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傅若农讲述气相色谱技术发展历史及趋势1

2018-11-27 18:29:07

编者注:傅若农教授生于1930年,1953年毕业于北京大学化学系,而后一直在北京理工大学(原北京工业学院)从事教学与科研工作。1958年,傅若农教授开始带领学生初步进入吸附柱色谱和气相色谱的探索;1966到1976年文化大革命的后期,傅若农教授在干校劳动的间隙,系统地阅读并翻译了两本气相色谱启蒙书,从此进入其后半生一直从事的事业——色谱研究。傅若农教授是我国老一辈色谱研究专家,见证了我国气相色谱研究的发展,为我国培养了众多色谱研究人才。此次仪器信息网特邀傅若农教授亲述气相色谱技术发展历史及趋势,以飨读者。

一、气相色谱伴随和促进科技革命的发展

16世纪以来,世界科技大致发生了五次革命(两次科学革命和三次技术革命),包括近代物理学诞生、蒸汽机和机械革命、电力和运输革命、相对论和量子信息化革命等。

近几年国内外对第六次科技革命的核心内涵正在讨论探索之中,没有达成共识。 徐光宪院士认为第六次科技革命的核心内涵必须解决当前中国和世界的迫切问题,缓解世界经济危机,使各国都走上健康的发展道路。目前大致有14个问题值得我们特别关注:

(1)彻底改造污染环境的化工厂,建立绿色化学和化工以及冶金企业。

(2)现在的化工原料主要来自石油或煤炭(利用煤焦油或电石)。因为它们也作为能源燃料使用,如果维持现在的消耗速度,世界的石油资源将在几十年内耗竭,煤炭资源在一二百年内耗竭。

(3)温室气体二氧化碳的减少排放问题,即少用煤和石油,大力发展节能材料和新能源,如稀土节能灯,利用稀土材料做发电机的风能,利用稀土光电转换材料的太阳能,利用钍的核能等。

(4)不可再生、不能取代的稀土等矿产资源的节约高效开采,保护环境和综合利用。开发从废品中回收稀土的技术,避免浪费和快速耗竭稀土以及其他不可再生的战略矿产资源。

(5)淡水资源节约利用和海水的高效、低成本淡化问题。

(6)高新技术材料的研发和合成问题。

(7)海洋和太空资源(例如海底的可燃冰和月球上大量的He-3核聚变能源)的开发利用问题。

(8)人类的健康和新药物、新医学以及人工器官的研发问题。人工生命的合成,使化学与生物学互相连接的问题。研究合成直接导向病灶的靶点药物,大幅降低药物的副作用。

(9)人工合成固氮酶,使水稻、小麦等非豆科植物,也能利用空气中的氮,不必使用氮肥,或用生物科技新技术培养含有固氮酶的非豆科植物,引发农业科学技术的革命。

(10)研究光合作用的基本原理,找出光合作用的催化机理,提高太阳能的利用效益,有可能引发农业技术的革命。

(11)天气预报、地震预报、台风预报,以及其他自然和人为灾难的预防和急救问题。

(12)军事科学技术问题。中国要呼吁世界和平,必须有先进的军事科学技术,才有维护世界和平的发言权。世界上主要国家的军力必须平衡,才能制止第三次世界大战。

(13)和平科学的理论和实践问题。20世纪发生了两次世界大战和不断的局部战争,21世纪必须避免第三次世界大战,因为如果发生,那将是毁灭一半人类的核大战。所以必须研究和平科学的理论和实践。

(14)研究世界人口的节制和优生优育问题,研究中国和世界各国人民和谐相处,共同富裕、共同幸福的理论和实践。

并且认为大化学(广义分子科学)革命与上述14个世界迫切需要解决问题的前10个问题密切相关。

大化学的支柱之一是分析测试,而在分析测试技术中,色谱和与其相联用的检测技术又是关键性重要领域,所以它们必然是第六次科技革命的进程中重要工具,实际上近年色谱和与其相联用的检测技术在不断发展,以适应各个领域的需要。

二、气相色谱技术初期的发展

气相色谱是色谱领域中发展较早、相当成熟的技术,由于它是快速、简易、相对便宜而又重复性好的分析方法,可以分析各种基质中的成分,如石油石化产品、环境污染物、药物、食品等等,而且由于气相色谱所固有的高分离效率以及可以和各种灵敏的、选择性好的检测器相连接,所以配备各种检测器的气相色谱仪成为各个领域成分鉴定、分析不可或缺的工具。色谱学的发展是伴随着科技革命,而又促进科技革命的发展进程。

第三次科技革命(20世纪四五十年代)发生在二战后,资本主义推行福利制度与国家垄断资本主义,政局稳定。20世纪初科学理论的重大突破和一定的物质、技术基础的形成,出现了对石油、人工合成材料、分子生物学和遗传工程等高新技术的需求,人们在研究这些复杂物质混合物时,就需要把他们分离开来考察其性能,因而必然要发展各种分离技术,而色谱是分离技术中效率的一类方法,所以在上世纪四十年代末五十年代初诞生了以气体为流动相,液体或固体为固定相的气相色谱,1955年PerkinElmer公司开发出台气相色谱仪。而台气相色谱仪的诞生有一个传奇的故事。

在 1953-1954 年间,PerkinElmer公司的代表首次听到气相色谱先驱者A.T. James 和 A.J.P. Martin在英国伦敦British Medical Council实验室,以及 illips在牛津大学所进行的GC研究工作。随后访问了他们的实验室,学习了这一新技术的原理,以这一信息为基础,在位于美国康涅狄格州Norwalk的公司总部启动了研究开发这一仪器的计划,终在 1955 年推出了世界上台商品化气相色谱仪 Model 154 Vapor Fractometer (Model 154 气相色谱仪)。

在当时,这一仪器的主要特点是:使用了空气恒温器(“柱箱”),可以使分离色谱柱在室温和150 °C之间保持恒温,有一个快速蒸发器,可以用注射器通过橡胶隔垫把液体和气体样品送到载气里,以及使用热敏型热导检测器。同时,PerkinElmer提供了具有广泛分离能力的标准色谱柱,从而可以让仪器成功地分析各种样品。这一仪器立即获得了成功,在美国分析化学杂志(Analytical Chemistry,AC)的社论里对其评价为:“是一个自动分析的辉煌典范”,它得到的色谱图“赏心悦目”。在仪器推出之后不久,PerkinElmer 公司出版了一本简单的小册子,解释气相色谱的原理和如何选择操作参数。AC在新的一期社论里赞美这一小册子,把它称做“一个简短而信息充实的概要”,帮助“传播科学技术知识”。自然,在推出 Model 154 以后,PerkinElmer的研究和开发工作并没有停息,在1956年初又推出一个改进的型号,即Model 154-B,在这一新型号仪器上使用温度提高到225 °C,并可选择旋转阀和各种定量进样管,用于气体的进样。这一措施十分引人注目,现在众多公司提供的多端口进样和切换阀设计都可以追溯到这一个阀的设计上。

Model 154-B 气相色谱仪

(图注:在这一装置左侧的门后是色谱柱箱,在右侧上面的面板是加热控制部件,热导检测器的控制器在右侧下面的面板上。流量计在中间部位,左侧的下面是注射器的加热进样口,电位差计记录仪常放在另外的地方,Model 154和这一仪器的样子和尺寸相同。)

(以上信息转自PerkinElmer公司资料“PerkinElmer 公司气相色谱仪的发展过程”)

三、国内气相色谱初期(上世纪50到60年代)的发展历程

新中国建立后百废待兴,各个工业部门蓬勃发展,其中以石油和煤为主要能源的研究和工业急需发展,因而发展气相色谱就成为必不可少的前提了。下面是色谱老专家俞惟乐老师在1980年为美国分析化学写的有关中国气相色谱发展的历程(Anal. Chem. 1980, 52:324R-360R):

中国从1955年开始进行气相色谱的研究,首先进行气相色谱研究的是中科院大连石油研究所,之后,中科院在北京、上海和长春的一些研究所也参与进来,几年之后气相色谱的研究和应用便普及开来。

1958年,中科院大连石油研究所一分为三,分别成立了中科院大连化学物理研究所,中科院兰州化学物理研究所和中科院太原煤炭化学研究所。拆分后,三个所都进行他们各自所关心的气相色谱研究,如色谱条件的优化、色谱固定相的研究、色谱仪各种配件的研制。

在此阶段,中国高校在进行气相色谱的教学之外,也进行气相色谱的专业研究和基础数据的编纂,出版了十多本有关气相色谱的教科书、手册及字典。此外,在这20年中,我国科学界举办了三次气相色谱学术会议。次全国色谱报告会于1961年10月在大连举行,共收到45篇报告。4年后在兰州举行第二次全国色谱报告会,发表的报告数达到100篇。受四人帮动乱干扰,全国色谱学术报告会中断,十年之后的1979年,在大连召开了第3届全国色谱报告会(包括气相色谱、液相色谱和薄层色谱),此次共收到有12篇综述报告和122篇论文。这一时期各个工业部门、研究单位和高校也组织了许多有关气相色谱的讨论会、报告会,而且地方的科学学会也各自举行地方气相色谱会议,部分有关气相色谱的论文在科学通报、化学学报、燃料化学学报上发表。

有关这一时期国内气相色谱仪器的发展,俞惟乐老师在上述综述文章中提到:上世纪60年代初已经有商品化的气相色谱仪了,但商品化仪器仍然不能满足一些研究所、大学和各个工业部门的要求,他们相继开发适合自己需求的专用气相色谱仪,当时有大约十个工厂可提供20多种型号的气相色谱仪,年产量大约有2000台。

在这些产品中有上海分析仪器厂的103型气相色谱仪及北京分析仪器厂的SP 2308型气相色谱仪。SP 2308型气相色谱仪配备了各种现代化检测器、裂解器、色谱图积分仪和打印机。103型气相色谱仪可用填充柱和毛细管柱,103型和SP 2308型气相色谱仪都可用于实验室级别的制备。此外,其他型号的气相色谱仪器,有便携式及在线监测用气相色谱仪,用途也很广泛,包括专用于检测水分、比表面积、孔径分布等。其中二氧化碳激光裂解器气相色谱仪、半导体薄膜气相色谱仪,以及一些专用的原型机都是由一些研究机构制造。

国内记述这段历史的著作有大连化学物理研究所编纂的《气相色谱法》,1973年出版,书后列举了11种商品化气相色谱仪,SP-2302型、SP-2304型、SP-2305型、SP-2306型(北京分析仪器厂生产);100型、102型(上海分析仪器厂生产);DQS-5101型(威海天平仪器厂生产);SP-01型、SP-02型、SP-05型(自动制备色谱仪)、SP-07型(大连第二仪表厂生产)。(未完待续)

(作者:北京理工大学傅若农教授)


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