实验五―气相色谱法实验

气相色谱法实验

一、        实验目的

1.了解气相色谱仪的各部件的功能。

2.加深理解气相色谱的原理和应用。

3.掌握气相色谱分析的一般实验方法。

4.学会使用FID气相色谱对未知物进行分析。

二、        实验原理

1.气相色谱法基本原理

气相色谱的流动向为惰性气体，气-固色谱法中以表面积大且具有一定活性的吸附剂作为固定相。当多组分的混合样品进入色谱柱后，由于吸附剂对每个组分的吸附力不同，经过一定时间后，各组分在色谱柱中的运行速度也就不同。吸附力弱的组分容易被解吸下来，最先离开色谱柱进入检测器，而吸附力最强的组分最不容易被解吸下来，因此最后离开色谱柱。如此，各组分得以在色谱柱中彼此分离，顺序进入检测器中被检测、记录下来。气相色谱仪器框图如图1所示：

图1.气相色谱仪器框图

仪器均由以下五个系统组成： 气路、进样、分离、温度控制、检测和记录系统。

2.气相色谱法定性和定量分析原理

在这种吸附色谱中常用流出曲线来描述样品中各组分的浓度。也就是说，让分离后的各组分谱带的浓度变化输入换能装置中，转变成电信号的变化。然后将电信号的变化输入记录器记录下来，便得到如图2的曲线。它表示组分进入检测器后，检测器所给出的信号随时间变化的规律。它是柱内组分分离结果的反映，是研究色谱分离过程机理的依据，也是定性和定量的依据。

图2.典型的色谱流动曲线

3.FID的原理

本次试验所用的为氢火焰离子化检测器(FID)，它是以氢气和空气燃烧的火焰作为能源，利用含碳有机物在火焰中燃烧产生离子，在外加的电场作用下，使离子形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离出的组分。

三．实验试剂和仪器

(1)试剂：甲醇、异丙醇、异丁醇

(2)仪器：气相色谱仪带氢火焰离子化检测器(GC-2014气相色谱仪)；

     氢-空发生器(SPH-300氢气发生器)、氮气钢瓶；

     色谱柱；

         微量注射器。

四．实验步骤

1.      打开稳定电源。

2.      打开N2钢瓶（减压阀），以N2为载气，开始通气，检漏；调整柱前压约为0.12MPa。

3.      调节总流量为适当值(根据刻度的流量表测得)。

4.      调节分流阀使分流流量为实验所需的流量。

5.      打开空气、氮气开关阀，调节空气、氮气流量为适当值。

6.      根据实验需要设置柱温、进样温度和FID检测器温度。本实验柱温的初始温度恒温。气化室及检测器温度设定，一般比柱温高50~100℃。

7.      打开色谱工作站，设定相关参数。

8.      待仪器稳定后，进样分析，注意进样量，1µ L左右。

9.      峰记录与处理，微机化后自动获得积分面积、高、保留时间等数据。

10.  实验结束后首先调节柱温到室温，调节氢气、空气流量为零，随后关闭氢-空发生器，待柱温降到室温后关闭色谱仪，最后将氮气钢瓶关闭。

五．数据记录和处理

用气相色谱法对未知混合物进行气相色谱测定，可得其色谱图如图3所示：

图3.未知混合物的气相色谱图

将未知物与标准溶液对照，发现未知混合物的色谱图与异丙醇和异丁醇的气相色谱图标准溶液相吻合，第一个峰：停留时间2.341与异丙醇接近，第二个峰停留时间2.622，与异丁醇接近。可推断该混合物为异丙醇和异丁醇的混合物。

 (1)异丙醇

图4.异丙醇的气相色谱图

(2)异丁醇

图5.异丁醇的气象色谱图

六．思考与讨论

1.在气相色谱仪中有单气路和双气路之分，二者各有什么特点？

答：气相色谱仪中有单气路和双气路之分一般是指热导检测器，热导检测器正常工作的时候，需要一路气做比较气，常称作为参比气，另外一路气做样品，这样两路气同时有阀件独立提供，两路气体在调节和使用时互不干扰，是并联方式的气路，这就是双气路。但在工作中，由于成本，气路复杂性，样品的复杂性等等众多原因，在使用中，常常会将两路气体的流动串联成单路流动，只有一路阀件控制两路气，这样的作法，结果是损失了一些S值，但很多用户所测含量是百分含量或者是千分含量，这样对结果就没有影响了。

2.在分析有机物时常采用氢火焰离子化检测器，这是为什么？

答：氢火焰离子化检测器有很多优点：灵敏度很高，比热导检测器的灵敏度高约103倍；检出限低，可达10-12g·S-1；火焰离子化检测器能检测大多数含碳有机化合物；死体积小，响应速度快，线性范围也宽，可达106以上；而且结构不复杂，操作简单，是目前应用最广泛的色谱检测器之一。

3. 在色谱分析中，经常会出现色谱峰不对称的现象，除了进样量的影响之外，还有什么其他影响因素？

答：色谱峰的不对称性来源于色谱过程本身，也有些来源于仪器。造成峰不对称的原因有以下几个：

(1)   不完全分离：歪曲的峰形有时实际上是因为未分离的其他溶质组分峰的叠加造成的。 

(2)   缓慢的动力学过程：包括溶质在固定相中为空隙中的扩散，溶质与表面能量分布不均匀的固定相的相互作用；对液相色谱来说，还有在溶剂化不充分的键合固定相表面传质缓慢的影响。动力学过程造成的不对称可以通过梯度洗脱予以改善。

(3)   化学反应：如溶质在柱内发生化学反应，会形成拖尾峰或宽得不正常的峰。

****学院  广州 510275

* 通讯作者, E-mail: ***@mail2.sysu.edu.cn

“三苯”包括苯、甲苯、二甲苯，是煤焦油蒸馏或石油裂化的产物，常温下即可挥发、形成苯蒸气，其具有爆炸性[1]。苯系污染物已被世界卫生组织确定为强烈致癌物质[2]。苯可以在肝脏和骨髓中进行代谢，长期接触苯可引起骨髓与遗传损害，血象检查可发现白细胞、血小板减少，全血细胞减少与再生障碍性贫血，甚至发生白血病。甲苯进入体内以后约有48%在体内被代谢，经肝脏、脑、肺和肾最后排出体外，在这个过程中会对神经系统产生危害，自愿者实验证明当血液中甲苯浓度达到1250 mg/m3时，接触者的短期记忆能力、注意力持久性以及感觉运动速度均显著降低。二甲苯可经呼吸道、皮肤及消化道吸收，其蒸气经呼吸道进入人体，有部分经呼吸道排出，吸收的二甲苯在体内分布以脂肪组织和肾上腺中最多，后依次为骨髓、脑、血液、肾和肝。高浓度的二甲苯可使食欲丧失、恶心、呕吐和腹痛，有时可引起肝肾可逆性损伤。同时二甲苯也是一种麻醉剂，长期接触可使神经系统功能紊乱。

 因此，国家对三苯的含量有着严格的规定：

国标GB5749-2006饮用水的质量标准要求，水中含量：苯≤0.01 mg/L；甲苯≤0.71 mg/L；二甲苯≤ 0.5 mg/L。

三苯含量的测定方法有很多，最主要用气相色谱的方法，它具有操作简单, 定量准确, 分析速度快的特点，是工业生产中质量控制以及环保部门产品检测的有效手段。另外还有分光管度法、紫外光谱法、光离子化检测等等。本实验采用气相色谱法对废水样品中的三苯含量进行定性及定量测定。定量测定采用内标法，此法可以很好地消除背景干扰以及减少人为操作误差，可以迅速、准确地得出实验的结果。 

Agilent4890D型气相色谱仪；氢火焰离子化检测器（FID）；毛细管色谱柱：HP5，以聚氧化硅烷-聚乙二醇为固定相（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；1 μL、5 μL微量进样器；色谱工作站。

苯、甲苯、二甲苯、正己烷均为色谱纯；乙酸乙酯、二硫化碳为分析纯。各组分标准溶液：于6个5-10 mL血清瓶中分别称取苯、甲苯、间二甲苯、对二甲苯、邻二甲苯和正己烷各0.02-0.03 g，加入5.0 mL乙酸乙酯溶解、摇匀，于冰箱内保存。

汽化温度为200 ℃；检测器温度为250 ℃；载气（N2）总量为40 mL/min, 分流比为30:1；氢气和空气流量分别为30 mL/min和300 mL/min；程序升温：初始温度40 ℃, 保持2 min，升温速率为20 ℃/min并升至150 ℃；进样量0.5～1 μL。

用移液管准确吸取废水样品100.0 mL至加入150 mL分液漏斗中, 再加入5 μL正己烷和5.0 mL二硫化碳, 充分摇匀, 静止分层约30 min, 弃去水相, 收集二硫化碳的中间部分待测。

根据色谱保留时间定性,以峰面积定量。

启动仪器，设定色谱分析条件，使仪器进入正常工作状态。待色谱基线平直后依次将正乙烷、苯、甲苯、对二甲苯、邻二甲苯的标准溶液进样，记下每种物质的保留时间，作为混合标准以及样品测定的对照定性依据。

注入1 μL混合标准溶液，以各纯组分的保留时间与混合标样中色谱图中各色谱峰对照定性。 并计算以正己烷为基准物的相对定量校正因子fi'。

注入1 μL萃取后样品溶液，以各纯组分的保留时间与样品色谱图中各色谱峰对照定性。并依据内标法计算样品含量。

废水样品的处理过程是类似国家标准执行(GB 11890-89), 选用二硫化碳作萃取剂是因为其比重大,对氢火焰离子化鉴定器的信号微弱, 且对水中苯系物的萃取率较高，GB 11890-89中也以8实验室数据证明二硫化碳萃取方法相比于液上方法有更高的精密度和更好的准确度。但分析纯的二硫化碳中一般含有苯和甲苯等杂质, 影响苯系物的定性、定量[3], 所以要注意其纯度。

对于萃取时间，杨泉[4]通过实验发现,萃取15~45 min的测定结果逐渐增大，45 min后结果趋于稳定无明显区别，而本实验所采用的30 min萃取率可达到约98%以上，从时间成本与测量准确度来看是比较适宜的。

本实验用氮所作载气，氢气和空气为检测器燃气和助燃气。实践表明，增大载气流量，保留时间缩短，组分的峰形较为尖锐，便于减少分析时间和计算处理，但不利之处是分离度不佳，灵敏度较低。而氢气量减小会导致熄火和基线噪音增大，过大又使灵敏度降低[5]。因此三种气体的流量和比例都必须严格控制，以寻求最高的灵敏度和最佳的分离度。本实验选用载气（N2）总量为40 mL/min, 氢气和空气流量分别为30 mL/min和300 mL/min是与经过反复验证的国标GB 11890-89方法相近。

程序升温色谱法，是指色谱柱的温度按照组分沸程设置的程序连续地随时间线性或非线性逐渐升高，使柱温与组分的沸点相互对应，以使低沸点组分和高沸点组分在色谱柱中都有适宜的保留、色谱峰分布均匀且峰形对称。

气相色谱常用定量检测器及其应用主要有氢火焰离子化检测器（FID）用于微量有机物分析，热导检测器（TCD）用于常量、半微量分析，电子捕获检测器（ECD）用于有机氯农药残留分析，火焰光度检测器（FPD）用于有机磷、硫化物的微量分析，氮磷检测器（NPD）用于有机磷、含氮化合物的微量分析，催化燃烧检测器（CCD）用于对可燃性气体及化合物的微量分析，光离子化检测器（PID）用于对有毒有害物质的痕量分析。

其中FID是一种典型的质量型检测器，对有机化合物具有很高的灵敏度，无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏度低或不响应，具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速等特点[6]，比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检测下限可达10-12 g/g。在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（100―300 V）构成一个外加电场。N2作为载气携带试样组分，H2为燃气，空气为助燃气。使用时需要调整三者的比例关系，检测器灵敏度达到最佳。

在一定的色谱操作条件下,由于同种物质与色谱柱固定相作用过程相同，每一种物质都有一确定不变的保留时间,故可以作为定性依据。只要在相同的色谱条件下将纯样和待测样品进行色谱分析,分别测试各组分的保留值,若某组分峰的保留值与己知纯样相同,则可认为二者是同一物质。本实验条件下各物质标准样品的色谱保留时间见表1。虽然由于实验中换过仪器（测单标的仪器不能读出混标的峰），但因为所得谱图较为简单，因此在误差范围内依然可以由表1数据确定出在图1（混合标准品谱图）和图2（废水样品谱图）中各物质按标示峰号顺序分别为正己烷、苯、甲苯、对二甲苯、邻二甲苯。

表1  基准物的色谱保留时间

注：由于仪器软件问题，一些值由实验者读出

由于色谱仪检测器输出信号（峰面积或峰高）强弱不仅跟某一化合物量的多少有关，而且与物质的性质有较大的关系，故等量的不同化合物信号未必相等，因此色谱分析中引入了定量校正因子。引入校正因子校正峰面积后，我们就能通过峰面积来进行定量分析。相对校正因子fi'由下式计算得到：

 fi''= Asmi/ Aims                     (1)

其中Ai表示标准物的峰面积，As表示内标物正己烷的峰面积，mi表示标注物的质量，ms表示内标物的质量，则样品含量Pi计算公式：

Pi=fi'Aims /AsV样品                 （2）

由表2的混标色谱数据和样品色谱数据，可计算出相应的定量校正因子和物质含量，如表3中所示。实验结果表明废水中三苯的含量分别为：苯78.0 mg/L，甲苯69.1 mg/L，二甲苯116.3 mg/L。国标中规定苯≤0.01 mg/L；甲苯≤0.71 mg/L；二甲苯≤0.5 mg/L。三苯的含量均超过标准。

图1  混合标准溶液的色谱图                         图2  混合标准溶液的色谱图

表2  混合标准溶液和废水样品溶液的色谱峰数据

注：表中原始数据来自于色谱软件对图2与图3中谱峰的读取，峰号为手动添加。

表3  色谱定量校正因子和样品中“三苯”含量

   注：正己烷为内标物，在100 mL样品液中的含量为5 μL*0.6594 g/mL=3297 μg 。

了解实验方法和操作中误差的来源和性质有助于得到更准确的数据和实验的改进以及操作的正确性。胡新华[7]通过系统地测试气相色谱测定室内空气中三苯含量的采样、萃取、进样、读谱等过程的仪器与操作的不确定度后发现，在测定样品萃取浓度和采样过程引入的不确定度是主要的影响，而测定时的回归方程与过程随机效应是主要影响。同时她也发现相比于熟练的仪器操作者的操作误差，仪器流量计、温度计、计时和气压等仪器自身的稳定性引入的误差是主要的。但是对于一 般（特别的是初次）的仪器操作者，以下一些注意事项对于减少实验过程的操作误差，提高精确度还是很有帮助的。

1）   样品中如果含有固形物，会造成对汽化                                 

                                                     室、检测器的污染及堵塞毛细管柱；样品中含有水分也可造成对毛细管柱的损坏，降低其寿命。因此在制作样品时必须小心，防止固体物和水的存在；

2）当针孔插入色谱仪后，要快速注入并同时开始测量，以避免液体在汽化室内时间过长使部分液体先气化进入色谱柱造成谱图混乱，进校人员就多加练习以掌握“三快”进校要领；

3）色谱仪每次开机后必须检查稳定性，进样操作前必须保证基线的稳定，；

4）色谱峰的判断必须准确，注意排除溶剂峰和杂质峰，同时，可以利用溶剂峰保留时间的变化来大致判断每次进样的时间差；

本实验以GB 11890-89方法为基础，采用毛细管气相色谱方法对废水样品中有毒物质苯、甲苯、二甲苯进行了定性和定量分析，结果表明本样品中含有：苯78.0 mg/L，甲苯69.1 mg/L，二甲苯116.3 mg/L。  

参考文献

成东艳.室内空气中苯系物污染的危害及防治. 环境保护与循环经济, 2008, 01: 40-42 .

史德, 苏广和. 室内空气质量对人体健康的影响. 北京: 中国环境科学出版社. 2005.

Tong Qingmu. Elimination of benzene and toluene from carbon disulfide. Chemical Reagents. 1985, 05:16.

杨泉, 气相色谱法测定室内空气中“三苯”的方法研究. 福建分析测试. 2004, 13:3-4.

郭晓, 工业废水、废气中苯、甲苯的气相色谱测定法. 云南环境科学. 1988, 03:52-54.

孙传经, 氢火焰离子化检测器定量分析中的几个问题(上). 石油炼制与化工. 1978, 06:31-36.

胡新华, 气相色谱法测定室内空气中三苯浓度的不确定度评定. 现代测量与实验室管理. 2008, 4:13-16.

School of Chemistry and Chemical Engineering of Sun Yat-sen University, Guanzhou510275,China

Abstract: Benzene, toluene and xylene, known as three benzene, are all strictly controlled in the air and domestic water as toxic chemicals. Based on the method of GB11731-89, capillary gas chromatography are used with N2 as carrier gas, t-hexane as internal standard substance, temperature programming and choosing proper exam conditions to measure their contents in wastewater. The results of the experiment: benzene 78.0 mg/L, methylbenzene 69.1 mg/L, dimethylbenzene 116.3 mg/L.

Keywords:  weastwater ; benzene, toluene and xylene ; capillary gas chromatography ; determination

气相色谱实验报告姓名XXX专业有机化学学号3120xx303004时间20xx1026一实验目的1了解气相色谱的仪器组成工作原理及数据采集数据分析的基本操作2学习纯物质对照法定性和归一化法定量的分析方法3掌握气...

气相色谱法测定混合物中环己烷含量一实验的目的和要求1掌握气相色谱仪的基本构成及基本操作2掌握气相色谱柱分离化学物质的原理3掌握气相色谱中保留值定性与内标法定量的分析方法二实验原理一气相色谱分离原理气相色谱仪是一...

气相色谱实验报告一实验目的1了解气相色谱仪的基本结构及掌握分离分析的基本原理2了解顶空气相色谱法3了解影响分离效果的因素4掌握定性定量分析与测定的方法二实验原理气相色谱分离是利用上试样中各组分在色谱柱中的气相和...

华南师范大学实验报告学号专业年级班级课程名称仪器分析实验实验项目气相色谱分析混合样品中的苯和甲苯实验时间一实验目的1了解气相色谱仪的基本结构及掌握分离分析的基本原理2了解氢火焰离子化检测器的检测原理3了解影响分...

中南大学学院化学化工学院班级应化0904学号姓名实验日期20xx4月28日指导教师郭方遒

检验方法标准修订细则1标准曲线的绘制标准曲线的浓度点包括试剂空白至少应作光谱法包括分光光度法原子吸收原则荧光ICPMS法为5个点色谱法和电化学法为4个每个浓度至少测定3次以3次测定值的均值与对应的浓度绘制标准曲...

仪器分析实验报告实习名称学院专业化学工程与工艺班级化工班姓名学号同组者姓名指导教师日期一实验目的1了解气相色谱仪的基本构成及基本操作2掌握内标法的应用二实验原理气相色谱方法是利用试样中各组份在气相和固定液相间的...

实验日期20xx320成绩同组人林旭139吴增楠140林雅斯310叶育欣312林建宝340闽南师范大学应用化学专业实验报告题目气相色谱法测定醇醚混合物12应化1林跃宏120xx00341D30前言01实验目的1...

华南师范大学实验报告学号专业年级班级课程名称仪器分析实验实验项目液相色谱分析混合样品中的苯和甲苯实验时间一实验目的1掌握高效液相色谱定性和定量分析的原理及方法2了解高效液相色谱的构造原理及操作技术二实验原理高效...

仪器分析实验报告实习名称液相色谱分析实验学院专业化学工程与工艺班级化工班姓名学号指导教师日期一实验目的1了解液相色谱的构造原理及操作技术2了解并熟悉液相色谱仪的流程及操作方法二实验原理液相色谱由泵进样器色谱柱检...

高效液相色谱实验报告一实验目的1了解液相色谱的发展历史及最新进展2学习液相色谱的基本构造及原理3掌握液相色谱的操作方法和分析方法能够通过HPLC分离测定来对目标化合物的分析鉴定二实验原理液相色谱法采用液体作为流...

气象色谱实验报告高乃群S080601018实验目的1了解气相色谱的使用原理2掌握气相色谱仪的使用方法3学会利用气象色谱仪进行梯度洗脱来分析较为复杂的组分并学会数据的采集和分析得出结果实验原理是利用试样中各组份在...

气相色谱法实验报告（25篇）