2009年7月23日 星期四

有機化學的基礎87 氣體層析術Gas Chromatography

1.       在「氣體層析術」,載體氣體從加熱的注射器掃過樣品(不知名的混合物),讓樣品充滿、通過一個很長、有烤爐加熱的「色層分析管柱」。然後,管柱的氣體流向「偵檢器detector」,偵檢器會紀錄每一個通過的化合物。

2.       常使用的偵檢器有二種,第一種是「導熱度偵檢器thermal conductivity dectector」,主要是測量純粹的載體氣體,與從管柱加入樣品的氣體,導熱度的有什麼不一樣。

3.       第二種「氫火焰游離偵檢器flame ionization detector」,當管柱的氣體流出來被氫火焰燃燒,偵檢器會去感應是不是有離子存在。

4.       「氣體層析術」,會在實驗室使用,現實的物質成分分析也用得上。想要分析微量化合物,例如地板的殺蟲劑含量或體液是否含有禁藥,這種時候,氣體層析術是一很值得選擇的工具。

5.       首先,用適當的低沸點溶劑(例如己烷hexane或乙醚ethyl ether),來吸收有機化合物;然後,再用分餾法fractional distillation除去溶劑,濃縮提煉出有機化合物。

6.       氣體層析術的「固定相」,可以是中空管柱的管壁,或放置在管柱裡的固體,或是塗抹在管壁的聚合物溶液,或是多孔的固體填料。

7.       一般而言,氣體層析術所用的管柱,比液體管柱色層分析法的管柱要長很多,大約10~100公尺。

8.       就像液體色層分析,氣體層析術中,混合物的每種成分進入氣體的滯留時間retention times,受到分離固定相分子所需力量的影響,在固定相中,各個化合物分子,彼此之間有交互作用的引力,分開它們必需要花一定的力氣。

9.       大抵來說,分子間的交互作用力,主要是受分子極性(正負相吸)凡得瓦力(分子間的萬有引力)的影響,這二種因素都會影響沸點

10.   我們很容易發現,在氣體層析術,混合物分離出來的每種成分,被離析出來的順序,跟它們的沸點順序相同。

11.   因為氣體層析術的管柱非常長,縱使是十分相似的化合物,它們的波鋒通常能被基線分開(可清楚地分辨每一種化合物,因為它們的波鋒不會黏在一起)(翻譯改寫自Mary Anne Fox, James K. Whitesell的《Organic Chemistry)

徐弘毅:

1.       「氣體層析術」的優點,訊號圖形清楚容易辨識,即使樣品化合物數量非常稀少的時候,氣體層析術還是派得上用場;缺點,儀器龐大。

2.       載體氣體和「色層分析管柱」都要加熱的原因:溫度高、氣體分子比較活潑,才會撞擊、吸引樣品。

3.       檢測分子特性的二個方法,第一、「導熱度偵檢器」:每種分子物理特性不同,所以導熱能力不同,用這個特點來分辨。第二、「氫火焰游離偵檢器」:每種分子的化學特性不同,所以燃燒(氧化還原)的時候,電子轉移的情況也會不同,利用這個特點分析。

4.       「氣體層析術」的移動相就是「氣體」,所以,不知明的混合物,每種成分進入氣體的順序,成為分析它們種類的關鍵。

5.       分子間的交互作用力,主要是受分子「極性」與「凡得瓦力」的影響;混合物分離出來的每種成分,被離析出來的順序,跟它們的沸點順序相同。

6.       有以下因素會影響沸點:1.分子質量較小,彼此之間的交互作用力(凡得瓦力)較小,沸點較低;2.分子比較中性,所以彼此的吸引沒有那麼緊,容易破壞,沸點較低。

7.       舉例來說,正戊烷n-pentane沸點36°C、二乙醚diethyl ether沸點35°C、丁醛butanal沸點76°C 、正丁醇n-butanol 沸點118°C,差別在哪裡?

8.       正戊烷、二乙醚分子是電中性的,沸點較低36°C35°C;丁醛的官能基含有氧,是陰電性極強的原子,沸點較高76°C;丁醇的官能基是氫氧基,也是含有氧,所以,沸點也較高118°C

9.       在直鍊的構造下,通常有機分子的質量(分子量)提高,沸點就會提高,例如甲醇沸點低於乙醇,乙醇沸點低於正丙醇,正丙醇沸點又低於正丁醇……,依此類推。

10.   結晶萃取法,這是應用液態與固態性質的差異,來分離混合物;用有極性與無極性溶劑分離有機物質,這是應用不同液體,擅長溶解不同物質的道理,來分離混合物;蒸餾法,這是應用不同化合物,有不同沸點的道理。到目前為止,人類學會基本的熔點、沸點、物質三態,以及溶解度等物理原則。

11.   管柱液體色層分析,用地心引力為力量來源,過濾混合物溶液,應用「水往低處流」的道理;紙色層分析、薄片色層分析,用毛細作用的力量,應用「水往毛巾的高處走」;

12.   凝膠電泳,用電極為力量來源,水當媒介,應用電極「正負相吸」的原理。氣體色層分析,用熱能為力量來源,氣體分子當媒介,應用「氣體分子會不斷碰撞、運動」的道理。

13.   這些成果顯示,人類從利用往下、往上的力量,到尋找天空閃電(通電)、空氣(氣體分子運動)中的力量,可以說是上天下地地想解決問題的辦法,這就是科學家的基本信仰與人生態度。

14.   歷屆科學界的大師,花數十年的時間,所帶來的科學技術突破,不僅是解決物質的問題,也是帶領社會文化的進步的動力,因為,當人們的眼光,從杯子裡溶解的糖,轉移空氣的時候,那就是打破原本的框架,所有的人都學會注意過去所忽略的事物,因此開始有了創新的思考。

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