氣相色譜在材料專業(yè)課程設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用

代 凱，徐美彥，汪元媛，霍 瑤，胡太平，張金鋒①

（淮北師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 淮北235000）

0 引言

氣相色譜在檢測技術(shù)中已有超過50年的使用歷史，在材料、生物、食品、化學(xué)、環(huán)境、制藥、農(nóng)業(yè)、化工和法醫(yī)等方面都得到廣泛應(yīng)用［1-2］. 作為一種簡單的物理分離分析方法，氣相色譜法可以分離、鑒定和分析測定沸點為23～773 K的揮發(fā)性穩(wěn)定化合物. 它具有許多其它分析測試方法無法比擬的優(yōu)點：快速、靈敏、易于操作，用少量樣品就可以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果. 可以分離和分析具有類似官能團結(jié)構(gòu)的同系物異構(gòu)體和同位素. 因此，現(xiàn)代大型高精密儀器設(shè)備的熟練使用成為大學(xué)本科生和研究生必備的技能.

為突出大學(xué)對應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，如何通過大學(xué)課程設(shè)計教學(xué)方式的改革，使材料類及其相關(guān)專業(yè)的碩士生和本科生能夠積極主動學(xué)習(xí)和掌握氣相色譜的工作原理、基本理論和基本方法成為教學(xué)研究的難點和重點. 尤其對新能源、綠色環(huán)境以及食品安全問題所需要的基本知識和基本測試技術(shù)手段有著充分的了解，有利于培養(yǎng)能夠正確地思考、分析、解決實際問題，為我國新能源、綠色環(huán)境技術(shù)和安全食品的研發(fā)培養(yǎng)大批專業(yè)人才［3-4］.

1 氣相色譜技術(shù)的特點及操作注意事項

1.1 氣相色譜技術(shù)的特點

氣相色譜主要用于定性和定量分析檢測樣品. 氣相色譜可以通過加載不同的檢測器、色譜柱以及其他附件進行多功能化. 當(dāng)顆粒吸附劑填入填充柱，能夠進行氣固色譜分析；而當(dāng)固定液體加入填充柱時，則可進行氣液色譜分析；若用毛細管色譜柱并進行進樣時，可進行毛細管色譜分析；如果熱解裝置連接到色譜儀的注射器，即可對聚合物進行熱解色譜分析. 餾分收集器可放置在色譜柱和檢測器之間，用于小型制備色譜. 在上世紀90年代，Philips等利用在線熱解析調(diào)制器通過溫度和極性的改變實現(xiàn)氣相色譜分離特性，由于傳輸頻率非常高，因此在聚焦后發(fā)送到極性柱，這樣有利于樣品的快速檢測. 相較于其他測試方法，如原子吸收分光光度法［5］，大大增強樣品的快速檢測性和準(zhǔn)確性. 隨著科技的發(fā)展，Stanford大學(xué)的研究人員推出一種具有重量輕、攜帶方便、分析速度快和檢測范圍廣，易于其他測試手段相結(jié)合使用的便攜式氣相色譜儀，能夠適合于不同氣體、液體的監(jiān)測和產(chǎn)品的質(zhì)量控制等［6］.

1.2 操作注意事項

氣相色譜具有應(yīng)用價值巨大，因此得到廣泛的使用. 但氣相色譜的缺點是必須用已知物的色譜數(shù)據(jù)來進行對照，不能直接根據(jù)色譜數(shù)值得出定量的結(jié)論. 對于材料類的碩士生和本科生來說，無論是為打好基礎(chǔ)還是為將來能夠從事科研、教學(xué)、售后和管理等相關(guān)專業(yè)工作，理解和掌握某些氣相色譜技術(shù)是很重要. 關(guān)于教學(xué)碩士生和本科生如何在科學(xué)實驗中正確使用氣相色譜儀，其中最重要的環(huán)節(jié)就是手動進樣，則非常依賴操作員的經(jīng)驗，因為手動進樣無法精確掌握每次進樣的速度以及量，這樣會嚴重影響機器的測試結(jié)果，進樣過程中的細微差別會導(dǎo)致最終實驗結(jié)果的極大差異性. 對于難以分離的樣品，實驗員則需根據(jù)自己的經(jīng)驗來設(shè)置儀器參數(shù)，例如調(diào)大分流比，減小柱流量，調(diào)節(jié)進樣口和色譜柱的溫度，以及加快進樣速度與加大進樣口相較于柱載壓力. 通過這些手段可以有效地將難以分離的峰分離開以致能夠準(zhǔn)確定性定量測試樣品［7］. 在不同溫度下試樣的峰形和出峰時間明顯不同［8］，較易觀測. 長期使用過程中也許會碰到色譜柱和進樣口被污染的情況，掌握解決這一問題的方法也很重要. 對于色譜柱污染，則可以通過老化色譜柱來實現(xiàn)，溫度則可以在原來測試基礎(chǔ)上提高30 ℃左右老化2 h即可，若色譜柱污染較嚴重，則可以在每隔20 min時進0.5 μl試劑丙酮，進3針即可.

2 氣相色譜在課程設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 氣相色譜的應(yīng)用分類

氣相色譜應(yīng)用主要包括：1）氣體分析：氫氣、氧氣和甲烷等能源氣體的檢測；2）飲用水中痕量的農(nóng)藥、多環(huán)芳烴和有機溶劑殘留等檢測；3）環(huán)境水域中含有的難降解的有機污染物；4）土壤中含有的有毒有害有機污染物；5）固體廢棄物等. 在碩士生和本科生課程設(shè)計中氣相色譜主要應(yīng)用于新能源領(lǐng)域、環(huán)境領(lǐng)域和食品安全分析中.

2.2 氣相色譜技術(shù)在新能源領(lǐng)域中的應(yīng)用

能源短缺的問題日益嚴峻，以煤、石油和天然氣為代表的化石燃料一方面儲量在急劇下降，另一方面這些化石燃料存在環(huán)境污染. 利用太陽光光解水制氫氣作為清潔能源且產(chǎn)物為水無污染是解決能源短缺問題的有效途徑. 在淮北師范大學(xué)課程設(shè)計中，采用可見光光催化劑在氙燈的激發(fā)下光解水產(chǎn)生氫氣，利用氣相色譜檢測光催化過程產(chǎn)生氫氣的峰形如圖1所示. 因為氫氣是非揮發(fā)性碳氫化合物，這里的氣相色譜可以采用TCD 熱導(dǎo)檢測器來檢測，熱導(dǎo)檢測器之所以被人們所青睞，是因為它的結(jié)構(gòu)簡單，輔助部件少，線性范圍較寬，應(yīng)用范圍寬廣，是一種通用檢測器，除對有相同導(dǎo)熱系數(shù)的樣品組分外，它幾乎對所有的揮發(fā)性物質(zhì)都有響應(yīng)，因此從引入氣相色譜法以來，它一直是使用最廣泛的一種檢測器. 這種檢測器具有中等靈敏度和寬達4個數(shù)量級的線性范圍，因此在光催化分解水中得到廣泛應(yīng)用［9］.

圖1 H2檢測譜圖

圖2 CH4和CH3OH檢測譜圖

2.3 氣相色譜技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用

由于二氧化碳的大量排放，溫室效應(yīng)問題變得日益嚴峻，在淮北師范大學(xué)課程設(shè)計中，除光解水制氫氣來獲取清潔能源外，還可以通過光催化技術(shù)還原二氧化碳轉(zhuǎn)換為碳氫或碳氫氧等化合物，利用氣相色譜儀檢測實驗過程產(chǎn)生甲烷和甲醇的圖形如圖2所示. 由于實驗過程中，光催化轉(zhuǎn)換二氧化碳的產(chǎn)物濃度過低，TCD檢測器的靈敏度遠遠不夠，檢測不出來，這里就要用FID檢測器來檢測光催化過程中產(chǎn)生的甲烷和甲醇等產(chǎn)物. 用FID檢測器是質(zhì)量流速檢測器，它不需要離子流放大器作為訊號的輸出放大器，從檢測器內(nèi)熱電偶上給出的電勢可以直接在一臺直流電位差計記錄器上得到訊號電勢的繪圖. 因此FID檢測器可以直接將樣品組分的燃燒熱作為定量校正是它的最大優(yōu)點，它已廣泛應(yīng)用于有機能源燃料的光催化二氧化碳轉(zhuǎn)化.

2.4 氣相色譜技術(shù)在食品安全分析中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，食品安全問題成為我國全社會關(guān)注的焦點. 尤其我國的飲品和煙熏類、蔬菜及水果等食品問題較為突出最為嚴重. 了解我國食品中各種污染物的污染程度并制定相應(yīng)的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)具有重要的食品安全意義. 采用氣相色譜可快速檢測出煙熏、燒烤及油炸類食品中含有的20多種多環(huán)芳烴以及在煙草中含有的多達132種農(nóng)藥殘留污染［10］. 此外，還可以檢測食品防腐添加劑山梨酸和苯甲酸等食品含量，在蔬菜，蜂蜜及水果等檢測“六六六”、七氯、滴滴涕、有機磷、艾試劑、硫丹和有機氮農(nóng)藥殘留［11］，食品包裝袋中有害物質(zhì)成分和含量的檢測分析以及分析水體中的二甲苯、苯、甲苯、有機氯、丁苯萘、有機溴和痕量酚類化合物等50多種有毒污染［12］.

3 氣相色譜技術(shù)定量定性分析

氣相色譜既可以進行定性檢測，又可以進行定量檢測. 在定性檢測中，可以將純物質(zhì)先進行測試然后對應(yīng)出相關(guān)的數(shù)據(jù)，然后對照該測試結(jié)果，每一種成分均有其內(nèi)在的保留時間、保留體積、調(diào)整保留體積、調(diào)整保留時間，且不受其他組分的影響，因此可以確定每個峰位代表的組分，從而確定由這些組分所構(gòu)成的混合物試樣的組成. 在定量分析中，可以用峰高或峰面積以內(nèi)標(biāo)法、外標(biāo)法或歸一化法定量，并與微機聯(lián)用作為現(xiàn)代化的分析工具［13］.

4 構(gòu)建完善的課程設(shè)計體系

氣相色譜方法課程設(shè)計是一門實踐性很強的學(xué)科，雖然一直非常重視實驗教學(xué)改革，但目前本專業(yè)的實驗教學(xué)體系中仍存在一些比較突出的問題與不足. 在學(xué)生平均總學(xué)時數(shù)中，實驗教學(xué)的學(xué)時比例仍偏低. 在基礎(chǔ)實驗課程中，驗證性的實驗項目過多，綜合性、設(shè)計性的項目偏少. 同時，還存在實驗項目與理論課內(nèi)容的聯(lián)系不夠緊密［14-15］；實驗課程之間傾向于各自為政，內(nèi)容和結(jié)構(gòu)銜接得不夠好；教師的科研課題未能充分引入到專業(yè)實驗教學(xué)或畢業(yè)設(shè)計中. 這些都在一定程度上削弱實驗教學(xué)體系的科學(xué)性和先進性.

針對氣相色譜方法課程設(shè)計的現(xiàn)狀與存在的問題，我們以“注重基礎(chǔ)、強化實驗、培養(yǎng)能力”為指導(dǎo)思想，對現(xiàn)有的實驗教學(xué)體系進行全面深入的改革與優(yōu)化. 具體思路是從實驗教學(xué)目標(biāo)體系、內(nèi)容體系、保障體系、管理體系和質(zhì)量監(jiān)控體系等5個實驗教學(xué)的子體系著手，全方位打造一個以提高應(yīng)用型人才實踐能力為核心的實驗教學(xué)體系［16］. 在定位目標(biāo)的情況下，研究生帶領(lǐng)本科生自己調(diào)研實驗內(nèi)容，導(dǎo)師充當(dāng)輔助角色，不僅將學(xué)生的實驗安排在實驗室進行，而且還安排在本實驗教學(xué)中心進行，或者直接安排到實習(xí)實訓(xùn)基地中進行. 在完成氣相色譜理論知識和操作知識后，加強實驗室的開放管理，對培養(yǎng)學(xué)生的“動手能力、創(chuàng)新能力、具備跨學(xué)科綜合交叉知識結(jié)構(gòu)的應(yīng)用能力、合作精神、宏觀管理與協(xié)調(diào)能力”具有十分重要的實際作用. 在實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)部分同學(xué)能夠進行實驗的創(chuàng)新性改進. 如學(xué)生設(shè)計自來水中甲醇含量的測試，然后根據(jù)結(jié)果進行葡萄酒中甲醇含量的測試. 這個方法具有非常具體的實際使用意義，學(xué)生的研究積極性得到很大的提高.

5 總結(jié)

在以科技創(chuàng)新為主的時代發(fā)展趨勢中，氣相色譜技術(shù)這一相對成熟的科學(xué)技術(shù)在材料、食品、化工、醫(yī)學(xué)和生物等多方面領(lǐng)域都具有重大的科學(xué)效用. 對于當(dāng)代材料類專業(yè)的碩士生和本科生而言，通過了解并掌握氣相色譜技術(shù)的相關(guān)知識可以更好地完成有關(guān)實驗操作，強化能源危機、環(huán)保意識和食品安全理念，為我國可持續(xù)經(jīng)濟的發(fā)展培養(yǎng)合格的社會主義建設(shè)接班人.