自己安装了气相色谱仪，既用于分析工作又用于制备研究，经过长时间的艰苦奋斗，成功地阐明了柑橘皮油（E. Kugler and E.sz. Kováts, Helv. Chim. Acta 1963，46：1480–1513 ）、酸橙油 ( E.sz. Kováts, Helv. Chim. Acta 1963，46：2705–2731)、玫瑰花油（E.sz. Kováts, J. Chromatogr.1987，406：185–222）中的精油成分( 但是由于技术秘密，在25年后其结果才得以发表)。这一研究很复杂性，Kováts 成功地分离了玫瑰花油种 145 种化合物，鉴定了其中的 127 化合物，而且他还说明另外有 87 个化合物未能得到充分分离。要知道当时还没有可能用质谱来鉴定未知化合物。早期的精油研究是利用填充柱进行的，虽然 gc 比其他方法有很大的进步，但是依现在的标准衡量这些研究是很不充分的。和其他领域的研究一样，毛细管柱的出现为精油的研究有了重要的突破，可以从图 36-1 和图 36-2 的比较看出来，图 36-1 是 1958 年用填充柱完成的，图 36-2 是用毛细管柱完成的。



        图 36-1  1958 年用填充柱分离 薄荷油的色谱

        1—α-蒎烯，2—β-蒎烯，3—桉油精，4—柠檬油精，5—薄荷烷，6—薄荷呋喃

        7—乙酸乙酯，8—未知，9—甲醇


      图 36-2  1962 年用毛细管柱分离 薄荷油的色谱

                      使用150 呎 × 0.25 mm 不锈钢毛细管柱，50-HP-2000 固定相

            1—α-蒎烯，2—β-蒎烯，3—桉油精，4—薄荷烷，5—薄荷呋喃

            6—乙酸乙酯，7—甲醇



摘自 Leslie S. Ettre， LC-gc NORTH AMERICA， 2004，22 （1 ）： 42

色谱100年回顾扎记（37）

                气相色谱发展初期在各个重要领域中的应用（9）



在环境分析中的应用（1）

  在 1962 年发表了引起轰动有关环境的“静静的春天”，其中 Rachel Carson 有充足的证据说明使用农药对环境是有害的。“静静的春天“是不加选择的使用农药引起严重的环境问题。促进了人们对环境保护的重视。美国组建了环境保护局（EPA），各个发达国家也建立了类似的机构。在上世纪 50 年代末已经把 gc 用于农药的分析，并结合使用其他仪器作结构鉴定，如红外分光光度计, Coulson 和 Cavanagh 发明了微库仑检测器，这一检测器的灵敏度和选择性都优于当时其他的检测器，这算是一个大的进步（D.M. Coulson and L.A. Cavanagh, Anal. Chem.1960，32：1245–1247 ；D.M. Coulson, L.A. Cavanagh, J.E. DeVries,and B. Walther, J. Agr. Food Chem.  1960，8,：402 ）。但是真正的有突破性进展还是在 1960 年 J.E. Lovelock 开发出电子捕获检测器（ECD）以后带来的进展（J.E. Lovelock and S.R. Lipsky, J. Am. Chem Soc. .1960，82：431 ；

J.E. Lovelock and N.L. Gregory, in Gas Chromatography (1961 Instrument Society of America Symposium), N. Brenner, J.E. Callen, and M.D.

Weiss, Eds. (Academic Press, New York, 1962，pp. 219）。不久这一检测器由 A. Zlatkis (University of Houston) 和 Lovelock 创建的公司生产（见图 37-1）。其后其他公司把它用于气相色谱仪。图 37-2 是用 ECD 测定农药的色谱图。





图 37-1 J.E. Lovelock （左）和 A. Zlatkis 一起观察 ECD



图 37-2 1963 年气相色谱仪广告上分离农药混合物的色谱

            色谱柱：2 呎 × 3 mm 玻璃填充柱，涂渍 2.5% SF 96 甲基聚硅氧烷

            柱温：180 ℃，样品：0.5μL

            1—溶剂（正庚烷），2—林丹，3—对硫磷，4—对氯二苯砜，  5—乙硫磷

            6-EPN

            样品浓度：ng/μL(ppm)



摘自 Leslie S. Ettre， LC-gc NORTH AMERICA， 2004，22 （1 ）： 42

色谱100年回顾扎记（38）

          气相色谱发展初期在各个重要领域中的应用（10）

  在环境分析中的应用（2）

前面只提到在环境分析中农药残留的分析,而空气中有害杂质的分析也是环境分析的重要课题,大约 1950 年在美国成立了一个专门的组织——控制空气污染协会——，并在上实际 50 年末 gc 在空气污染研究中应用的文章就频频出现于报章杂志 （ L.S. Ettre, Air Pollut. Control Assoc. J. 1961，11：34–42；A.P. Altshuller, J. Gas Chromatogr. 1963，1(7： 6–20 )。在 1971 到 1972 年间在这一领域出现了一个大的转折点（几乎相当与《静静的春天》），这时候 Lovelock 参与了从英国到蒙得维的亚(乌拉圭首都)的沙克尔顿（Shackleton，英国南极探险家)航行，在航行中 Lovelock 在大西洋取了海水样品，用他的电子捕获检测器和 gc 对所采集的样品进行了测定，结果他在海水样品中发现了微量源于人类污染物的氯氟烃(CFCs)（ J.E. Lovelock, R.J. Maggs, and R.J. Wade,Nature (London) 1973，241：194–196）。此后不久 Rowland 和 Molina

的研究认为在同温层中由于来自太阳 UV 辐射的影响把 CFCs 分解，释放出卤族元素，这些卤族元素使同温层的臭氧损耗（ F.S. Rowland and M. Molina, Nature (London)，1974，249：810–812 ）。由于这一研究 Rowland 和 Molina （和荷兰的 Paul Crutzen）获得了 1955 年的诺贝尔化学奖。Rowland 和  Lovelock 的回忆对这一工作作了很好的总结（ F.S. Rowland, in The Science of Chromatography (A.J.P. Martin Honorary Symposium, Urbino,1985), F. Bruner, Ed. (Elsevier, Amsterdam,1985), pp. 461–476；J.E. Lovelock, Homage to Gaia (Oxford University Press, Oxford, United Kingdom, 2000，pp. 181–225.)。现在知道在同温层中的 CFCs 对大气层的平衡有很坏的作用。有关环境污染物的分析化学研究十分复杂：科学家必须测定出复杂体系中含量极低的各种各样的化合物，所以必须有足够的分离能力、高选择性、高灵敏度，目前 EPA 列出的挥发性有机物(VOCs)，必须进行测定，如果没有现代化的 gc ，即高分离能力的色谱柱和超微量检测灵敏度的检测器是不可能完成的。现在的毛细管色谱柱可以在 20 min 内分离出 100 个化合物，这种分离色谱图在色谱柱厂家的广告中就可以看到。环境保护——分析空气、土壤、和水中的痕迹量和超微量的污染源——，由于 gc 的应用改变了科学家对世界及其周围环境的了解。

摘自 Leslie S. Ettre， LC-gc NORTH AMERICA， 2004，22 （1 ）： 42

色谱100年回顾扎记（39）

                气相色谱发展初期在各个重要领域中的应用（11）

  气相色谱发展对科学仪器工业的影响
气相色谱的发展除去对石油、食品、环境分析有很大的影响外，对科学仪器工业的发展也起了推动作用。首先 gc 对液相色谱和液相色谱仪的发展有很大的影响，经典的液相色谱有 100 多年的历史了，但是在上世纪 60 年代以前发展缓慢，在上世纪 40 年代Martin 发展了分配色谱的理论，并引出了纸色谱。但是液相柱色谱的实际进展很小，化学家仍然使用装填媳妇剂的玻璃色谱柱，用重力使流动相迁移。到了 60 年代中期，由于 gc 理论和实践引起少数色谱学家的思考，如 Calvin Giddings，Csaba Horváth （最近离世，1930-2004）等人考虑如何使液相色谱现代化，从而使液相色谱发展成为高效液相色谱，可以这样说，没有气相色谱的进步也不会有液相色谱突破性进展。

    gc 的 50 年发展也开创了一个新的工业分支——科学仪器工业——，气相色谱是最卓越仪器技术，也是科学仪器工业共存共荣的技术，它促进了科学仪器工业的发展，反过来科学仪器工业的发展又使气相色谱仪器得到腾飞。在第二次世界大战以后科学仪器工业缓慢地开始上路，但是在上世纪 50 年代以后，gc 迅速发展，gc 仪器进入科学仪器工业领域，促进了它的发展。在 1956 有7家生产气相色谱仪的厂家，到 1962 年就增加到 23 家。自然，这些厂家会把他门的业务扩展到其他仪器领域。到 1975 年，科学仪器的销售额达到 10 亿美元，到本 28 年后的 2003 年世界科学仪器市场销售额达到 220 亿美元。gc 约占科学仪器中的 7% ，液相色谱仪是 gc 的两倍。这就说明气相色谱仪和液相色谱仪占世界科学仪器市场的五分之一。（L.S. Ettre, J. Chromatogr. Sci. 2002。40：458–472）。

    这些数据说明 gc 50 年的发展起到了重要作用。

摘自 Leslie S. Ettre， LC-gc NORTH AMERICA， 2004，22 （1 ）： 42