气相色谱仪简介及应用

附　　录

附录1　气相色谱仪

色谱分析法是一类物理化学分离分析方法，该法依靠某种动力（如压力）使流动相对固定相产生相对运动，运动过程中使被测组分在两相间反复分布，由于各组分在吸附力、溶解度或其他作用力上的差别，从而造成它们移动速度的不同。由于动力源、流动相及固定相的不同，色谱法可以分为很多种，如气相色谱、经典液相色谱、高效液相色谱、薄层色谱等。

1．1　气相色谱法

气相色谱法是以压缩气体（或称载气）作流动相，色谱柱入口与出口的压力差为动力源。一般来说，气相色谱法适应于气体、液体及部分固体样品的分离。对于难挥发的样品，可制成易挥发的衍生物；对于操作温度下易分解的样品，需转化为热稳定性好的衍生物。气相色谱法特别适于多种组分混合物的分离，既可作常量组分分析，又可作痕量组分分析，某些仪器还具有收集几十到几百毫克馏分的功能。

根据所使用固定相不同，可将气相色谱分为气固吸附色谱和气液分配色谱。前者以固体吸附剂作为固定相，后者以涂在固体载体上的不挥发液体薄膜为固定相，两者均以惰性气体为流动相。

气固吸附色谱将含各组分的样品注入进样口，样品立即气化，并以一团蒸汽塞的形式被载气吹进色谱柱入口。样品中的组分在色谱柱顶端即被固定相所吸附，随之又被后面过来的载气所解吸。当样品被载气带着向色谱柱口运动的过程中，重复地发生着这种吸附解吸过程，每一种组分以它自己的速率通过色谱柱，从而形成相应于每一组分的色谱带。各个组分的谱带之间的距离大小取决于组分的吸附能力（或分配比）和谱带展开的程度。各个组分被连续地洗脱，按照吸附能力由小到大的顺序，分别先后进入色谱柱后面的检测器。记录器则在记录纸上将检测器所收到的信号加以放大，以时间对各个组分流出的关系曲线（即色谱峰）表示。可采用积分仪直接计算各个色谱峰的面积。色谱峰的出峰时间（保留时间）用于鉴定相应的组分；色谱峰的面积与该组分的浓度（或质量）有关，因而可用于定量分析。气相色谱仪示意如下图所示。

色谱仪通常具有热导池检测器（TCD）和氢火焰检测器（HD）。热导池检测器具有结构简单、稳定性好、线性范围宽、操作方便、灵敏度适宜等优点，对无机和有机可挥发物均有响应，且不破坏样品，适合常量分析及含量在十万分之几以上的组分的分析。

本实验装置采用氢气作为载气，其具体使用方法为：

（1）开气。打开氢气钢瓶，使仪器稳定阀保持氢气压力0．12～0．25MPa。调节仪器上进氢气的针阀，使转子流量计的转子调节到指定刻度，把尾气管引出室外。

（2）通电。打开电源总开关，再依次打开柱箱、检测室、气化室的电开关，按所设定的实验条件进行恒温。

（3）测量。打开记录仪走纸开关，开启微处理机，使记录仪和微处理机处在工作状态；待基线稳定后，用注射器将样品注入色谱仪；操作微处理机，从积分仪上求得分析结果。

（4）停机。先关电，再关气。首先关掉记录仪上的开关和电源开关；然后关闭热导、柱箱、气化室和总电源；最后关掉氢气钢瓶的总开关。

气相色谱仪示意图

1－气体钢瓶；2－调压阀；3－净化器；4－气体调节阀；5－流量计；6－恒温箱；7－进样口；8－色谱柱；
9－参比检测器；10－测量检测器；11－馏分收集器；12－电桥；13－数据处理机

1．2　色谱定量分析

色谱定量分析经常采用归一化法，其原理是根据气相色谱定量分析时，在一定的条件下，待分析物质的质量Wi与检测器的响应值（在色谱峰上的面积Ai或峰高）成正比：

Wi＝FiAi

比例常数Fi可由标准样品的质量和峰面积响应值计算求出。

附录2　阿贝折射仪

阿贝折射仪是一种光学仪器。在生物工程实验中，常用阿贝折射仪测定二元混合液的组成。阿贝折射仪可以测定温度在10～50℃内的折射率。折射率测量范围为1．300～1．700，测量精度可达±0．000 3。该仪器使用较简便，取得数据较快。折射仪的结构已在物理化学实验中介绍过，如下图所示。

阿贝折射仪

1－测试镜；2－消色散手柄；3－恒温水入口；4－温度计；5－测量棱镜；6－铰链；7－辅助铰链；
8－加液槽；9－反射镜；10－读数望远镜；11－转轴；12－刻度罩；13－锁钮；14底座；15－手柄

2．1　折射仪的使用方法

（1）先将折射仪置于白炽灯前，再将测量棱镜和辅助棱镜上保温夹套的水进出口与超级恒温水浴之间用橡皮管连接好，然后将恒温水浴的温度自控装置调节到所需测量的温度。待水浴温度稳定10min后，即可开始测量。

（2）加样。松开棱镜组上的锁钮，将辅助棱镜打开，用少量丙酮清洗镜面，用揩镜纸将镜面揩干。待镜面干燥后，闭合辅助棱镜，将样品用滴管从加液小槽中加入，然后旋紧锁钮。

（3）对光和调整。转动手柄，使刻度盘标尺的示值为1，并调反射镜，使入射光进入棱镜组，使测量望远镜的视场最亮。再调节目镜，使视场准丝最清晰。转动手柄直至观察到视场中的明暗界限，此时若出现色彩光带，则应调节消色散手柄，直到视场内呈现清晰的明暗界限为止，将明暗界线对准准丝交点上。此时，从读数望远镜中读得的读数即为折光率nD值。

（4）测量结束时，先将恒温水浴的电源关掉，同时关掉白炽灯，然后将棱镜表面擦干净。如果较长时间不使用，应将与恒温水浴连接的橡皮管卸掉，并将棱镜保温套中的水放干净，然后将折射仪收藏到仪器箱中。

2．2　使用折射仪的注意事项

（1）保持仪器的清洁，严禁用手接触光学零件（如棱镜及目镜等），光学零件只允许用丙酮、二甲苯、乙醚等清洗，并只允许用揩镜纸轻擦。

（2）仪器应严禁激烈振动或撞击，以免光学零件受损伤和影响精度。

（3）折射仪的刻度盘上标尺的零点有时会发生移动，须经常加以校正。其方法是用一已知折光率的标准液体，一般用纯水按上述方法进行测定，将平均值与标准值比较，其差值即为校正值。纯水的n20＝1．332 5。

附录3　电热锅炉使用说明

3．1　使用说明

由于本实验采用大功率电热锅炉（见下图），特制订本使用说明。

电热蒸汽锅炉

（1）通电前先关闭排污阀、主汽阀，打开放气阀、进水阀，准备锅炉进水。

（2）将电控箱面板上“加热手动／自动”钮置于中间空档位，“给水泵手动／自动”钮置于手动位。

（3）合上配电柜电源开关、打开面板上的电源开关。

（4）察看仪表，指示灯显示的参数及工作状态是否正常，特别注意电热蒸汽锅炉缺水超压是否报警，若有异常应查明原因并予以排除，直到全部正常。

（5）调整各项预置工作参数：

①压力控制仪的上限设定压力调到0．5MPa，下限设定压力调整到0．4MPa。

②将电热蒸汽锅炉上的电接点压力表上限指针拨到“0．7MPa”，下限指针拨到0．05。

上述两项参数在使用过程中可按如下规则做调整：

压力下限小于压力上限小于电接点压力表上限压力，且压差在0．1MPa以上。压力表上限设置必须不大于0．7MPa。

（6）水位正常后分别按下四组加热按钮，观察三相电流是否正常，若三相电流不平衡，读数相差15A以上，应查明原因，及时排除故障（三相电流不平衡并不影响其他操作，仍可开机运行）。

（7）手动操作正常后，可切换到“加热自动”控制。电热蒸汽锅炉即按预设的各项参数自动分组启动或停止电加热。

（8）运行中出现故障报警时，可按消音钮消音。

（9）若需要停掉电加热，保留面板显示及其他功能，将“加热手动／自动”选择按钮置于中间空档位；若要完全停止电加热锅炉运行，关电源开关，最后拉开配电柜电源。

（10）给水泵出口处水压应比电热蒸汽锅炉压力高出0．1MPa。

（11）当电热蒸汽锅炉进行通电，加热水位正常，发现放气阀冒出蒸汽后，关闭放气阀，打开主汽阀使蒸汽通至分汽阀，再通过疏水阀泄水管2～5min排除管道中冷凝水后，关闭疏水阀，即可对外送汽。首次电加热产生蒸汽后，应打开锅炉排污阀，排污1～2次。

（12）电热蒸汽锅炉运行中遇到下列情况之一时，应立即停掉电热蒸汽锅炉电源：电热蒸汽锅炉缺水，水位低于水位表最低可见边缘；安全阀失效；水位表或压力表全部失效；给水泵故障不能继续供水；电气接线温度过高出现异味或冒烟着火；其他异常情况超出允许范围且危及安全运行。

（13）设立运行操作记录等，做好各项指标的运行记录。

3．2　日常运行维护和保养

为保证设备正常、安全运行并延长设备寿命，应做好维护保养工作。

（1）认真执行排污制度。新设备每天排污1～2次，连续使用一个月后，可根据炉水品质合格情况，适当延长排污时间，每次开启排污阀门10～20s，定期排污应在低负荷下进行，同时严格监视水位。排污后须将排污阀门关紧。

（2）新设备连续使用三天后，应检查并紧固电控箱出线端子，电热元件接线柱。以后应经常巡视检查运行中的线路、电控箱、电热蒸汽锅炉元件、水泵等设备，确保电线连接、接地安全可靠。

（3）水位表压力表应每天冲洗一次，压力表在三通旋塞冲洗时，观察指针是否灵活正确。

（4）水位传感器电极应半月拆洗一次。

（5）安全阀经调整后，运行中每周开启一次，每次提位安全阀3～5s，以防安全阀生锈失灵。安全阀每年至少一次整定和校验。经过验修或更换后，安全阀要重新进行整定，其整定压力、回座压力、密封性等检验结果应记入技术档案。校验后应铅封，严禁任意将阀芯卡死、提高安全阀开启压力或使安全阀失灵后运行。

（6）电热元件端部严防受潮，尤其夏季要严格禁止冷水进入电热蒸汽锅炉，造成结垢而使电热元件受损报废。对备用或停用的锅炉，必须采取防腐措施，对短期停用锅炉可采取湿法保养，将电热蒸汽锅炉锅筒内灌满水后，保持微压，并将所有阀门关紧。

（7）定期抽查电热元件表面结垢情况，如有结垢，应清除，并检查水质。

（8）做好电热蒸汽锅炉水质管理工作，采用有效的水处理措施，使电热蒸汽锅炉正常运行。

附录4　实验室安全操作基本知识

生物工程单元操作实验是一门实践性很强的技术。实验过程中必须遵守一些共同的不可违反的安全技术。由于生物工程单元操作实验涉及内容十分广泛，对于实验人员来说，应有足够的安全知识才能保证工作顺利进行。因为在实验过程中要接触具有易燃、易爆、有腐蚀性和毒性的物质，同时还要在高压、高速、高温或低温、真空条件下操作。此外，还要涉及用电和仪表操作等方面的问题，故要能有效地达到实验目的就必须精通安全技术。

4．1　危险药品分类(www.xing528.com)

1）爆炸性物品

常见的爆炸物品有硝酸铵、雷酸盐、重氮盐、三硝基甲苯和其他含有三硝基以上的有机化合物等。这类物质对热及机械作用敏感，爆炸力很强，爆炸时不需要空气助燃，会产生有毒及刺激性气体。

2）氧化剂

常见的氧化剂有高氯酸盐、氯酸盐、次氯酸盐、过氧化物、过硫酸盐、高锰酸钾、铬酸及重铬酸盐等。它们本身不燃，但在受热、受光及其他药品（酸、水等）作用时，能产生氧，起助燃作用并造成猛烈燃烧。

3）易燃液体和可燃气体

实验室中如有苯、乙醇、丙酮、煤气等，遇明火即燃烧。易燃液体的蒸汽一般比空气重，当它们在空气中挥发时，常常在低处或地面上飘浮。因此可能在距离存放这种液体相当远的地方着火。所以，这类物品必须严禁明火，远离电源设备及其他热源，更不能与危险品放在一起，以免引起更大危害。

4）腐蚀性物品

这类物质有强酸、强碱、苯胺等。它们对皮肤和衣服有腐蚀作用，特别是在浓度和温度都较高的情况下。使用中应防止与人体（特别是眼睛）和衣服接触。

4．2　安全使用危险药品

实验室内领用危险药品应根据实验需要用量按照规定数量领取。不能在实验场所存放大量危险物品。存放易燃药品应严禁明火、远离热源、避免日光直射。

危险物品在实验前结合实验具体情况，制定出安全操作规程。蒸馏易燃液体或在高压釜内进行液相反应时，加料的数量绝不允许超过容器的2／3。在加热和操作过程中，操作人员不得离岗，不允许在无操作人员监视下加热。低沸点的易燃有机物精馏，不应使用明火直接加热。进行这类实验的操作人员，必须熟悉实验室中灭火器材的存放地点和使用方法。

4．3　安全使用压缩气体钢瓶

压缩气体通常都是充装在耐压钢瓶中。氢、氧、氮等压缩气体最高压力可达15MPa。若受日光直晒或靠近热源，瓶内气体膨胀，超过钢瓶耐压强度，容易引起爆炸。可燃压缩空气的泄漏也会造成危险。如氢气泄漏或含氢尾气排放时，当氢气和空气混合后浓度达到4%～75．2%时，遇明火即会爆炸。

常用气瓶的色标为：氧气，天蓝色；氢气，深绿色；氮气，黑色；氯气，草绿色；氨气，黄色；石油气，灰色。其中氧气、氮气、氯气、氨气阀门出口为正扣；氢气、石油气为反扣。按规定，可燃气体钢瓶与明火距离在10m以上。钢瓶使用时必须牢靠地固定在架子上、墙上或实验台旁。运输钢瓶应戴好瓶帽和橡胶安全圈，严防碰撞。氧气钢瓶上及其附件上严禁黏附油脂等物，阀门及垫片、减压阀不能用可燃性垫片。使用钢瓶必须连接相应的减压阀或高压调节阀。当钢瓶内压力降至0．5MPa时应停止使用，压力过低会给充气带来不安全因素。

4．4　预防生物危害

（1）生物材料如微生物、动物组织、细胞培养液、血液和分泌物都可能存在细菌和病毒感染的危险，绝不可忽视。如通过血液感染的血清性肝炎、通过呼吸感染的SARS病毒就是最大的生物危害之一。感染主要途径除血液、呼吸外，其他如体液也能传递病毒，因此处理各种不同类型生物体、生物材料必须谨慎、小心，做完试验后必须用肥皂、洗涤剂、消毒液充分洗净双手。

（2）使用微生物作材料时，尤其要注意安全和清洁卫生。被污染的物品必须进行高温消毒或烧成灰烬。被污染的玻璃器材必须清洗，在适当的消毒液中浸泡并高温灭菌。

（3）进行遗传重组的试验应根据有关规定加强生物危害的防范措施。

4．5　实验室消防

实验操作人员必须了解消防知识。实验室内应准备一定数量的消防器材。工作人员应熟悉消防器材的存放位置和使用方法，绝不允许将消防器材移作他用。实验室常用消防器材包括下列几种：

1）灭火沙箱

易燃液体和其他不能用水灭火的危险品，着火时可用沙子来扑灭。但沙子不能混有可燃性杂物，并要干燥。实验室内沙箱有限，故这种灭火工具只能扑灭局部小范围的火源。

2）泡沫灭火器

灭火液由50份硫酸铝和50份碳酸氢钠及5份甘草精组成。使用时将灭火器倒置，碳酸氢钠溶液与硫酸铝反应生成二氧化碳，甘草精则是发泡剂，此泡沫黏附在燃烧物表面上，隔绝空气而达到灭火的目的。它适用于扑灭实验室一般火灾，油类在着火开始时也可使用，但不能扑灭电线和电器设备的火灾。因为泡沫是导电的。

3）四氯化碳灭火器

钢瓶内装入四氯化碳并压入0．7MPa的空气，使灭火器有一定的压力。使用时将灭火器倒置，旋开手阀即喷出四氯化碳，它是不燃液体，其蒸汽比空气重，能覆盖在燃烧物表面而与空气隔绝而灭火。它适用于扑灭电器设备的火灾。但要站在上风喷，因为四氯化碳是有毒的。灭火后室内应通风，以免中毒。

4）二氧化碳灭火器

钢瓶内是压缩的二氧化碳。使用时旋开手阀，二氧化碳急喷而出，使燃烧物与空气隔绝。空气中含有12%～15%的二氧化碳时，燃烧即停止。使用时注意防止现场人员窒息。

4．6　实验室安全用电

1）保护接地和保护接零

当大于10mA的交流电流或大于50mA的直流电流通过人体时就可能危害人体安全。我国规定36V（50Hz）的交流电是安全电压。防止触电要经常检查实验室的电气设备，注意是否有保护接地或保护接零的措施。

检查漏电常用试电笔。一般使用前要在带电的导线及设备壳上预测，以检查是否正常。保护接地是指电器设备的金属外壳上有一足够粗的导线埋在地下的金属体上。一旦漏电，电流可流入地下，人体触及外壳时，流过人体的电流很小而不致触电。实验室设备大部分用保护接零的办法。

保护接零是指电器设备的金属外壳用一导线接于供电系统的零线上。设备漏电时，金属外壳与零线形成一个短路电路，由于零线电阻很小，短路电流很大，使熔断丝断开，切断电源。

2）实验室安全用电注意事项

（1）进行实验之前必须了解室内总电闸与分电闸的位置，出现事故时可以及时切断电源。

（2）电器设备的维修必须停电作业。

（3）电器设备的保护接零应定期检查是否良好。

（4）导电线裸露部分必须用绝缘胶布包好。

（5）所有电器带电时不能用湿布擦抹，更不能有水落于其上。

（6）电源的熔断丝及保险管必须按规定使用，不能任意加大，更不能用铜丝或铝丝代替。

（7）发生停电，必须切断所有电闸，以防来电时设备在无人监视的情况下运行。

附录5　法定计量单位和单位换算

5．1　国际制（SI）基本单位

5．2　常用物理量单位及因次

5．3　基本常数与单位

附录6　生物工程单元操作实验中的常用数据表

6．1　水的物理性质

6．2　干空气的物理性质

6．3　常压下乙醇－水的气液平衡数据

6．4　乙醇－水溶液的浓度和比重的关系

6．4．1　15℃下乙醇－水溶液的密度

6．4．2　温度对乙醇和水的密度的影响

（1）水的密度与温度的关系：

（2）乙醇的密度与温度的关系：

密度校正公式：

d（t）＝0．806 32－0．000 853 65t－10－8t2－2．0×10－9t3

6．5　丙酮在水（水溶液）中的溶解曲线

6．6　丙酮－空气混合气体中丙酮的饱和浓度数据

（1）在1．23×1．01×105Pa（1．23atm）条件丙酮在空气中的饱和浓度与温度的关系：

（2）丙酮、空气混合气体中丙酮的极限浓度y＃1与空气温度t的关系（压强为1．2×105Pa）：

（3）丙酮的平衡溶解度：

丙酮－空气体系中丙酮的平衡分压和液相浓度的关系可拟合为：

p＝（－0．434 48＋144．22x－471．851 8x2）（4．500 47＋0．455t－1．596 2×10－3t2＋5．533 8×10－4t3）exp（－0．146 21－1．766 4x）

该公式的标准误差为9．03%。