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基础化学实验IV(仪器分析实验) 气相色谱法分析测定 混合物中苯、甲苯、二甲苯
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实验技能训练要点 气相色谱仪的使用(第一次训练) 气相色谱法进样操作(第一次训练) 定量分析之归一化法(第一次训练)
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一、实验目的 二、气相色谱法简介 三、实验原理 四、实验步骤 五、结果处理 六、思考题 七、实验延伸
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一、实验目的 掌握气相色谱法的基本原理 熟悉气相色谱仪各主要部件及其作用 熟悉气相色谱仪的使用方法 掌握进样操作 掌握归一化法
了解气相色谱分析方法的建立过程
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二、气相色谱法简介 色谱法起源 胡萝卜素 叶黄素 叶绿素A、B 加入石油醚分层 Chromatography
原理:基于物质在不同相之间具有不同的分配系数引起的分离
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采用气体作为流动相的色谱法称为气相色谱法(gas chromatography, GC)。
载体(是不和待测物发生反应,用来载送试样的惰性气体)载着预分离的试样通过色谱柱中的固定相,使试样中各组分得到分离,然后分别被检测。
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气相色谱仪的工作过程 由高压钢瓶1供给的流动相载气,经减压阀2,净化器3,稳压阀4和转子流速计5后,以稳定的压力恒定的流速连续经过进样器(包括汽化室)7,色谱柱8,检测器9
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进样口
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色谱柱 毛细管柱 填充柱 材料 熔融的石英拉制而成, 外层是聚酰亚胺,使整个毛细管柱有韧性 不锈钢做外壳材料,里面填充一些材料,如活
性炭、氧化铝、硅胶等 柱长 短,1-10 m 长, m 内径 2-4 mm 0.25 mm,0.53 mm 固定相 活性炭、氧化铝、 硅胶等 液膜,厚度为 0.25 μm 理论塔板数 高 低 柱效 允许进样量 较大 1-2 μL 毛细管柱 填充柱
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检测器 检测器 载气种类 测定浓度 应用 热导(TCD) 氦,氢,氩,氮 50 ppm 通用检测器 (FID) 氦,氮 数ppm 有机化合物
(ECD) 氮 数ppb 有机卤素等 (FTD) 氮,磷化合物 (FPD) 0.1 ppm 硫,磷化合物
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原理
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(发生在内层火焰中) (发生在中层火焰中) 蒸气分子受激发后被离子化,在电场作用下定向运动形 成离子流,然后进行放大和记录。
氢焰检测器的离子化作用机理: (发生在内层火焰中) (发生在中层火焰中)
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FID操作条件的选择 气体流量 载气流量 :根据色谱柱条件选取。
氢气流量:用氮气作载气时,氢气与氮气的流量之比为1:1-1:1.5,此时不仅灵敏度高,且稳定性好。 空气流量:一般氢气与空气流量之比为1:10。 气体纯度:要求高,对基线影响很大 极化电压:±250V左右 使用温度:大于80℃
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数据采集及处理系统 温控系统 进样系统 柱箱 检测器 辅助部分 控温
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气相色谱分离条件的选择 载气及其流速的选择 柱温的选择 固定液的性质和用量 担体的性质和粒度 进样时间和进样 汽化温度
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流速U(FC) 对于填充柱,氮气的实用最佳线速为10-12cm/s;氢气为15- 20cm/s;氦气介于两者之间。若填充柱内径为4mm,则体积 流速为氮气30-40ml/min,氢气40-60ml/min。
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流动相(载气)种类 流动相的种类要视检测器种类确定。 常用的有氢气(热导用)、氮气(氢火焰用)、氦气 (均可用,但价格较高)。
氢气和氦气适合于快速分析。 氮气做载气峰型较好,柱效较高。
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柱温TC 每一种固定液都有它的最高使用温度,柱温不可超过这一 温度,否则固定液挥发流失。
柱温太高,组分挥发度靠拢,不利于分离。但柱温太低, 被测组分的扩散速度下降,分配不能快速达到平衡,影响 峰型,柱效下降,并使分析时间大大延长。 柱温选择的原则是,在保证难分离物质有良好分离的前提 下(分离度满足要求),尽可能采取较高柱温,以缩短分 析时间,保证峰型对称。
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汽化温度 检测器温度 一般进样方法下,汽化温度比柱温高30-70℃。 进样量大时高一些好,保证瞬间汽化。 保证不可超过试样的分解温度。
一般大于或等于柱温,具体与检测器种类有关。
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进样量 液体试样一般进样量0.1-5μl。 气体试样一般进样量为0.1-10ml。
具体视柱类型,固定液含量(不能超过柱容量)、 进样方式、检测器的灵敏度和线性范围等确定。
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气相色谱固定相 (一) 气-固色谱固定相 类 名称 分离对象 吸附剂 活性炭 永久性气体和低沸点烃类 硅胶 永久性气体和低级烃 氧化铝
烃类及有机异构体,在低温下可分氢同位素 分子筛 特别适合永久气体和惰性气体分离 合成 高分子多孔小球 分离气体和液体中的水、CO、CO2、CH4、低级醇、H2S、SO2、NH3、NO2等
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(二) 气-液色谱固定相 由担体与固定液构成 对担体的要求 表面积大 化学惰性 热稳定性好 机械强度高 担体种类 硅藻土型 非硅藻土型
对固定液的要求: 蒸汽压小,热稳定性好 可溶性好 化学稳定性好 选择性高
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固定液分类及其应用 固定液类型 极性 应用特点 固定液举例 烃类 最弱 非极性化合物 角鲨烷、阿匹松 硅油类 极性范围广 应用范围广
SE-30、SE-54、OV 聚乙二醇类 强极性 强极性化合物 PEG-20M,FFAP 酯类 中强极性 价廉 苯二甲酸二壬酯 腈类 极性化合物 ββ’—氧二丙腈 特殊固定液 分离异构体 银盐、有机皂土,液晶
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三、实验原理 本实验采用以具有中强极性的邻苯二甲酸二壬酯(DNP)作为固定液,6201白色硅藻土为担体的填充色谱柱,FID
采用归一化法定量测定混合物中苯、甲苯、对二甲苯进行分离测定。
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归一化法 推导:n个组分,每个组分质量分别为m1、m2、m3、m4……mn ,m为组分含量总和,质量分数为wi
当试样中各组分能流出色谱柱,并在色谱图上显示色谱峰时,可用此法进行定量计算。 推导:n个组分,每个组分质量分别为m1、m2、m3、m4……mn ,m为组分含量总和,质量分数为wi
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应用范围:当试样中各组分都能流出色谱柱,且在检测器 上均有响应,各组分峰没有重叠时,可用此法。
优点:简便、准确,当操作条件如进样量等变化时,对定 量结果影响很小,该法适合于常量物质的定量。 缺点:对该法的苛刻要求限制了它的使用。
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四、实验步骤 1、仪器和试剂 仪器: 1490型气相色谱仪(带FID),氢气发生器,空气源,色谱工作站。
色谱柱;柱长2m,内径3mm不锈钢柱。10%DNP/6201白色担体(80-100目)。 试剂: 固定液;邻苯二甲酸二壬酯(DNP) 担体;6201红色担体(80—100目) 载气:高纯N2
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苯、甲苯、对二甲苯(分析纯) 等体积的苯和甲苯混合样 等体积的苯和对二甲苯混合样 苯、甲苯和对二甲苯混合样品 色谱分析条件: 柱温:100℃ 检测温度150℃ 气化温度:150℃ 衰减1/2 载气流量:25毫升/分 进样量1μL
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2、分析步骤 (1)固定相的配制及柱子的装填 称取邻苯二甲酸二壬酯1.80克于小烧杯中,加入苯为溶剂,搅拌并稍温热,使之溶解。然后称取12克已筛取的80-100目的6201白色担体,将其倒入溶液中,使担体刚浸没在液面下。轻轻摇动或轻轻搅拌下,在通风橱中或在红外灯下加热,使溶剂挥发至干燥无苯气味为止。再次用80-100目筛子过筛。抽真空装柱,老化后待用。
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(2)校正因子f’的测定 测定: ① f’甲苯:3mL苯+3mL甲苯混合,进样。 ② f’对二甲苯:3mL苯+3mL二甲苯混合,进样。
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(3)样品分析 在色谱分析条件下,用微量进样器进样1-2μL ,各组分按苯、甲苯、对二甲 苯次序出峰,峰为尖峰,故采用峰高定量。记录各组分的峰高h,按归一化法公式计算各组分的含量。 1 2 3 1.苯 2.甲苯 3.对二甲苯
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注意事项 注意进样量必须控制在0.2-0.4 L; 检查柱温、进样温度和检测温度等参数设定是否 正确;
检查柱温、进样温度和检测温度等参数设定是否 正确; 进样时注射器要垂直插入密封垫,快速注入样品,并迅速拔出注射器,同时开始采集数据。
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分别求出甲苯和对二甲苯相对于苯的定量校正因子
五、结果处理 确定样品中各组分的出峰顺序 分别求出甲苯和对二甲苯相对于苯的定量校正因子 计算方法:以甲苯为例
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分别求出混合样品中各组分的含量
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六、思考题 简要说明气相色谱法的特点和主要应用范围。 影响氢火焰离子化检测器灵敏度的主要因素有哪些? 简述毛细管气相色谱法的主要优点。
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七、实验延伸 金属有机骨架(MOF)是一种重要的多孔材料,可 用于气体吸附和分离、催化等领域。利用MOF作为气相 色谱固定相用于化合物的分离和分析测定是当前研究热 点之一。 气相色谱法不仅可以用于复杂组分分析,还可用于 多孔材料的性能表征。我院赵景婵教授和王惠教授分别 用气相色谱法评价活性炭和储氢材料的吸附性能。
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参考文献 1. 张剑荣,于晓冬,屠一峰,仪器分析实验(第二版) ,科学 出版社. 2009
2. 孙毓庆主编,现代色谱法及其在医药中的应用,人民卫生 出版社,1998
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