气相色谱本科教学实验的改进

2015-11-23李雪辉

实验技术与管理 2015年7期

陈媛，李雪辉

（华南理工大学化学与化工学院，广东广州 510640）

随着人们生活水平的提高，气相色谱技术在食品检测、环境监测和生产安全等方面发挥着越来越重要的作用［1］。在高等院校的化学专业实验中，气相色谱实验是化学、化工、食品、制药、材料、造纸、生物和环境等学科重要的基础实验之一。现有的分析化学实验教材对气相色谱都有详细的介绍［2］，也有具体的实验实例，通常是学习分离苯、甲苯等苯系物的实验来掌握气相色谱的原理与操作［3］。相关文献也有对传统的气相色谱实验的改进与探索［4－8］，但都是对教学模式和实验课程设计的改进，很少有针对分离物进行讨论的。考虑到苯系物高度易燃，又有高的毒性和致癌物，本着绿色化学的理念，结合我校实验室的实际教学条件，我们探讨了用气相色谱分析酯系物的实验及其实验方法的改进［9－11］。

1 实验部分

1.1 实验试剂和仪器

试剂：标准样品：乙酸乙酯﹑乙酸丁酯﹑乙酸戊酯混标（体积比1∶1∶1）；未知样品：乙酸乙酯﹑乙酸丁酯﹑乙酸戊酯的混合物试样。乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯均为色谱纯，天津市科密欧化学试剂有限公司。

仪器：7900T型气相色谱仪（配热导池检测器），上海天美科学仪器有限公司；色谱柱：2m×3mm不锈钢柱，固定相为聚乙二醇－20M；微量注射器：1μL；氢气发生器：SPH－300，北京中惠普分析技术研究所。

1.2 实验内容

本实验室开设的气相色谱实验实验课时为4个学时，2人一组，实验内容包括2个部分，分别为气相色谱柱温变化对色谱峰分离的影响和气相色谱定量分析方法——面积归一化法。实验目的主要是要学生了解气相色谱仪的基本结构和工作原理，掌握气相色谱仪的开机、测样、关机等操作流程，记录下各个峰的保留时间、峰面积、半高峰宽等数据，计算出不同柱温条件下的分离度，进而分析色谱柱的温度对样品分离度的影响趋势，再进一步通过色谱分离方程分析产生这种影响趋势的原因，最终找到最佳的色谱柱温度进行下一个单元气相色谱定量分析方法的实验［12］。

为了更好地开展气相色谱实验，我们想要达到的效果是：首先样品正常出峰，峰形对称，不拖尾不分叉，不出倒峰或伸舌峰；其次是出峰时间要适中，因为本实验是2个人一组，每组正常进样需要进4次样品，而实验室的气相色谱仪台数有限，加上教师讲解、学生动手操作及记录数据的时间，因此需要控制好样品的出峰时间，最好在8min以内，而且最好是在不同的色谱柱温条件下，这样样品的出峰色谱图就能有比较大的差异，比如出峰时间的差距能拉开、峰形也稍有不同，让学生第一时间就对柱温变化对色谱峰分离的影响有感性认识，激发学生学习的兴趣，进而运用理论知识去分析原因，找到最佳的色谱分离条件。

1.2.1 色谱条件

流动相：高纯氢气，流量：30mL／min，色谱柱温度：80℃﹑100℃﹑120℃，进样口温度：150℃，检测器温度：150 ℃ ，量程（桥电流）：40mA，进样量：0.4μL。

1.2.2 进样操作方法

用微量注射器吸取3～4倍进样量的酯系物混合标准溶液，针头朝上将溶液推至0.4μL，左手扶着注射器的针杆尾部，右手拿着注射器，将针头垂直插入进样口（针头应插到底部），用右手食指轻按注射器芯，将溶液迅速推入，随后将注射器拔出。整个操作要求稳当﹑连贯﹑瞬间完成［12］。

2 结果与讨论

2.1 载气的选择

本实验室使用过氮气和氢气2种气体作为气相色谱仪的载气，配置的检测器都是热导池检测器（TCD）。依据TCD的工作原理，主要是基于样品与载气的导热系数的差异，当载气中混有组分时，因组分与载气导热能力不同会导致传热平衡破坏，热导池中的电阻丝阻值改变，从而输出的电压信号发生相应的改变，就形成了色谱峰。而H2、He的热导率与一般的样品相距比较大，用它们做载气可以提高TCD的灵敏度，保证分析结果的准确度和精密度。但是由于He价格较贵，在市面上比较难买到，所以我们没有选择He，而一直使用N2作载气，原因是它比较安全。氮气对TCD灵敏度不高，响应不够好，随着时间的延长，氮气瓶中的空气等杂质还会氧化检测器，经常出现检测器出来的色谱峰是倒峰、分叉峰、拖尾峰，甚至是不出峰的情况，既影响了教师的教学效果，又增加了实验室维修维护仪器的负担，消耗时间又浪费资源。

随着氢气发生器使用的广泛性，降低了氢气使用的危险性，我们实验室也与时俱进，积极对实验进行改造创新，及时购置氢气发生器作为气相色谱的载气源。使用过程中发现氢气作载气，色谱峰形漂亮、实验数据稳定、检测器性能良好，而且由于氢气有还原性，可以保护检测器色谱柱不被氧化老化，延长了检测器的使用寿命。

2.2 色谱柱温、进样口温度、检测器温度的优化

根据仪器厂家工程师的建议，进样口温度和检测器温度都设定为150℃。色谱柱的温度选择要求最低温度要高于样品的沸点，保证所有样品都是以气体的形式在色谱柱中分离，最高温度要低于检测器温度20℃左右，防止不易挥发的样品或杂质在检测器中冷凝，污染检测器。我们要分离的物质是乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯体积比1∶1∶1的混合标准溶液。乙酸乙酯的分子量最小，沸点最小，为77.2℃，所以我们选择的柱温分别为80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃进行实验。

我们教授的是刚上大二的学生，很多都是刚刚接触仪器分析实验，对气相色谱这样的仪器分析实验，第一印象往往是既陌生又新奇，我们希望实验的结果是不同柱温下样品的出峰时间和峰形能有显著的差异，能给学生留下深刻印象，并认识到柱温这个因素在气相色谱分离中起到的重要作用，进而激发学生对气相色谱乃至仪器分析实验的学习兴趣。

实验结果选择色谱柱温分别为80℃、100℃、120℃，最晚出峰的物质是乙酸戊酯，它的相对保留时间在3个温度下分别约为4min、2min、0.8min。柱温80℃时乙酸乙酯和乙酸丁酯的最大分离度为9.30；柱温120℃时，乙酸丁酯和乙酸戊酯的分离度最小，为3.38。由于柱温在120℃时，出峰效果已经明显跟100℃不同，为了最大限度地保护色谱柱，延长其使用寿命，所以不选择130℃作为柱温。具体数据见表1。色谱图见图1。

表1 柱温变化对分离度的影响

表1 （续）

图1 不同柱温条件下酯系物色谱图

2.3 检测器桥电流量程和进样量的优化

使用氮气做载气的时候，因为检测器响应不好，为了提高检测器的灵敏度，加载的电流量程为110mA，进样量也加大到1μL，但是这会大大损耗检测器的使用寿命。我们换了氢气作载气后，试验了0.2μL、0.4 μL、1μL的样品进样量，40mA、50mA、60mA 的电阻桥电流量程。在检测器灵敏度足够高的前提下，尽量降低桥电流量程可以延长检测器的使用寿命，能很好地保护和维护检测器的性能。

进样量为0.2μL时，因为进样体积比较小，要分离的酯系物又比较容易挥发，学生比较难操作，对实验结果造成很大误差。进样量为1μL时，既浪费试剂，又容易使色谱柱过载，污染仪器，出现不正常的平顶峰，没有办法积分，无法计算色谱峰面积。所以选择最佳的进样体积为0.4μL。当进样体积为0.4μL时，加载40mA的桥电流，样品出峰的峰形就很对称，色谱峰的响应灵敏度足够高，分离度足够好，峰面积也达到上万，满足实验结果准确度和精密度的要求。所以选择桥电流为40mA，进样体积为0.4μL，相对于110 mA的桥电流，1μL的进样量，节约能源和试剂，教学效果也大大提高。

3 结论

本实验以稳定高效节能的氢气发生器取代氢气瓶、氮气瓶作为气源，以价格适中、低毒的光谱纯酯系物取代苯系物作为分离样品，不仅大大提高教学效果，还体现绿色化学、节能环保的时尚教学理念，加强了学生节能环保的意识，提高了学生的综合能力。在我校，该实验在本科教学实验中面向化学、化工、制药、高分子、生物、环境、食品等专业开设，每年必修气相色谱实验的学生有1 200多名，我们要坚持“以生为本”的理念，坚持建设绿色、环保、节能型实验中心［13］，不断改进、创新我们的实验。

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［1］王凤霞.气相色谱在食品分析中的应用［D］.烟台：烟台大学，2013.

［2］朱明华.仪器分析［M］.3版.北京：高等教育出版社，2000.

［3］王亦军，王士霞，崔晓丽，等.气相色谱法分离苯系物的实验内容改进和教学模式探索［J］.实验室科学，2010，13（1）：75－78.

［4］陈其和.气相色谱实验课程的设计和教学［J］.内蒙古石油化工，2006（9）：82.

［5］郭登峰，杨建男.气相色谱实验教学改革与发展设想［J］.实验技术与管理，2000，17（1）：113－115.

［6］喻红梅，贾维妮.气相色谱实验教学探讨［J］.广西轻工业，2009（5）：188－190.

［7］任玉兰.气相色谱实验教学改革初探［J］.山东化工，2012，41（11）：62－63.

［8］尤努斯江·吐拉洪，迪拉拉·木沙，彭秧.气相色谱实验教学的实践与体会［J］.实验科学与技术，2012，10（1）：116－118.

［9］谷苗苗，姚开安，周爱东.仪器分析实验课程改革探索［J］.实验技术与管理，2014，31（3）：190－192.

［10］魏鸿，陈民助，赵国明.仪器分析实验室开放与安全管理系统的设计和运用［J］.实验技术与管理，2013，30（10）：202－203.