仪器分析习题课(色谱分析部分)

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第八章：气相色谱分析
1.简要说明气相色谱分析原理。 答：混合物中的各组分在载气的携载下通过色 谱柱时，各组分将与固定相发生相互作用，由于各 组分在结构和性质上的差异，使得其在两相间的分 配系数不同，在同一推动力的作用下，混合物中的 各组分就在两相间进行反复多次的分配，使得原来 分配系数只有微小差异的得到很大的分离效果，从 而各组分彼此分离开来。
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20．在一根2m长的硅油柱上，分析一个混合物，得下列数据：苯、
甲苯及乙苯的保留时间分别为1'20”、2'2”及3’1”；半峰宽为
0.211cm，0.291cm及0.409cm，已知记录纸速为1200mm·h-1，求色谱柱
对每种组分的理论塔板数及塔板高度。 解：已知 1/C2=1200mm·h-1=20mm·min-1 =1/3mm·s -1
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4.下述参数改变时：(1)柱长增加，(2)固定相量增加， (3)流动相流速减小，(4)相比增加，是否会引起分配比的变 化？为什么？
答：由分配比定义可知，分配比k是热力学常数，与组 分和固定液的性质及柱温、柱压有关，此外，还与相比有关， k=K/β，而β=VM/VS ，而与流动相流速,柱长无关。因此：
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12.试比较红色担体和白色担体的性能。何谓硅烷化担体? 它有什么优点？
答：红色载体是将硅藻土与粘合剂在900℃煅烧后，破碎 过筛而得，因铁生成氧化铁呈红色，故称红色载体，其特点是 表面孔穴密集、孔径较小、比表面积较大．对强极性化合物吸 附性和催化性较强，如烃类、醇、胺、酸等极性化合物会因吸 附而产生严重拖尾。因此它适宜于分析非极性或弱极性物质。
白色载体是将硅藻土与20％的碳酸钠（助熔剂）混合煅烧 而成，它呈白色、比表面积较小、吸附性和催化性弱，适宜于 分析各种极性化合物。
硅藻土载体表面不是完全惰性的，具有活性中心．如硅醇 基或含有矿物杂质，如氧化铝、铁等，使色谱峰产生拖尾。硅 烷化担体是指用硅烷化试剂与担体表面的硅醇，硅醚基团起反 应，从而消除了其表面的硅藻土载体表面的活性中心。
由组分2计算对应的色谱柱有效塔板数：
n有效
16(tR, Y
)2
H有效
L n有效
16(LtR, )2
300 16(16)2
0.073cm
Y
1
当R=1.5时，所需的最短柱长为：
L 1 6 R 2 (2 1 2 1 1 ) 2 H 有 效 1 6 1 .5 2 ( 1 . 1 2 .3 2 3 1 ) 2 0 .0 7 3 7 5 c m
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11.对担体和固定液的要求分别是什么? 答：担体一般应满足下列要求： （1）表面应呈化学惰性，表面没有吸附性或吸附性弱，在使用温度下不与 固定液或样品发生反应。 （2）多孔性，表面积足够大，使固定液与试样的接触面大。 （3）热稳定性和机械强度好，在操作温度下对组分不发生不可逆的吸附作 用或化学反应，不易粉碎； （4）担体粒度适宜，均匀，一般选用40～60目，60～80目，80～100目等； （5）有较好的浸润性，固定液在其表面能形成均匀的薄膜。 对固定液的要求： (1)挥发性小，在操作温度下，有较低的蒸气压(0.75kPa)。以免固定液流失。 (2)热稳定性好，在操作温度下不分解，在工作温度下为液体。 (3)对试样各组分有一定的溶解能力。 (4)高的选择性，保证对各组分的分配系数有一定差别； (5)化学稳定性好，不与载气、担体及样品各组分发生不可逆的化学反应。 (6)在工作温度下固定液对担体有好的浸渍能力，使固定液形成均匀的液膜。
m 0 .1 1 5 0 1 0 3 0 .0 1 1 m g 1 .1 1 0 7 g 0 .5
该氢火焰电离检测器的灵敏度：
S m 6 0 C m 1 C 2 A 6 0 0 1 . 6 . 1 5 8 1 0 0 . 7 5 1 7 3 3 . 1 0 1 0 8 m v s g - 1
tR2= 17mim
n216(tY R)216(1 1 7)24624块
(2)组分1、2的调整保留时间t’R1及t’R2： t’R1= tR1-tM =14-1=13mim t’R2= 17-1 = 16mim 精品课件
(3)若需达到分离度R=1.5，
21
tR, 2 tR, 1
16 1.23 13
L=2m
C2=30s·cm-1
tR1(苯)= 1'20”=80s
Y1/2,1=0.211cm =0.211cm×30s·cm-1=6.83s
tR2(甲苯)= 2'2” =122s Y1/2,2=0.291cm = 8.73s
tR3(乙苯)= 3'1” =180s Y1/2,3=0.409cm= 12.27s
解： 已知 r2l=1.11， H有效=1mm
， R=1.5
L 1 6 R 2 (2 1 2 1 1 ) 2 H 有 效 1 6 1 .5 2 ( 1 .1 1 .1 1 1 1 ) 2 1 0 3 3 .7 m
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23．已知记录仪的灵敏度为0.658mV·cm-1，记录纸速为2cm·min-1，
载气流速F0为68mL·min-1，进样量12℃时0.5mL饱和苯蒸气，其质量经计 算为0.11mg，得到的色谱峰的实测面积为113cm2。求该热导池检测器的
灵敏度。
解：已知 C1=0.658mV·cm-1 m=0.11mg A=113cm2
C2=0.5min·cm-1 F0=68mL·min-1
该热导池检测器的灵敏度为：
各种组分的理论塔板数及塔板高度为：
苯：
n1
5.54( tR )2 Y1/2
5.54( 80 )2 6.83
885块
H1
L2000.226cm n 885
乙苯：
甲苯：
n2
5.54( 122 )2 8.73
1082块
H2ຫໍສະໝຸດ Baidu
L n
200 1082
0.185cm
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n2
5.54( 180 )2 12.27
检出限D： 最小检出量Q0：
D 3 S N 3 .3 1 0 0 1 .1 0 8 9 .6 8 1 0 1 0g s 1
Y1 0.60.560=18s
2
Q 0 1 .0 6 5 Y 1 D 1 .0 6 5 1 8 9 .6 8 1 0 1 0 = 1 .8 6 1 0 8 g
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8.为什么可用分离度R作为色谱柱的总分离效能指标? 答：分离度R的定义：
相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰的峰底宽度总和之 半的比值。
R tr2 tr1
1 2
(Y1
Y2
)
R的值越大，就意味着相邻两组分分离得越好。分子是两组分保留 值的差，反映了固定液的势力学性质，分母是色谱峰的宽窄，则反映 了色谱过程的动力学因素，反映了柱效能的高低。因此，分辨率是柱 效能、选择性影响的总和，可以作为色谱柱的总分发离效能指标。
S c C 1 C 2 m F 0 A 0 . 6 5 8 0 0 . . 5 1 1 6 8 1 1 3 7 8 1 . 0 m v m L m g - 1
若试样苯按气体计算，由进样体积V=0.5mL，TCD检测器的灵敏度：
S c C 1 C 2 V F 0 A 0 . 6 5 8 0 0 . . 5 5 0 6 8 1 1 3 1 7 1 . 8 m v m L m L - 1
1205块
H1
L n
200 1082
0.166cm
21．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?
解：已知 tM=1min tR1= 14mim Y2=1 min (1)组分2对应的色谱柱理论塔板数：
(1)柱长增加，分配比k不变化 (2)固定相量增加，VS增大，β减小，分配比k增加 (3)流动相流速减小，分配比k基本不变 (4)相比增加，分配比k减小。
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5.试以塔板高度H做指标讨论气相色谱操作条件的选择。 答：由范弟姆特速率方程式：
H A B u c u 2d p 2 u D g ( 0 1 . 0 1 k k ) 2 2 D d p 2 g 3 ( 1 2 k k ) 2 d D 2 f l u
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9.能否根据理论塔板数来判断分离的可能性?为什么? 答：不能仅仅根据理论塔板数来判断分离的可能性。组 分能否被分离，主要取决于不同物质在色谱两相间分配系数 的差异，其次才取决于色谱柱塔板数的多少。塔板数只能说 明不同组分在色谱柱内完成分配的次数，因此，不能把塔板 数看作有无实现分离可能的依据，而只能把它看作是在一定 条件下柱分离能力发挥程度的标志。
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24．记录仪灵敏度及记录纸速同前题，载气流速60mL·min-1，放大器灵敏度 1×103，进样量12℃时50μL苯蒸气，所得苯色谱峰的峰面积为173cm2，Yl/2为 0.60cm，检测器噪声为0.1mV，求该氢火焰电离检测器的灵敏度及最小检出量。
解：已知 C1=0.658mV·cm-1 C2=0.5min·cm-1 V=50μL Y1/2=0.6cm A=173cm2 N=0.1mV 50μL苯蒸气的质量：
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2.气相色谱仪设备包括那几部分？各有什么作用？ 答：①载气系统：含气源、净化装置、流速控制和测量 装置，其作用为提供具有一定流速且纯净的载气。 ②进样系统：含进样器和气化室，作用是使液体试样迅 速气化并随载气（气体试样直接）进入色谱柱中。 ③分离系统：含色谱柱、柱箱、温度控制装置等，是气 相色谱分析仪的最重要组成部分，试样在此被彼此分离。 ④检测系统：含检测器和控温装置，柱后组分进入检测 器后，其浓度或质量的变化被转变为相应的电讯号。 ⑤记录系统：含放大器、记录仪及数据处理装置。作用 是记录色谱图，对所得的色谱数据进行处理、计算。
2
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25．丙烯和丁烯的混合物进入气相色谱柱得到如下数据：
组分 空气
保留时间/min 0.5
峰宽/min 0.2
丙烯
3.5
0.8
丁烯
4.8
1.0
计算：(1)丁烯在这个柱上的分配比是多少? (2)丙烯和丁烯的分离度是多少?
u
(5) 柱温的变化，对分配比k的影响很大。提高柱温，可显著不同组分 的降低分配比k。 (6) 降低固定相液膜厚度，可降低液相传质阻力系数Cl。
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7.当下述参数改变时：(1)增大分配比，(2)流 动相速度增加，(3)减小相比，(4)提高柱温，是否 会使色谱峰变窄?为什么?
答:(1)增大分配比，保留时间延长,峰形变宽 (2)流动相速度增加，保留时间缩短,峰形变窄 (3)减小相比，保留时间延长,峰形变宽 (4)提高柱温，保留时间缩短,峰形变窄
若以H有效=0.1cm计算：
L 1 6 R 2 (2 1 2 1 1 ) 精2 品课H 件有 效 1 6 1 .5 2 ( 1 .1 2 .3 2 3 1 ) 2 0 .1 1 .0 3 c m
22．分析某种试样时，两个组分的相对保留值r2l=1.11，柱的有 效塔板高度H=1mm，需要多长的色谱柱才能分离完全(即R=1.5)?
可知，色谱柱的填充均匀程度，担体粒度，载气种类，载气流速，柱温的 变化，固定相液膜厚度等均对柱效能有影响。 (1) 色谱柱的填充均匀,有利于降低λ值。 (2)使用粒度细小/均匀的担体，可降低A和气相传质阻力系数Cg。 (3) Dg ∝1/Mg，载气的分子量大，Dg小，可提高柱效能。 (4) 由于 H (B cu) ，因此，控制载气流速，可使H最小。
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3.下述参数改变时：(1)柱长缩短，(2)固定相改变， (3)流动相流速增加，(4)相比减小，是否会引起分配系数的 变化？为什么？
答：(1)柱长缩短 分配系数K只与组分和固定液的性质及柱温、柱压有关， 与柱长无关，故分配系数K不变。 (2)固定相改变 若固定相改变的性质发生变化，组分在固定液中的溶解 度也将发生变化，故分配系数K将改变。 (3)流动相流速增加 流动相流速增加，将导致柱压增加，分配系数K将改变。 但改变的幅度将很小，可略。 (4)相比减小 相比β减小，并未改变两相的性质，故分配系数K不变。