仪器分析技术课设下.docx

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仪器分析技术课设下

气相色谱法方法原理

一、教学目标：

了解色谱法的发展；掌握色谱基本术语；掌握色谱分离原理和分析流程。

二、教学时数：

4学时

三、教学材料：

示意图

四、教学方法

采用启发、提问、讲解等教学方式进行教学。

五、教学内容：

一）色谱法概述

（一）色谱法的产生及发展；

1、产生：

1906年俄国植物学家茨维特在植物色素的分离与提纯工作中，运用玻璃柱装入细颗粒的碳酸钙，又用石油醚萃取树叶的色素，然后倒入玻璃柱中，再用石油醚去淋洗，结果出现了不同颜色的色节。

这是最初的色谱。

直到30年代用于天然产物—胡萝卜素的分离，并广泛应用。

2、离子交换色谱法：

1935年Adams和Holmes第一次采用苯酚和甲醛合成了人工有机离子交换树脂。

3、液－液分配色谱：

1941年Martin和Synge设计萃取仪器，将乙酰化氨基酸由水相提取到有机相中。

4、1938年发明薄板色谱。

1944年发明了纸色谱。

1952年Martin和Synge又研究成功了在惰性载体表面涂渍一层均匀有机化合物作为固定相，并以气体作流动相来分离脂肪酸混合物。

形成所相色谱法中的气－液色谱法。

5、随后相继出现气－固色谱，在1954年提出用热导池作为气相色检测器。

从此后又出现其他类型的检测器，提高了检测能力和应用范围。

6、在1956年发明了毛细管色谱柱。

从此后色谱法得到迅猛发展和广泛应用。

（二）分类

按不同的原理有各种类型.

二）气相色谱法的分析流程

1、气相色谱法定义：

基于被测组分在两相（固定相和流动相）之间的分配不同。

表面积很大的固定相，另一个是载送被测组分前进的流动相。

由于样品中的不同物质在两相中具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，这些物质在两相中进行多次反复的分配，从而达到相互分离，并进行定性、定量。

2、流程图

三）色谱基本术语

1、色谱图：

是指色谱柱流出物质通过检测器时产生的响应信号随时间或流动相流出体积的曲线图。

2、术语

基线：

基线噪声、基线漂移；

色谱峰：

峰宽、半峰宽;

死时间tm：

保留时间（tR）、调整保留时间（tR’）。

tR’=tR－tm

死体积Vm、保留体积（VR）、调整保留体积（VR、）；

相对保留值：

选择性因子：

其数值的大小反映了色谱柱对难分离物质组的分离选择性，其值越大，相邻两组分色谱峰相距越远，色谱柱的分离选择性愈高。

当α小于或接近于1时，说明相邻两峰重叠不能分开。

分配系数（K）:

是指平衡状态时，组分在固定相与流动相中的浓度比。

容量因子，又称为分配比：

指组分在固定相和流动相中分配量之比。

四）色谱分离原理

1、术语：

固定液、固定相、流动相

2、气-固色谱：

吸附色谱

3、气-液色谱：

分配色谱，溶解、挥发过程。

4、分配过程

六、教学活动

一）引入问题

在课堂上讲解茨维特的经典实验，引入色谱法的以发展。

1、产生：

1906年俄国植物学家茨维特在植物色素的分离与提纯工作中，运用玻璃柱装入细颗粒的碳酸钙，又用石油醚萃取树叶的色素，然后倒入玻璃柱中，再用石油醚去淋洗，结果出现了不同颜色的色节。

这是最初的色谱。

直到30年代用于天然产物—胡萝卜素的分离，并广泛应用。

2、离子交换色谱法：

1935年Adams和Holmes第一次采用苯酚和甲醛合成了人工有机离子交换树脂。

3、液－液分配色谱：

1941年Martin和Synge设计萃取仪器，将乙酰化氨基酸由水相提取到有机相中。

4、1938年发明薄板色谱。

1944年发明了纸色谱。

1952年Martin和Synge又研究成功了在惰性载体表面涂渍一层均匀有机化合物作为固定相，并以气体作流动相来分离脂肪酸混合物。

形成所相色谱法中的气－液色谱法。

5、随后相继出现气－固色谱，在1954年提出用热导池作为气相色检测器。

从此后又出现其他类型的检测器，提高了检测能力和应用范围。

6、在1956年发明了毛细管色谱柱。

从此后色谱法得到迅猛发展和广泛应用。

讲述色谱法的发展，引入色谱分类。

（1）两相状态分类：

以流动相为准划分。

气相色谱法和液相色谱法。

（2）按固定相性质分类：

柱色谱、纸色谱、薄层色谱。

（3）按样品的分离机理分类：

吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱、凝胶渗透色谱等。

请学生回答以下问题：

1、什么是气相色谱、液相色谱、纸色谱、薄板色谱等?

2、什么是固定相？

3、什么是流动相？

二）通过气相色谱单气路流程图，讲述气相色谱法的定义、基本结构。

学生看书2分钟，在黑板上画出气路流程图：

请同学对流程图讲述气相色谱仪的基本单元：

气路系统、分离系统、检测系统、温控系统、记录显示系统。

要求学生课后画出流程图。

三）通过色谱图讲解色谱术语。

1、学生看书5分钟，画出色谱图色谱图：

2、请同学讲述用术语如何确定色谱峰？

1）基线：

基线噪声、基线漂移；

2）色谱峰：

峰宽、半峰宽;

3）死时间tm、保留时间（tR）、调整保留时间（tR’）。

tR’=tR－tm

4）死体积Vm、保留体积（VR）、调整保留体积（VR、）；

举例讲述时间t与载气体积V的关系:

其中v为载气流速；

在黑板作色谱图请学生计算选择性因子：

通过判断色谱柱对物质的分离情况？

明确选择性因子与色谱柱的固定相性质有关，而与色谱操作条件无关。

四）根据固定相的不同，分别讲述色谱柱进行样品分离的原理。

举活性炭、乙醇为例讲述：

1、气固色谱是对组分吸附能力的不同完成分离；

2、气液色谱是根据不同组分在固定液中溶解和挥发能力不同来进行组分分离。

3、分配过程：

物质在固定相和流动相之间发生的吸附-脱附和溶解-挥发的过程。

七、教学运行情况记录：

第一大节：

分析043班：

分析044班

药检04：

第二大节：

分析043班：

分析044班

药检04：

八、教学效果鉴定方法：

1、根据所学内容，对照流程图和色谱图提问，在课堂上进行；

2、通过提问对色谱术语的掌握情况；

3、通过课后作业和辅导了解学生情况；

九、教学效果鉴定内容：

1、在黑板上画出不同的色谱图，由学生讲解色谱峰、色谱柱的分离情况等。

2、在课堂上完成部分练习题。

3、对照流程图请学生讲解气相色谱的基本单元。

4、课后作业完成情况。

十、教学鉴定结果汇总

十一、学生教学评价表

见原始统计表

信息反馈：

气相色谱仪

一、教学目标

了解气相色谱仪的基本结构；掌握气路系统、进样系统的不同结构和维护方法。

了解温度控制系统的作用；学会气路连接安装与检漏；

二、教学时数：

6学时

三、教学材料：

微量注射器、六通阀、气体钢瓶、聚四氟乙烯管、皂膜流量计、教学单路色谱仪、气相色谱仪等；

四、教学方法

采取演示、讲解、实验等方式教学。

五、教学内容

一）、用2学时讲解

1、气相色谱仪的基本结构：

气路系统、进样系统、分离系统、检测系统、温度控制系统、数据处理系统。

2、分类：

根椐气路系统分为单气路、双气路色谱仪。

3、气路系统：

1）基本要求；

2）主要部件；

3）连接和检查方法；

4）流速测定方法；

5）日常维护方法；

4、进样系统：

1）主要部件：

进样器、气化室；

2）日常维护方法；

5、温度控制系统

1）作用；

2）控制点和控温方式；

3）日常维护方法。

二）、用4学时进行气路连接安装与检漏实验。

1、准备工作

2、连接气路；

3、气路检漏；

4、测定流速。

六、教学活动

一）在课堂讲解：

1、用单气路色谱仪启发学生思考色谱仪的基本结构。

讲解各部分的作用。

气路系统：

提供分析载气（流动相）；

进样系统：

将样品定量引入色谱系统并迅速气化后进入色谱柱；

分离系统（色谱柱）：

将多组分样品分离为单一组分的样品；

检测系统：

将分离后的化学组分信息转变为电信号；

温度控制系统：

提供色谱仪工作的所需恒定温度；

数据处理系统：

将检测器输出的模拟信号随时间的变化曲线绘制出来。

2、通过教学单气路色谱仪讲解气相色谱仪的工作原理。

以热导池检测器为例：

载气由高压钢瓶供给，经减压阀、干燥管后进入进样系统，将样品带入分离系统，再依次进入检测器，将组分的变化转为电信号，经放大后由记录系统显示色谱图。

3、气路系统重点：

1）学生看书5分钟，并思考下述问题：

A．气路系统的要求？

B．载气种类？

C．主要部件的作用是什么？

净化管、稳压阀、针形阀、稳流阀的作用；

D．气路系统常用的检漏方法有哪些？

2）演示讲解气路连接：

用聚四氟乙烯管和柱接头进行气路的连接。

并请两位同学上台进行操作。

3）载气流量测定：

用皂膜流量计进行演示。

即测定气体单位体积所用的时间。

如调节流速为：

60ml/min.在流量计上当气体通过20ml所用时间为：

请同学计算流速为100ml/min、150ml/min时气体流过20ml所用的时间。

4）日常维护方法：

讲述气路清洗时用哪些溶剂？

气体调节阀的清洗和维护的常用方法。

4、进样系统的讲解：

1）进样器：

微量注射器、六通阀、固体进样器；

重点讲述和演示微量进样器的使用：

准、快、稳；

并请学生操作；指出操作中的缺点。

2）气化室讲述内容：

A、作用是将液体样品瞬间气化为蒸气。

B、气化室的要求：

热容量大、温度足够高、室体积尽量小，无死角。

C、气化室对分析的影响：

产生鬼峰、温度对样品的影响。

3）日常维护：

包括进样口、微量进样器、六通阀的维护方法。

演示微量注射器的洗涤。

5、讲述温度控制系统的要点：

1）作用：

温度的控制是重要的指标，直接影响柱的分离效能、检测器的灵敏度和稳定性、样品的气化程度等。

2）控温原理：

采用可控硅温度控制器。

3）控制点：

A柱箱控温精度

，采用水银温度计或热电偶测量，有恒温和程序升温两种方式。

B、检测器和气化室：

有独立的恒温调节器.

用5分钟时间引导学生对本次课的内容进行归纳和总结，并完成部分练习题。

二）在实验室完成气路的连接安装与检漏

1、首先讲述实验目的：

1）、要求学生掌握连接安装气路中各部件；

2）、学会气路的检漏方法；

3）、学会用皂膜流量计测定载气流速。

2、演示气路的连接安装和检漏方法，一边操作一边讲解要领：

螺母要拧紧、不能不加“O”形垫圈。

在JSC-02教学色谱仪上进行演示；

演示用皂膜流量计测流速的方法：

先用肥皂液将流量计管壁润湿，气泡才能匀速上升。

测定时间要准确。

3、学生分组进行实验：

要求：

1）连接减压阀净化管载气接口色谱柱检测器柱出口

2）检漏：

打开载气钢瓶用皂液涂于各接头处，如有气泡冒出，证明漏气，需重新连接；堵死色谱柱柱后载气出口，观察色谱仪上压力表指示的压力下降应小于0.005MP，证明不漏气。

3）调节针形阀，使载气出口流速分别为50、60、80、100、120、150ml/min，并记录对应的转子流量计读数。

4）结束实验：

关闭气源，关闭载气稳压阀。

填写仪器使用记录

5）数据处理：

绘制F转_F皂校正曲线，并注明载气种类、室温及大气压力。

七、教学运行情况记录

第一大节（课堂）：

分析043班：

分析044班：

药检04：

第二三大节（实验）

分析043班：

分析044班：

药检04：

八、教学效果鉴定方法

1、课堂提问：

1）气路系统和进样系统的作用？

2）微量注射器操作要领？

3）载气流速的测量方法；

2、课后作业：

P180:

1、2、3、13、14、15、16及实验报告；

3、检查学生实验情况；

九、教学效果鉴定内容

1、学生对微量注射器的操作要领是否明确；

2、通过课堂提问和作业检查学生对重点知识的掌握情况；

3、在实验课上通过检查学生：

A气路连接安装是否正确；

B是否漏气；

C测量载气流速是否正确。

4、学生作业情况。

十、教学鉴定结果汇总

十一、学生教学评价表

见原始统计表：

信息反馈

气相色谱仪检测系统

一、教学目标

了解检测器的分类；掌握检测器灵敏度的计算方法；掌握常用检测器的使用条件；熟悉检测器的维护方法。

二、教学时数：

共12学时

三、教学材料

TCD和FID检测器的示意图、检测器的使用实验见操作训练

四、教学方法

挂图讲解、提问式、讨论式、学生动手实验等教学形式

五、教学内容

一）检测器的作用和分类

二）检测器的性能指标

1、灵敏度（应答值、晌应值）

它是评价检测器质量高低的重要指标。

其定义：

单位量的物质通过检测器时产生信号大小。

表示方法：

浓度型检测器以Sg表示；质量型检测器以St表示。

2、敏感度

由于灵敏度没有反映仪器的噪音水平，所以评价检测器还不完善。

1）、噪音：

没有组分通过检测器时，基线的波动。

2）、敏感度D又称检测极限：

某组分的峰高（mV）恰为噪音的二倍时，单位体积所需引入检测器最小物质的量。

式中：

RN—噪音，mV

S—灵敏度。

3、检测器的线性范围

是指其响应信号与被测组分浓度成线性关系的范围。

4、选择性。

不同的样品应选择不同的检测器。

三）热导池检测器的结构、工作原理及操作条件

四）氢火焰检测器结构、工作原理及操作条件

五）热导池检测器与氢火焰检测器的维护方法。

六）检测器的操作训练。

六、教学活动

一）【简单讲述】

1、气相色谱仪检测器的作用：

将色谱柱分离后的组分浓度或质量信号转变为电信号。

最常用的有热导池检测器、氢火焰检测器、电子捕获检测器、火焰光度检测器。

2、检测器的分类：

【适当板书】

按晌应时间分类：

1）积分型检测器：

是试样随时间的累加，其输出信号是试样总量的叠加。

2）微分型检测器：

试样通过它不停留积累，反映流过检测器每一瞬间被测组分的量。

如：

热导池检测器、氢火焰检测器、电子捕获检测器、火焰光度检测器。

按晌应特性分类：

1）浓度型检测器：

检测器的晌应取决于载气中组分浓度的瞬间变化。

如热导池检测器。

2）质量型检测器：

检测器的晌应值取决于单位时间组分进入检测器的质量。

如：

氢火焰检测器。

二）【讲解】检测器的性能指标：

请同学看书5分钟，然后讲解：

1、灵敏度（应答值、晌应值）

它是评价检测器质量高低的重要指标。

其定义：

单位量的物质通过检测器时产生信号大小。

表示方法：

浓度型检测器以Sg表示；质量型检测器以St表示。

1）浓度型检测器灵敏度Sg

定义为1mL载气中携带1mg某组分通过检测器时所产生的信号（mV）值。

式中：

A—某组分色谱峰面积，cm2

u1—记录仪的灵敏度，mV/cm;

u2—记录仪的走纸速度，cm/min;

—注入检测器中某组分的质量，mg;

F0—柱后流速，mL/min.

其F0的测定：

例：

热导池检测器灵敏度的测定：

注入纯苯（密度0.88g/mL）0.5μL，测得峰高为12.5cm，半峰宽为2.5cm，衰减为1，记录纸速度为5mm/min，记录器灵敏度为5mv/25cm，柱后流速F0为30Ml/min，求Sg。

解：

苯的峰面积：

=

=90.5（mV·mL/mg）

2）质量型检测器St

定义：

每秒钟1g某组分进入检测器时所产生的信号（mV）值。

式中：

A—某组分色谱峰面积，cm2

—记录仪的灵敏度，mV/cm;

—记录仪的走纸速度，cm/min;

—注入某组分的质量，g

例：

:

氢火焰灵敏度的测定：

1μL含苯0.05%的CS2溶液，测得峰高为12cm，半峰宽为0.5cm，记录器的灵敏度为0。

2mV/cm,纸速cm/min，求St。

解：

=

=1.7×108（mV·s/g）

请两位同学上黑板演算下面灵敏度的计算：

使用色谱工作站，用热导池检测器测得某组分色谱峰面积为1200mv/s,已知组分质量为5mg,载气流速为100ml/min.求检测器对该组分的灵敏度。

通过计算单位讲述记录仪与工作站时灵敏度公式演变为：

师生共同归纳总结本次课的知识：

检测器的分类、灵敏度的计算、

三）热导池检测器:

请学生观看挂图，了解检测器的结构：

结构：

热导池由池体和热敏元件构成，有双臂热导池和四臂热导池两种。

热导池检测器（TCD）：

利用被测组分和载气的导热系数不同而响应的浓度型检测器。

工作原理：

基于不同气体具有不同的导热系数。

将四臂热导池的四根热丝分别作为电桥的四个臂，四根热丝阻值分别为R、R、R、。

在同一温度下，四根热丝阻值相等，即R1＝R2＝R3＝R4；其中R和R为测量方法池中热丝，作为电桥测量臂；R和R为参比池中热丝，作为电桥的参考臂。

W、W、W分别为三个电位器，可用于调节电桥平衡和电桥工作电流的大小。

由于参比池和测量池通入的都是纯载气，同一种载气有相同的热导系数，因此两臂的电阻值相同，电桥平衡，无信号输出，记录系统记录的是一条直线。

当有试样进入检测器时，纯载气流经参比池，载气携带着组分气流经测量池，由于载气和待测组分二元混合气体的热导系数和纯载气的热导系数不同，测量池中散热情况因而发生变化，使参比汪和测量池中热丝电阻值之间产生了差异，电桥失去平衡，检测器有电压信号输出，记录仪画出相应组分的色谱峰。

开气中待测组分的浓度越大，测量池中气体热导系数改变就越显著，温度和电阻值改变也越显著，电压信号就越强。

此时输出的电压信号（色谱峰面积或峰高）与样品的浓度成正比，这正是热导检测器的定量基础。

当参比池和测量池均通入纯载气时，电桥处于平衡状态，输出端无信号输出，记录系统记录的是一条直线。

当有试样进入检测器时，纯载气流经参比池，载气携带着组分气流经测量池，使参比池和测量池中热丝电阻值之间产生了差异，电桥失去平衡，检测器有电压信号输出，记录仪记录相应组分的色谱峰。

图4-19四臂热导池测量电桥

检测器条件的选择：

请同学看书5分钟后，讲述如何确定操作条件：

载气种类、纯度和流量；桥电流；检测器温度。

热导池检测器的维护方法。

【归纳总结】热导池检测器惠斯通电桥的工作原理与操作条件。

【技能训练】用4学时热导检测器的使用。

四）氢火焰离子化检测器：

结构：

主要部件是离子室。

离子室包括气体入口、出口、火焰喷嘴、极化极以及点火线圈等部件。

如图：

【重点讲述】工作原理：

进样后，载气和分离后的组分一起从柱后流出，氢火焰中增加了组分被电离后产生的正、负离子和电子，从而使电路中收集极的微电流显著增大，此即该组分的信号。

该信号的大小与进入火焰组分的质量是成正比的，这便是FID的定量依据。

请同学看书5分钟回答：

检测条件的选择：

载气种类和载气流速；氢气和空气的流速；柱、气化室和检测室的温度；极化电压；电极形状和距离等。

日常维护方法。

【归纳总结】的工作原理与操作条件。

【技能训练】用4学时氢火焰离子化检测器的使用

七、教学运行情况

第一大节：

分析043班：

分析044班：

药检04班：

第二大节：

分析043班：

分析044班：

药检04班：

八、教学鉴定方法

1、气相色谱仪检测系统的知识点作为主要问题在课后问答。

2、学生实验动手情况。

九、教学鉴定内容

1、检测器灵敏度的计算？

2、检测器的工作原理？

3、检测器的操作条件？

九、教学鉴定结果汇总

十一、学生对教学评价表

见原始统计表

信息反馈

技能训练、热导检测器的使用

一、教学目标

1、掌握气相色谱仪TCD的工作原理；

2、能够正确选择热导检测器的操作条件；

3、学会热导检测器的开机、调试及关机操作。

二、教学时数：

4学时

三、教学材料

仪器：

SC-200型气相色谱仪，氢气气体钢瓶，减压阀、记录仪、1支5l微量注射器。

试剂：

色谱柱（内径3mm、长2m，80~100目6201担体、15%邻苯二甲酸二壬酯）、苯（A.R.）、丙酮。

四、教学方法

采用现场演示教学、技能训练、讨论式教学、提问等教学方式。

五、教学内容

一）、工作原理：

不同气体具的不同的导热系数，当有组分进入检测器时，在两臂（工作与参比臂）中气体成分不同，它们带走的热量也不同，引起热敏元件的电阻变化，从而打破电桥平衡，产生电信号。

二）操作条件：

柱箱：

100oC;汽化室：

150oC;检测器：

100oC。

载气柱后流速：

60mL/min；

桥电流：

150mA；

样品：

0.5%苯的丙酮溶液。

三）微量注射器的使用；

四）灵敏度的计算方法：

五）关机方法。

六、教学活动

一）【讲解】工作原理、灵敏度的计算、操作条件。

二）【示范讲解】教师开启仪器，引入问题。

1.使用热导检测器时，应如何调试仪器至正常工作状态？

2、怎样正确操作微量注射器？

3.实验结束应如何正常关机？

4.为保护电热丝，在TCD的使用过程中应注意什么？

三）在教师指导下，学生动手进行SC－200型气相色谱仪的启动。

1、连接色谱仪气路系统：

选择氢气作载气并连接减压阀及气路。

2、启动色谱仪

A：

开启载气：

打开载气钢瓶稳压阀，用主机气体调节阀至压力表上选定值；

B、检查气路气密性；

C、温度控制系统的启动；

首先开启主机总电源；鼓风马达转动。

然后进行温度调节：

选择温度设定，旋动电位器，使表上显示值为操作条件。

用实测档检查温度，保证温度达到设定值。

D、测定载气流速：

用皂膜流量计测定柱后流速为60mL/min。

3、开启热导池检测器：

首先开启TCD电源；调节桥电流为150mA；

然后开启色谱数据工作站；

最后调零：

使基线符合说明书要求。

4、测量

由教师演示并讲解进样要点，使用微量注射器：

准、快、稳。

当基线走为一条直线时，用微量注射器进样。

同时记录色谱图及苯的保留时间。

要求：

进样量为0.5微升，一位同学进两针样品。

5、关机

实验完毕，30分钟后，按开机步骤的反方向关机。

6、清洗进样器，整理实验室，填写仪器使用记录。

注意事项：

1.若发现气路系统漏气，应立即关闭钢瓶总阀，检修后再通入载气；

2.微量注射器的使用要点：

准、快、稳。

防止损坏注射器。

3.实验过程中随时观察温度情况。

4.严禁不开载气启动桥电流。

四）讨论课前引入的问题

七、教学运行情况

分析043班：

分析044班：

药检04班：

八、教学效果鉴定方法

1、学生动手情况；

2、学生实验报告。

九、教学效果鉴定内容

1、学生掌握启动仪器的步骤；

2、使用微量注射器的情况。

3、计算灵敏度的准确性；

4、掌握TCD的操作条件情况。

十、教学鉴定结果汇总

十一、学生教学评价表

见原始统计表

信息反馈

技能训练：

氢火焰检测器的使用

一、教学目标

1、了解氢火焰检测器的工作原理；

2、能正确选择氢焰检测器的操作条件；

3、学会氢焰检测器的开机、点火及调试至正常工作状态的操作；

4、学会灵敏度的测定方法；

二、教学时数：

4学时

三、教学材料

仪器：

SC－200气相色谱仪；

色谱柱（内径2mm，长2m，固定相402有机担体）；

FID检测器；

气体钢瓶：

氮气、氢气、空气；

色谱数据工作站；

微量注射器。

试剂：

无水乙醇。

四、教学方法

采用现场演示教学、技能训练、讨论式教学、提问等教学方式。