化學色譜分析實驗報告與總結

實驗五—氣相色譜法實驗

氣相色譜法實驗

　　一、 實驗目的

1.瞭解氣相色譜儀的各部件的功能。 2.加深理解氣相色譜的原理和應用。 3.掌握氣相色譜分析的一般實驗方法。 4.學會使用FID氣相色譜對未知物進行分析。

二、 實驗原理

1.氣相色譜法基本原理

氣相色譜的流動向為惰性氣體，氣-固色譜法中以表面積大且具有一定活性的吸附劑作為固定相。當多組分的混合樣品進入色譜柱後，由於吸附劑對每個組分的吸附力不同，經過一定時間後，各組分在色譜柱中的運行速度也就不同。吸附力弱的組分容易被解吸下來，最先離開色譜柱進入檢測器，而吸附力最強的組分最不容易被解吸下來，因此最後離開色譜柱。如此，各組分得以在色譜柱中彼此分離，順序進入檢測器中被檢測、記錄下來。氣相色譜儀器框圖如圖1所示：

圖1.氣相色譜儀器框圖

儀器均由以下五個系統組成： 氣路、進樣、分離、温度控制、檢測和記錄系統。

2.氣相色譜法定性和定量分析原理

在這種吸附色譜中常用流出曲線來描述樣品中各組分的濃度。也就是説，讓分離後的各組分譜帶的濃度變化輸入換能裝置中，轉變成電信號的變化。然後將電信號的變化輸入記錄器記錄下來，便得到如圖2的曲線。

它表示組分進入檢測

器後，檢測器所給出的信號隨時間變化的規律。它是柱內組分分離結果的反映，是研究色譜分離過程機理的依據，也是定性和定量的依據。

圖2.典型的色譜流動曲線

的原理

本次試驗所用的為氫火焰離子化檢測器(FID)，它是以氫氣和空氣燃燒的火焰作為能源，利用含碳有機物在火焰中燃燒產生離子，在外加的電場作用下，使離子形成離子流，根據離子流產生的電信號強度，檢測被色譜柱分離出的組分。

　三．實驗試劑和儀器

(1)試劑：甲醇、異丙醇、異丁醇

(2)儀器：氣相色譜儀帶氫火焰離子化檢測器(GC-2014氣相色譜儀)；

氫-空發生器(SPH-300氫氣發生器)、氮氣鋼瓶；色譜柱； 微量注射器。

　四．實驗步驟

1. 打開穩定電源。

2. 打開N2鋼瓶（減壓閥），以N2為載氣，開始通氣，檢漏；調整柱前壓約為0.12MPa。

3. 調節總流量為適當值(根據刻度的流量表測得)。 4. 調節分流閥使分流流量為實驗所需的流量。

5. 打開空氣、氮氣開關閥，調節空氣、氮氣流量為適當值。

6. 根據實驗需要設置柱温、進樣温度和FID檢測器温度。本實驗柱温的初

始温度恆温。氣化室及檢測器温度設定，一般比柱温高50~100℃。 7. 打開色譜工作站，設定相關參數。

8. 待儀器穩定後，進樣分析，注意進樣量，1μ L左右。

9. 峯記錄與處理，微機化後自動獲得積分面積、高、保留時間等數據。 10. 實驗結束後首先調節柱温到室温，調節氫氣、空氣流量為零，隨後關閉

氫-空發生器，待柱温降到室温後關閉色譜儀，最後將氮氣鋼瓶關閉。

　五．數據記錄和處理

用氣相色譜法對未知混合物進行氣相色譜測定，可得其色譜圖如圖3所示：

2.341/2386957

uV(x1,000,000)2.622/1451103

2.833/7671

圖3.未知混合物的氣相色譜圖

將未知物與標準溶液對照，發現未知混合物的色譜圖與異丙醇和異丁醇的氣相色譜圖標準溶液相吻合，第一個峯：停留時間2.341與異丙醇接近，第二個峯停留時間2.622，與異丁醇接近。可推斷該混合物為異丙醇和異丁醇的混合物。

　一、實驗目的

1、瞭解氣相色譜儀的基本結構及掌握分離分析的基本原理；

2、瞭解頂空氣相色譜法；

3、瞭解影響分離效果的因素；

4、掌握定性、定量分析與測定的方法。

　二、實驗原理

氣相色譜分離是利用上試樣中各組分在色譜柱中的氣相和固定相間的分配係數不同，５逼化後的試樣被載氣帶入色譜柱進行時，組分就在其中的兩相中進行反覆多次的分配，由於固定相各個組分的吸附或溶解能力不同，因此各組分在色譜柱中的運行速度就不同。經過一定的柱長後，使彼此分離，順序離開色譜柱進入檢測器。檢測器將各組分的濃度或質量的變化轉換成一定的電信號，經過放大後在記錄儀上記錄下來，即可得到各組分的色譜峯。根據保留時間和峯高或峯面積，便可進行定性和定量的分析。

（1）頂空色譜法及其原理介紹

頂空氣相色譜是指對液體或固體中的揮發性成分進行氣相色譜分析的一種間接測定法，它是在熱力學平衡的蒸氣相與被分析樣品同時存在於一個密閉系統中進行的。這一方法從氣相色譜儀角度講，是一種進樣系統，即“頂空進樣系統”。其原理如下： 一個容積為V、裝有體積為Vo濃度為Co的液體樣品的密封容器, 在一定温度下達到平衡時，氣相體積為Vg，液相體積為Vs，氣相樣品濃度為Cg，液相中樣品濃度為Cs, 則：

平衡常數K=Cs/Cg

相比β=Vg/Vs

V=Vs+Vg=Vo+Vg

又因為是密封容器，所以

CoVo=CoVs=CsVs+CgVg= KCgVs + CgVg

Co=KCg+CgVg/Vs=KCg+βCg=Cg(K+β）

Cg=Co/(K+β）＝K’Co

可見，在平衡狀態下，氣相組成與樣品原組成為正比關係，根據這一關係我們可以進行定性和定量分析。

（2）頂空色譜法的優點

頂空色譜進樣器可與國內外各種氣相色譜儀相連接，它是將液體或固體樣品中的揮發性組分直接導入氣相色譜儀進行分離和檢測的理想進樣裝置。

它採用氣體進樣，可專一性收集樣品中的易揮發性成分，與液-液萃取和固相萃取相比既可避免在除去溶劑時引起揮發物的損失，又可降低共提物引起的噪音，具有更高靈敏度和分析速度，對分析人員和環境危害小，操作簡便，是一種符合“綠色分析化學”要求的分析手段。固相萃取和液相萃取時不可避免地帶入共萃取物干擾分析。頂空分析可看成是氣相萃取方法，大大減小樣品基質對分析的干擾。頂空分析有不同的模式，可適合各種樣品。

頂空分析方法隨氣相色譜分析方法的發展在不斷更新和發展，現代頂空分析法已形成一個相對較為完善的分析體系。

（3）頂空氣相色譜法的分類

頂空氣相色譜通常包括三個過程：取樣、進樣和色譜分析。根據取樣和進樣方式不同，頂空分析可分為靜態頂空色譜分析和動態頂空氣相色譜分析。

靜態頂空色譜分析是將樣品密封在一個容器中，在一定温度下放置一段時間，使兩相達到平衡，然後取氣相進行分析。

圖 1 頂空氣相色譜取樣（a）和進樣（b）

其中，自動進樣裝置有壓力平衡進樣系統、壓力控制定量管進樣系統以及採用注射器進樣。靜態頂空色譜分析在取樣之前一定要先讓樣品兩相達到平衡，平衡後取樣針插入樣品瓶取樣。 動態頂空氣相色譜法是用流動的氣體將樣品中的揮發性成分“吹掃”出來，再用一個捕集器將吹掃出來的物質吸附下來，然後經熱解吸將樣品送入GC進行分析。因此稱為吹掃－捕集（purge & trap)進樣技術。

　　三、實驗步驟

1、設定一個初步分析條件。

2、配製定量標準溶液：稱取適量標樣，配製成不同濃度的標準溶液，分別加適量的NaCl。

3、最佳色譜條件（柱温）的確定：標準樣在適合的温度下穩定30min後，取上部氣體適量μL進樣，進樣檢驗該色譜的適用性，記錄每個柱温的出峯情況。確定最佳條件並繪標準曲線。

4、相對校正因子的測定：在上述最佳色譜條件下，重複測定樣品溶液三次，記錄保留時間和峯面積，若發現兩者有明顯變化，再重複多次。

5、未知樣品測定：將未知樣品按照上述方法配溶液、穩定30min、取樣測量，記錄實驗數據。

　四、實驗總結與討論

1、配製溶液時加鹽即鹽析劑，可以增加活度係數，降低物質的溶解度，提高液麪上被測揮發組分的濃度。常用NaCl作為鹽析劑。

2、總結一下氣相色譜法常用的幾種定量分析方法

（1）歸一化法

若試樣中含有n個組分,每個組分質量分別為M1,M2,M3 , … ,Mn，且各組分均能洗出色譜峯,則其中某個組分i的質量分數可按下式計算：

MiMi×100%=×100% 其中，fi為質量校正因子，得質量分數；若為摩爾校正因子，則得到摩爾分數或體積分數。Ai為峯面積。

Wi=

特點：簡便準確，進樣量的準確性和操作條件的變動對測定結果影響不大，適用於多組分同時測定。

缺點：某些不需要定量的組分也要測出其校正因子各峯面積Ｒ虼爍梅ㄔ謔褂彌惺艿較拗啤＊

使用前提：A、試樣中所有組分必須全部出峯；

B、相同濃度下，峯面積的比值等於濃度的比值；

C、要知道每種物質的校正因子。

（2）外標法

外標法也稱為標準曲線法。是在一定條件下，測定一系列不同濃度的標準試樣的峯面積，繪出峯面積A對質量分數的標準曲線，在嚴格相同的操作條件下測定試樣中待測組分的峯面積，同測得的峯面積在標準曲線上查出被測組分的`質量分數。

特點及要求：外標法不使用校正因子，準確性較高，操作條件變化對結果準確性影響較大，對進樣量的準確性控制要求較高，適用於大批量試樣的快速分析。

（3）內標法

內標法是在一定量試樣中加入一定量的內標物，根據待測物組分和內

標物的峯面積及內標物質量計算待測組分質量的方法。

特點：內標法的準確性較高，操作條件和進樣量的稍許變動對定量結果的影響不大，每個試樣的分析都要進行兩次稱量，不適合大批量試樣的快速分析。

若將內標法中的試樣取樣量和內標物加入量固定，則內標物要滿足以下要求：

A、試樣中不含有該物質；

B、與被測組分性質比較接近；

C、不與試樣發生化學反應；

D、出峯位置應位於被測組分附近且無組分峯影響。

12應化《儀器分析實驗》（色譜分析部分）安排表

注：1.流芳校區上車地點：化學實驗中心一號實驗樓前。

2.武昌校區上車地點：武昌校區東配樓前（武昌校區乘車點）。 3.準時發車，過時不候。

實驗要求：

1、實驗課成績：提問20%+實驗操作30%+實驗報告40%+實驗紀律及實驗室衞生10% 2、由於儀器分析實驗智能化程度較高，實驗數據結果均為現場打印，請前預習實驗內容及實驗相關知識點！！！

3、實驗報告在實驗完成後統一交到武昌校區實驗樓617室

影響FID靈敏度的幾個主要因素、FID敏感度的測定、色譜柱的柱效的測定 一、實驗目的

1. 理解氫焰檢測器的操作條件中氣體流量對靈敏度的影響； 2. 學會測定氫焰檢測器的敏感度； 3. 學會測定色譜柱效的方法。

二、實驗原理

色譜法是一種特別適用於分離多組分試樣的分離技術。在色譜法中，一相為色譜柱內固定不動的固定相，另一相為攜帶混合物的流動相，此兩相的相對運動使得混合物中的不同組分按在固定相的滯留時間的不同先後流出色譜柱，從而進行分離分析。色譜法是各種分離技術中效率最高和應用最廣的一種方法。人們在評價一根色譜柱柱效時，常常將色譜柱比作精餾塔，塔板n數越多，柱效越高，n與色譜峯半峯寬及峯底寬的關係式為：

n5.54(

tR2t

)16(R)2 （1） Y1/2Y

式（1）中，tR為待測組分的保留時間，Y1/2為待測組分的色譜峯半峯寬，Y為待測組分

的色譜峯峯底寬，tR 、Y1/2及Y應為相同的單位（或同為時間單位，或同為距離單位）。

氣相色譜檢測器的作用是將色譜柱分離後的各組分按其特性及含量轉化為相應的電信號，它是氣相色譜儀中的主要組成部件。

常用的有兩類檢測器，一類是濃度型的檢測器如熱導池檢測器（Thermal Conductivity Detector, 簡稱TCD）和電子捕獲檢測器（Electron Capture Detector, 簡稱ECD），這類檢測器所測量的是載氣中某組分濃度瞬間的變化，檢測器的響應值與組分的濃度成正比，其中TCD靈敏度適宜，穩定性好，對所有物質都有響應，是一種通用型的檢測器；另一種類型的檢測器是質量型的檢測器如氫火焰離子化檢測器（Flame Ionization Detector, 簡稱FID）和火焰光度檢測器（Flame Photometric Detector, 簡稱FPD）等，這類檢測器測量的是載氣中某組分進入檢測器的速度變化，即檢測器的響應值和單位時間內進入檢測器某組分的質量成正比。FID僅限於檢測含碳有機物，測定靈敏度較TCD高几個數量級。

靈敏度和檢測限是衡量檢測器質量的兩個重要指標。

靈敏度（S）是檢測器的響應信號（△R）對進樣量（△Q）的變化率，即：

S

R

（2） Q

C1C2F0A

（3） m

對於濃度型的檢測器，其計算公式為：

Sc

式（3）中，C1（單位為mV·cm-1）為記錄儀的靈敏度，C2（單位為min·cm-1）為記錄儀紙速的倒數，F0為載氣的流速，A（單位為cm2）為色譜流出曲線的峯面積。如果試樣為液體，則靈敏度Sc的單位為mV·mL·mg-1；如果試樣為氣體，則靈敏度Sc的單位為mV·mL·mL-1。

對於質量型的檢測器，其計算公式為：

Sm

靈敏度Sm的單位為mV·s·g-1。

檢出限也稱稱敏感度，，是指檢測器恰能產生和噪聲相鑑別的信號時，在單位體積或時間需向檢測器進入的物質質量（單位為g），通常認為，恰恰相反能鑑別的響應信號至少等於檢測器噪聲的3倍。

以D表示敏感度或檢出限，N表示噪聲，S表示檢測器的靈敏度，則：

60C1C2A

（4） m

D

3N

（5） S

氣體流量對FID的靈敏度有很大的影響，一般來講，選用FID時用N2作載氣，氫氣和氮

氣流量之比為1:1~1:1.5，空氣為助燃氣，空氣流量較小時，靈敏度較低，當高於某一值時如400 mL·min-1，幾乎對響應值沒有影響，一般氫氣與空氣流量之比為1:10。

三、實驗儀器與試劑

1. 氣相色譜仿真軟件。

2. 色譜柱：SE-30.5%不鏽鋼柱，長2m，內徑3mm。 3. 檢測器：FID。

4. 載氣：N2，流量：50mL/min。

5. 樣品：正庚烷、苯、正戊醇，甲醇為溶劑。

四、操作步驟及數據記錄與處理

1．開機並設置實驗條件

①打開色譜仿真軟件，開啟電源及載氣，設置氮氣流量到50 mL/min，柱温到70℃，進樣口、檢測器温度到150℃。

②點擊“升温”按鈕開始升温。

③設置空氣流量為500 mL/min，氫氣流量到75 mL /min以上，點擊“點火”按鈕，若點火成功，會聽到一聲清脆的爆鳴聲，並會看到點火成功的提示。如果氫氣的流量和空氣流量太小，則點火可能不會成功，需重新設置空氣及氫氣的流量後再點火。

④當柱温及進樣口温度達到設定温度後，“Ready”顯示亮。注意觀察狀態欄的提示，待基線基本穩定後，請按“調零”按鈕，將當前的基線電壓調到零點。

2．氫氣氮氣流量比對檢測器靈敏度的影響

將氮氣流量固定到到50 mL /min，改變氫氣流量。 ①選擇樣品為正庚烷,濃度為10mg·L-1,進樣量為1 μL, 範圍為1(101),記錄靈敏度為8mv/滿刻度。

②將氫氣流量分別調到15、30、40、50、60、70 mL/min（氫氣流量不能太小，太小了會熄火），分別進樣，進樣的同時按“開始記錄”按鈕，記錄色譜圖，色譜峯流出完後，按“停止記錄”按鈕，計算機會在屏幕上打印出組分的保留時間和峯面積，注意氫氣流量的改變對

3．空氣流量對檢測器靈敏度的影響

將氫氣流量調到剛才摸索出的最佳氫氣流量，空氣流量調到40、80、160、320、400、500、600 mL/min（空氣流量不能太小，太小了會熄火）分別進樣，記錄色譜圖，觀察空氣

空氣流量改變引起峯面積的較明顯改變才能説峯面積的改變是空氣流量的改變引起的，如果峯面積改變不明顯，這種改變可能是隨機的，本仿真機也仿真了隨機結果，這樣才符合實際。

根據最佳條件的分析結果，按公式Sm=0.001·A·range /m計算氫焰檢測器的靈敏度（正庚烷的比重=0.6837）。

4．測敏感度

設置空氣流量到500 mL/min，設置氫氣流量到剛才摸索到的最佳流量，記錄儀靈敏度為

1mv/min，選擇範圍為0(10)。按“開始記錄”按鈕，記錄基線，記錄一段時間後，按“停止記錄”按鈕，測量基線噪音（基線噪音的測量方法見氣相色譜仿真軟件本實驗附錄一），按公

式D=3N/S計算氫焰檢測器的敏感度。

5．測色譜柱的柱效

根據正庚烷的色譜圖，測得正庚烷的保留時間tR，正庚烷色譜峯的半峯寬（半峯寬的測量方法見本實驗附錄）

五、思考題

1．舉例説明常用檢測器的種類。

2．以FID作檢測器時，應如何選擇氣體流量？

3．根據柱效的計算公式，説明什麼樣的色譜峯更為理想？

附錄： 噪音及色譜峯的半峯寬的測量方法

目前，色譜工作站都有如下功能，在屏幕上記錄色譜圖後，將鼠標移動到色譜圖顯示屏的任何地方，屏幕上都會顯示鼠標移動到的地方的時間和信號電壓座標，本模擬實驗也模擬了此功能，有此功能測噪音和色譜峯的半峯寬就非常容易。 測量基線的噪音：將鼠標指向一小段基線的最高點，讀出這一小段基線的最高點的電壓，再用鼠標指向一小段基線的最低點，讀出這一小段基線的最底點的電壓，最高電壓與最低電壓的差值即為基線的噪音電壓。

測量色譜峯的半峯寬：將鼠標指向色譜峯的峯頂，讀出並記下信號電壓，將鼠標指向基線，讀出並記下信號電壓，將兩者的差值除以2，得到峯高一半處的信號電壓，將鼠標先後指向色譜峯峯高一半處的右左兩個點，這兩個點時間座標的差值即為色譜峯的半峯寬。 技巧：選擇較小的滿刻度時間，可顯示較寬的色譜峯，從而可減小測量誤差。

實驗二 烷系物的氣相色譜分析

一、實驗目的

1. 掌握色譜分析基本操作和苯系物的分析 2. 瞭解如何利用色譜圖計算分離度 3. 學習用歸一化法計算各組分的含量。

二、實驗原理

烷系物係指正庚烷、正辛烷、正壬烷等，在工業產品石油中常存在這些組分，需用色譜法進行分析。

毛細管固定相有大的相比和比滲透性，分析速度快，總柱效高，本實驗選用毛細管氣相色譜儀進行苯系物的分析。使用非極性毛細管色譜柱，用氫火焰檢測器，在適當條件下，各組分可完全分離（見圖）。所得的庚烷、辛烷、壬烷的色譜峯均尖鋭對稱，且全部出峯，可用歸一化法計算苯系物各組分含量。

500

庚烷

辛烷

壬烷

400

pressure / mV

300

200

100

Time / min

圖1-8 苯系物的分離

一根色譜柱柱效越高，並不能説明其分離效能就越好。因為一個混合物能否被色譜柱所分離，取決於固定相與混合物中各組分分子間的相互作用的大小是否有區別。因此判斷相鄰兩組分在色譜柱中的分離情況，應用分離度R來作為色譜柱的分離效能指標。分離度指的是相鄰兩組分色譜峯保留值之差與這兩個組分色譜峯峯底寬度總和的一半的比值：

R

tR(2)tR(1)

（1）

1

(Y1Y2)2

式（1）中，tR(2)和tR(1)分別為兩組分的調整保留時間，Y1和Y2為相應組分的峯底寬度。R越大，兩組分分離得越好，當R=1.5時，可認為兩組分完全分離。

三、儀器與試劑

1. 氣相色譜儀（毛細管柱）。

2. 氫氣鋼瓶、氮氣鋼瓶、空氣鋼瓶或氣體發生器。 3. 微量進樣器。

4. 烷系物均為分析純。 5. 混合未知樣品。

四、實驗步驟

1. 氣相色譜儀器的使用 （1）開啟氣體鋼瓶。

① 打開氣體鋼瓶主開關，確保減壓閥處於關閉狀態。 ② 減壓閥逆時針為關閉，順時針旋轉調節壓力。 ③ 主閥逆時針為開啟，順時針為關閉。 （2）關閉氣體鋼瓶

① 在實驗結束後要關閉氣體鋼瓶，可適當延長載氣的通氣時間。 ② 關閉氣體鋼瓶前應先關閉減壓閥，在關閉總閥的情況下，打開/關閉減壓閥直至壓力

為零。

（3）開啟氣體發生器

① 先打開“空氣”電源開關

② 在空氣壓力指示至0.4MP時，打開氫氣，氧氣開關。 ③ 在各氣體壓力指示至0.4MP後，進行色譜儀的操作。 ④ 氣體淨化器失效後要及時更換

（4）GC色譜儀的開啟及色譜條件的設置。

① 開通載氣N2後，打開色譜儀的電源開關及加熱開關。