常州工程职院仪器分析测试技术教案1-7气相色谱法：分离条件的选择与优化

教案纸№1-1常州工程职业技术学院气相色谱分析法模块之任务7：分离条件的选择与优化教学任务p能归纳分离条件的选择原则与优化方法，并能将其运用于实际问题的解决。教学方法p讲练结合学时p每 20人为一个学习组，2人一台气相色谱仪，整个任务需 8学时。教学设计问题：如何进行分离条件的选择与优化？师生相互学生讨论，提出分离度的概念提出任务学生讨论，教师引导，让学生完成实训教师引导、学生讨论、分析所得实验数据教师总结相关理论知识学生练习，解释具体分离过程，并布置作业下次课程问题：如何检测并评价市售白酒的品质？课程引入p问题：如何进行分离条件的选择与优化？（上次课结束后即布置并安排学生在课后查阅资料，教师可以几种典型分离色谱图引入相次课程的教学）p学生讨论（教师可在上次课结束前，将每个教学单元分成几个小组，每个小组重点讨论分离方式的某一个侧面，通过小组各成员能力合作，查阅相关资料，并制作成电子文档（word或powerpoint）。在进行本次课程教学时让各小组推荐一名同学上台讲解。教案纸№1-2常州工程职业技术学院在回答该问题之前，应该了解如何评价分离的好坏？也即评价指标是什么？教师可在上次课后准备一些实例以启发学生，如（1）保留时间（2）色谱峰宽。p最后教师与学生一同总结上述2个因素的核心部分：（1）色谱热力学因素；（2）色谱动力学因素。教师引出分离度概念（本过程教师可以“图片”的方式描述相邻色谱峰分离效果的好坏，其目的是让学生能感性理解分离度概念）p问题：请仔细观察右面的4个色谱分离图，并指出其中哪一个分离效果最佳？说出你的理由。Ø从色谱图上观察，你认为相邻谱峰分离效果的优劣与哪些因素有关？Ø保留值差值Ø峰宽p分离度Rp分离度R是色谱柱总分离效能指标。 2 / ) ( 2 1 1 2 b b R R w w t t R+-=或 ] [ 699 . 1 ) ( 2 ) 2 ( 2 / 1 ) 1 ( 2 / 1 1 2 w w t t R R R+-=ØR值越大，两相邻组分分离越完全；ØR=1.5，两相邻组分分离程度99.7%；ØR=1，两相邻组分分离程度98%；ØR＜1，两相邻色谱峰有明显重叠；Ø通常用R≥1.5作为相邻两峰完全分离的指标。p影响分离度R的因素。Ø保留值差值——色谱热力学因素²反映了试样中各组分在两相间的分配情况；²与各组分在两相间的分配系数有关；²与各物质(组分、固定相、流动相)的分子结构与性质有关。Ø峰宽——色谱动力学因素²反映了试样中各组分在色谱柱中的运动情况；²与各组分在两相间的传质阻力有关。教师提出任务并由学生完成相关任务教案纸№1-3常州工程职业技术学院p任务：今有一正已烷溶液，其中含有微量苯系物，如何设计用气相色谱法分析该溶液的方案吗？要求各苯系物与溶剂间能完全分离。p柱温的选择（学生操作）Ø请同学们测定不同柱温下样品中甲醇与乙醇的分离情况。Ø如对于 DNP 柱（最高温度 130℃），柱温可设置为 50℃、60℃、70℃、90℃和 110℃。l第 1 组：最佳值为℃；l第 2 组：最佳值为℃；l第 3 组：最佳值为℃；l第 4 组：最佳值为℃；l第 5 组：最佳值为℃；l第 6 组：最佳值为℃。Ø柱温选择一般规律（学生总结）l原则是：使物质既分离完全，又不使峰形扩张、拖尾。l一般规律：柱温一般选取各组分沸点平均值或稍低些。Ø柱温选择的拓展与引申（教师讲解）l若某水样中含有甲醇（b.p. 65℃）、乙醇（b.p. 78℃）、正丙醇(b.p. 98℃)、正丁醇 (b.p. 118 ℃ )、正戊醇(b.p. 138℃ )时，柱温该选择多少？l当被分析组分的沸点范围很宽时，用同一柱温往往造成低沸点组分分离不好，而高沸点组分峰形扁平，此时采用程序升温的办法就能使高沸点及低沸点组分都能获得满意结果。l思考题：相应的升温程序应如何设置？p载气种类的选择Ø载气种类的选择首先要考虑使用何种检测器。Ø比如使用 TCD，选用氢气或氦气作载气，能提高灵敏度；Ø使用 FID 则选用氮气作载气。p载气流速的选择Ø请同学们测定不同载气流量下样品中甲醇与乙醇的分离情况。Ø载气流量分别为 10mL/min、20mL/min、30mL/min、40mL/min、60mL/min、80mL/min。Ø最佳载气流速的选择（学生）l第 1 组：最佳值为 cm/s；l第 2 组：最佳值为 cm/s; l第 3 组：最佳值为 cm/s；教案纸№1-4常州工程职业技术学院l第 4 组：最佳值为 cm/s; l第 5 组：最佳值为 cm/s; l第 6 组：最佳值为 cm/s。Ø载气流速选择的一般规律（学生总结）l对一般填充色谱柱（内径 3～4mm）而言，常用载气流速为 40～60mL/min；l思考题：毛细管柱的最佳载气流速为多少？你应如何测定？色谱分离热力学因素（本过程教师积极“引导”学生掌握色谱分离热力学因素----固定相、流动相、组分性质----等对色谱分离程度的影响及各条件的优化方法）p分配系数K：平衡状态时，组分在固定相与流动相中的浓度比。Ø两组分分配系数不同，则在色谱柱中有不同的保留值，因而就以不同的速度先后流出色谱柱，从而达到分离。Ø组分分子结构不同，组分性质不同，则相应的分配系数也不同，这是色谱分离的基础。p固定相。Ø气－固色谱：固体吸附剂，如氧化铝、硅胶、活性碳与分子筛。Ø气－液色谱：固定液（如DNP、PEG-20M、SE-30等）与载体（硅藻土白色载体、玻璃微球、氟载体等）Ø固定相种类的不同，直接影响到样品中各组分分离效果优劣。Ø固定相的选择一般按照“相似相溶原理”Ø常用固定液固定液名称型号相对极性最高使用温度/℃溶剂分析对象角鲨烷 SQ ­1 150 乙醚、甲苯气态烃、轻馏分液态烃甲基硅油或甲基硅橡胶 SE­30 OV­101 +1 350 200 氯仿、甲苯各种高沸点化合物苯基（10%）甲基聚硅氯烷 OV­3 +1 350 丙酮、苯苯基（25%）甲基聚硅氧烷 OV­7 +2 300 丙酮、苯苯基（50%）甲基聚硅氧烷 OV­17 +2 300 丙酮、苯苯基（60%）甲基聚硅氧烷 OV­22 +2 300 丙酮、苯各种高沸点化合物、对芳香族和极性化合物保留值增大 OV­17+QF­1可分析含氯农药三氟丙基（50%）甲基聚硅氧烷 QF­1 OV­210 +3 250 氯仿二氯甲烷含卤化合物、金属螯合物、甾类β­氰乙基（25%）甲基聚硅氧烷 XE­60 +3 275 氯仿二氯甲烷苯酚、酚醚、芳胺、生物碱、甾类聚乙二醇 PEG­20 M +4 225 丙酮、氯仿选择性保留分离含O、N官能团及O、N杂环化合物教案纸№1-5常州工程职业技术学院聚己二酸二乙二醇酯 DEGA +4 250 丙酮、氯仿分离C1～C24 脂肪酸甲酯，甲酚异构体聚丁二酸二乙二醇酯 DEGS +4 220 丙酮、氯仿分离饱和及不饱和脂肪酸酯，苯二甲酸酯异构体 1，2，3­三（2­氰乙氧基）丙烷 TCEP +5 175 氯仿、甲醇选择性保留低级含O化合物，伯、仲胺，不饱和烃、环烷烃等Ø固定液的选择方法²分离非极性物质，一般选用非极性固定液。²分离极性物质，一般按极性强弱来选择相应极性的固定液。²分离非极性和极性混合物时，一般选用极性固定液。²能形成氢键的试样，一般选用氢键型固定液。²对于复杂组分，一般可选用两种或两种以上的固定液配合使用。p流动相Ø其种类主要考虑使用何种检测器？²TCD，一般选用氢气或氦气作载气；²FID，一般选用氮气或氩气作载气；²ECD，一般选用氮气作载气。Ø其次考虑是否有利于提高柱效能和分析速度？²选用摩尔质量大的载气（如N2）可以减小组分在气相中的扩散系数Dg，提高柱效能。色谱分离动力学因素（本过程教师积极“引导”学生掌握色谱分离动力学因素----涡流扩散、分子扩散、传质阴力----等对色谱分离程度的影响及各条件的优化方法）p色谱峰在分离过程中为什么会扩展？p涡流扩散ØA=2λdpØdp：固定相的平均颗粒直径；Øλ：固定相的填充不均匀因子。Ø固定相颗粒越小dp↓，填充的越均匀，A↓，H↓，柱效n↑，则涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻，色谱峰变窄。p分子扩散ØB=2γDgØγ：弯曲因子，填充柱色谱，γ1。ØDg：试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2/s）Ø存在浓度差，产生纵向扩散；Ø扩散导致色谱峰变宽，H↑，n↓，分离变差；Ø分子扩散项与流速有关，流速↓，滞留时间↑，扩散↑；教案纸№1-6常州工程职业技术学院Ø扩散系数：载气 M g 1 Dµ；ØM载气↑，B值↓。p传质阻力Ø传质阻力包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力CL即：C=（Cg+CL）Ø g f g D d k k C 2 2 ) 1 ( 01 . 0×+=、 L f L D d k k C 2 2 ) 1 ( 3 2×+×=Øk为容量因子；Dg/DL为扩散系数。Ø减小担体粒度，选择小分子量的气体作载气，可降低传质阻力。分离操作条件的选择与优化方法p载气流速的选择Ø Cu u++ B A H＝Ø H～u曲线的绘制Ø最佳载气流速的获取：曲线最低点处对应的塔板高度最小，因此对应载气的最佳线速 Uopt，在最佳线速下操作可获得最高柱效。相应的载气流速为最佳载气流速。Ø实际载气流速的选择：使用最佳流速虽然柱效高，但分析速度慢，因此实际工作中，为了加快分析速度，同时又不明显增加塔板高度的情况下，一般采用比 u 最佳稍大的流速进行测定。对一般色谱柱（内径 3～4mm）常用流速为 20～100mL∙min­1。p柱温的选择载气流速较高传质阻力项是影响柱效的主要因素，流速Ý，柱效ß。较低分子扩散项成为影响柱效的主要因素，流速Ý,柱效Ý。u有一最佳值柱温较低分析时间长，温度过低样品会冷凝在色谱柱中。实验确定较高传质快、柱效高。分子扩散强，峰拖尾，温度过高造成固定液流失。恒温程序升温（宽沸程样品）教案纸№1-7常州工程职业技术学院Ø一般规律：选取各组分沸点平均值或稍低些Ø当被分析组分的沸点范围很宽时，用同一柱温往往造成低沸点组分分离不好，而高沸点组分峰形扁平，此时采用程序升温的办法就能使高沸点及低沸点组分都能获得满意结果。p气化室温度的选择：Ø原则是保证样品气化，同时不分解；Ø一般比柱温高 30~70℃或比样品组分最高沸点高 30～50℃。p检测器温度的选择：Ø一般比柱温高 30~50℃Ø TCD 要求温度恒定；Ø FID 要求温度＞120℃p进样量的选择Ø进样量过大，色谱峰峰形不对称，峰变宽，R 变小，保留值发生变化；Ø进样量太小，检测器灵敏度不够，不能检出。Ø对填充柱，液体进样量一般为0.1～10μL，FID 的进样量应小于 1μL。p进样技术：Ø要求操作稳当、连贯、迅速。并行学习与练习：p某水样，其中含有微量的甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇与正戊醇，现欲分别测定其中五种醇的质量分数。实验室的配制为一台HP6890气相色谱仪（含FID、TCD、ECD）和五根不锈钢填充色谱柱（SE-30、OV-101、SE-54、OV-1701与PEG-20M，其规格均为2m×3mm，80～100目）。试根据上述条件选择合适的色谱柱、检测器、柱温、汽化室温度、检测器温度、载气种类与流速等色谱分离条件及合适的定量方法，并说明理由。（已知甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇与正戊醇的沸点分别为65℃、78℃、98℃、118℃和138℃。）下次课程问题：p今有一市售白酒，欲检测其主要成分含量并评价其品质。你能设计相应分析方案并完成相关检测，评价其品质吗？（提示：1、可查阅文献资料；2、先分析问题的难点。）