氣相色譜內(nèi)標(biāo)法綜合簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及實(shí)踐*

尤努斯江·吐拉洪

(新疆大學(xué)化工學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

氣相色譜法是對(duì)于沸點(diǎn)較低的混合組分具有很強(qiáng)分離分析能力的一種技術(shù)，尤其是對(duì)于含量低、組成復(fù)雜、性質(zhì)相近的化合物的分離分析方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為化工、農(nóng)藥、環(huán)境、食品和醫(yī)藥等方面用途廣泛[1-2]、具有不可缺少的一種現(xiàn)代分析測(cè)試手段。當(dāng)下，大學(xué)的化學(xué)、化工和環(huán)境等專業(yè)都設(shè)立了氣相色譜實(shí)驗(yàn)。但是，由于實(shí)驗(yàn)室硬件資源、師資以及學(xué)時(shí)不足等方面的限制[3]，不能開(kāi)設(shè)更多、或更復(fù)雜的氣相色譜實(shí)驗(yàn)。為此，本文設(shè)計(jì)了包含實(shí)驗(yàn)條件的選擇、定性、定量方法為一體的綜合性實(shí)驗(yàn)，使幫助學(xué)生在有限時(shí)間之內(nèi)所學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，進(jìn)一步加深對(duì)色譜學(xué)知識(shí)的理解，提高實(shí)踐能力。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1)了解氣相色譜儀的基本結(jié)構(gòu)、工作原理；

(2)學(xué)習(xí)氣相色譜儀實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化方法；

(3)學(xué)習(xí)色譜定量校正因子的測(cè)定及內(nèi)標(biāo)法定量分析的基本原理與方法。

2 實(shí)驗(yàn)原理

氣相色譜法有歸一化法、內(nèi)標(biāo)法、外標(biāo)法和直接比較法等定量分析方法。每一種方法的使用條件和用途各不同。如歸一化法要求混合物中所有組分已知、都出峰并且它們的峰面積能準(zhǔn)確測(cè)量，外標(biāo)法和直接比較法需要標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)等。當(dāng)混合樣組成未知、某些組分沒(méi)有很好分離以及沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時(shí)，內(nèi)標(biāo)法更顯其優(yōu)越性。內(nèi)標(biāo)法要求混合樣中內(nèi)標(biāo)物不存在，被測(cè)組分和所加內(nèi)標(biāo)物單獨(dú)出峰[4]。當(dāng)內(nèi)標(biāo)物與被測(cè)組分物理性質(zhì)及物理化學(xué)性質(zhì)相似，色譜峰位置和高度相近時(shí)可以減小測(cè)量誤差。

氣相色譜內(nèi)標(biāo)法適用于樣品中微量組分含量的測(cè)定，或僅需要測(cè)定試樣中的某些組分含量等方面。本實(shí)驗(yàn)乙苯作為內(nèi)標(biāo)物，異丙苯當(dāng)做被測(cè)物。設(shè)測(cè)試樣中異丙苯的質(zhì)量為mi，在質(zhì)量為W的測(cè)試樣中加入的乙苯質(zhì)量為ms，計(jì)算定量校正因子的公式為：

(1)

計(jì)算異丙苯質(zhì)量百分含量的公式為：

(2)

式中：Ai、As分別為異丙苯和乙苯的色譜峰面積。

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 儀器與試劑

3.1.1 儀器

上海天美科GC7700 型氣相色譜儀；含有OV-101 固定相的不銹鋼填充色譜柱(3 mm×600 mm)；微量注射器(1 μL)；吸量管(0.2和0.5 mL)；氮?dú)?99.9%)。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)

熱導(dǎo)池檢測(cè)器溫度為 120 ℃，檢測(cè)器電流為 75 mA；進(jìn)樣口溫度為150 ℃；載氣為 N2，流速為 25 mL/min；氮?dú)怃撈砍隹趬毫?4 kg/cm2，柱前壓為 0.06 MPa；進(jìn)樣量為1 μL[5]。

3.1.3 試劑

苯、甲苯、乙苯、異丙苯，均為分析純。移取苯、甲苯、乙苯、異丙苯各一定體積混合制作條件樣，移取苯、甲苯、異丙苯各一定體積混合制作測(cè)試樣。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

根據(jù)3.1.2實(shí)驗(yàn)條件，將色譜儀的溫度、電流和載氣流速等進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)記錄儀基線平直后，即可進(jìn)樣。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

分別調(diào)節(jié)色譜柱溫度50 ℃、70 ℃和90 ℃，注入混合樣1 μL，記錄保留時(shí)間，峰面積。

3.2.2 定性分析

分別移取乙苯和異丙苯純?nèi)軇└? μL分別進(jìn)樣，記錄乙苯和異丙苯的保留時(shí)間。

3.2.3 定量校正因子的測(cè)定

選一個(gè)干凈并帶蓋子的小瓶稱重，放入乙苯0.20 mL稱重，放入異丙苯0.20 mL稱重，搖勻備用。從中移取1 μL進(jìn)樣，記錄乙苯和異丙苯的保留時(shí)間和峰面積。

3.2.4 混合物中各組分的質(zhì)量百含量的測(cè)定

選一個(gè)干凈并帶蓋子的小瓶放入天平去皮，放入測(cè)試樣0.5 mL稱重，質(zhì)量為W，放入0.2 mL內(nèi)標(biāo)物乙苯再稱重，質(zhì)量為ms，混均，進(jìn)樣1 μL，記錄乙苯和異丙苯的保留時(shí)間和峰面積。

4 結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

4.1 實(shí)驗(yàn)最佳條件的選擇

氣相色譜法中影響組分分離檢測(cè)的影響因素很多，所需要選擇的條件(參數(shù))也很多。如，檢測(cè)器種類(熱導(dǎo)檢測(cè)器，氫火焰檢測(cè)器等)及其電流大小，流動(dòng)相種類(氫氣、氮?dú)獾?及流速，色譜柱種類(填充柱、毛細(xì)管柱及材質(zhì))和柱長(zhǎng)、柱徑等，固定相種類(極性、非極性等)，色譜柱、氣化室和檢測(cè)器的溫度等。當(dāng)然，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，絕大部分實(shí)驗(yàn)條件是教師給定好的，一般讓學(xué)生選擇的實(shí)驗(yàn)條件有流動(dòng)相流速和色譜柱溫度等幾項(xiàng)。本實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生初步選擇流動(dòng)相流速和色譜柱溫度對(duì)混合樣中各組分分離的影響，以便了解實(shí)驗(yàn)條件對(duì)各組分分離的影響及最佳實(shí)驗(yàn)條件的選擇方法。

色譜柱溫度分別調(diào)至50、70和90 ℃，載氣流速25 mL/min，注入測(cè)試樣1.0 μL，得到色譜圖1。圖1表明，當(dāng)色譜柱溫度為50 ℃時(shí)，雖然各組分比較好的分離，但是，保留時(shí)間很長(zhǎng)，峰變矮，最終所有組分出完需要約10 min，經(jīng)濟(jì)性差。當(dāng)色譜柱溫度為90 ℃時(shí)，雖然保留時(shí)間很短(約3 min)，但是目標(biāo)組分沒(méi)有分離。當(dāng)色譜柱溫度70 ℃時(shí)，目標(biāo)組分剛好分離，所需時(shí)間不到5 min，經(jīng)濟(jì)性好。故混合樣的分離溫度設(shè)計(jì)為70 ℃。

圖1 柱溫對(duì)混合樣中各組分分離的影響Fig.1 Effect of column temperature on separation of components in mixed samples

圖2 流動(dòng)相流速對(duì)混合樣中各組分分離的影響Fig.2 Effect of flow rate of mobile phaseon separation of components in mixed samples

流動(dòng)相流速分別調(diào)至10 mL/min，20 mL/min和40 mL/min，條件樣注入1 μL。所得結(jié)果圖2所示。圖1表明，當(dāng)流動(dòng)相的流速變慢時(shí)，雖然峰間距增大，但是，峰變寬，峰高降低，保留時(shí)間變長(zhǎng)，有些色譜法消失，經(jīng)濟(jì)性變差。當(dāng)流動(dòng)相的流速變快時(shí)，雖然保留時(shí)間變短，峰變窄，峰高增大，但是，峰間距變小，有些峰重合不能分離。當(dāng)流動(dòng)相流速25 mL/min時(shí)，內(nèi)標(biāo)物乙苯色譜峰(3)和被測(cè)物異丙苯的色譜峰(4)都有很好的分離。

4.2 定性分析

在柱溫70 ℃、載氣流速25 mL/min時(shí)，分別注入乙苯和異丙苯的純物質(zhì)1 μL，得色譜圖3。通過(guò)乙苯和異丙苯的純物質(zhì)的保留時(shí)間(峰位)，可以確定混合樣中內(nèi)標(biāo)物乙苯和被測(cè)物異丙苯的色譜峰。

圖3 乙苯和異丙苯純物質(zhì)的色譜圖Fig.3 Chromatograms of ethylbenzene and isopropylbenzene

4.3 定量校正因子和測(cè)試樣中異丙苯含量的測(cè)定

在柱溫70 ℃、載氣流速25 mL/min時(shí)，乙苯和異丙苯的混合液注入1 μL，得色譜圖4。以乙苯為標(biāo)準(zhǔn)，有關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(1)計(jì)算異丙苯定量校正因子(乙苯的為1.00)。

圖4 乙苯和異丙苯混合液的色譜圖Fig.4 Chromatogram of ethylbenzene and isopropylbenzene

圖5 測(cè)試樣中加入乙苯后的色譜圖Fig.5 Chromatogram after added ethylbenzene to the test sample

一定量的測(cè)試樣中加入定量的內(nèi)標(biāo)物(乙苯)，進(jìn)樣，得到色譜圖5。把所得相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(2)，計(jì)算測(cè)試樣中異丙苯的質(zhì)量百分含量和相對(duì)平均偏差。

5 思考題

(1)色譜內(nèi)標(biāo)法定量分析有何優(yōu)點(diǎn)，它對(duì)內(nèi)標(biāo)物質(zhì)有哪些要求？

(2)本實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)樣量嚴(yán)格控制嗎？為什么？

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過(guò)本實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以學(xué)習(xí)氣相色譜儀的組成、原理、使用方法和注意事項(xiàng)。

(2)通過(guò)本實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以學(xué)習(xí)色譜法純物質(zhì)定性、內(nèi)標(biāo)法定量方法以及注意事項(xiàng)。學(xué)生可以在短時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)掌握色譜法的綜合知識(shí)，進(jìn)一步加深對(duì)色譜理論的理解。

(3)本實(shí)驗(yàn)對(duì)儀器設(shè)備和化學(xué)試劑及實(shí)驗(yàn)操作要求較低，特別適合儀器設(shè)備簡(jiǎn)易、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不充裕的院校試用。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也可以根據(jù)學(xué)時(shí)數(shù)增減。