色谱思考题与习题（附答案）

PAGEPAGE8思考题按流动相状态的不同，色谱法可分为几类？并简述每一类的分离原理。答：按流动相的不同，色谱分析法分为气相色谱（GasChromatography,简称GC）分析法和液相色谱(LiquidChromatography,简称LC)分析法。液相色谱法与气相色谱法的分离原理相近，只是流动相的状态不同。色谱法的分离原理是：气体流动相带着样品流经固定相，由于样品在固定相之间的吸附、溶解、渗透或离子交换等作用的不同，样品在两相间进行反复多次地分配过程，使得原分配系数具有微小差别的各组分，在固定相中的移动速度不同，经过一定长度的色谱柱后，彼此分离开来，先后流出色谱柱。气相色谱和高效液相色谱各包括哪几部分？各部分的作用是什么？答：气相色谱包括气路系统、进样系统、分离系统、温控及检测系统和记录系统。各部分的作用：气相色谱气路系统是一个载气在其中能连续和稳定运行的密闭系统；进样系统包括进样器和气化室两部分，气化室的作用是将液体或固体试样瞬间气化为蒸气；分离系统由色谱柱组成，是色谱仪的核心部分。色谱柱通常可分为填充柱和毛细管柱两类；检测系统主要是指检测器，它是色谱仪的关键部分。检测系统将经色谱柱分离后的各组分的浓度转变成易被测量的电信号，然后送至记录器记录下来；温控系统是用来控制气化室、色谱柱和检测器的温度；放大与记录系统是将检测器输出的信号经过微电流放大器放大后记录下来。高效液相色谱包括储液瓶、高压泵、梯度洗脱装置、进样装置、色谱柱和检测器。高压泵的作用是使流动相能较快地流过色谱柱；梯度洗脱在液相色谱中所起的作用相当于气相色谱中的程序升温；进样装置的作用是将样品瞬间注入到色谱柱；色谱柱主要起到将样品中各组分进行分离的作用；检测器的作用是将经色谱柱分离后的各组分的浓度转变成易被测量的电信号。试讨论相对保留值与色谱的哪些因素有关？答：相对保留值指某组分i与基准组分s的调整保留值之比。通常用ris表示。它与固定相的种类和柱温有关，而与其它色谱条件无关。根据色谱流出曲线，可以解决哪些问题？答：1）色谱峰出现的位置决定于物质的性质，根据色谱峰的位置可对组分进行定性；2）色谱峰的面积和峰高是组分浓度或含量的量度，故根据色谱峰的面积或峰高，可对组分进行定量；3）根据色谱峰的位置及其宽度，可以对色谱柱的分离情况进行评价。简述范·第姆特的速率理论方程式中A、B、C三项的物理意义。H-u曲线可说明什么问题？实验中怎样绘制H-u曲线？答：范·第姆特的速率理论方程式为：H＝A+B/u+Cu其中：A为涡流扩散项；B/u为分子扩散相；C·u相为传质阻力相，它包括气相传质阻力相cg.u和液相传质阻力相cl.u两项。H-u曲线可说明，塔板高度H按曲线关系随流速u而变化，曲线有一最低点也叫最佳点，此点对应的流速叫最佳流速，以u最佳表示，与此对应的板高叫最小板高，以H最小表示。亦在此流速下柱效最高。实验中绘制H-u曲线可以在一系列不同载气流速下，测得相应的H,再以H为纵坐标，u为横坐标，即可绘制H－u关系曲线。色谱定性的方法有几种？为什么说色谱分析的定性能力不强？答：色谱定性方法主要有：1）用已知物对照定性：保留时间和保留体积定性、加入已知物增加峰高定性、比保留体积定性、相对保留值定性、双柱定性。2）利用文献的保留值数据定性。3）利用保留值的经验规律定性：碳数规律、沸点规律。4）利用选择性检测器进行定性分析。5）与其它仪器结合定性。为何可根据色谱峰的峰面积进行定量？由于色谱分析对不同物质的响应均为一色谱峰，而色谱峰的位置受操作条件的影响严重，因而其定性能力强。7．面积的测量有哪几种主要方式？答：色谱定量分析的依据是：组分的重量或在载气中的浓度与检测器的响应信号（色谱图上表现为峰面积或峰高）成正比。由此可见，要进行定量分析，必须首先准确地测量峰面积或峰高，即可根据色谱峰的峰面积进行定量。用峰面积定量不受柱温的影响，这是因为当柱温升高时虽然峰高增加，但同时它的半高峰宽降低，二者的乘积（即峰面积）保持恒定。峰面积的测量方法有：1）近似测量法：峰高乘半峰宽法；峰高乘平均峰宽法；峰高乘保留时间法。2）真实测量法：自动积分仪法；求积仪法；剪纸称重法。在色谱定量分析时，为何要使用相对校正因子，而不采用绝对校正因子？答：绝对校正因子主要由仪器的灵敏度决定，并与分析的操作条件有密切关系，它会随条件改变而发生变化，既不容易测准也无法应用，但物质的相对响应值相同，所以在定量分析中都是用相对校正因子。校正因子是如何测定的？答：校正因子的测量方法是准确称量被测组分和标准物质，混均后在实验条件下进行分析，注意进样量应在检测器的线性范围之内。测量各峰面积，计算重量校正因子、摩尔校正因子。如果几次测量数值接近，可取其平均值。校正因子除自己测定外，也可以引用文献上所发表的数据。比较面积归一化、内标和外标定量方法的使用条件。答：当试样中所有组分都能流出色谱柱，且在检测器上都能产生信号时，可用面积归一化法计算组分含量；当混合物中所有组分不能全部流出色谱柱，或检测器不能对各组分都产生信号，或只需测定混合物中某几个组分时，可采用内标法定量；外标法又称已知样校正法或标准曲线法，要求进样量要准确，当试样中被测组分浓度变化不大时，对这样的试样可不必做标准曲线，而用单点校正法来分析。固体固定相与液体固定相相比，具有哪些不足？答：固体固定相不足之处在于：（１）表面结构不均匀，易引起色谱峰拖尾；（２）吸附表面一般具有催化活性，不宜在高温及活性组分存在下使用；（３）活性中心易中毒，使保留值改变，寿命缩短；（４）吸附剂种类较少。是否任何固体都可作为液体固定相的载体？比较白色载体和红色载体的性能差异？答：并不是任何固体都可作为液体固定相的载体，对载体的要求：1）比表面积要大（单位重量的载体要有较大的表面）。2）有化学惰性，即载体在组分流过时，不与待测组分起化学反应。3）热稳定性好。4）有一定的机械强度，使固定相在涂渍和填充过程中不易粉碎。5）要有合适的空隙结构，以利于两相间的快速传质。6）要有较好的浸润性，便于固定夜在涂渍时均匀分布。7）载体表面不能有吸附性。由于红色载体与白色载体组成稍有不同，比表面积的区别大，从而：红色载体适于分析非极性化合物，白色载体适于分析极性化合物。请说明固定液选择的原则有哪些？答：1）相似相溶原理选择2）按流出规律选择3）按最相邻技术选择4）查阅文献资料化学键合型固定相有何特点？答：1）有良好的热稳定性。如β，β′-氧二丙腈和PEG-400采用一般液相涂渍法时，在80～90℃就开始有流失，若用Porasilic为基料，用化学结合方法将这两种固定液分别键合上去，则β，β′-氧二丙腈在135℃才开始流失，而PEG-400在150℃开始流失。2）由于具有均匀的液相型分布，故对极性物和非极性物都能得到对称的峰形。3）由于固定相在载体表面是一层很薄的液膜，故传质阻力小，柱效高。4）键合固定相有较宽的最佳线速区域，故可在高于最佳线速下，作快速分析。5）由于对试样过载时恢复快，可用于作制备色谱用。色谱柱老化的目的是什么？答：老化有两个目的：一是彻底除去填充物中的残余溶剂和某些挥发性杂质；二是促进固定液均匀地、牢固地分布在担体表面上。色谱柱的柱箱温度如何选择？答：柱温是一个重要的操作参数，直接影响分离效能和分析速度。首先，柱温不能高于固定液的最高使用温度，否则固定液因挥发而流失。柱温低有利于分配和组分的分离，但柱温过低，会使传质速率降低，分析时间加长，柱效能下降，且易引起色谱峰的前伸和后拖。柱温高，虽有利于传质，但分配系数变小不利于分离。所以柱温的选择应以使难分离的二组分达到预想的效果，而又不使分析速度太慢为前提，选择较低些为好。一般所用的柱温接近被分析的平均沸点或更低。气相色谱的分离效能可用程序升温进行改善，怎样改善高效液相色谱的分离效能？答：改善高效液相色谱的分离效能可以采用梯度洗脱的方法，它极类似于气相色谱中程序升温的作用。梯度洗脱是在分离过程中通过逐渐改变流动相的组成增加洗脱能力的一种方法。简述TCD、FID、FPD、ECD的检测原理。答：1）热导池检测器(TCD)是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。TCD的检测原理：当载气（一般用H2）流过热导池的测量池和参比池时，在一定的池温和流速下，由于热传导情况就一样，使两个池孔中的热丝的温度和电阻值发生等值的变化，电桥处于平衡状态，A、B两端无信号输出，记录仪毫伏读数为零，当被测组分蒸汽随着载气流经测量池时，由于此二元混合气体与纯载气的热导系数不同，使测量池中热丝的散热情况发生了变化，导致测量池中热丝的温度和电阻的改变，而与参比池中的热丝的电阻值之间有了差异，即R1≠R2,于是电桥失去了平衡。在A、B两端就有响应的不平衡电压信号（ΔE）输出，由记录仪自动记录下色谱峰。在检测器的线性范围内，此信号的大小是与组分的浓度成正比的，因而测量此电压信号，即可确定待测组分的含量。2）氢火焰离子化检测器（FID）的检测原理：微量有机组分随载气进入检测器，并在氢火焰中发生电离，产生正、负离子（电子）在外加电场的作用下，使向两极定向移动，而形成微弱的电流（约为10-6~10-7A），此电流与引入氢火焰中的微量有机组分的质量流量成正比。所形成的微弱电流，通过高电阻（108~1011Ω）取出电压信号，经放大器放大后，送至记录仪记录下相应的色谱峰。同时CHO+与火焰中大量水蒸气碰撞而生成H3O+离子。3）火焰光度检测器（FPD）的检测原理：当含有硫或磷的试样进入富氧-空气焰中燃烧时，就产生S*2或HPO裂片，发射出具有不同波长的分子光谱，通过石英片、滤光片，而投射到光电倍增管上，光电倍增管将光强度转变成相应的光电流，经放大器放大后在记录仪上记录下来。4）电子捕获检测器（ECD）的检测原理：由柱流出的载气及吹扫气进入ECD池，在放射源放出β射线的轰击下被电离，产生大量电子。在电源、阴极和阳极电场作用下，该电子流向阳极，得到10-8~10-9A的基流。当电负性组分从柱后进入检测器时，即俘获池内电子，使基流下降，产生一负峰。它通过放大器放大，在记录器记录，即为响应信号。其大小与进入池中组分量成正比。负峰不便观察和处理，通过极性转换即为正峰。氢火焰离子化检测器的使用温度为何要高于100℃？答：因为H2燃烧的产物是水，而水的沸点为100℃，若氢火焰离子化检测器的使用温度低于100℃，水蒸汽就会冷凝在检测器上。讨论氢火焰离子化检测器能否分析含水的样品？答：氢火焰离子化检测器不能分析含水的样品，因为氢气和空气燃烧生成的产物是水，从而对水无响应，所以很适用于大气和水中痕量有机物的测定。毛细管色谱柱的特点有哪些？答：毛细管柱的内径只有填充柱的1/10左右，即0.1~0.5mm，而长度却是填充柱的10倍左右，即10~50m。毛细管柱制备相对较复杂，价格相对较高，但分离能力比常规的填充柱要强得多，可以分离成百上千个组分。由于毛细管柱色谱仪价格较贵等原因，现工矿企业使用相对还较少。高效液相色谱是否有象TCD、FID一样的通用型检测器？答：常用的高效液相色谱检测器有：差示折光检测器、紫外和紫外-可见分光光度检测器、和荧光检测器。差示折光检测器是一种浓度型通用检测器，应用极为广泛，特别在凝胶液相色谱中是十分理想的检测器。但目前常用的检测器均对某些物质无响应，从而还不能算做通用型检测器。高效液相色谱与气相色谱各具有的优点有哪些？答：高效液相色谱的优点有：色谱柱可反复使用，流动相可选择范围宽，流出组分容易收集；分离效率高，分析速度快，灵敏度高，操作自动化，应用范围广。气相色谱具有分离效率高、速度快、选择性高、灵敏度高、样品用量少、应用范围广等优点。超临界流体色谱和毛细管电泳的分离机理是什么？答：超临界流体色谱是指用超临界流体（如CO2）作流动相，以固体吸附剂（如硅胶）或键合到载体（或毛细管内壁）上的固定液为固定相的色谱，样品组分在两相间产生与常规色谱一样的分配平衡，根据不同物质的分配系数差异进行分离分析。容量因子的改变主要是通过调节色谱柱的压力来实现，压力越大，流动相的密度越大，洗脱效率越高。超临界流体的密度受压力在临界压力处最大，超过该点，影响小，超过临界压力20%，柱压降对分离的影响小。毛细管电泳法是以高压电场为驱动力，以毛细管为分离通道，依据试样中各组分之间淌度和分配行为上的差异而实现分离、分析物质的一类液相技术，是经典电泳技术和现代微柱分析的结合。电泳是指带电粒子在一定介质中因电场的作用而发生定向移动，根据带电粒子所带的电荷、形状、电离度等的不同，而在电解质中迁移速度不同达到分离的目的。电泳和色谱的分离过程都是差速迁移过程，可用相同的理论来描述，比如保留值、塔板理论和速率理论等。练习题在2.0m长的色谱柱上测得环已烷的调整保留时间为28.5mm，峰底宽为5.0mm，求有效塔板数及有效塔板高度。解:由题意可知:L=2.0m,tˊR=28.5mm,Y=5.0mmneff=16(tˊR(2)/y)2=16(28.5/5.0)2=520Heff=L/neff=2000/520=3.85mm色谱图上有两个色谱峰，它们的保留时间分别为200s、230s，半峰宽分别为1.7mm、1.9mm。已知色谱死时间为20s，纸速为1cm•min-1。求这两个色谱峰的相对保留值和分离度。解:r21=tˊR(2)/tˊR(1)=(230-20)/(200-20)=1.17Y1/2(1)=0.17/1=0.17minY1/2(2)=0.19/1=0.19minneff=5.54(tˊR(2)/y1/2(2))2=5.54(230-20/(0.19×60))2=1880R=1/4(n1/2×((r21-1)/r21))=1/4(18801/2×((1.17-1)/1.17))=1.58二个色谱峰的调整保留时间分别为70s和100s，若所用柱的塔板高度为1.1mm，两个峰具有相同的峰宽，完全分离需要的色谱柱为多长？解:tˊR(1)=70s,tˊR(2)=100s,H=1.1m,Y1=Y2,R=1.52[tˊR(2)-tˊR(1)]/(Y1+Y2)=2(100-70)/Y=1.5;Y=40sNeff=16(tˊR(2)/Y]2=16(100/40)2=400;L=Neff×Heff=400×1.1=440mm某一色谱柱，速率方程中A、B、C的值分别为0.10cm、0.42cm2•s-1、2.5×10-2s，计算该色谱柱的最佳线速度和最小塔板高度。解:欲求u最佳和H最小,要对速率方程微分,即dH/du＝d(A+B/u+Cu)/du＝-B/u2+C＝0而,最佳线速:u最佳＝(B/C)1/2最小板高:H最小＝A+2(BC)1/2可得u最佳＝(0.42/2.5×10-2)1/2＝4.1cm/sH最小＝0.10+2(0.42×2.5×10-2)1/2＝0.30cm色谱法测得A、B两组分的相对保留值为1.2，色谱柱的塔板高度为1mm，若要使两组分完全分离（R=1.5），所需色谱柱长为多少？解:已知:r21=1.2,H=1mm,R=1.5两组分完全分离（R=1.5），所需有效理论塔板数:neff=16R2[r21/(r21-1)]2=16×1.52(1.2/0.2)2=1296所需色谱柱长L=neff.H=1296×1=1296mm=1.3m组份A和B在一根30cm柱上分离，其保留时间分别为16.00和17.00min，峰底宽分别为1.10和1.20min，不被保留组份通过色谱柱需1.30min。试计算：分离度R；柱子平均有效塔板数neff；板高Heff；当R＝1.5时，所需柱长L；在同样色谱条件下，使用上述长柱分析该混合组份所需分析时间tB。解:(1)R=2(17-16)/(1.10+1.20)=0.87(2)nA=16[(16.00-1.30)/1.10]2=2857nB=16[(17.00-1.30)/1.20]2=2739nav=(2857+2739)/2=2798=2.80×103(3)H=L/n=30/2798=1.072×10-2cm=1.07×10-2cm根据公式L1/L2=（R1/R2）2得:L2=30×2.25/0.7569=89.18cm(5)tr2=tr1(R2/R1)2=17×1.52/0.872=50.54min在色谱图上，测得空气、辛烷、壬烷和未知物各峰的保留时间为0.6、13.9、17.9、15.4min。求未知物的保留指数？解:由题意知:tˊRx=15.4-0.6=14.8mintˊRZ=13.9-0.6=13.3mintˊRZ+1=17.9-0.6=17.3minIx=100[(lg14.8-lg13.3)/(lg17.3-lg13.3)+8]=840.6用内标法测定环氧丙烷中水份含量。称取0.0115g甲醇，加到2.2679g样品中，测得水份和甲醇的色谱峰高分别为148.8和172.3mm。水和甲醇（内标物）的相对重量校正因子分别为0.55和0.58，试计算水份的百分含量。解:Pi%=（hifˊims）/（hsfˊsm）×100%=（148.8×0.55×0.0115）/（172.3×0.58×2.2679）×100%=0.415%在一定色谱条件下分析只含有二氯乙烷、二溴乙烷、四异基铅的样品，得到其峰面积和校正因子如下：组分二氯乙烷二溴乙烷四异基铅Ai/cm2Fi’1.501.012.821.001.651.75用面积归一化法求各物质的含量。解:二氯乙烷的含量Pi%=（1.50×1.00）/（1.50×1.00+1.01×1.65+2.82×1.75）×100%=18.5%二溴乙烷的含量Pi%=（1.01×1.65）/（1.50×1.00+1.01×1.65+2.82×1.75）×100%=20.6%四异基铅的的含量Pi%=（2.82×1.75）/（1.50×1.00+1.01×1.65+2.82×1.75）×100%=60.9%10.分析试样中邻二甲苯，对二甲苯和间二甲苯三个组分，对其它组分不进行定量分析，若选用甲苯为内标物，称取试样质量为0.4385g，甲苯质量为0.0530g，相对校正因子及各组分色谱峰面积如下：组分邻二甲苯对二甲苯间二甲苯甲苯F’IAi/cm20.871.411.171.003.581.380.6830.95计算邻二甲苯、对二甲苯和间二甲苯的质量分数。解:根据内标法公式Pi%=（Aifˊims）/（Asfˊsm）×100%求得：邻二甲苯的质量分数Pi%=（3.58×0.87×0.0530）/（0.95×1.00×0.4385）×100%=39.6%对二甲苯的质量分数Pi%=（1.41×1.38×0.0530）/（0.95×1.00×0.4385）×100%=24.8%间二甲苯的质量分数Pi%=（1.17×0.683×0.0530）/（0.95×1.00×0.4385）×100%=10.2%自测题色谱法不具有下列哪种特性？（）A.分析速度快B.灵敏度高C.适用于混合物的分析D.组分快速定性在气-液色谱中，首先流出色谱柱的组分是：（）A.挥发性大的B.吸附能力大的C.溶解能力大的