气相色谱内标法综合简易实验的设计及实践*

尤努斯江·吐拉洪

(新疆大学化工学院，新疆 乌鲁木齐 830046)

气相色谱法是对于沸点较低的混合组分具有很强分离分析能力的一种技术，尤其是对于含量低、组成复杂、性质相近的化合物的分离分析方面具有巨大的优势，已经成为化工、农药、环境、食品和医药等方面用途广泛[1-2]、具有不可缺少的一种现代分析测试手段。当下，大学的化学、化工和环境等专业都设立了气相色谱实验。但是，由于实验室硬件资源、师资以及学时不足等方面的限制[3]，不能开设更多、或更复杂的气相色谱实验。为此，本文设计了包含实验条件的选择、定性、定量方法为一体的综合性实验，使帮助学生在有限时间之内所学理论与实验相结合，进一步加深对色谱学知识的理解，提高实践能力。

1 实验目的

(1)了解气相色谱仪的基本结构、工作原理；

(2)学习气相色谱仪实验条件的优化方法；

(3)学习色谱定量校正因子的测定及内标法定量分析的基本原理与方法。

2 实验原理

气相色谱法有归一化法、内标法、外标法和直接比较法等定量分析方法。每一种方法的使用条件和用途各不同。如归一化法要求混合物中所有组分已知、都出峰并且它们的峰面积能准确测量，外标法和直接比较法需要标准物质等。当混合样组成未知、某些组分没有很好分离以及没有标准物质时，内标法更显其优越性。内标法要求混合样中内标物不存在，被测组分和所加内标物单独出峰[4]。当内标物与被测组分物理性质及物理化学性质相似，色谱峰位置和高度相近时可以减小测量误差。

气相色谱内标法适用于样品中微量组分含量的测定，或仅需要测定试样中的某些组分含量等方面。本实验乙苯作为内标物，异丙苯当做被测物。设测试样中异丙苯的质量为mi，在质量为W的测试样中加入的乙苯质量为ms，计算定量校正因子的公式为：

(1)

计算异丙苯质量百分含量的公式为：

(2)

式中：Ai、As分别为异丙苯和乙苯的色谱峰面积。

3 实验方法

3.1 仪器与试剂

3.1.1 仪器

上海天美科GC7700 型气相色谱仪；含有OV-101 固定相的不锈钢填充色谱柱(3 mm×600 mm)；微量注射器(1 μL)；吸量管(0.2和0.5 mL)；氮气(99.9%)。

3.1.2 实验仪器参数

热导池检测器温度为 120 ℃，检测器电流为 75 mA；进样口温度为150 ℃；载气为 N2，流速为 25 mL/min；氮气钢瓶出口压力为 4 kg/cm2，柱前压为 0.06 MPa；进样量为1 μL[5]。

3.1.3 试剂

苯、甲苯、乙苯、异丙苯，均为分析纯。移取苯、甲苯、乙苯、异丙苯各一定体积混合制作条件样，移取苯、甲苯、异丙苯各一定体积混合制作测试样。

3.2 实验步骤

根据3.1.2实验条件，将色谱仪的温度、电流和载气流速等进行调节，当记录仪基线平直后，即可进样。

3.2.1 实验条件的优化

分别调节色谱柱温度50 ℃、70 ℃和90 ℃，注入混合样1 μL，记录保留时间，峰面积。

3.2.2 定性分析

分别移取乙苯和异丙苯纯溶剂各1 μL分别进样，记录乙苯和异丙苯的保留时间。

3.2.3 定量校正因子的测定

选一个干净并带盖子的小瓶称重，放入乙苯0.20 mL称重，放入异丙苯0.20 mL称重，摇匀备用。从中移取1 μL进样，记录乙苯和异丙苯的保留时间和峰面积。

3.2.4 混合物中各组分的质量百含量的测定

选一个干净并带盖子的小瓶放入天平去皮，放入测试样0.5 mL称重，质量为W，放入0.2 mL内标物乙苯再称重，质量为ms，混均，进样1 μL，记录乙苯和异丙苯的保留时间和峰面积。

4 结果及数据处理

4.1 实验最佳条件的选择

气相色谱法中影响组分分离检测的影响因素很多，所需要选择的条件(参数)也很多。如，检测器种类(热导检测器，氢火焰检测器等)及其电流大小，流动相种类(氢气、氮气等)及流速，色谱柱种类(填充柱、毛细管柱及材质)和柱长、柱径等，固定相种类(极性、非极性等)，色谱柱、气化室和检测器的温度等。当然，实际实验中，绝大部分实验条件是教师给定好的，一般让学生选择的实验条件有流动相流速和色谱柱温度等几项。本实验让学生初步选择流动相流速和色谱柱温度对混合样中各组分分离的影响，以便了解实验条件对各组分分离的影响及最佳实验条件的选择方法。

色谱柱温度分别调至50、70和90 ℃，载气流速25 mL/min，注入测试样1.0 μL，得到色谱图1。图1表明，当色谱柱温度为50 ℃时，虽然各组分比较好的分离，但是，保留时间很长，峰变矮，最终所有组分出完需要约10 min，经济性差。当色谱柱温度为90 ℃时，虽然保留时间很短(约3 min)，但是目标组分没有分离。当色谱柱温度70 ℃时，目标组分刚好分离，所需时间不到5 min，经济性好。故混合样的分离温度设计为70 ℃。

图1 柱温对混合样中各组分分离的影响Fig.1 Effect of column temperature on separation of components in mixed samples

图2 流动相流速对混合样中各组分分离的影响Fig.2 Effect of flow rate of mobile phaseon separation of components in mixed samples

流动相流速分别调至10 mL/min，20 mL/min和40 mL/min，条件样注入1 μL。所得结果图2所示。图1表明，当流动相的流速变慢时，虽然峰间距增大，但是，峰变宽，峰高降低，保留时间变长，有些色谱法消失，经济性变差。当流动相的流速变快时，虽然保留时间变短，峰变窄，峰高增大，但是，峰间距变小，有些峰重合不能分离。当流动相流速25 mL/min时，内标物乙苯色谱峰(3)和被测物异丙苯的色谱峰(4)都有很好的分离。

4.2 定性分析

在柱温70 ℃、载气流速25 mL/min时，分别注入乙苯和异丙苯的纯物质1 μL，得色谱图3。通过乙苯和异丙苯的纯物质的保留时间(峰位)，可以确定混合样中内标物乙苯和被测物异丙苯的色谱峰。

图3 乙苯和异丙苯纯物质的色谱图Fig.3 Chromatograms of ethylbenzene and isopropylbenzene

4.3 定量校正因子和测试样中异丙苯含量的测定

在柱温70 ℃、载气流速25 mL/min时，乙苯和异丙苯的混合液注入1 μL，得色谱图4。以乙苯为标准，有关数据代入公式(1)计算异丙苯定量校正因子(乙苯的为1.00)。

图4 乙苯和异丙苯混合液的色谱图Fig.4 Chromatogram of ethylbenzene and isopropylbenzene

图5 测试样中加入乙苯后的色谱图Fig.5 Chromatogram after added ethylbenzene to the test sample

一定量的测试样中加入定量的内标物(乙苯)，进样，得到色谱图5。把所得相关数据代入公式(2)，计算测试样中异丙苯的质量百分含量和相对平均偏差。

5 思考题

(1)色谱内标法定量分析有何优点，它对内标物质有哪些要求？

(2)本实验要求进样量严格控制吗？为什么？

6 结 语

(1)通过本实验学生可以学习气相色谱仪的组成、原理、使用方法和注意事项。

(2)通过本实验学生可以学习色谱法纯物质定性、内标法定量方法以及注意事项。学生可以在短时间内学习掌握色谱法的综合知识，进一步加深对色谱理论的理解。

(3)本实验对仪器设备和化学试剂及实验操作要求较低，特别适合仪器设备简易、实验经费不充裕的院校试用。实验内容也可以根据学时数增减。