氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的探索與實(shí)踐*

王翊如

(廈門(mén)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)系 福建廈門(mén)361005)

隨著我國(guó)高等院校教育經(jīng)費(fèi)投入的增加，越來(lái)越多的高校有能力開(kāi)設(shè)更多大型儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用分析法適用于分離分析揮發(fā)性或半揮發(fā)性混合物，在環(huán)境、食品、臨床等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。廈門(mén)大學(xué)化學(xué)系從2001年起開(kāi)始增設(shè)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，在此闡述10多年教學(xué)過(guò)程中的一些思考，以期通過(guò)不斷地改進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)，提高教學(xué)效果。

1 教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)原則

1.1 高效使用儀器

根據(jù)教學(xué)對(duì)象的不同設(shè)置了不同的教學(xué)內(nèi)容:3.5小時(shí)的課時(shí)內(nèi)容適用于本科生，主要涉及氣相色譜-質(zhì)譜的基本原理和基本操作;6小時(shí)的課時(shí)內(nèi)容適用于研究生，增加了樣品前處理過(guò)程以及儀器的維護(hù)操作介紹。

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀的實(shí)用價(jià)值和儀器維護(hù)成本都比較高，若僅將該儀器應(yīng)用于每周兩次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)則過(guò)于浪費(fèi)，因此將儀器的非教學(xué)時(shí)間留給科研活動(dòng)是必要的。這樣不但能提高儀器的利用率，還可以使儀器隨時(shí)處于工作狀態(tài)，適用從上午第一節(jié)課即開(kāi)始的實(shí)驗(yàn)教學(xué);教師也不需要提前2小時(shí)開(kāi)機(jī)抽真空，并避免了頻繁開(kāi)關(guān)儀器損害高速運(yùn)轉(zhuǎn)的渦輪分子泵。從科研項(xiàng)目中節(jié)選部分內(nèi)容作為實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，科研和教學(xué)相輔相成，不但可以共享色譜柱和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，還可以減少不同樣品體系的干擾。因此，我們?cè)谂c香港浸會(huì)大學(xué)化學(xué)系合作研究香港大氣中的多環(huán)芳烴的過(guò)程中，開(kāi)設(shè)了氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測(cè)定混合多環(huán)芳烴實(shí)驗(yàn);在與廈門(mén)市公安局刑事技術(shù)研究所科研合作的過(guò)程中，開(kāi)設(shè)了氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測(cè)定混合毒品實(shí)驗(yàn);在完成科研項(xiàng)目“食品安全檢測(cè)新技術(shù)、新方法的研究”過(guò)程中，開(kāi)設(shè)了氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測(cè)定有機(jī)磷混合物實(shí)驗(yàn)。由于標(biāo)準(zhǔn)溶液具有一定的使用時(shí)間限制，因此，科研與教學(xué)共享標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液是個(gè)較好的選擇，這樣也能使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中有機(jī)會(huì)接觸到價(jià)格昂貴的氘代化合物作為內(nèi)標(biāo)物。

1.2 核心內(nèi)容設(shè)計(jì)

本文以氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測(cè)定有機(jī)磷混合物實(shí)驗(yàn)為例，介紹適用于本科生教學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的核心在于能使學(xué)生在規(guī)定的學(xué)時(shí)內(nèi)完成一個(gè)相對(duì)完整的定性、定量實(shí)驗(yàn)。

選擇7種有機(jī)磷標(biāo)準(zhǔn)品，分別為甲拌磷、二嗪磷、甲基對(duì)硫磷、殺螟硫磷、毒死蜱、稻豐散和乙硫磷，其中毒死蜱作為內(nèi)標(biāo)化合物。配制質(zhì)量濃度分別為0.4、0.6和1.0mg/L的3份標(biāo)準(zhǔn)混合溶液以及一份濃度待測(cè)的樣品混合液(4份溶液中均含有質(zhì)量濃度為0.4mg/L的內(nèi)標(biāo)物毒死蜱)。選擇VF-5ms型色譜柱(長(zhǎng)30m，內(nèi)徑0.25mm，膜厚0.25μm)分離混合有機(jī)磷，初始柱溫120℃，以40℃/min升至200℃，再以1℃/min升至210℃，繼續(xù)以20℃/min升至230℃，保留2min，最后以30℃/min升至260℃，保留0.5min。色譜的程序升溫時(shí)間為16.5min，加上色譜柱從260℃降溫回初始柱溫120℃的時(shí)間，完整走完一個(gè)樣品的時(shí)間可以控制在20min內(nèi)，比較適合在3.5h的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)做5～6個(gè)樣品。

氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)法的定性方式有兩種，一是采用有機(jī)磷在氣相色譜上的保留時(shí)間進(jìn)行定性，一是采用有機(jī)磷特征的質(zhì)譜圖進(jìn)行定性，此雙重定性能力是GC-MS法比普通GC法優(yōu)越所在。因此，定性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)容可要求學(xué)生采用全掃描的檢測(cè)模式(掃描范圍60～400amu)，分離分析1.0μL 1.0mg/L的有機(jī)磷標(biāo)準(zhǔn)混合液，判斷每一種有機(jī)磷的保留時(shí)間，獲得每一種有機(jī)磷化合物的特征離子碎片。定性實(shí)驗(yàn)需使學(xué)生了解總離子流色譜圖(TIC)和多離子色譜圖(MIC)的區(qū)別，能通過(guò)選擇單離子或多離子色譜圖快速找到某一種有機(jī)磷的色譜峰，學(xué)會(huì)扣除本底背景并進(jìn)行譜庫(kù)檢索，并且認(rèn)識(shí)到在固定載氣流量和色譜柱升溫程序條件下，不同濃度溶液中同一種有機(jī)磷的保留時(shí)間相同。

GC-MS法的定量方式選用內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線法，采用選擇離子檢測(cè)模式(SIM)進(jìn)行檢測(cè)，以0.4、0.6和1.0mg/L的3份標(biāo)準(zhǔn)混合溶液中待測(cè)有機(jī)磷i組分的特征離子的色譜峰面積Ai與內(nèi)標(biāo)物毒死蜱的特征離子的峰面積As比值y(y=Ai/As)對(duì)待測(cè)有機(jī)磷的濃度ci與內(nèi)標(biāo)物毒死蜱的濃度cs的比值x(x=ci/cs)做一元線性回歸方程(y=ax+b)，因此6種待測(cè)有機(jī)磷可以獲得6條內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線。公式推導(dǎo)如下:

其中fis為待測(cè)有機(jī)磷i組分相對(duì)內(nèi)標(biāo)物毒死蜱的相對(duì)質(zhì)量校正因子，fi為待測(cè)有機(jī)磷i組分的絕對(duì)質(zhì)量校正因子，fs為內(nèi)標(biāo)物毒死蜱的絕對(duì)質(zhì)量校正因子，mi為待測(cè)有機(jī)磷i組分的質(zhì)量，ms為內(nèi)標(biāo)物毒死蜱的質(zhì)量。

再計(jì)算樣品溶液中待測(cè)有機(jī)磷的特征離子的色譜峰面積與內(nèi)標(biāo)物毒死蜱的特征離子的峰面積比值(y')，代入方程可以獲得6種有機(jī)磷的x'。又由于樣品中內(nèi)標(biāo)待測(cè)物的濃度cs已知，由此可以計(jì)算出待測(cè)物的濃度ci。

1.3 注重趣味培養(yǎng)

興趣是學(xué)習(xí)的最大動(dòng)力，因此，實(shí)驗(yàn)課的引題尤為重要，可以從擴(kuò)展介紹與目標(biāo)待測(cè)物相關(guān)的話題說(shuō)起。例如，在氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測(cè)定有機(jī)磷混合物實(shí)驗(yàn)中，可介紹不同有機(jī)磷農(nóng)藥的毒性、有機(jī)磷中毒刑事案件以及食品中有機(jī)磷農(nóng)藥殘留超標(biāo)事件等;在氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測(cè)定混合毒品實(shí)驗(yàn)中，可介紹冰毒在日本的抗抑郁濫用、海洛因的高危成癮性、奧運(yùn)會(huì)及香港賽馬會(huì)的興奮劑檢測(cè)現(xiàn)狀等;在氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測(cè)定混合多環(huán)芳烴實(shí)驗(yàn)中，可介紹環(huán)境中多環(huán)芳烴的產(chǎn)生來(lái)源、掃煙囪工人患鼻咽癌誘因以及可以加快多環(huán)芳烴排出人體的食物等。由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)象都有較好的智力因素，因此，一些非智力因素(如興趣等)可在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中起明顯的作用［1］。

1.4 設(shè)計(jì)綠色實(shí)驗(yàn)

在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生更喜歡操作簡(jiǎn)便、綠色環(huán)保的實(shí)驗(yàn)。我們?cè)_(kāi)設(shè)過(guò)兩個(gè)適用于研究生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，相比較于涉及有機(jī)溶劑萃取、硅藻土層析柱凈化、氮吹濃縮定容等內(nèi)容的GC-MS同時(shí)測(cè)定蔬菜水果中多種農(nóng)藥殘留實(shí)驗(yàn)，頂空固相微萃取技術(shù)與氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用快速檢測(cè)茶中香味物質(zhì)實(shí)驗(yàn)更受學(xué)生的歡迎。頂空固相微萃取技術(shù)是一種不需要使用有機(jī)溶劑的樣品前處理技術(shù)。在一定溫度下，固相微萃取纖維先萃取密閉于頂空瓶頂空中的茶的香味物質(zhì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)萃取、凈化、濃縮等樣品前處理步驟，再利用氣相色譜氣化室的高溫，將纖維上的香味物質(zhì)熱解吸到氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)中。該方法具有高效、快速、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等特點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，既可以采用商品化的固相微萃取裝置，也可以使用自制的固相微萃取裝置。

1.5 規(guī)范原則

由于氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀在各行業(yè)應(yīng)用廣泛，因此也可以選擇一些標(biāo)準(zhǔn)分析方法作為選修實(shí)驗(yàn)，例如食品標(biāo)準(zhǔn)分析方法 GB/T 5009.204—2005，SN/T 2151—2008，SN/T 2149—2008，SN/T 0123—2010，SN/T 0148—2011 等。

2 教學(xué)內(nèi)容的有效實(shí)施

2.1 知識(shí)構(gòu)建過(guò)程

學(xué)習(xí)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)知識(shí)構(gòu)建過(guò)程［2］。因此，在簡(jiǎn)單講解氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法的基本原理時(shí)，應(yīng)著重強(qiáng)調(diào)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析法(GC-MS)在分析化學(xué)學(xué)科中所處的位置，讓學(xué)生了解氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀能做什么，不能做什么，明確當(dāng)前的學(xué)習(xí)與其他學(xué)習(xí)任務(wù)的不同之處。

色譜法的最主要功能是分離。氣相色譜與高效液相色譜、超臨界流體色譜、高效薄層色譜、離子色譜等其他色譜方法相比，最大特點(diǎn)就是適合分離分析揮發(fā)性或半揮發(fā)性的有機(jī)混合物。在氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀中，氣相色譜儀是質(zhì)譜儀理想的進(jìn)樣器，質(zhì)譜儀是氣相色譜儀理想的檢測(cè)器;試樣經(jīng)氣相色譜儀分離后，以純物質(zhì)形式進(jìn)入質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測(cè)。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法受到氣相色譜的限制，也僅適用于分離分析揮發(fā)性或半揮發(fā)性化合物;若直接分析的樣品中含有難揮發(fā)的化合物，則可能對(duì)進(jìn)樣系統(tǒng)和分離系統(tǒng)造成污染。

相比較于氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)和電子捕獲檢測(cè)器(ECD)等一般的氣相色譜檢測(cè)器，采用質(zhì)譜儀作為氣相色譜檢測(cè)器不但可以通過(guò)氣相色譜的保留時(shí)間對(duì)待測(cè)化合物進(jìn)行定性，而且可以通過(guò)質(zhì)譜圖對(duì)化合物進(jìn)行定性，從而實(shí)現(xiàn)雙重定性，使定性的準(zhǔn)確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的氣相色譜法。而且，質(zhì)譜儀作為通用型的檢測(cè)器，幾乎可以檢測(cè)出所有的化合物，比FID、ECD等選擇性檢測(cè)器的應(yīng)用范圍更廣。

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法既發(fā)揮了氣相色譜法高分離能力，又發(fā)揮了質(zhì)譜法高鑒別、高靈敏檢測(cè)能力，兩者相輔相成。通過(guò)質(zhì)譜的選擇離子檢測(cè)模式(SIM)，可以區(qū)分氣相色譜難以分離的化合物;而對(duì)于質(zhì)譜難以區(qū)分的同分異構(gòu)體，氣相色譜又能充分地發(fā)揮其優(yōu)越的分離能力。所以，氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的之一就是要使學(xué)生認(rèn)識(shí)到GC-MS法是目前分離分析揮發(fā)性或半揮發(fā)性有機(jī)混合物的最好的儀器分析方法。

2.2 儀器現(xiàn)場(chǎng)講解

GC-MS儀的基本操作(包括儀器分析方法的建立、樣品的進(jìn)樣分析及數(shù)據(jù)處理等)都可以通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著學(xué)生有機(jī)會(huì)接觸更多的儀器以及計(jì)算機(jī)水平的提高，基本操作的教學(xué)雖是重點(diǎn)但已不是難點(diǎn)。另外，在研究生實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)內(nèi)容中增加了儀器的正常維護(hù)，包括如何安裝色譜柱，如何更換氣相色譜儀進(jìn)樣口的硅橡膠墊片以及如何清洗更換氣化室的玻璃襯管等，這部分內(nèi)容可以通過(guò)操作視頻來(lái)學(xué)習(xí)。在儀器現(xiàn)場(chǎng)講解時(shí)，氣相色譜儀的門(mén)可以暫時(shí)打開(kāi)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)色譜柱上的標(biāo)簽，包括色譜柱型號(hào)、柱長(zhǎng)、內(nèi)徑以及膜厚等參數(shù)，并介紹適用于質(zhì)譜檢測(cè)的氣相毛細(xì)管柱具有MS的特別標(biāo)示等內(nèi)容。

在以往使用過(guò)程中更換的GC-MS儀的零部件(包括燈絲、電子倍增器等，以及報(bào)廢的質(zhì)量分析器、分子渦輪泵等)可以保留下來(lái)作為教學(xué)道具。雖然多媒體課件也可以較好地展示儀器的內(nèi)部部件，但這種在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中直接展示實(shí)物的效果往往更好。

2.3 授課時(shí)間安排

由于GC-MS實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容較多(包括定性定量分析等內(nèi)容)，因此，由教師在課前全部講解完再讓學(xué)生實(shí)驗(yàn)的效果并不夠好，原因是時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、重點(diǎn)太多，學(xué)生難以一下全盤(pán)接受。可將授課講解內(nèi)容分成3段，即GC-MS法總體介紹、定性以及定量3部分，穿插在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行講解。這樣既可以充分利用儀器走樣的時(shí)間，而且每段都有一個(gè)重點(diǎn)，學(xué)生接受起來(lái)比較輕松，教師也容易掌控實(shí)驗(yàn)課程的進(jìn)度。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束前，教師與學(xué)生一起討論并進(jìn)行小結(jié)，可以較好地把分散的講解內(nèi)容重新統(tǒng)一，學(xué)生也能進(jìn)一步完善認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

3 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

3.1 課堂評(píng)價(jià)

在GC-MS實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，由于儀器數(shù)目有限，每次參加實(shí)驗(yàn)課的學(xué)生一般控制在4～6人(4人的教學(xué)效果較好)，使教師能有充足的時(shí)間與學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)討論，并通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的提問(wèn)來(lái)了解教師的講解效果以及學(xué)生的聽(tīng)課效果，進(jìn)而評(píng)價(jià)學(xué)生利用基本原理解決實(shí)際問(wèn)題的能力。我們亦試驗(yàn)過(guò)拔尖班學(xué)生的GC-MS實(shí)驗(yàn)教學(xué)，4人兩組，使之分別在兩臺(tái)不同的儀器上操作(Varian 3900 Saturn 2100T GC/MS/MS和Shimadzu GC/MS-QP2010)。雖然兩臺(tái)GC-MS儀的進(jìn)樣系統(tǒng)和質(zhì)量分析器有所不同，但教師在一臺(tái)儀器上講解完后，學(xué)生遵循講義上的操作步驟，基本上可以在另一臺(tái)儀器上獨(dú)立操作實(shí)驗(yàn)。

3.2 課后成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)

學(xué)生成績(jī)的評(píng)價(jià)包括預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告幾部分，其中實(shí)驗(yàn)報(bào)告的討論部分尤為重要，可以了解學(xué)生課后學(xué)習(xí)參考書(shū)的情況以及學(xué)生對(duì)于氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析方法的認(rèn)知程度，進(jìn)而設(shè)計(jì)更有效的GC-MS實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

［1］沈德立.高效率學(xué)習(xí)的心理學(xué)研究.北京:教育科學(xué)出版社，2006

［2］盛群力.教學(xué)設(shè)計(jì).北京:高等教育出版社，2005