不可忽視的實驗環節

摘要：本文通過學生在大型儀器分析實驗（離子色譜分析）中經常出現的問題，闡明了大型儀器對本科生開放的同時也常常被忽略的實驗環節：樣品前處理。對于未經前處理的樣品，在分析時給儀器帶來故障該如何排除也做了簡單的介紹。

關鍵詞：大型儀器分析;樣品前處理;故障排除

中圖分類號：G642.423???? 文獻標志碼：A???? 文章編號：1674-9324（2014）41-0264-03

一、引言

隨著國民經濟的快速發展，國家對高等教育的投入也逐年增加，作為高等教育發展的重要硬件支撐，在“211”、“985”等項目的實施中，高校的儀器設備資源有了突飛猛進的增長[1]，借助這些硬件條件很多高校對本科生紛紛開設了大型儀器分析實驗課。以華中科技大學環境科學院與工程學院為例，近幾年在給排水專業、環境工程專業《環境監測綜合實驗I》中就安排了大型儀器分析實驗“離子色普法分析自來水中的氯離子”、“TOC儀分析污水中的總有機碳”、“熒光分析法測定水中的鎂”。環境工程專業《環境監測綜合實驗II》中涉及大型儀器分析實驗有：“原子吸收法測定水中銅”、“液相色譜分析法測定水中苯酚”、“氣相色譜測定水體中VOC”等。這些大型儀器對本科的開放無疑對學生動手能力的培養、創新思維的訓練都有極大的好處。在本科教育要把理論和實驗能力結合的目標下，有效提升學生的應用能力非常重要。從以往學生畢業后的反饋情況看，具備較強實踐能力的學生更容易受到單位的青睞，在職業發展上也更有優勢[2]。

二、存在的問題

目前高等學校使用的大型儀器自動化程度和集成度高，很先進并且減少了實驗誤差，但這樣學生對儀器的結構和原理以及實驗樣品分析的特殊性了解就不夠深入，學生在實驗中求知欲不強，不利于充分調動學生主動思考和動手能力的培養。目前大多數高校環境專業都開設了“環境監測實驗”，其實驗項目主要是以各項污染物的監測方法為單元[3，4]，實驗項目多而全，如果學生掌握所有的實驗，對將來工作是非常有益的。但現階段大學的教學課時數有限，實驗課時數更是緊張，很多時候學生課上的分析對象、方法及程序等關鍵要素都是預先指定的，只需按步操作就行。這樣雖然保證了實驗的成功率，但在實驗過程中不需要創造性的探索，因此學生不能對儀器分析過程的復雜性、樣品前處理要求的特殊性、分析試樣的選擇性有一個全面的認識[5]。

三、分析樣品前處理的方法

需要經大型儀器分析的樣品為什么一定要前處理[6]呢？一是為了去除樣品中的微粒以免堵塞分析儀器的泵或管道，造成儀器的損壞;二是為了減少樣品中的雜質干擾，提高儀器的靈敏度和選擇性;三是有利于濃縮樣品中的微量組份，提高儀器的分析精度。

一般來講，分析樣品前處理占樣品分析總工作量的76%[7]，這是因為分析樣品種類繁多，其組成、濃度、物理形態等均很繁雜。在本科“離子色譜分析實驗”教學過程中往往都選擇模擬水樣，樣品成分單一，對于真實的污染水樣前處理過程無法耗費大量的時間在實驗教學環節重現讓學生了解和處理，造成學生的錯覺認識：只要是水樣都可以直接進樣到大型儀器分析，甚至出現了用蒸餾水配標準儲備液的低級錯誤。按照學生的認知能力以為蒸餾水人都可以飲用，用來配標準儲備液當然不應該是問題。但事實并非如此，蒸餾水的獲得是一個物理變化過程，是將自來水煮沸氣化后遇冷的循環水凝結制得，很明顯自來水有何種離子，蒸餾水里就有何種離子，顯然不能用它來配置任何標準溶液進行離子色譜分析，否則，還會造成儀器的損害，更談不上準確分析樣品。所以，在大型儀器分析實驗課開始前，樣品前處理技術應該用專門的學時給學生講授，不要造成學生看似會操作大型儀器，而其實質的東西——大型儀器分析的精髓并不知曉，日后走上工作崗位面對真實的污染樣品無從下手分析。

相對于理論教學，實驗教學過程中的隨機因素較多，如試劑的質量、純度、用量、操作方法、實驗條件等都可能直接影響到實驗結果的準確性和重現性。即使是一些相當成熟的實驗，也會因條件控制不當造成實驗結果不理想[8]。在大型儀器分析實驗中，樣品前處理尤為重要，對于離子色譜分析樣品前處理的方法有：高速離心（大于10000rpm）、過濾和超濾、選擇性沉淀、萃取、索氏抽取、衍生反應、加速溶劑萃取、濃縮樣品（液—固萃取/液—液萃取）等[9]，本科實驗教學采取最多的樣品前處理方式有高速離心、過濾和超濾、萃取等。

過濾和超濾是離子色譜法分析中必不可缺少的步驟，其操作簡單，可重復使用過濾裝置或過濾膜，最簡單的形式就是在進樣器的前端加上過濾頭（見圖1），圖2為一次性濾頭，圖3為可重復使用濾頭，其內裝有無機（0.45μm）或有機（0.22μm）膜片，膜片可更換，可避免樣品交叉污染。

固相萃取法是色譜分析中發展最快的樣品前處理技術之一，它是在液—液萃取法的基礎上改進而成的一種頗受歡迎的預富集及純化樣品的前處理技術，目前已廣泛地用于分析中的樣品前處理。固相微萃取裝置外型如一只微量進樣器，由手柄（holder）和萃取頭或纖維頭（fiber）兩部分構成，萃取頭是一根1㎝長，涂有不同吸附劑的熔融纖維，接在不銹鋼絲上，外套細不銹鋼管（保護石英纖維不被折斷），纖維頭在鋼管內可伸縮或進出，細不銹鋼管可穿透橡膠或塑料墊片進行取樣或進樣。手柄用于安裝或固定萃取頭，可永遠使用。它又可分為直接萃取和頂空萃取，膜保護萃取[10]。我們在做環境樣品分析時也常常運用，比如水中多環芳烴（PAHs）和多氯聯苯（PCBs）等有機物物質的分析[11];水果、蔬菜及食品中農藥和除草劑殘留分析等。

四、反思與改進

雖然樣品預處理的方法很多，但目的只有一個就是將復雜的樣品提純便于大型儀器分析提高分析精度。但是在現實的本科儀器分析實驗教學中，教師往往是希望在有限的實驗學時里讓學生更多的了解大型儀器的操作和分析，對于樣品預處理方法都沒有足夠的重視，那就更談不上拿出一定學時數讓學生親自動手處理復雜樣品，掌握樣品預處理的方法。學生最基本的訓練不到位，導致學生錯誤的認為只要是水樣都能直接進入大型儀器（離子色譜儀）分析，事實上并非如此。只有酸雨、飲用水和大氣飄塵的濾出液可以直接進樣分析[12]，對于地表水和廢水樣品、含有高濃度干擾基體的樣品進樣前都要預處理。endprint

基本訓練的不到位直接后果就是一些學生在獨立操作儀器時不會想到樣品前處理這樁事，拿到水樣不管三七二十一就直接進儀器分析。比如污染水樣沒有經過濾膜過濾造成儀器的系統壓力很高（一般超過2500Psi，對于Dionex DX-120），導致儀器報警無法使用。這有可能是污染物沉積在保護柱的濾片上或是某段管子有污染物堵塞造成的，在此情況下首先是停止進樣，稍加大淋洗液的流速讓淋洗液不斷沖洗整個系統，一般沖洗時間要大于2小時。如果還不能解決問題就要考慮是否是恒流泵的單向閥堵塞，解決辦法就是將單向閥取下放入乙醇或丙酮溶液中，在超聲波清洗器中超聲30分鐘后用超純水沖干凈，重新按照原來的方向（注意不可裝反，否則流動相不能通過）裝上即可。如果還解決不了問題就要考慮是否是色譜柱堵塞，解決辦法就是將色譜柱反接沖洗色譜柱。

看似一個很簡單的故障，其根源是儀器分析的最基本訓練欠缺或不完善，學生實踐能力培養就會成為空中樓閣。要想使學生將來走上社會能獨當一面，我們現在的實驗教學體系就要改進和完善，在進一步鞏固課堂教學效果的同時，更需要通過實驗訓練和創新能力培養學生熟悉、掌握和應用儀器以及掌握更多的實驗技術和方法[13]，為他們將來服務社會打下牢固基礎。

參考文獻：

[1]畢為民，王連之.構建多元化共享服務體系提高大型儀器設備使用效益[J].實驗室研究與探索，2010，（6）：100-102.

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[3]王秀萍，彭小平，等.教學儀器設備的開放與有償使用方案的探討[J].高教探索，2008，（9）：286-287.

[4]王秀萍，張方.“虛實”結合提高大型儀器設備對本科實驗教學的開放[J].實驗技術與管理，2014，（4）.

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[6]范云場，朱巖.離子色譜分析中樣品前處理技術[J].色譜，2007，（9）：633-640.

[7]丁曉靜，牟世芬.離子色譜的樣品前處理技術[J].環境化學，2001，20（5）：507-516.

[8]徐肖邢，喻麗珍.提高化學實驗教學質量的探索與實踐[J].高校實驗室研究，2006，12（4）：4-6.

[9]葉明立，施青紅，等.離子色譜樣品預處理技術[J].現代科學儀器，2004，（2）：94-97.

[10]魏黎明，李菊白，等.固相微萃取在環境監測中的應用[J].分析化學，2004，12（32）：1667-1672.

[11]吳景雄，陳梅芹，等.萃取技術在環境樣品預處理中的應用及發展[J].中國環境監測，2005，2（21）：10-13.

[12]Dionex公司DX-120離子色譜操作說明書[Z].

[13]周金池，王美娟.研究生儀器分析實驗課程改革思路初探[J].實驗室研究與探索，2011，（6）：138-141.

作者簡介：王秀萍（1963-），女，湖北武漢人，高級工程師，實驗中心副主任，主要從事實驗教學、大型儀器管理與分析。endprint