高效液相色譜研究式教學實驗的設計與實踐

孫大貴， 劉作華， 李文坡， 陳昌國

(重慶大學化學化工學院，重慶 400044)

0 引言

高效液相色譜法(HPLC)具有分離效能高、選擇性好、檢測靈敏度高、分析速度快等特點，已經(jīng)成為商品檢驗、環(huán)境科學和生命科學等領域科學研究、科學鑒定的重要分離分析手段[1]，被列為高校本科及研究生儀器分析實驗課程的實驗項目之一[2-3]。但幾乎都是在固定色譜條件下進行定量分析的傳統(tǒng)實驗教學模式，缺乏創(chuàng)造性的探索過程。且實驗課時有限，一般只有4～8學時，學生對HPLC分析方法只能走馬觀花，達不到良好的教學效果[4]。

高效液相色譜儀屬于大型精密儀器，數(shù)量有限，運行、維護成本高，對實驗操作的技能技巧要求較高，所以，對教師和學生的開放程度相對有限[5-6]?！疤摂M實驗室”的開發(fā)應運而生，成為眾多高校實驗教學，尤其是儀器分析課程教學改革的新發(fā)展方向之一[7]。但卻失去了師生之間面對面互動式的教學相長機會，更不可能達到熟練操作的目的[8]。因此，很有必要設計具有啟發(fā)式、探究式、討論式、科研與教學互動的HPLC教學實驗[9]。

由于科研工作的需要，作者探索了用高效液相色譜法測定混合鄰苯二甲酸酯的方法[10-11]，并將其改編成儀器分析的研究式教學實驗。具體包括了色譜柱效的測定、色譜條件優(yōu)化、定量分析3個實驗項目，其中“色譜條件優(yōu)化”最具代表性。

1 實驗器材

(1)儀器。Agilent 1100高效液相色譜儀，色譜柱Hypersil ODS(4.6 mm×150 mm)，固定相顆粒度5 μm，MWD檢測器，高壓六通進樣閥，定量管20 μL。

(2)流動相。乙腈(色譜純)，超純水。

(3)標準溶液。濃度均為10 μg/L的鄰苯二甲酸二甲酯(DMP)，鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)，鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)溶液。均為分析純。

2 教學過程

2.1 課題引入

鄰苯二甲酸酯 (Phthalic Acid Esters，PAEs)是一類應用廣泛的合成有機物。近年來，研究發(fā)現(xiàn)鄰苯二甲酸酯類化合物極難降解，在體內(nèi)長期累積，嚴重干擾人類和動物的內(nèi)分泌系統(tǒng)，具有致突變、致癌和致畸形的作用，因此，有關環(huán)境中鄰苯二甲酸酯類污染物的控制和治理引起了人們的高度重視。其中6種被美國環(huán)境保護署列為優(yōu)先控制的環(huán)境污染物，我國環(huán)境保護部也將其中3種列為優(yōu)先控制的環(huán)境污染物，并發(fā)布了采用正相液相色譜法測定的標準[12]。

討論1:正相液相色譜法與反相液相色譜法各有什么特點?

小結:在正相色譜法中，固定相的極性大于流動相的極性，適用于分離油溶性或水溶性的極性和強極性化合物。在反相色譜法中，固定相的極性小于流動相的極性，一般采用非極性鍵合固定相，如硅膠-C18H37(簡稱ODS或C18)、硅膠-苯基等，用極性溶劑為流動相，如甲醇/水，乙腈/水，水和無機鹽的緩沖液等。水、甲醇、乙腈的穩(wěn)定性好，紫外吸收截止波長小、紫外吸收低、粘度低、互溶性好、混合溶劑的極性可以在很大范圍內(nèi)調(diào)整，應用范圍比正相色譜法更廣泛，可以解決80%的液相色譜分析課題[13]。本實驗將探索采用反相液相色譜測定鄰苯二甲酸酯類化合物的方法。

2.2 實驗條件的設定和優(yōu)化

在色譜柱選定的前提下，需要設置的條件主要有柱溫、檢測器波長、流動相組成、流動相流量等。柱溫一般以略高于室溫為宜:30℃，流動相流量一般為1.0 mL/min，MWD波長:228 nm。而流動相組成對實驗結果的影響最大，一般應根據(jù)實驗探索。

討論2:流動相組成初始值應如何設置?

小結:初始試驗點事先不知道的情況下，在選點方法、試驗次數(shù)，黃金分割法具有最優(yōu)性[14]，這種方法能以較少的實驗次數(shù)，迅速找到最優(yōu)方案，因而是一種常用的優(yōu)選法。根據(jù)“黃金分割法”優(yōu)選(即0.618法)，將流動相中乙腈/水的組成初始值設為62/38。實驗結果如圖1所示。

討論3:色譜分析方法的優(yōu)劣如何評價?

小結:根據(jù)色譜圖可以大致判斷分析方法的優(yōu)劣:①分離度。譜峰數(shù)應與組分數(shù)相對應，即樣品中有幾個組分就應該有幾個峰，每個組分是否達到基線分離;②峰形。峰形尖銳、對稱(無前伸或拖尾)、大信噪比的窄峰最好，有利于提高定性、定量的準確性、重現(xiàn)性;③分析速度。出峰時間的分布是否均勻，總體分析速度是否快。由圖1可見，分離度很好，但峰3較寬，出峰時間較慢、且與峰2相距較遠，分析時間14 min左右，因此，需要進行優(yōu)化。

圖1 流動相乙腈/水為62/38的色譜圖

討論4:色譜分析方法的優(yōu)化應如何著手?

小結:色譜分析方法的優(yōu)化，可以通過改變固定相、流動相、溫度等條件來實現(xiàn)。在色譜柱選定的前提下，流動相的組成與配比，是色譜系統(tǒng)分離性能的關鍵。優(yōu)化的目標是在保證一定分離度的條件下，實現(xiàn)分析速度的最優(yōu)化，或在保證一定分析時間的條件下，實現(xiàn)難分離物質(zhì)對分離度的最優(yōu)化。

根據(jù)實驗結果，應增加流動相淋洗強度，因為反相液相色譜法的固定相為非極性，根據(jù)“相似相溶”原理，應增加弱極性溶劑乙腈的含量，根據(jù)“黃金分割法”0.618+0.382 ×0.618=85，因此將流動相乙腈/水的組成設為85/15。實驗結果如圖2所示。

圖2 流動相乙腈/水為85/15的色譜圖

由圖2可見，峰3的峰形得到了改善，分析時間縮短到7 min左右，但峰1、峰2的分離度變差，因此，需要進一步優(yōu)化。

討論5:能否繼續(xù)改變乙腈/水組成的方法優(yōu)化?

小結:當樣品中所含組分的極性或其它性質(zhì)相差較大時，若采用等度洗脫，有時不能使所有的組分都得到較好的分離，或保留強的組分的出峰時間相差太遠。這時可采用梯度洗脫的方法，即在分析過程中，按一定程序不斷改變流動相的濃度比，從而使一個復雜樣品中性質(zhì)差異較大的組分能按各自適宜的容量因子達到良好的分離，使保留強的組分在保證充分分離的前提下，盡快流出分離柱，縮短分析時間。

討論6:梯度洗脫的流動相條件應如何設置?

小結:液相色譜梯度洗脫的比等度洗脫復雜得多，是色譜流動相選擇性優(yōu)化的難點，要考慮梯度洗脫模式和梯度洗脫程序兩個問題。梯度洗脫模式分為線性梯度和非線性梯度，非線性梯度又分為曲線梯度、分段梯度、臺階梯度，其中線性梯度優(yōu)點是基線平滑，程序設計較簡單，是初試實驗的首選。至于梯度洗脫程序的設計，可以借鑒以上兩個實驗結果，對于峰1、峰2乙腈/水為62/38左右為宜，考慮到線性梯度過程中乙腈/水的比例是逐漸增大，因此，乙腈/水的組成初始值設為50/50，對于峰3乙腈/水應大于85/15，因此，梯度洗脫程序設為0～8 min乙腈/水的組成從50/50變化到100/0。實驗結果如圖3。

圖3 梯度洗脫的色譜圖

從圖3可見，分析周期縮短，分離度高，所有峰形令人滿意。實驗探索獲得成功。

討論7:梯度洗脫應注意哪些問題?

小結:梯度洗脫時，由于流動相的混合、組成不斷變化，因此，在設計實驗時，應注意以下問題:①為保證良好的重現(xiàn)性，梯度洗脫對儀器的性能要求更高;②對溶劑純度也有更高的要求，還要注意溶劑的互溶性，有些溶劑在一定的比例內(nèi)互溶，超出一定的范圍后就不會互溶。當使用緩沖溶液時應注意與有機溶劑混合時可能會析出鹽的結晶體;③ 連續(xù)使用時，每次進樣梯度洗脫后，須增加對色譜柱進行再生處理程序，使其恢復到初始的狀態(tài)。

3 結語

由于現(xiàn)代分析儀器與計算機的聯(lián)用，智能化、自動化程度越來越高，色譜工作站的功能越來越強大，但計算機畢竟是“機”，電腦永遠不能代替人腦，色譜分析屬于多因素多目標的體系，尋求優(yōu)化的實驗條件常常是建立色譜分析方法最困難的步驟，特別是液相色譜分析，可謂“法無定法”，沒有任何現(xiàn)成的方法可以照抄，任何色譜方法的建立和優(yōu)化，最終都得靠實驗探索來完成。

設計性實驗是實驗教學改革的重要舉措，是提高學生的實驗技能、實驗素質(zhì)和創(chuàng)新能力的有效途徑[15]，教學和科研相結合，理論和應用相結合，是促使一個優(yōu)秀實驗形成的重要基礎[16]，教學中要堅持以學生為本，注重創(chuàng)造師生之間的互動氛圍，激發(fā)學生對實驗的興趣，合理的安排時間，在有限的時間內(nèi)，增大信息量，充分發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)造性，訓練學生的科學思維方法，提高綜合分析和解決問題的能力。

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