氣相色譜本科教學實驗的改進

陳 媛，李雪輝

（華南理工大學 化學與化工學院，廣東 廣州 510640）

隨著人們生活水平的提高，氣相色譜技術在食品檢測、環境監測和生產安全等方面發揮著越來越重要的作用［1］。在高等院校的化學專業實驗中，氣相色譜實驗是化學、化工、食品、制藥、材料、造紙、生物和環境等學科重要的基礎實驗之一。現有的分析化學實驗教材對氣相色譜都有詳細的介紹［2］，也有具體的實驗實例，通常是學習分離苯、甲苯等苯系物的實驗來掌握氣相色譜的原理與操作［3］。相關文獻也有對傳統的氣相色譜實驗的改進與探索［4－8］，但都是對教學模式和實驗課程設計的改進，很少有針對分離物進行討論的。考慮到苯系物高度易燃，又有高的毒性和致癌物，本著綠色化學的理念，結合我校實驗室的實際教學條件，我們探討了用氣相色譜分析酯系物的實驗及其實驗方法的改進［9－11］。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑和儀器

試劑：標準樣品：乙酸乙酯﹑乙酸丁酯﹑乙酸戊酯混標（體積比1∶1∶1）；未知樣品：乙酸乙酯﹑乙酸丁酯﹑乙酸戊酯的混合物試樣。乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯均為色譜純，天津市科密歐化學試劑有限公司。

儀器：7900T型氣相色譜儀（配熱導池檢測器），上海天美科學儀器有限公司；色譜柱：2m×3mm不銹鋼柱，固定相為聚乙二醇－20M；微量注射器：1μL；氫氣發生器：SPH－300，北京中惠普分析技術研究所。

1.2 實驗內容

本實驗室開設的氣相色譜實驗實驗課時為4個學時，2人一組，實驗內容包括2個部分，分別為氣相色譜柱溫變化對色譜峰分離的影響和氣相色譜定量分析方法——面積歸一化法。實驗目的主要是要學生了解氣相色譜儀的基本結構和工作原理，掌握氣相色譜儀的開機、測樣、關機等操作流程，記錄下各個峰的保留時間、峰面積、半高峰寬等數據，計算出不同柱溫條件下的分離度，進而分析色譜柱的溫度對樣品分離度的影響趨勢，再進一步通過色譜分離方程分析產生這種影響趨勢的原因，最終找到最佳的色譜柱溫度進行下一個單元氣相色譜定量分析方法的實驗［12］。

為了更好地開展氣相色譜實驗，我們想要達到的效果是：首先樣品正常出峰，峰形對稱，不拖尾不分叉，不出倒峰或伸舌峰；其次是出峰時間要適中，因為本實驗是2個人一組，每組正常進樣需要進4次樣品，而實驗室的氣相色譜儀臺數有限，加上教師講解、學生動手操作及記錄數據的時間，因此需要控制好樣品的出峰時間，最好在8min以內，而且最好是在不同的色譜柱溫條件下，這樣樣品的出峰色譜圖就能有比較大的差異，比如出峰時間的差距能拉開、峰形也稍有不同，讓學生第一時間就對柱溫變化對色譜峰分離的影響有感性認識，激發學生學習的興趣，進而運用理論知識去分析原因，找到最佳的色譜分離條件。

1.2.1 色譜條件

流動相：高純氫氣，流量：30mL／min，色譜柱溫度：80℃﹑100℃﹑120℃，進樣口溫度：150℃，檢測器溫度：150 ℃ ，量程（橋電流）：40mA，進樣量：0.4μL。

1.2.2 進樣操作方法

用微量注射器吸取3～4倍進樣量的酯系物混合標準溶液，針頭朝上將溶液推至0.4μL，左手扶著注射器的針桿尾部，右手拿著注射器，將針頭垂直插入進樣口（針頭應插到底部），用右手食指輕按注射器芯，將溶液迅速推入，隨后將注射器拔出。整個操作要求穩當﹑連貫﹑瞬間完成［12］。

2 結果與討論

2.1 載氣的選擇

本實驗室使用過氮氣和氫氣2種氣體作為氣相色譜儀的載氣，配置的檢測器都是熱導池檢測器（TCD）。依據TCD的工作原理，主要是基于樣品與載氣的導熱系數的差異，當載氣中混有組分時，因組分與載氣導熱能力不同會導致傳熱平衡破壞，熱導池中的電阻絲阻值改變，從而輸出的電壓信號發生相應的改變，就形成了色譜峰。而H2、He的熱導率與一般的樣品相距比較大，用它們做載氣可以提高TCD的靈敏度，保證分析結果的準確度和精密度。但是由于He價格較貴，在市面上比較難買到，所以我們沒有選擇He，而一直使用N2作載氣，原因是它比較安全。氮氣對TCD靈敏度不高，響應不夠好，隨著時間的延長，氮氣瓶中的空氣等雜質還會氧化檢測器，經常出現檢測器出來的色譜峰是倒峰、分叉峰、拖尾峰，甚至是不出峰的情況，既影響了教師的教學效果，又增加了實驗室維修維護儀器的負擔，消耗時間又浪費資源。

隨著氫氣發生器使用的廣泛性，降低了氫氣使用的危險性，我們實驗室也與時俱進，積極對實驗進行改造創新，及時購置氫氣發生器作為氣相色譜的載氣源。使用過程中發現氫氣作載氣，色譜峰形漂亮、實驗數據穩定、檢測器性能良好，而且由于氫氣有還原性，可以保護檢測器色譜柱不被氧化老化，延長了檢測器的使用壽命。

2.2 色譜柱溫、進樣口溫度、檢測器溫度的優化

根據儀器廠家工程師的建議，進樣口溫度和檢測器溫度都設定為150℃。色譜柱的溫度選擇要求最低溫度要高于樣品的沸點，保證所有樣品都是以氣體的形式在色譜柱中分離，最高溫度要低于檢測器溫度20℃左右，防止不易揮發的樣品或雜質在檢測器中冷凝，污染檢測器。我們要分離的物質是乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯體積比1∶1∶1的混合標準溶液。乙酸乙酯的分子量最小，沸點最小，為77.2℃，所以我們選擇的柱溫分別為80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃進行實驗。

我們教授的是剛上大二的學生，很多都是剛剛接觸儀器分析實驗，對氣相色譜這樣的儀器分析實驗，第一印象往往是既陌生又新奇，我們希望實驗的結果是不同柱溫下樣品的出峰時間和峰形能有顯著的差異，能給學生留下深刻印象，并認識到柱溫這個因素在氣相色譜分離中起到的重要作用，進而激發學生對氣相色譜乃至儀器分析實驗的學習興趣。

實驗結果選擇色譜柱溫分別為80℃、100℃、120℃，最晚出峰的物質是乙酸戊酯，它的相對保留時間在3個溫度下分別約為4min、2min、0.8min。柱溫80℃時乙酸乙酯和乙酸丁酯的最大分離度為9.30；柱溫120℃時，乙酸丁酯和乙酸戊酯的分離度最小，為3.38。由于柱溫在120℃時，出峰效果已經明顯跟100℃不同，為了最大限度地保護色譜柱，延長其使用壽命，所以不選擇130℃作為柱溫。具體數據見表1。色譜圖見圖1。

表1 柱溫變化對分離度的影響

表1 （續）

圖1 不同柱溫條件下酯系物色譜圖

2.3 檢測器橋電流量程和進樣量的優化

使用氮氣做載氣的時候，因為檢測器響應不好，為了提高檢測器的靈敏度，加載的電流量程為110mA，進樣量也加大到1μL，但是這會大大損耗檢測器的使用壽命。我們換了氫氣作載氣后，試驗了0.2μL、0.4 μL、1μL的樣品進樣量，40mA、50mA、60mA 的電阻橋電流量程。在檢測器靈敏度足夠高的前提下，盡量降低橋電流量程可以延長檢測器的使用壽命，能很好地保護和維護檢測器的性能。

進樣量為0.2μL時，因為進樣體積比較小，要分離的酯系物又比較容易揮發，學生比較難操作，對實驗結果造成很大誤差。進樣量為1μL時，既浪費試劑，又容易使色譜柱過載，污染儀器，出現不正常的平頂峰，沒有辦法積分，無法計算色譜峰面積。所以選擇最佳的進樣體積為0.4μL。當進樣體積為0.4μL時，加載40mA的橋電流，樣品出峰的峰形就很對稱，色譜峰的響應靈敏度足夠高，分離度足夠好，峰面積也達到上萬，滿足實驗結果準確度和精密度的要求。所以選擇橋電流為40mA，進樣體積為0.4μL，相對于110 mA的橋電流，1μL的進樣量，節約能源和試劑，教學效果也大大提高。

3 結論

本實驗以穩定高效節能的氫氣發生器取代氫氣瓶、氮氣瓶作為氣源，以價格適中、低毒的光譜純酯系物取代苯系物作為分離樣品，不僅大大提高教學效果，還體現綠色化學、節能環保的時尚教學理念，加強了學生節能環保的意識，提高了學生的綜合能力。在我校，該實驗在本科教學實驗中面向化學、化工、制藥、高分子、生物、環境、食品等專業開設，每年必修氣相色譜實驗的學生有1 200多名，我們要堅持“以生為本”的理念，堅持建設綠色、環保、節能型實驗中心［13］，不斷改進、創新我們的實驗。

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