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。

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。

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

图 1 氢同位素同核分子正仲态比例测试装置示意图 Figure 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）(PTX610-1，0-100kPa)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 ℃；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2-5kPa。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。

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R_s (o-p)来描述。R_s (o-p)与保留时间及峰宽有关，满足以下关系：

式中：t_Ro、t_Rp分别为正、仲态的保留时间；w_bo、w_bp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R_s (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R_s (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

图 2 三氧化二铝PLOT柱洗脱不同进样量纯氕、纯氘色谱图 Figure 2 Elution chromatograms of pure protium and deuterium with various sample contents by alumina PLOT column

表 1

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. 样品 Samples tR(o) tR(p) wb(o) wb(p) Rs(o-p) H2 (1.9 kPa) 2.110 1.860 0.058 0.041 5.0 H2 (3.0 kPa) 2.097 1.857 0.066 0.042 4.4 H2 (5.0 kPa) 2.080 1.853 0.076 0.043 3.8 D2 (1.6 kPa) 2.470 2.610 0.084 0.096 1.5 D2 (2.2 kPa) 2.460 2.597 0.089 0.101 1.5 D2 (5.0 kPa) 2.410 2.560 0.104 0.115 1.4

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。

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

图 3 三氧化二铝PLOT柱洗脱氕-氘-氦混合气色谱图 Figure 3 Elution chromatograms of H-D-He mixture by alumina PLOT column.

表 2

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. 样品Samples 流量Flow rates / mL∙min-1 Rs (o-pH2) Rs (oH2-HD) Rs (HD-oD2) Rs (o-pD2) 氕氘混合1H-D mixure 1 (50 kPa) 5 6.9 0.4 4.2 1.8 氕氘混合2H-D mixure 2 (50 kPa) 10 6.2 0.4 4.0 1.5

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。

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；w_b1为色谱峰1基线峰宽。d₁₂、w_b1又可写成：

联合式(2)-(4)，可以得到：

式中：t_m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t_m。当流量为5 mL∙min^-1时，t_m=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R_s (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，R_s (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。

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

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 样品Samples S(p-H2) S(o-H2) rH2(o-p) S(o-D2) S(p-D2) rD2(o-p) 混合标准1 H-D mixure 1 (50 kPa) 1968 3942 2.00 2949 1591 1.85 混合标准2-1 H-D mixure 2-1 (50 kPa) 1078 2413 2.24 1635 930 1.76 混合标准2-2 H-D mixure 2-2 (50 kPa) 1059 2605 2.46 1605 911 1.76 混合标准2-3 H-D mixure 2-3 (50 kPa) 1268 2287 1.80 1637 907 1.81 H2 (1.9 kPa) 1133 3131 2.76 — — — H2 (3.0 kPa) 2156 5954 2.76 — — — H2 (5.0 kPa) 3701 10334 2.79 — — — D2 (1.6 kPa) — — — 1681 923 1.82 D2 (2.2 kPa) — — — 2380 1345 1.77 D2 (5.0 kPa) — — — 5330 3051 1.75

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

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。