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(cè)技術(shù)中已有超過(guò)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(jiǎn)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(cè)定沸點(diǎn)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(cè)試方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：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(lèi)似官能團(tuán)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(duì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，如何通過(guò)大學(xué)課程設(shè)計(jì)教學(xué)方式的改革，使材料類(lèi)及其相關(guān)專(zhuān)業(yè)的碩士生和本科生能夠積極主動(dòng)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(diǎn)和重點(diǎn). 尤其對(duì)新能源、綠色環(huán)境以及食品安全問(wèn)題所需要的基本知識(shí)和基本測(cè)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(shí)際問(wèn)題，為我國(guó)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(zhuān)業(yè)人才［3-4］.

1 氣相色譜技術(shù)的特點(diǎn)及操作注意事項(xiàng)

1.1 氣相色譜技術(shù)的特點(diǎn)

氣相色譜主要用于定性和定量分析檢測(cè)樣品. 氣相色譜可以通過(guò)加載不同的檢測(cè)器、色譜柱以及其他附件進(jìn)行多功能化. 當(dāng)顆粒吸附劑填入填充柱，能夠進(jìn)行氣固色譜分析；而當(dāng)固定液體加入填充柱時(shí)，則可進(jìn)行氣液色譜分析；若用毛細(xì)管色譜柱并進(jìn)行進(jìn)樣時(shí)，可進(jìn)行毛細(xì)管色譜分析；如果熱解裝置連接到色譜儀的注射器，即可對(duì)聚合物進(jìn)行熱解色譜分析. 餾分收集器可放置在色譜柱和檢測(cè)器之間，用于小型制備色譜. 在上世紀(jì)90年代，Philips等利用在線熱解析調(diào)制器通過(guò)溫度和極性的改變實(shí)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(cè). 相較于其他測(cè)試方法，如原子吸收分光光度法［5］，大大增強(qiáng)樣品的快速檢測(cè)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(cè)范圍廣，易于其他測(cè)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(cè)和產(chǎn)品的質(zhì)量控制等［6］.

1.2 操作注意事項(xiàng)

氣相色譜具有應(yīng)用價(jià)值巨大，因此得到廣泛的使用. 但氣相色譜的缺點(diǎn)是必須用已知物的色譜數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行對(duì)照，不能直接根據(jù)色譜數(shù)值得出定量的結(jié)論. 對(duì)于材料類(lèi)的碩士生和本科生來(lái)說(shuō)，無(wú)論是為打好基礎(chǔ)還是為將來(lái)能夠從事科研、教學(xué)、售后和管理等相關(guān)專(zhuān)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(shí)驗(yàn)中正確使用氣相色譜儀，其中最重要的環(huán)節(jié)就是手動(dòng)進(jìn)樣，則非常依賴(lài)操作員的經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)槭謩?dòng)進(jìn)樣無(wú)法精確掌握每次進(jìn)樣的速度以及量，這樣會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)器的測(cè)試結(jié)果，進(jìn)樣過(guò)程中的細(xì)微差別會(huì)導(dǎo)致最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果的極大差異性. 對(duì)于難以分離的樣品，實(shí)驗(yàn)員則需根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)來(lái)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(jìn)樣口和色譜柱的溫度，以及加快進(jìn)樣速度與加大進(jìn)樣口相較于柱載壓力. 通過(guò)這些手段可以有效地將難以分離的峰分離開(kāi)以致能夠準(zhǔn)確定性定量測(cè)試樣品［7］. 在不同溫度下試樣的峰形和出峰時(shí)間明顯不同［8］，較易觀測(cè). 長(zhǎng)期使用過(guò)程中也許會(huì)碰到色譜柱和進(jìn)樣口被污染的情況，掌握解決這一問(wèn)題的方法也很重要. 對(duì)于色譜柱污染，則可以通過(guò)老化色譜柱來(lái)實(shí)現(xiàn)，溫度則可以在原來(lái)測(cè)試基礎(chǔ)上提高30 ℃左右老化2 h即可，若色譜柱污染較嚴(yán)重，則可以在每隔20 min時(shí)進(jìn)0.5 μl試劑丙酮，進(jìn)3針即可.

2 氣相色譜在課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 氣相色譜的應(yīng)用分類(lèi)

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(cè)；2）飲用水中痕量的農(nóng)藥、多環(huán)芳烴和有機(jī)溶劑殘留等檢測(cè)；3）環(huán)境水域中含有的難降解的有機(jī)污染物；4）土壤中含有的有毒有害有機(jī)污染物；5）固體廢棄物等. 在碩士生和本科生課程設(shè)計(jì)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(wèn)題日益嚴(yán)峻，以煤、石油和天然氣為代表的化石燃料一方面儲(chǔ)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(yáng)光光解水制氫氣作為清潔能源且產(chǎn)物為水無(wú)污染是解決能源短缺問(wèn)題的有效途徑. 在淮北師范大學(xué)課程設(shè)計(jì)中，采用可見(jiàn)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(cè)光催化過(guò)程產(chǎn)生氫氣的峰形如圖1所示. 因?yàn)闅錃馐欠菗]發(fā)性碳?xì)浠衔?，這里的氣相色譜可以采用TCD 熱導(dǎo)檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)，熱導(dǎo)檢測(cè)器之所以被人們所青睞，是因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)器，除對(duì)有相同導(dǎo)熱系數(shù)的樣品組分外，它幾乎對(duì)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(lái)，它一直是使用最廣泛的一種檢測(cè)器. 這種檢測(cè)器具有中等靈敏度和寬達(dá)4個(gè)數(shù)量級(jí)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(cè)譜圖

圖2 CH4和CH3OH檢測(cè)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(wèn)題變得日益嚴(yán)峻，在淮北師范大學(xué)課程設(shè)計(jì)中，除光解水制氫氣來(lái)獲取清潔能源外，還可以通過(guò)光催化技術(shù)還原二氧化碳轉(zhuǎn)換為碳?xì)浠蛱細(xì)溲醯然衔?，利用氣相色譜儀檢測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生甲烷和甲醇的圖形如圖2所示. 由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，光催化轉(zhuǎn)換二氧化碳的產(chǎn)物濃度過(guò)低，TCD檢測(cè)器的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，檢測(cè)不出來(lái)，這里就要用FID檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)光催化過(guò)程中產(chǎn)生的甲烷和甲醇等產(chǎn)物. 用FID檢測(cè)器是質(zhì)量流速檢測(cè)器，它不需要離子流放大器作為訊號(hào)的輸出放大器，從檢測(cè)器內(nèi)熱電偶上給出的電勢(shì)可以直接在一臺(tái)直流電位差計(jì)記錄器上得到訊號(hào)電勢(shì)的繪圖. 因此FID檢測(cè)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(diǎn)，它已廣泛應(yīng)用于有機(jī)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(wèn)題成為我國(guó)全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn). 尤其我國(guó)的飲品和煙熏類(lèi)、蔬菜及水果等食品問(wèn)題較為突出最為嚴(yán)重. 了解我國(guó)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(cè)出煙熏、燒烤及油炸類(lèi)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(dá)132種農(nóng)藥殘留污染［10］. 此外，還可以檢測(cè)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(cè)“六六六”、七氯、滴滴涕、有機(jī)磷、艾試劑、硫丹和有機(jī)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(cè)分析以及分析水體中的二甲苯、苯、甲苯、有機(jī)氯、丁苯萘、有機(jī)溴和痕量酚類(lèi)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(jìn)行定性檢測(cè)，又可以進(jìn)行定量檢測(cè). 在定性檢測(cè)中，可以將純物質(zhì)先進(jìn)行測(cè)試然后對(duì)應(yīng)出相關(guān)的數(shù)據(jù)，然后對(duì)照該測(cè)試結(jié)果，每一種成分均有其內(nèi)在的保留時(shí)間、保留體積、調(diào)整保留體積、調(diào)整保留時(shí)間，且不受其他組分的影響，因此可以確定每個(gè)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?xún)?nèi)標(biāo)法、外標(biāo)法或歸一化法定量，并與微機(jī)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(jì)體系

氣相色譜方法課程設(shè)計(jì)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，雖然一直非常重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，但目前本專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中仍存在一些比較突出的問(wèn)題與不足. 在學(xué)生平均總學(xué)時(shí)數(shù)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)時(shí)比例仍偏低. 在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程中，驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目過(guò)多，綜合性、設(shè)計(jì)性的項(xiàng)目偏少. 同時(shí)，還存在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與理論課內(nèi)容的聯(lián)系不夠緊密［14-15］；實(shí)驗(yàn)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(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)或畢業(yè)設(shè)計(jì)中. 這些都在一定程度上削弱實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的科學(xué)性和先進(jìn)性.

針對(duì)氣相色譜方法課程設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題，我們以“注重基礎(chǔ)、強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)、培養(yǎng)能力”為指導(dǎo)思想，對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行全面深入的改革與優(yōu)化. 具體思路是從實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的子體系著手，全方位打造一個(gè)以提高應(yīng)用型人才實(shí)踐能力為核心的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容，導(dǎo)師充當(dāng)輔助角色，不僅將學(xué)生的實(shí)驗(yàn)安排在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，而且還安排在本實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心進(jìn)行，或者直接安排到實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地中進(jìn)行. 在完成氣相色譜理論知識(shí)和操作知識(shí)后，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放管理，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的“動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、具備跨學(xué)科綜合交叉知識(shí)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(shí)際作用. 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)部分同學(xué)能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性改進(jìn). 如學(xué)生設(shè)計(jì)自來(lái)水中甲醇含量的測(cè)試，然后根據(jù)結(jié)果進(jìn)行葡萄酒中甲醇含量的測(cè)試. 這個(gè)方法具有非常具體的實(shí)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(shí)代發(fā)展趨勢(shì)中，氣相色譜技術(shù)這一相對(duì)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(duì)于當(dāng)代材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)的碩士生和本科生而言，通過(guò)了解并掌握氣相色譜技術(shù)的相關(guān)知識(shí)可以更好地完成有關(guān)實(shí)驗(yàn)操作，強(qiáng)化能源危機(jī)、環(huán)保意識(shí)和食品安全理念，為我國(guó)可持續(xù)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展培養(yǎng)合格的社會(huì)主義建設(shè)接班人.