化学创新班探索性仪器分析实验教学的改革与实践——以气质联用仪定性/定量分析实验为例

陶 佳， 王 敏， 杭义萍， 许 琳

(华南理工大学 化学与化工学院，广州 510640)

化学创新班探索性仪器分析实验教学的改革与实践
——以气质联用仪定性/定量分析实验为例

陶 佳， 王 敏， 杭义萍， 许 琳

(华南理工大学 化学与化工学院，广州 510640)

结合气质联用仪对4-氨基偶氮苯的定性/定量分析实验，从化学创新班培养模式的特点出发，对于化学创新班探索性仪器分析实验教学的改革与实践进行了探讨。阐述了华南理工大学化学创新班的特点、现有的气质联用仪实验教学情况简介、实验要求与安排、内容以及实验结果与讨论。通过设计4个方面的实验教学内容，让学生对于气质联用仪定性/定量分析实验产生较强的理性与感性认识，总结了创新班探索性实验的成效和体会。

创新班； 探索性实验； 气质联用仪； 4-氨基偶氮苯

0 引 言

我校从2009年开始，采取本科生与研究生贯通培养新模式，开展“本-硕”连读、“本-硕-博”连读长学制培养模式，组建了包括化学类创新班(本-硕-博连读班)在内的5个创新班。创新班在本科阶段强化通识教育基础、加强实践创新能力培养、开展专业领域初步训练，硕士阶段强化学科基础和研究开发训练，博士阶段强化深入研究和创新发明，本硕博培养统筹优化，有机衔接。随着创新班的建立，相应课程的教学必须进行改革。仪器分析实验课作为化学创新班的必修课，有着举足轻重的作用，共66学时，分为光、电、色三大块，气相色谱-质谱联用仪(简称气质联用仪GC-MS)的使用是色谱实验部分里的主要内容。因此，针对化学创新班特殊的培养模式进行气质联用实验教学的改革对于培养兼具科学理论基础与实验技能的化学专业人才是十分重要的。

1 气质联用仪实验教学情况简介

气相色谱(GC)-质谱(MS)联用仪可看作是以MS为检测器的GC或以GC为进样、分离装置的MS，因此同时具备GC对混合物的高效分离效能和MS对未知物的强定性能力，可在较短时间内实现对多组分混合物质的定性及定量分析(见图1)。在所有联用技术中，GC-MS的发展最为完善，应用最为广泛[1]。

图1 GC-MS结构示意图

在高等院校的仪器分析实验中，气质联用仪的使用是化学以及应用化学等专业重要的基础实验之一。现有的分析化学实验教材对气质联用仪的使用都有详细的介绍[2]，也有具体的实验实例。相关文献也有对传统的GC-MS使用的实验教学改进与探索[3-9]，但鲜有基于学习对象差异性进行本科试验教学讨论的。本着绿色化学的理念，结合我校实验室的实际教学条件，我们探讨了对于创新班学生用气质联用仪分析纺织品中4-氨基偶氮苯的探索性实验方法的改进[10-12]。

2 实验要求与安排

2.1 实验要求

对于本硕博连读创新班，因其在大学第四年就要完全进到实验室，并学习硕士研究生一年级的课程，所以我们希望其在大学二年级也能进行应用化学专业其他同学在大三开设的综合仪器分析课程的一部分，并在此基础上拔高，进行探索性实验的内容，探索性实验项目是实验课(独立设课或非独立设课)的组成部分，是让学生接受一个开放性的问题(或者通过自己发现问题)、自己不断探索解决方案的一类实验项目[13-15]。从学生学习角度而言，探索性实验项目与传统的验证性实验项目、设计性实验项目的区别如表1所示。

探索性实验由创新班的本科生亲身参与，从课题设计、文献查找、课前讨论、实验操作、数据处理、结果分析到实验报告。通过查找资料，锻炼了学生们发现问题的能力，获取科学知识的能力；通过做实验，使学生们掌握一定的科研方法、实验技能。这对于他们养成严谨细致的科研作风，培养他们的实验技能、思考能力大有益处，使学生们的思、做、写等综合能力得到很好的培养，将为他们今后继续攻读研究生打下良好的基础。

表1 验证性实验、设计性实验、探索性实验的区别及联系

2.2 实验安排

本实验要求学生对白色棉布和黄色混纺布两种样品中的4-氨基偶氮苯进行含量测定[12]。具体安排主要包括4方面的内容：① 查阅文献，了解纺织品中4-氨基偶氮苯检测的背景、意义以及现有的方法；② 熟悉实验条件，确定保留时间与定性离子；③ 利用不同浓度的标准样品建立工作曲线；④ 实际样品的分析和回收率试验。

3 实 验

3.1 仪器与试剂

仪器：气相色谱仪(型号：Trace GC ultra 美国Finnigan INC)，质谱仪(型号：Trace DSQ 美国Finnigan INC)，气相色谱柱：美国Agilent DB-5(5%二苯基-95%二甲基聚硅氧烷) MS 石英毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，高纯氦(>99.999%)，微量注射器(1 μL)，丙酮(分析纯)，酯类混合物(溶剂为丙酮)。

试剂：甲醇，叔丁基甲醚，二甲苯，氯化钠，连二亚硫酸钠水溶液(200 mg/mL)，2%氢氧化钠水溶液。4-氨基偶氮苯 (CAS 60-09-3)标准品。

3.2 气质联用仪的条件

进样口温度：260 °C，色谱-质谱接口温度：270 °C，质量扫描范围：35～350 amu，进样方式：不分流进样，载气：氦气(>99.999%)，流速：1.0 mL/min，进样量：1.0 μL，离子源：EI，离子源温度：230 °C，离化电压：70 eV，溶剂延迟：3.0 min。

柱温：70 °C保持2 min，以10 °C/min速率升到140 °C，保留1 min，以30 °C/min速率上升到170 °C，再以5 °C/min的速率上升到230 °C，保持6 min，再以30 °C/min速率上升到290 °C，再以20 °C/min的速率上升到310 °C，保留1 min。

3.3 纺织样品预处理

取有代表性的织物，剪成约5 cm×5 cm小片，混合均匀。从混合样中称取 0.5 g 试样(准确至0.01 g)，用无色纱线扎紧，在萃取装置的蒸汽室内垂直放置，使冷凝溶剂可从样品上流过。在萃取装置中加入25mL二甲苯抽提1 h，抽提液冷却到室温，用85 °C的旋转蒸发仪蒸去溶剂；用2 mL甲醇将剩余物完全转移到50 mL带盖的试管。

3.4 萃取和浓缩

往上述已预先处理的纺织样品中加入9 mL 2% NaOH水溶液，所有样品要浸湿。加入1.0mL新鲜配制的200 mg/mL连二亚硫酸钠溶液后立即盖上试管盖并摇匀。将此密闭试管置于40 °C水槽中振荡30min。取出后立即用冰水冷却，2 min内冷却到室温。加入7 g氯化钠和10mL叔丁基甲醚，旋紧盖子，置于振荡器中振荡45 min。冷却及加入氯化钠和叔丁基甲醚上振荡器的时间控制在5min，以防止过度反应。取约1mL的有机层进行仪器分析。

4 结果与讨论

4.1 GC/MS分析条件的选择

GC/MS实验过程中，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 °C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。本实验课程面向的对象是大二下学期的学生，很多都是刚刚接触仪器分析实验，虽然已经做过气相色谱的相应实验，但是对于气质联用这类较高级的仪器进行分析实验，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升温速度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。因此，为了激发学生对气相色谱乃至仪器分析实验的学习兴趣，同时保持仪器分析条件的稳定，在对4-氨基偶氮苯的分析中采用3.2中的条件。结果显示，总离子流色谱图中4-氨基偶氮苯的分离度好，峰型好，响应强度也较理想。标准物质的色谱、质谱图见图2。根据该谱图可以确定，4-氨基偶氮苯的保留时间为8.22 min，选择定性离子为m/z 197、120、92、65。

图2 4-氨基偶氮苯的气相色谱/质谱总离子流图。

4.2 工作曲线的建立

由于《国家纺织产品基本安全技术规范》(GB 18401-2010)中规定纺织品中禁用芳香胺限量为20 mg/kg，因此在建立工作曲线时所用到的标准品溶液的浓度均为20×10-6以下。把4-氨基偶氮苯配成1×10-6、5×10-6、10×10-6、15×10-6、20×10-6浓度系列的标准工作溶液，在3.2的条件下进行测定。测定结果如图3所示，在(1～20)×10-6浓度范围内，保留时间为8.22 min下的色谱峰面积对4-氨基偶氮苯的浓度具有线性相关性，相关系数为99.837 %。

图3 气相色谱/质谱法测定4-氨基偶氮苯的工作曲线

4.3 实际样品的分析与回收率实验

按照3.3与3.4中的实验方法进行分析，每个添加水平做3次平行实验；利用4.2中建立的工作曲线计算不同样品中的4-氨基偶氮苯含量，以考察该方法的精密度和回收率，具体结果见表2。从表2可知，该方法的平均回收率为86%～102%，RSD值小于4%，稳定性较好。通过实验结果，使学生对于气质联用技术及其应用于实际问题解决的过程产生感性认识。

表2 4-氢基偶氮苯含量测试方法的精度与回收率

5 结 语

本实验改变过去由教师讲，学生听的以教师为主导传统灌输式教学模式，采用启发式、讨论式的以学生为主导的模式，做到多问多练，提高学生分析问题、解决问题和查阅科技文献资料能力。同时需要学生把课堂上学过的理论知识和已经掌握的理论知识，实验技术技能有机结合起来，充分发挥分析问题和解决问题的能力，也有助于培养学生的创新意识和创新精神，提高学生进行科学研究的综合能力，有利于创新班学生提前进入研究生角色。在我校，该实验在本科教学实验中面向应用化学和化学本硕博连读创新班开设，每年必修气质联用实验的学生近200名，要坚持“以生为本”的理念，针对学生个体的差异性，不断改进、创新我们的实验。

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The Reformation and Practice of Exploratory Instrumental Analysis Experiments Teaching for Innovation Class with Major in Chemistry——The Qualitative and Quantitative Analysis by Using GC-MS

TAOJia,WANGMin,HANGYiping,XULin

(College of Chemistry and Chemical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

In this paper, we have discussed the reformation and practice of exploratory instrumental analysis experimental teaching for innovation class with major in chemistry, based on the training mode of innovative class and the qualitative and quantitative analysis of 4-amino azobenzene by gas chromatography-mass spectrometer (GC-MS). This paper has introduced the characteristics of the innovation class of chemistry in South China University of Technology, the experimental teaching of GC-MS, the experimental requirements and arrangement, the experimental steps and results. Through four aspects of the experimental teaching, the students could have a strong rational and perceptual knowledge for the qualitative and quantitative analysis of GC-MS. Finally, we have summarized the acquirements and feelings of exploratory experiments in the innovation class.

innovation class; exploratory experiments; GC-MS; 4-amino azobenzene

2016-05-30

中央高校基本科研业务费专项资金资助(2015ZM055)；华南理工大学第三批探索性实验教学项目(Y1160070)；华南理工大学精品微课项目(Y1161000)

陶 佳(1988-)，女，湖南株洲人，博士，讲师，主要从事分析化学的理论与实验教学及研究工作。

Tel.:13544551749；E-mail：cejtao@scut.edu.cn

O 657.7

A

1006-7167(2017)06-0205-04