色谱参数的测试及计算

色谱参数的测试及计算(色谱理论验证性实验)

一、目的要求

1. 通过本实验基本色谱参数的测试与计算，定量地了解溶质组分在色谱柱过程中热力学和动力学作用的量度。

2. 理解各色谱参数的意义及其相互关系。

3. 通过本实验进一步掌握柱效、柱选择性、分离能力、保留值等性质，使之能选择出最佳色谱操作条件，得到可靠的定性，定量结果。 二、测定意义

通过试验，了解色谱中的各个基本参数， 从色谱图中学会参数的获得及各基本参数计算。在规定的色谱条件下，测定惰性组分的死时间（tM）及被测组分的保留时间（tR）、半高峰宽（W1/2）、及峰高（H）等参数，便可计算出基本色谱参数值。 1 调整保留时间：用公式计算出

,tR?tR?tM?is?2 相对保留值：

t,R(i)tR(S)?Vg(i)Vg(s)?,VN(i),VN(s)

计算出(正庚烷, 正已烷)；( 乙酸正丁酯, 正已烷)；( 正辛烷, 正已烷)的相对保留值，以正已烷作标准。

,t?ttMK,?R?RtMtM3 容量因子：

计算出正已烷；正庚烷；乙酸正丁酯；正辛烷的K’，以其中K’=2-5的组分进行计算。

4 理论塔板数：以其中K’=2-5的组分进行计算。

n?5.54(tR2t)?16(R)2W1/2W

5 有效塔板数：以其中K’=2-5的组分进行计算。当K’足够大时理论塔板数与有效

neff塔板数是否近似相等。

,,tRtR2?5.54()?16()2W1/2W6 分离度：计算出较难分离二组分的分离度。

2(tR2?tR1)tR2?tR1R??W1/2?W1/2W

R?n???1?k??4???k?1TZ?tR(Z?1)?t(Z)W1/2(Z)W1/2(Z?1)?17 分离数：计算出任意二相邻正构烷烃峰之间的TZ值（即二峰间可容纳的峰数）。

8 保留指数：计算出任意二相邻正构烷烃峰之间的I值

,,lgtR(X)?lgtR(z)???100[Z?三、方法原理

lgt,R(Z?n)?lgt,R(Z)]“塔板理论”：把色谱柱看作一个有若干层塔板的分馏塔，通过物质在每层塔板中进行平衡的物理模型过程，导引出一个描述色谱流出曲线的数学表达式：

式中 c——色谱流出曲线上任意一点样品的浓度； n——理论塔板数；

m——溶质的质量；

VR——溶质的保留体积，即从进样到色谱峰极大点出现时通入色谱柱中载气的体积；

V——在色谱流出曲线上任意一点的保留体积。 四、仪器与试剂

仪器 气相色谱仪一套，邻苯二甲酸二壬酯与吐温混合固定液填充柱（DNP柱）1m×3mm；微量注射器(5—10μl)一支

试剂 甲烷，正己烷，正庚烷，正辛烷，乙酸正丁酯，混合样。 五、实验步骤

1．联结好仪器系统，检查并排除故障至正常工作状态

2 .色谱条件 ＴＤ=120°C，ＴＣ=100°C，Ｔi =120°C；载气H２流速40 ml／min；进样量：空气50μl，乙酸正丁酯+n-C6+n-C7 +n-C8混合样1μl；纯样进0.4μl。信号衰减视灵敏度而定。

3．色谱条件 Tj＝120℃，Tc＝100℃，Td＝120℃；载气：N2流速30m1／min，H2流速40ml／min，空气流速350m1／min记录仪灵敏度10mV／25cm,纸速10mm／min；甲烷,乙酸正丁酯+n-C6n-C7+n-C8混合样4μ1，信号衰减视灵敏度状况而定。

4．测试 待仪器开启运行至基线平稳后，取纯净CH4样品10μ1注入GC仪器系统(如信号过大则可以适当减少进样量)，计时，准确记录保留时间(tM)。重复进样5－10次，至tM值绝大多数重复为止。取其平均值，为本实验的tM值[tM (甲烷)]。再取四种混合组分的样品溶液4μl注入仪器系统，得到较理想谱图后，再重复进样3－ 5次，取其平均保留时间为本实验各组分的保留时间[tR (乙酸正丁脂)，tR (正已烷)、tR (正庚烷)、tR (正辛烷)]。 5．测试结果 在仪器操作条件稳定无误的情况下，应得到分离状况良好的色谱图 六、数据处理

1、记录甲烷的tR值和四组分混合样的各保留值(平均值)。令 tn-1=tR(正己烷); tn=tR(正庚烷);tn+1=tR (正辛烷);ti=tR (乙酸正丁酯). 2．测量并记录各组分的半高峰宽Wh/2 3．各基本参数计算：2和峰宽W值

(1)调整保留时间：以t 'R = tR －tM关系计算出t'n-1、 t'n 、t'n+1 及t'i； (2)相对保留值(ri,s)：按ri,s=t 'R(i)/ tM的关系，计算出γ

烷，正已垸

正庚垸，正已垸

0

0

0

0

0

0

，γ

乙酸正丁酯，正已烷

，γ

正辛

(以正已烷作标准物时)

(3)容量因子：根据K＝t 'R/tM的关系，计算出K' (正己烷) K' (正庚烷)，K'(乙酸正丁脂)，K'(正辛烷)值

(4)理论塔板数：以其中K'=2—5的某组分为代表，根据

n=5．54(tR／Wh/2)或n=16(tR／W)的关系计算出柱效率(每米柱长所具有的理论塔板数) (5)有效塔板数:neff=5．54(t'R／Wh/2)或neff=16(t'R／W)的关系计算出有效塔板数(仍可用K'=2—5的组分)。当K'值足够大时，n≈neff

(6)分离度:可根据R=2(tR2－tR1)/(W1+W2)关系，计算出四种组分中较难分离的二组分间的分离度;

(7)分离数：可根据TZ=(tR(Z+1)－tR(Z))/( Wh/2(Z) ＋Wh/2(Z+1))的关系，计算出任意二相邻正构烷烃峰之间的TZ值(即二峰间可容纳的峰数)

(8)保留指数：是色谱定性的重要指标，准确测量十分重要。只要严格保证色谱条件的一致

2

2

2

2

性(同文献Sandtler保留指数的色潜条件比较)，该指数可作为未知物可靠的定性指标。保留指数计算可按

I=100[(log t 'R(?)－log t 'R(z))/ (log t 'R(z+1)－log t 'R(Z))+z]的关系计算出任意二相邻正构烷烃伺某组分的I值。如载气流速不非常稳定时,可用V'R(i), V'R(z), V'R(z+1),代替上述的t 'R(?)、 t 'R(z)) 和t 'R(z+1)，这样可以使I值测量更准确些。 例 在上述条件下测得以下实验数据：

乙酸正丁酯 t 'R(乙酸正丁脂)= 3.10min log3.10=0.4914 正 庚 烷 t 'R(正庚烷)=1.74min logl.74=0.2405 正 辛 烷 t 'R (正辛烷)=3.73min log3.73=0.5722 试计算乙酸正丁酯的保留指数。 解 因z=7，所以

I(乙酸正丁脂)=100[(0.0914－0.2405)/(0.5722－0.2405] =75.6+700.0=775.6 七、问题讨论

1．色谱定性尚有一些色谱参数可以用，如tR ,t 'R , V'R, r'i,s等，为什么说用I值最可靠?

因为采用保留值定性要求两次进样条件完全一致， 这是比较困难的，r'i,s 要求温度一定， 且需要标准物质。 保留指数定性的重现性最佳， 当固定液和柱温一定时， 定性可不需要标准物质。一般讲只要色谱柱（固定液）和柱温相同，就可以利用文献或手册发表的保留指数来定性。

2．关于tM值的测量：从tM定义看，tM值的测量规定为惰性组分从进样开始至柱后流出浓度极大点所对应的时间，即该惰性组分不能与固定相发生任何作用(溶解或吸附)便流出色谱柱。实际上不存在这种州想的惰性组分，或多或少在柱中有保留作用，因此直接测量而得到的tM值，相对说不那么准确，特别是数值小的tM，会引入一定的误差(而数值大的误差往往可以略而不计)。因tM射值是诸色谱参数的基淮数据，故有许多人研究它的准确计算方法。如利用三个同系物的保留值来推算死时间，其三个同系物的碳数必须符合如下条件，

Cn－C(n－i)=C(n+i)－Cn (5—1) 又根据同系物的碳原子．数与调整保留时间的对数呈线性关系而推导出来的方程式，即

Cn=mlog t'n +q= mlog (tn－tM )+q (5—2)

式中， Cn——同系物中的碳原子数；

tn——具有Cn同系物的保留时间； t'n——Cn同系物的调整保留时间； m、q——方程式中常数。

三个同系物(正己烷，正庚烷，正辛烷)的t 'R值可分别设定为[t(n-i)－tM]、[tn－tM]、[t(n＋i)－tM]，把它们代入(3—1—2)式；则得：

C(n－i)= mlog (t(n-i)－tM )+q (5—3) Cn=mlog(tn－tM )+q (5—4)

C(n+i)= mlog (t(n+i)－tM )+q (5—5)

将(3—1—4)式减去(3—1—3)式，(3—1—5)式减去(3—1—4)式得:

Cn－C(n－i)= mlog [(tn－tM )/(t(n-i)－tM )] (5—6)

C(n+i)－Cn = mlog [(t(n＋i)－tM )/(tn－tM )] (5—7) 又因为存在(3—1—1)式的关系，所以得：

(tn－tM )/(t(n-i)－tM ) =(t(n＋i)－tM )/(tn－tM) (5—8) 整理(3—1—8)式，得到最终结果：

tM＝（t(n＋i)+t(n-i)-2tn）/ (t(n＋i)+t(n-i)－2tn) (5—9) 式中i=1，2，3...；

tn-i ——第一个同系物的保留时间(正己烷)， tn —— 第二个同系物的保留时间(正庚烷)， tn+i——第三个同系物的保留时间(正辛烷)。

X. Guardino等人的验证认为(5—9)式准确可靠，并提出i值愈大则计算出来的tM值愈准确。请同学们根据本实验测得的tn-i 、tn 、tn+i值，试计算出tM与甲烷组分实测值的比较值，分析其误差。 八、注意事项

1．色谱基本参数的测定，要严格控制操作条件的稳定性, 否则易产生误差。

2．为了保护色谱柱，要求载气首先打开，然后开机，结束时先关机，后关载气；严格按照要

求的顺序开启和关闭色谱仪。

九、思考题

1．色谱基本参数测量与计算的关键问题是什么?

2．K'值及Wh/2值的大小与色谱柱过程的哪些因素有关?其原因何在?控制哪些操作条件可以得到适宜K'值和Wh/2值?

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