项目十三 任务二 测定柱效能（课件）——中职《仪器分析技术》（化工版）

仪器分析技术 项目十三 气相色谱法测定化学试剂丙酮中水、甲醇、乙醇 任务二 测定柱效能 仪器分析技术 项目十三 气相色谱法测定化学试剂丙酮中水、甲醇、乙醇 仪器分析技术 任务一 安装色谱柱 任务二 测定柱效能 任务三 解读化学试剂丙酮中水、甲醇、乙醇检测国家标准 任务四 选择色谱分析条件 任务五 样品检测与数据采集 任务六 撰写检测报告 任务引入 什么是柱效能？ 怎样才能提高柱效能？   化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 任务二 测定柱效能 任务目标 会用微量注射器进样 会开关气相色谱仪 会使用色谱工作站 会测定柱效能 会在采样袋中针头取样 能说出分离度、理论塔板数及经验公式 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 活动1 阅读气相色谱仪说明书 1.阅读需要使用的气相色谱仪说明书（用户手册），填写以下信息至教材中的表。 2. 阅读需要使用的气相色谱仪相关型号的工作站说明书，了解工作站的特点和功能，学习工作站软件的安装与卸载，认识工作站的菜单栏、工具栏图标，学会创建分析方法及数据的处理方法。 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 活动2 气相色谱仪的开机 1.气相色谱仪开机 （1）通载气（H2）至所需的压力，检查各连接部分不得漏气，旋下热导放空螺帽。 （2）检查气路畅通后，开主机电源，按要求设置各部件温度，核对无误后点“加热”，通过点“显示”观察各部件升温情况。 （3）打开计算机，点鼠标左键双击“在线工作站”图标进入色谱数据工作站，准确进入相应“通道”。点“数据采集”，“查看基线”，“零点校正”，初设“电压范围”为（-1～20）mV,“时间范围”为（0～10）min。  （4）待各部分温度接近设定值，设桥电流150mA，同时点“桥流”和“衰减”。 （5）待基线基本平直，准备进样。 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 活动2 气相色谱仪的开机 2.工作站的打开 （1）双击Windows桌面的 图标，打开窗口如图所示。或点击Windows桌面左下角“开始”，在“程序”一栏中选择“N3000色谱工作站”，点击“N3000色谱工作站”，亦可进入。 （2）点击上图中的“通道1”即可进入通道1，如图所示。 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 活动2 气相色谱仪的开机 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 活动2 气相色谱仪的开机 （3）在“窗口二”中点击“采样1”与点击“采集数据”的效果相同。点击“停止”与“停止采集”的结果是一样的。 （4）点击“窗口一”中的“通道1”，接着点击“通道2”，最后点击“竖直”即可生成如下窗口。这是双通道同时打开进行基线查看或数据采集时的操作。 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 活动2 气相色谱仪的开机 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 知识链接 1.色谱流出曲线和术语 （1）色谱流出曲线 色谱流出曲线也叫色谱图，是指试样经色谱分离后的各组分流出色谱柱的时间或流出体积与检测器输出的电信号的变化关系曲线图，每一个对应组分的图形称为一个色谱峰。理想的色谱峰应该是正态分布曲线。 由色谱流出曲线可以实现以下目的： ①依据色谱峰的保留值进行定性分析。 ②依据色谱峰的面积或峰高进行定量分析。 ③依据色谱峰的保留值及区域宽度评价色谱柱的分离效能。 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 知识链接 色谱流出曲线示意图 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 知识链接 （2）色谱图中的术语 色谱法实际应用中常用一些专门的术语来描述色谱流出曲线的不同参数。 ①基线 色谱柱中没有分析物仅有纯流动相时，检测器产生的背景信号叫基线 。基线在稳定的条件下应是一条水平的直线。由各种因素所引起的基线起伏称为基线噪声，如果基线随时间产生定向的缓慢变化称为基线漂移。   化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 知识链接 ②峰高与峰面积 峰高 从色谱峰顶点到基线之间的距离称为峰高，用h表示。 峰面积 色谱流出曲线与基线所包围的面积称为峰面积，用A表示。 ③色谱峰的区域宽度 标准偏差（σ） 标准偏差（σ）是指0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。 峰底宽 峰底宽（Wb）是指色谱峰两侧拐点所作的切线与基线两交点之间的距离IJ，Wb=4σ。 半峰宽 半峰宽（W1/ 2 ）是指在峰高一半处的峰宽GH，W1/ 2=2.354σ。 ④保留值 保留值是指试样中各组分在色谱柱内的保留行为，常用时间或相应的载气体积表示，分别称为保留时间和保留体积，以时间来表示的保留值更为常用。在一定实验条件下，组分的保留值具有特征性，常作为色谱分析中的定性参数。   化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 知识链接 死时间  是指不被固定相吸附或溶解的组分(如空气、甲烷)从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需的时间，用 表示单位为min或s，死时间实际上就是载气流经色谱柱所需要的时间。使用热导池检测器时用空气峰测,使用氢火焰离子化检测器时，用甲烷峰测。 保留时间 是指被测组分从进样开始到柱后出现信号最大值时所需的时间。保留时间是色谱峰位置的标志 以表示，单位为min或s。 校正保留时间 扣除死时间后的保留时间以 表示，单位为min或s。 （ ） 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 知识链接 ⑤相对保留值 一定的实验条件下某组分i 与另一标准组分s 的调整保留时间之比。 仅与柱温及固定相性质有关，而与其它实验条件如柱长、柱内填充情况及载气的流速等无关。 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 知识链接 2.热导检测器 目前气相色谱仪的检测器已有几十种，其中最常用的是氢火焰离子化检测器（FID）和热导检测器(TCD)，普及型的仪器大都配有这两种检测器。 （1）工作原理 热导检测器（TCD）是由热导池及利用不同物质的热导率不同而产生响应的浓度型检测器。是应用最早的通用型检测器，对无机物和有机物都有响应。    化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 知识链接 当没有进样时，参比池和测量池通过的都是纯载气，热导率相同，由于热丝温度相同两臂的电阻值相同，电桥平衡，输出端之间无信号输出，记录系统记录的是一条直线（基线）。 当有试样进入仪器系统时，载气携带着组分蒸气流经测量池，待测组分的热导率和载气的热导率不同，测量池中散热情况发生变化，而参比池中流过的仍然是纯载气，参比池和测量池两池孔中热丝热量损失不同，热丝温度不同，从而使热丝电阻值产生差异使测量电桥失去平衡，电桥输出端之间有电压信号输出。输出的电压信号（色谱峰面积或峰高）与待测组分和载气的热导率的差值有关，与载气中样品的浓度成正比。 载气与样品的热导率（导热能力）相差越大，检测器灵敏度越高，不同化合物的热导率值如。TCD常用用H2或He作载气，灵敏度高，线性范围宽。 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 知识链接 化合物 相对 热导率 He=100 化合物 相对 热导率 He=100 化合物 相对 热导率 He=100 氦（He） 氮（N2） 空气 一氧化碳 氨（NH3） 乙烷（C2H6） 正丁烷（C4H10） 异丁烷 环已烷 100.0 18.0 18.0 17.3 18.8 17.5 13.5 13.9 10.3 乙炔 甲醇 丙酮 四氯化碳 二氯甲烷 氢(H2) 氧(O2) 氩(Ar) 二氧化碳（CO2） 16.3 13.2 10.1 5.3 6.5 123.0 18.3 12.5 12.7 甲烷(CH4) 丙烷(C3H8) 环已烷 乙烯 苯 乙醇 乙酸乙酯 氯仿 26.2 15.1 12.0 17.8 10.6 12.7 9.8 6.0 一些化合物蒸气和气体的相对热导率 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 知识链接 载气的纯度也影响TCD的灵敏度，另外，增大电桥工作电流可以提高检测器灵敏度。但是，桥流增加，噪声也将随之增大。并且，桥流越高热丝越易被氧化，使用寿命越短。一般商品TCD均有不同检测器温度下推荐使用的桥电流值，实际工作中可参考设置。 （2）热导检测器的特点 热导检测器对任何可以气化的物质均有响应（待测组分和载气的热导率有差异即可产生响应），是通用型检测器。 热导检测器结构简单，通用性好，线性范围宽，价格便宜，不破坏样品，应用范围广，主要缺点是灵敏度相对较低。    化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 活动3 柱效能测定 1. 按仪器操作规程开机运行至基线平直（查看基线）。 2. 先用1μL微量注射器吸取空气（0.6～0.8）μL,注入色谱仪，同时启动“数据采集”，待出现完整色谱图，停止采集数据，记录空气峰保留时间。重复三次。 3. 用专用注射器分别吸取水、乙醇、乙酸乙酯各0.2μL同时取空气0.5μL注入色谱仪，同时启动“数据采集”，待所有组分全部流出并基线平直，“停止采集”，记录空气峰和标样峰的保留时间，重复进样三次。 4. 用同样的方法取混合试样0.3μL，同时加空气0.5μL注入色谱仪，待所有组分全部出峰完毕，停止采集数据，记录各相关组分峰的保留时间 平行三次，取平均值。     化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 知识链接 柱效能 色谱柱在分离过程中主要由动力学因素决定分离效能，色谱峰的柱效是对样品通过气相色谱仪器进样系统、色谱柱和检测器后离散程度的一种测量方法。理想状态时色谱峰应该是一条细线，但是由于分散效应，色谱峰呈现“高斯”分布形状。  在气相色谱中，塔板数（n）是主要评估色谱峰离散程度的方法，反映了色谱柱的性能。塔板数n是把色谱柱比拟成蒸馏过程而衍生出的一种表示色谱柱柱效的方法，在此方法中，色谱柱被分成“理论塔板”，每个塔板的高度是样品在固定液和流动相中完成一次平衡过程的距离。因此色谱柱“理论塔板”越多，平衡的过程也就越多，分离的效果也就越好。 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 活动4 柱效能计算     一般以理论塔板数或有效理论塔板数来衡量色谱柱柱效能高低，根据活动3的图谱数据，用无水乙醇计算柱效能，同时得到乙醇与相邻峰的分离度。每米理论板数 ( n/ L)计算如下： 式中：——每米理论板数； ——保留时间，s； W——峰宽，s； ——半高峰宽，s。 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 活动4 柱效能计算     每米有效板数计算式如下: 式中：——每米有效板数 ——校正保留时间，s。 分离度的计算： 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 知识链接 1.塔板理论 塔板理论是1941年马丁和詹姆斯提出的半经验理论，他们将色谱柱假想为许多小段，称为塔板。样品在每块塔板的流动相和固定相之间达到分配平衡，再进入下一块塔板。由于流动相在不停的移动，组分就在这些塔板间的两相间不断达到分配平衡。组分在两相间的分配系数与浓度无关，在各塔板中均为同一常数，单位柱长的塔板数越多，表明柱效能越高。以n表示理论塔板数，L表示柱长，H表示每个塔板高度。H越小，n越多，组分在塔内分配次数越多，则柱效能越高。 塔板理论模型 塔板数的计算： 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 知识链接 在实际工作中，按上面两个公式计算出来的 n 和 H有时并不能充分反映色谱柱的分离效能，其原因在于没有扣除死时间的影响，故常用有效塔板数 表示柱效能： 2.速率理论 1956年由荷兰人范第姆特（Van Deemter）提出速率方程式，经多人完善推广。定义H为单位柱长的离散度，范第姆特方程为： 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 知识链接 式中：H为塔板高度，其中A为涡流扩散项，B/u为纵向扩散项，Cu为传质阻力项。 它指出组分分子在柱内运行的多路径、涡流扩散、浓度梯度造成的分子扩散及传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到。由于同组分分子在颗粒间隙的路径不同，走大的间隙的先到柱末端，走小的间隙的分子到柱末端，介于两者之间路径的则在中间时间到达。以中间路径的行走分子时间为基准，则其他的路径的分子会在前或在后达到，使冲洗他们的时间产生一个统计分布，即色谱峰，具有一定的展宽。 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 知识链接 3.分离度 在色谱分析中，塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分离程度，即柱效为多大时，相邻两组分能够被完全分离。因此结合热力学和动力学两方面的因素，确定一个参量作为色谱柱的总分离效能指标，既要反映相邻色谱峰的间距，又要反映色谱峰的宽窄，为此提出了分离度的概念。分离度又称为分辨率，用R表示，是指两个相邻色谱峰的分离程度。R等于相邻色谱峰保留时间之差与两色谱峰峰宽平均值之比。 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 知识链接 分离度的计算公式： 式中tR1 、 tR2 分别为1、2 组分的保留时间； Wb1、 Wb2 分别为1、2 两组分的色谱峰峰底宽度。 显然，分子项中两保留时间差越大，即两峰相距越远，分母项越小，即两峰越窄，R值就越大，两组分分离得就越完全。一般来说，当R<1时，两峰有明显的重叠，当R =1时，分离程度可达98%，当R =1.5时，分离程度可达99.7%。所以，通常用R≥1.5 作为衡量相邻两峰完全分离的指标。 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 活动5 关机及结束 1.实验结束，将“桥流”设置为“000”，点击“停止”便停止加热，点“显示”观察柱温及检测器温度接近室温，旋上“热导放空”密封螺帽，关掉主机电源开关，停止供气。 2.退出计算机系统。 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 拓展知识 气体采样袋的使用 气相色谱中气体采样装置既可以脱机使用也可以联机使用，脱机装置是指使用气瓶、注射器或气袋采集气体样品，然后将气体样品从合适的气相色谱进样口注入。 气体采样袋通常有聚乙烯材料或铝塑复合膜制成（如图13-18所示），装有塑料接口或金属接口，适合于充装各种气体，如：硫化物、卤化物、及有机气体。气袋可在1～3个月内确保低浓度（10-6级）组份恒定不变。气体采样袋广泛用于石油、化工、教育、环保、卫生、科研等行业气体样品采集和保存。 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 思考与练习 一、选择题 １.色谱峰在色谱图中的位置用（ ）来说明。 A. 灵敏度 B.峰高值 C.峰宽值 D.保留值 ２.气相色谱分析的仪器中，载气的作用是（ ）。 A.携带样品，流经气化室、色谱柱、检测器，以便完成对样品的分离和分析 B.与样品发生化学反应，流经气化室、色谱柱、检测器，以便完成对样品的分离和分析 C.溶解样品，流经气化室、色谱柱、检测器，以便完成对样品的分离和分析 D.吸附样品，流经气化室、色谱柱、检测器，以便完成对样品的分离和分析 3.衡量色谱柱总分离效能的指标是（ ）。 A.塔板数 B.分离度 C.分配系数 D.相对保留值 4．气相色谱分析的仪器中，检测器的作用是（ ）。 A．感应到达检测器的各组分的浓度或质量，将其物质的量信号转变成电信号，并传递给信号放大记录系统 B．分离混合物组分 C．将其混合物的量信号转变成电信号 D．与感应混合物各组分的浓度或质量 化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 思考与练习 5．TCD的基本原理是依据被测组分与载气（ ）的不同。 A．相对极性 B．电阻率 C．相对密度 D．导热系数 6．检测器通入H2的桥电流不许超过（ ）。 A．150mA B．250mA C．270mA D．350mA 7．热导池检测器的灵敏度随着桥电流增大而增高，因此，在实际操作时桥电流应该（） A．越大越好 B．越小越好 C．选用最高允许电流 D．在灵敏度满足需要时尽量用小桥流 8.对气相色谱柱分离度影响最大的是（ ）。 A．色谱柱柱温 B．载气的流速 C．柱子的长度 D．填料粒度的大小   化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 思考与练习 二、判断题 1．热导检测器中最关键的元件是热丝。（ ） 2．色谱柱的选择性可用“总分离效能指标”来表示，它可定义为：相邻两色谱峰保留时间的差值与两色谱峰宽之和的比值。（ ） 3．相邻两组分得到完全分离时，其分离度R<1.5。（ ） 4．组份1和2的峰顶点距离为1.08cm，而W1=0.65cm，W2=0.76cm。则组分1和2不能完全分离。（ ） 5．气相色谱定性分析中，在适宜色谱条件下标准物与未知物保留时间一致，则可以肯定两者为同一物质。（ ） 6．在气相色谱分析中通过保留值完全可以准确地给被测物定性。（ ） 7．气相色谱对试样组分的分离是物理分离。（ ） 8．气相色谱分析中，提高柱温能提高柱子的选择性，但会延长分析时间，降低柱效率。（ ）   化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 思考与练习 三、计算题 在一根3m长的色谱柱上，分离一试样，得如下的色谱图及数据： （1）用组分2计算色谱柱的理论塔板数； （2）求调整保留时间t’R1 及t’R2； （3）若需达到分离度R=1.5，所需的最短柱长为几米？   化学工业出版社 www.cip.com.cn 仪器分析技术 Thank you 仪器分析技术 $$