Transcript 任务2 苯、甲苯

任务2 苯、甲苯、二甲苯混合样品的色谱分析
能力目标



能够正确操作TCD气相色谱仪。
能够熟练掌握进样技术。
能够用归一化法测定苯、甲苯、二甲苯混合样
品。
 课程引入
问题：苯、甲苯、二甲苯统称为三苯，是有机合成的重要原
料，其中三苯含量如何确定？
引入：采用气相色谱法测定苯、甲苯、二甲苯含量。
操作条件：
检测器：热导池检测器（TCD）
汽化室温度：120℃
检测器温度： 120℃
柱温：50 ℃
桥电流：120mA
教师演示仪器操作
打开载气（H2）钢瓶总阀，调节输出压力为 0.1Mpa。
打开气相色谱仪电源开关。
设置柱温、汽化温度和检测温度至设定值。
待柱温、汽化温度和检测温度达到设定值并稳定后，设置合适的桥
电流值150mA。
打开气相色谱工作站，让仪器走基线，待基线稳定。
取一个干燥洁净的小瓶称取0.5g苯、0.5g甲苯、0.5g二甲苯（称准至
0.001g），混匀。
待仪器基线平直后，在完全相同的条件下用微量注射器分别进苯、
甲苯、二甲苯标准品各1μL，记录各组分的保留时间及峰高。
同样条件下，用微量注射器吸取混合样品1μL，进样待出峰后，记录
相应的保留时间及峰高。
关机：
•设置桥电流数值为 0.0。
•设置汽化室温度、柱温、检测室温度在室温以上约 10℃。
•待柱温达到设定值时关闭气相色谱仪电源开关。
•关闭载气钢瓶总阀，待指针回零后关闭减压阀。
学生完成苯、甲苯、二甲苯混合样品的色谱分析实验操作
（要求：每位学生独立完成，合理安排时间。）
思考：
三苯在色谱柱中是如何实现完全分离的？
热导池检测器是如何感应样品的？
如何确定各组分的名称？
如何确定各组分的含量？
气相色谱基本理论
塔板理论
假设




没一小段间隔内，组分在气相与液相之间可以很快地达到分配
平衡。
载气进入色谱柱，不是连续的而是脉动式的。每次进气为一个
板体积。
假设试样开始时都加在0号塔板上，且试样沿色谱柱方向的扩散
（纵向扩散）可忽略不计。
各塔板上的分配系数为一个常数。
理论塔板高度和理论塔板数
理论塔板高度（H）即：
L
H 
n
计算塔板数n的经验式：
tr 2
tr 2
n  5.54(
)  16( )
W1 / 2
W
柱效能指标
n有效
t 'R 2
t 'R 2
L

 5.54
（
）=16( )
H有效
W1/2
Wb
结论：当色谱柱长L一定时，有效塔板高度H有效越
小或有效塔板数n有效越大，色谱柱柱效能就越高。
 问题引入
 请仔细观察右面的4个色谱分离图，并指出其中哪一个分离效果最佳？
说出你的理由。
 从色谱图上观察，你认为
相邻谱峰分离效果的优劣与
哪些因素有关？
 保留值差值
 峰宽
 分离度R
 分离度R是色谱柱总分离效能指标。
R
t R2  t R1
( wb1  wb2 ) / 2
或 R
2(t R2  t R1 )
1.699 [ w1/ 2(1)  w1/ 2( 2) ]
 R值越大，两相邻组分分离越完全；
 R=1.5，两相邻组分分离程度99.7%；
 R=1，两相邻组分分离程度98%；
 R＜1，两相邻色谱峰有明显重叠；
 通常用R≥1.5作为相邻两峰完全分离
的指标。
影响分离度R的主要因素
保留值差值——热力学因素
反映了试样中各组分在两相间的分配情况；
与各组分在两相间的分配系数有关；
与各物质(组分、固定相、流动相)的分子结构与性质有关。
峰宽——动力学因素
反映了试样中各组分在色谱柱中的运动情况；
与各组分在两相间的传质阻力有关。
 热导池检测器（TCD）
结构
结构：热导池由池体和热敏元件构成，有双臂热导池和四臂热导池
两种。双臂热导池池体用不锈钢或铜制成，具有两个大小、形状完
全对称的孔道，每一孔道装有一根热敏铼钨丝（其电阻值随本身温
度变化而变化），其形状、电阻值在相同的温度下，基本相同。四
臂热导池，具有四根相同的铼钨丝，灵敏度比双臂热导池约高一倍。
 热导池检测器（TCD）
 工作原理
载气
试样
参比池
测量池
散热差异
样品
R4
电阻值差异
电桥失去平衡
输出的电压信号与
样品的浓度或正比
 比较TCD与FID
TCD与FID的区别
项目
类型
灵敏度
线性范围
应用范围
FID检测器
1、质量型检测器
2、破坏型检测器
3、选择性检测器
TCD检测器
1、浓度型检测器
2、非破坏型检测器
3、通用型检测器
FID的特点是灵敏度高，检出限低，可
达10-12g/s。
107
对能在氢火焰中电离的有机化合物有
响应，不能检测稀有气体、H2O、CO、
CO2、H2S、CS2、卤化硅、氮的氧化物、
杂环化合物等物质
灵敏度较低，一般<400pg/mL，
单丝流路热导检测器，灵敏
度可达4×10-10g/mL
105
对单质、无机物或有机物均
有响应通用性好
热导检测器条件选择
载气种类 、纯度和流量的选择。
载气与样品的导热能力相差越大，检测器灵敏度越高，因此TCD通
常用He或H2作载气。
载气纯度越高，则TCD的灵敏度越高。用TCD作高纯气杂质检测时，
载气纯度应比被测气体高十倍以上，否则将出倒峰（想一想为什
么？）。
TCD为浓度敏感型检测器，色谱峰峰面积响应值反比于载气流速，
因此，要求载气流速必须保持恒定。在柱分离许可的情况下，载气
应尽量选用低流速（一般在30mL/min左右）。参考池的气体流速通
常与测量池相等。
热导检测器条件选择
桥电流的选择。一般认为TCD灵敏度S值与桥电流的三次方成正比，
所以，增大桥电流是提高TCD灵敏度的一个有效方法。但桥电流偏大，
则噪声也急剧增大，且热丝越易被氧化，因此在满足分析灵敏度要求
的前提下，应尽量选取低的桥电流。
检测器温度。TCD灵敏度与热丝和池体间的温差成正比，也就是说
可以通过提高热丝温度（不能过高以免热丝烧断）或降低检测器池体
温度来提高检测器灵敏度。
定性分析
利用已知标准物质直接对照定性
依据：在一定的柱条件（柱长、固定相）、操作条件下，组分有
固定的保留值。
方法：控制在相同的实验条件下，分别注入标准物质和未知样品，
通过比较两者的保留值（保留时间或相对保留时间）。
•用已知标准物增加峰高法定性
首先作出未知样品的色谱图，然后在未知样品加入某已知物，又得
到一个色谱图。峰高增加的组分即可能为这种已知物。
当未知样品中组分较多，所得色谱峰过密，用上述方法不易辨认时，
或仅作未知样品指定项目分析时均可用此法。
定性分析
利用保留指数定性
测定方法：
将正构烷烃作为标准，规定其保留指数为分子中碳原子
个数乘以100（如正己烷的保留指数为600）。
其它物质的保留指数（IX）是通过选定两个相邻的正构
烷烃，其分别具有 Z 和 Z ＋1个碳原子。被测物质 X 的调整
保留时间应在相邻两个正构烷烃的调整保留值之间如图
所示。
定性分析
保留指数计算方法
t R' ( Z 1)  t R' ( X )  t R' ( Z )
I X  100(
lg t R' ( X )  lg t R' ( Z )
lg t R' ( Z 1)
 lg t R' ( Z )
 Z)
定量分析

归一化法
 定义：所谓归一化法就是以样品中被测组分经校正过的峰面
积（或峰高）占样品中各组分经校正过的峰面积（或峰高）的
总和的比例来表示样品中各组分含量的定量方法。
条件：当试样中所有组分均能流出色谱柱，且完全分离，并
在检测器上都能产生信号时，可用归一化 法计算组分含量。
归一化法计算公式
mi
mi
wi 

m m1  m2    mn
fi  Ai
wi 
'
f
 i  Ai
'
或
wi 
f i (' h )  hi
f
'
i(h)
 hi
练习：归一化法
在一定条件下测定只含乙醇，正庚烷，苯和醋酸乙
酯的混合样，得到如下数据：
化合物
峰高（cm） 相对质量校正因子
乙醇
5.0
0.64
正庚烷
9.0
0.70
苯
4.0
0.78
醋酸乙酯
7.0
0.79
计算混合样中各组分的质量分数。
学生使用归一化法对所得数据进行处理，结果讨论
作业

查阅资料，设计“乙醇中微量水分的测定”
实验方案。