摘要：氢同位素核自旋异构体正-仲态比例影响氢同位素的低温物性，有必要对其比例进行测定。本文利用活性三氧化二铝多孔层开管(Porous Layer Open Tubular, PLOT)柱实现了正-仲氢同位素（氕、氘）的基线分离，发展了一种可在液氮温度下测定同核分子正-仲态比例的色谱分析技术。研究结果表明，与传统三氧化二铝填充柱相比，高效PLOT柱实现了正、仲氕(o-H2、p-H2)以及正、仲氘(o-D2、p-D2)的基线分离（分离度Rs大于1.5），当流量为5 mL·min-1时，分离度Rs(p-H2, o-H2)=6.9，Rs(o-D2, p-D2)=1.8。正仲态分离度与进样量、流量均有关系。根据峰面积的积分结果，常温(298 K)下正、仲氕比例为2.77:1，正、仲氘比例为1.78:1，与理论测算值基本符合。HD与o-H2实现了部分分离，Rs(o-H2, HD)=0.5，根据理论预测，实现HD与o-H2的基线分离（Rs达到1.5），理论塔板数需要达到3.9×105。
关键词：氢同位素自旋异构体，正-仲态比例，气相色谱，活性三氧化二铝，多孔层开管柱
一定条件下，同核氢同位素分子(H2、D2、T2)具有确定的正-仲态比例，正、仲态分子的转动能态不相同，如低温下正氢(o-H2)的转动态J=1，仲氢(p-H2)的转动态J=0。常温(298 K)状态下，o-H2所占比例约为75%。o-H2能态(J=1)较高，冷却时需要耗费较多能量，可以通过催化方法将其转变为低能态(J=0)。正-仲比变化会显著影响氢同位素的低温物性（焓值、热容等）[1]。为更好地研究氢同位素的低温性质，有必要对同核氢同位素分子的正-仲比例进行测定。由于质量数相同，无法使用质谱法测定正-仲态比例，气相色谱法可根据组分与材料吸附作用差异[2]实现正-仲态分离，通过计算分离组分的峰面积实现成分定量。
Moore等[3]首次利用活性三氧化二铝填充柱实现了o-H2与p-H2的基线分离，但o-D2与p-D2分离度较差。由于填充柱的柱效不高，目前的通用做法是使用毛细柱来提高柱效，主要通过增加柱长、减少纵向扩散并消除涡流效应等途径[2]。5 A分子筛PLOT柱在120 K下实现了o-H2、p-H2的分离[4]，但两组分色谱峰间存在平台，信号未能回到基线，而且o-D2、p-D2未实现分离。MnCl2改性三氧化二铝PLOT柱[5]及其填充柱[6-8]分离氢同位素时，由于过渡金属的催化作用，正-仲态转换加快，导致正-仲态在色谱峰上无法分辨。无催化三氧化二铝PLOT柱，目前主要用于有机烃类的成分分析[9]，但应用于氢同位素分离或分析领域未见相关报道。
为实现同核分子正-仲态分离及定量，有必要开展无催化三氧化二铝PLOT柱的分离性能研究工作。本文对一台国外进口安捷伦气相色谱仪进行了改造，对商品化三氧化二铝PLOT柱进行了氢同位素分离性能的考核，并对氢同位素同核分子(H2、D2)常温下正-仲态比例做了初步定量。
1 实验装置
1.1 实验用气体及PLOT柱尺寸规格
高纯氖气（纯度99.999%）采购于大连大特气体有限公司，氢气的纯度为99.999%，氘气的纯度为99.9%。混合标准气体(He-H2-D2)采购于西南化工研究设计院，He: 4.956%，H2: 4.970%，D2: 4.970%，平衡气为高纯氖。由于标准气体中存在Pt催化剂，H2与D2发生氢同位素交换并达到交换平衡，形成H2-HD-D2混合气体。
无催化三氧化二铝PLOT柱，采购于大连日普利科技仪器有限公司，柱型号：30 m×0.53 mm (ID)×20 μm。柱外径为0.8 mm，呈螺旋管状，螺旋管直径为17 mm。测试前，PLOT柱在常温下经高纯Ne吹扫12 h。
1.2 实验装置设计及测试流程
色谱仪主体为Agilent 6890N，为适应液氮温度测试条件以及负压进样要求，对其柱温箱、进样单元进行了改造。图1为改造后的示意图。
图1 氢同位素同核分子正仲态比例测试装置示意图
Fig.1 Apparatus for determination of ortho-para ratios of hydrogen isotopic mononuclear molecules.
三氧化二铝PLOT柱安装于Agilent 6890N原柱温箱外侧的液氮杜瓦里，方便液氮的添加和观察液面变化。真空干式泵预先对进样管路抽真空（打开阀G-1），当真空度达到10 Pa左右，关闭真空阀G-1后输入测试样品。样品输入路线如图1所示。GE压力传感器（图1中标示为P）(PTX610-1，0-100 kPa)测定进样压力。通过六通阀（图1中标示为V）手动进样，柱温箱为液氮杜瓦，测试时整个柱子浸没于液氮中。载气类型：氖气，载气流量：5-10 mL·min-1；TCD (Thermal Conductivity Detector)工作温度200 ºC；定量环体积50 μL。混合标准气的进样压力为50 kPa，纯氢、纯氘的进样压力为2-5 kPa。样品通过高纯氖载气依次经过PLOT柱、TCD检测器，检测器信号由色谱工作站收集记录获得色谱图。
2 结果与讨论
2.1 进样量对正-仲态分离的影响
由于定量环体积不变，纯氕、纯氘不同进样量通过进样压力来调节。不同进样压力的纯氕、纯氘洗脱色谱图如图2所示。纯氕中正、仲态成分达到了基线分离，p-H2（J为偶数）能量较低，先于o-H2（J为奇数）流出。o-D2（J为偶数）能量较低，先于p-D2（J为奇数）流出。纯氘中含有少量HD，含量约0.6%。
正、仲态的分离程度，可以通过分离度Rs(o-p)来描述。Rs(o-p)与保留时间及峰宽有关，满足以下关系：
式中：tRo、tRp分别为正、仲态的保留时间；wbo、wbp分别为正、仲态基线峰宽。分离度、保留时间、峰宽数据列于表1。载气流量为10 mL·min-1时，纯氕样品的进样压力由1.9 kPa增加到5.0 kPa，正-仲氢的分离度Rs(oH2-pH2)由5.0降至3.8。纯氘样品的进样压力由1.6 kPa增加到5.0 kPa时，正-仲氘的分离度Rs(oD2-pD2)由1.5降至1.4。随着进样量的增加，保留时间略有提前。分离度的降低主要来自谱峰展宽，正-仲氢展宽主要来自o-H2的峰宽增加，正-仲氘展宽来自oD2、pD2的峰宽增加。
图2 三氧化二铝PLOT柱洗脱不同进样量纯氕、纯氘色谱图
Fig.2 Elution chromatograms of pure protium and deuterium with various sample contents by alumina PLOT column.
表1 纯氕、纯氘正仲态洗脱色谱特征参数
Table 1 Parameters of elution chromatograms of pure
protium and deuterium by alumina PLOT column.
根据Golay方程[2]，相同流速、柱性能条件下，峰展宽与参数B有关，即与溶质在流动过程中由于浓度梯度发生的纵向扩散有关，样品量越大，溶质浓度越大，纵向扩散越显著。相同溶质浓度下，保留时间越长，纵向扩散越显著。
2.2 流速对正-仲态分离的影响
不同流速下，三氧化二铝PLOT柱对复杂氢同位素组分体系的洗脱分离性能，如图3所示。不同流速下正-仲态分离度、与异核分子(HD)的分离度列于表2。
图3 三氧化二铝PLOT柱洗脱氕-氘-氦混合气色谱图
Fig.3 Elution chromatograms of H-D-He mixture by alumina PLOT column.
表2 H-D混合气洗脱色谱峰分离度
Table 2 Resolution between elution peaks of H-D mixture.
流量为5 mL·min-1，正-仲氘分离度接近1.8，实现了两种组分的基线分离。流量由5 mL·min-1升至10 mL·min-1时，分离度发生了显著的降低。根据Golay方程[2]，流速是影响柱效的重要因素。流速减少时，保留时间增加，一方面增强了纵向扩散（降低了柱效）；另一方面增强了固相传质（提高了柱效），在一定流速范围内，固相传质影响大于纵向扩散，柱效增强，分离度提高。
2.3 HD对正-仲态分离的影响
如表2所示，HD与o-D2的分离度达到了4.0，因此，HD的存在不影响正-仲氘比例的确定。但o-H2与HD的分离度只有0.4，严重影响了正-仲氕比例的确定。为进一步提高分离度，有必要对影响分离度的因素进行分析。
根据色谱理论[2]，假定相邻两个色谱峰（峰1、峰2）的峰宽相同时，式(1)简化为：
式中：d12为两峰之间的距离；wb1为色谱峰1基线峰宽。d12、wb1又可写成：
联合式(2)-(4)，可以得到：
式中：tm为流动相流过色谱柱所需要的时间。由于He几乎不与固定相作用，因此其保留时间等于tm。当流量为5 mL·min-1时，tm=2.00 min。α12为分离因子；k1为组分1的保留因子；N1为组分1在柱内的理论塔板数。
由式(5)可以看出，分离度Rs(12)与α12、k1、N1有关。提高分离度的途径：1) 提高α12；2) 增加k1；3) 提高N1。组分1 (o-H2)的k1=0.47，α12=1.03。若要实现o-H2与HD的基线分离，Rs(12)要达到1.5，根据式(5)，此时N1需要达到391290。开发研制新型高分离因子的固定相材料，并提高保留因子，是提高分离度的有效途径。
2.4 正-仲态比例的定量
由于色谱峰面积与组分含量成正比，因此可以利用峰面积比例来确定正-仲态比例。色谱峰面积S及其比例r(o-p)列于表3。
如表3所示，单组分正-仲氕比例rH2(o-p)为2.77，而混合样中该比例不到2.50。可以看出，混合样品中由于HD的存在，直接影响了o-H2的峰面积测算，进而影响了正-仲氕比例的确定。单组分正-仲氘比例rD2(o-p)为1.77，混合组分中rD2(o-p)为1.79，不同测试条件下结果的一致性很好。根据理论计算[1]，298 K下正-仲氕比例为3:1，正-仲氘比例为2:1，实验值与理论值基本符合。
表3 正仲态氕、氘峰面积及正-仲比例
Table 3 Peak areas of ortho, para -protium and ortho, para -deuterium and their ortho-para ratios.
3 结语
30 m长三氧化二铝PLOT柱实现了氢同位素正-仲态的基线分离，其中D2正-仲态分离度达到了1.8。进样量和载气流量均会影响分离度。根据峰面积比例确定了常温(300 K)下H2、D2的正仲态比例分别为2.77:1及1.78:1。HD分子存在情况下，由于正态H2分子与HD分子保留时间过于接近而两峰重叠，影响了正态H2分子的峰面积确定，进而影响H2正-仲态比例定量的准确性。
