氣相色譜內標法綜合簡易實驗的設計及實踐*

尤努斯江·吐拉洪

(新疆大學化工學院，新疆 烏魯木齊 830046)

氣相色譜法是對于沸點較低的混合組分具有很強分離分析能力的一種技術，尤其是對于含量低、組成復雜、性質相近的化合物的分離分析方面具有巨大的優勢，已經成為化工、農藥、環境、食品和醫藥等方面用途廣泛[1-2]、具有不可缺少的一種現代分析測試手段。當下，大學的化學、化工和環境等專業都設立了氣相色譜實驗。但是，由于實驗室硬件資源、師資以及學時不足等方面的限制[3]，不能開設更多、或更復雜的氣相色譜實驗。為此，本文設計了包含實驗條件的選擇、定性、定量方法為一體的綜合性實驗，使幫助學生在有限時間之內所學理論與實驗相結合，進一步加深對色譜學知識的理解，提高實踐能力。

1 實驗目的

(1)了解氣相色譜儀的基本結構、工作原理；

(2)學習氣相色譜儀實驗條件的優化方法；

(3)學習色譜定量校正因子的測定及內標法定量分析的基本原理與方法。

2 實驗原理

氣相色譜法有歸一化法、內標法、外標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確測量，外標法和直接比較法需要標準物質等。當混合樣組成未知、某些組分沒有很好分離以及沒有標準物質時，內標法更顯其優越性。內標法要求混合樣中內標物不存在，被測組分和所加內標物單獨出峰[4]。當內標物與被測組分物理性質及物理化學性質相似，色譜峰位置和高度相近時可以減小測量誤差。

氣相色譜內標法適用于樣品中微量組分含量的測定，或僅需要測定試樣中的某些組分含量等方面。本實驗乙苯作為內標物，異丙苯當做被測物。設測試樣中異丙苯的質量為mi，在質量為W的測試樣中加入的乙苯質量為ms，計算定量校正因子的公式為：

(1)

計算異丙苯質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 實驗方法

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)；氮氣(99.9%)。

3.1.2 實驗儀器參數

熱導池檢測器溫度為 120 ℃，檢測器電流為 75 mA；進樣口溫度為150 ℃；載氣為 N2，流速為 25 mL/min；氮氣鋼瓶出口壓力為 4 kg/cm2，柱前壓為 0.06 MPa；進樣量為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試樣。

3.2 實驗步驟

根據3.1.2實驗條件，將色譜儀的溫度、電流和載氣流速等進行調節，當記錄儀基線平直后，即可進樣。

3.2.1 實驗條件的優化

分別調節色譜柱溫度50 ℃、70 ℃和90 ℃，注入混合樣1 μL，記錄保留時間，峰面積。

3.2.2 定性分析

分別移取乙苯和異丙苯純溶劑各1 μL分別進樣，記錄乙苯和異丙苯的保留時間。

3.2.3 定量校正因子的測定

選一個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進樣，記錄乙苯和異丙苯的保留時間和峰面積。

3.2.4 混合物中各組分的質量百含量的測定

選一個干凈并帶蓋子的小瓶放入天平去皮，放入測試樣0.5 mL稱重，質量為W，放入0.2 mL內標物乙苯再稱重，質量為ms，混均，進樣1 μL，記錄乙苯和異丙苯的保留時間和峰面積。

4 結果及數據處理

4.1 實驗最佳條件的選擇

氣相色譜法中影響組分分離檢測的影響因素很多，所需要選擇的條件(參數)也很多。如，檢測器種類(熱導檢測器，氫火焰檢測器等)及其電流大小，流動相種類(氫氣、氮氣等)及流速，色譜柱種類(填充柱、毛細管柱及材質)和柱長、柱徑等，固定相種類(極性、非極性等)，色譜柱、氣化室和檢測器的溫度等。當然，實際實驗中，絕大部分實驗條件是教師給定好的，一般讓學生選擇的實驗條件有流動相流速和色譜柱溫度等幾項。本實驗讓學生初步選擇流動相流速和色譜柱溫度對混合樣中各組分分離的影響，以便了解實驗條件對各組分分離的影響及最佳實驗條件的選擇方法。

色譜柱溫度分別調至50、70和90 ℃，載氣流速25 mL/min，注入測試樣1.0 μL，得到色譜圖1。圖1表明，當色譜柱溫度為50 ℃時，雖然各組分比較好的分離，但是，保留時間很長，峰變矮，最終所有組分出完需要約10 min，經濟性差。當色譜柱溫度為90 ℃時，雖然保留時間很短(約3 min)，但是目標組分沒有分離。當色譜柱溫度70 ℃時，目標組分剛好分離，所需時間不到5 min，經濟性好。故混合樣的分離溫度設計為70 ℃。

圖1 柱溫對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 流動相流速對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

流動相流速分別調至10 mL/min，20 mL/min和40 mL/min，條件樣注入1 μL。所得結果圖2所示。圖1表明，當流動相的流速變慢時，雖然峰間距增大，但是，峰變寬，峰高降低，保留時間變長，有些色譜法消失，經濟性變差。當流動相的流速變快時，雖然保留時間變短，峰變窄，峰高增大，但是，峰間距變小，有些峰重合不能分離。當流動相流速25 mL/min時，內標物乙苯色譜峰(3)和被測物異丙苯的色譜峰(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，分別注入乙苯和異丙苯的純物質1 μL，得色譜圖3。通過乙苯和異丙苯的純物質的保留時間(峰位)，可以確定混合樣中內標物乙苯和被測物異丙苯的色譜峰。

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

4.3 定量校正因子和測試樣中異丙苯含量的測定

在柱溫70 ℃、載氣流速25 mL/min時，乙苯和異丙苯的混合液注入1 μL，得色譜圖4。以乙苯為標準，有關數據代入公式(1)計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

一定量的測試樣中加入定量的內標物(乙苯)，進樣，得到色譜圖5。把所得相關數據代入公式(2)，計算測試樣中異丙苯的質量百分含量和相對平均偏差。

5 思考題

(1)色譜內標法定量分析有何優點，它對內標物質有哪些要求？

(2)本實驗要求進樣量嚴格控制嗎？為什么？

6 結 語

(1)通過本實驗學生可以學習氣相色譜儀的組成、原理、使用方法和注意事項。

(2)通過本實驗學生可以學習色譜法純物質定性、內標法定量方法以及注意事項。學生可以在短時間內學習掌握色譜法的綜合知識，進一步加深對色譜理論的理解。

(3)本實驗對儀器設備和化學試劑及實驗操作要求較低，特別適合儀器設備簡易、實驗經費不充裕的院校試用。實驗內容也可以根據學時數增減。