王翊如

(廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)系 福建廈門361005)

隨著我國高等院校教育經(jīng)費投入的增加，越來越多的高校有能力開設(shè)更多大型儀器設(shè)備的實驗教學(xué)內(nèi)容。氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用分析法適用于分離分析揮發(fā)性或半揮發(fā)性混合物，在環(huán)境、食品、臨床等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。廈門大學(xué)化學(xué)系從2001年起開始增設(shè)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析實驗教學(xué)內(nèi)容，在此闡述10多年教學(xué)過程中的一些思考，以期通過不斷地改進(jìn)教學(xué)設(shè)計，提高教學(xué)效果。

1 教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計原則

1.1 高效使用儀器

根據(jù)教學(xué)對象的不同設(shè)置了不同的教學(xué)內(nèi)容:3.5小時的課時內(nèi)容適用于本科生，主要涉及氣相色譜-質(zhì)譜的基本原理和基本操作;6小時的課時內(nèi)容適用于研究生，增加了樣品前處理過程以及儀器的維護(hù)操作介紹。

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀的實用價值和儀器維護(hù)成本都比較高，若僅將該儀器應(yīng)用于每周兩次的實驗教學(xué)則過于浪費，因此將儀器的非教學(xué)時間留給科研活動是必要的。這樣不但能提高儀器的利用率，還可以使儀器隨時處于工作狀態(tài)，適用從上午第一節(jié)課即開始的實驗教學(xué);教師也不需要提前2小時開機(jī)抽真空，并避免了頻繁開關(guān)儀器損害高速運轉(zhuǎn)的渦輪分子泵。從科研項目中節(jié)選部分內(nèi)容作為實驗的教學(xué)內(nèi)容，科研和教學(xué)相輔相成，不但可以共享色譜柱和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，還可以減少不同樣品體系的干擾。因此，我們在與香港浸會大學(xué)化學(xué)系合作研究香港大氣中的多環(huán)芳烴的過程中，開設(shè)了氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測定混合多環(huán)芳烴實驗;在與廈門市公安局刑事技術(shù)研究所科研合作的過程中，開設(shè)了氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測定混合毒品實驗;在完成科研項目“食品安全檢測新技術(shù)、新方法的研究”過程中，開設(shè)了氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測定有機(jī)磷混合物實驗。由于標(biāo)準(zhǔn)溶液具有一定的使用時間限制，因此，科研與教學(xué)共享標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液是個較好的選擇，這樣也能使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中有機(jī)會接觸到價格昂貴的氘代化合物作為內(nèi)標(biāo)物。

1.2 核心內(nèi)容設(shè)計

本文以氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測定有機(jī)磷混合物實驗為例，介紹適用于本科生教學(xué)的實驗內(nèi)容設(shè)計。設(shè)計的核心在于能使學(xué)生在規(guī)定的學(xué)時內(nèi)完成一個相對完整的定性、定量實驗。

選擇7種有機(jī)磷標(biāo)準(zhǔn)品，分別為甲拌磷、二嗪磷、甲基對硫磷、殺螟硫磷、毒死蜱、稻豐散和乙硫磷，其中毒死蜱作為內(nèi)標(biāo)化合物。配制質(zhì)量濃度分別為0.4、0.6和1.0mg/L的3份標(biāo)準(zhǔn)混合溶液以及一份濃度待測的樣品混合液(4份溶液中均含有質(zhì)量濃度為0.4mg/L的內(nèi)標(biāo)物毒死蜱)。選擇VF-5ms型色譜柱(長30m，內(nèi)徑0.25mm，膜厚0.25μm)分離混合有機(jī)磷，初始柱溫120℃，以40℃/min升至200℃，再以1℃/min升至210℃，繼續(xù)以20℃/min升至230℃，保留2min，最后以30℃/min升至260℃，保留0.5min。色譜的程序升溫時間為16.5min，加上色譜柱從260℃降溫回初始柱溫120℃的時間，完整走完一個樣品的時間可以控制在20min內(nèi)，比較適合在3.5h的實驗時間內(nèi)設(shè)計做5～6個樣品。

氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)法的定性方式有兩種，一是采用有機(jī)磷在氣相色譜上的保留時間進(jìn)行定性，一是采用有機(jī)磷特征的質(zhì)譜圖進(jìn)行定性，此雙重定性能力是GC-MS法比普通GC法優(yōu)越所在。因此，定性實驗設(shè)計的內(nèi)容可要求學(xué)生采用全掃描的檢測模式(掃描范圍60～400amu)，分離分析1.0μL 1.0mg/L的有機(jī)磷標(biāo)準(zhǔn)混合液，判斷每一種有機(jī)磷的保留時間，獲得每一種有機(jī)磷化合物的特征離子碎片。定性實驗需使學(xué)生了解總離子流色譜圖(TIC)和多離子色譜圖(MIC)的區(qū)別，能通過選擇單離子或多離子色譜圖快速找到某一種有機(jī)磷的色譜峰，學(xué)會扣除本底背景并進(jìn)行譜庫檢索，并且認(rèn)識到在固定載氣流量和色譜柱升溫程序條件下，不同濃度溶液中同一種有機(jī)磷的保留時間相同。

GC-MS法的定量方式選用內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線法，采用選擇離子檢測模式(SIM)進(jìn)行檢測，以0.4、0.6和1.0mg/L的3份標(biāo)準(zhǔn)混合溶液中待測有機(jī)磷i組分的特征離子的色譜峰面積Ai與內(nèi)標(biāo)物毒死蜱的特征離子的峰面積As比值y(y=Ai/As)對待測有機(jī)磷的濃度ci與內(nèi)標(biāo)物毒死蜱的濃度cs的比值x(x=ci/cs)做一元線性回歸方程(y=ax+b)，因此6種待測有機(jī)磷可以獲得6條內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線。公式推導(dǎo)如下:

其中fis為待測有機(jī)磷i組分相對內(nèi)標(biāo)物毒死蜱的相對質(zhì)量校正因子，fi為待測有機(jī)磷i組分的絕對質(zhì)量校正因子，fs為內(nèi)標(biāo)物毒死蜱的絕對質(zhì)量校正因子，mi為待測有機(jī)磷i組分的質(zhì)量，ms為內(nèi)標(biāo)物毒死蜱的質(zhì)量。

再計算樣品溶液中待測有機(jī)磷的特征離子的色譜峰面積與內(nèi)標(biāo)物毒死蜱的特征離子的峰面積比值(y')，代入方程可以獲得6種有機(jī)磷的x'。又由于樣品中內(nèi)標(biāo)待測物的濃度cs已知，由此可以計算出待測物的濃度ci。

1.3 注重趣味培養(yǎng)

興趣是學(xué)習(xí)的最大動力，因此，實驗課的引題尤為重要，可以從擴(kuò)展介紹與目標(biāo)待測物相關(guān)的話題說起。例如，在氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測定有機(jī)磷混合物實驗中，可介紹不同有機(jī)磷農(nóng)藥的毒性、有機(jī)磷中毒刑事案件以及食品中有機(jī)磷農(nóng)藥殘留超標(biāo)事件等;在氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測定混合毒品實驗中，可介紹冰毒在日本的抗抑郁濫用、海洛因的高危成癮性、奧運會及香港賽馬會的興奮劑檢測現(xiàn)狀等;在氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測定混合多環(huán)芳烴實驗中，可介紹環(huán)境中多環(huán)芳烴的產(chǎn)生來源、掃煙囪工人患鼻咽癌誘因以及可以加快多環(huán)芳烴排出人體的食物等。由于實驗教學(xué)對象都有較好的智力因素，因此，一些非智力因素(如興趣等)可在實驗教學(xué)過程中起明顯的作用［1］。

1.4 設(shè)計綠色實驗

在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生更喜歡操作簡便、綠色環(huán)保的實驗。我們曾開設(shè)過兩個適用于研究生的教學(xué)實驗，相比較于涉及有機(jī)溶劑萃取、硅藻土層析柱凈化、氮吹濃縮定容等內(nèi)容的GC-MS同時測定蔬菜水果中多種農(nóng)藥殘留實驗，頂空固相微萃取技術(shù)與氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用快速檢測茶中香味物質(zhì)實驗更受學(xué)生的歡迎。頂空固相微萃取技術(shù)是一種不需要使用有機(jī)溶劑的樣品前處理技術(shù)。在一定溫度下，固相微萃取纖維先萃取密閉于頂空瓶頂空中的茶的香味物質(zhì)，同時實現(xiàn)萃取、凈化、濃縮等樣品前處理步驟，再利用氣相色譜氣化室的高溫，將纖維上的香味物質(zhì)熱解吸到氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)中。該方法具有高效、快速、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等特點。在實驗教學(xué)中，既可以采用商品化的固相微萃取裝置，也可以使用自制的固相微萃取裝置。

1.5 規(guī)范原則

由于氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀在各行業(yè)應(yīng)用廣泛，因此也可以選擇一些標(biāo)準(zhǔn)分析方法作為選修實驗，例如食品標(biāo)準(zhǔn)分析方法 GB/T 5009.204—2005，SN/T 2151—2008，SN/T 2149—2008，SN/T 0123—2010，SN/T 0148—2011 等。

2 教學(xué)內(nèi)容的有效實施

2.1 知識構(gòu)建過程

學(xué)習(xí)實質(zhì)上是一個知識構(gòu)建過程［2］。因此，在簡單講解氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法的基本原理時，應(yīng)著重強(qiáng)調(diào)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析法(GC-MS)在分析化學(xué)學(xué)科中所處的位置，讓學(xué)生了解氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀能做什么，不能做什么，明確當(dāng)前的學(xué)習(xí)與其他學(xué)習(xí)任務(wù)的不同之處。

色譜法的最主要功能是分離。氣相色譜與高效液相色譜、超臨界流體色譜、高效薄層色譜、離子色譜等其他色譜方法相比，最大特點就是適合分離分析揮發(fā)性或半揮發(fā)性的有機(jī)混合物。在氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀中，氣相色譜儀是質(zhì)譜儀理想的進(jìn)樣器，質(zhì)譜儀是氣相色譜儀理想的檢測器;試樣經(jīng)氣相色譜儀分離后，以純物質(zhì)形式進(jìn)入質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法受到氣相色譜的限制，也僅適用于分離分析揮發(fā)性或半揮發(fā)性化合物;若直接分析的樣品中含有難揮發(fā)的化合物，則可能對進(jìn)樣系統(tǒng)和分離系統(tǒng)造成污染。

相比較于氫火焰離子化檢測器(FID)和電子捕獲檢測器(ECD)等一般的氣相色譜檢測器，采用質(zhì)譜儀作為氣相色譜檢測器不但可以通過氣相色譜的保留時間對待測化合物進(jìn)行定性，而且可以通過質(zhì)譜圖對化合物進(jìn)行定性，從而實現(xiàn)雙重定性，使定性的準(zhǔn)確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的氣相色譜法。而且，質(zhì)譜儀作為通用型的檢測器，幾乎可以檢測出所有的化合物，比FID、ECD等選擇性檢測器的應(yīng)用范圍更廣。

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法既發(fā)揮了氣相色譜法高分離能力，又發(fā)揮了質(zhì)譜法高鑒別、高靈敏檢測能力，兩者相輔相成。通過質(zhì)譜的選擇離子檢測模式(SIM)，可以區(qū)分氣相色譜難以分離的化合物;而對于質(zhì)譜難以區(qū)分的同分異構(gòu)體，氣相色譜又能充分地發(fā)揮其優(yōu)越的分離能力。所以，氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法實驗教學(xué)的目的之一就是要使學(xué)生認(rèn)識到GC-MS法是目前分離分析揮發(fā)性或半揮發(fā)性有機(jī)混合物的最好的儀器分析方法。

2.2 儀器現(xiàn)場講解

GC-MS儀的基本操作(包括儀器分析方法的建立、樣品的進(jìn)樣分析及數(shù)據(jù)處理等)都可以通過計算機(jī)來實現(xiàn)。隨著學(xué)生有機(jī)會接觸更多的儀器以及計算機(jī)水平的提高，基本操作的教學(xué)雖是重點但已不是難點。另外，在研究生實驗課的教學(xué)內(nèi)容中增加了儀器的正常維護(hù)，包括如何安裝色譜柱，如何更換氣相色譜儀進(jìn)樣口的硅橡膠墊片以及如何清洗更換氣化室的玻璃襯管等，這部分內(nèi)容可以通過操作視頻來學(xué)習(xí)。在儀器現(xiàn)場講解時，氣相色譜儀的門可以暫時打開，讓學(xué)生認(rèn)識色譜柱上的標(biāo)簽，包括色譜柱型號、柱長、內(nèi)徑以及膜厚等參數(shù)，并介紹適用于質(zhì)譜檢測的氣相毛細(xì)管柱具有MS的特別標(biāo)示等內(nèi)容。

在以往使用過程中更換的GC-MS儀的零部件(包括燈絲、電子倍增器等，以及報廢的質(zhì)量分析器、分子渦輪泵等)可以保留下來作為教學(xué)道具。雖然多媒體課件也可以較好地展示儀器的內(nèi)部部件，但這種在實驗教學(xué)過程中直接展示實物的效果往往更好。

2.3 授課時間安排

由于GC-MS實驗教學(xué)的內(nèi)容較多(包括定性定量分析等內(nèi)容)，因此，由教師在課前全部講解完再讓學(xué)生實驗的效果并不夠好，原因是時間過長、重點太多，學(xué)生難以一下全盤接受?？蓪⑹谡n講解內(nèi)容分成3段，即GC-MS法總體介紹、定性以及定量3部分，穿插在實驗過程中進(jìn)行講解。這樣既可以充分利用儀器走樣的時間，而且每段都有一個重點，學(xué)生接受起來比較輕松，教師也容易掌控實驗課程的進(jìn)度。在實驗結(jié)束前，教師與學(xué)生一起討論并進(jìn)行小結(jié)，可以較好地把分散的講解內(nèi)容重新統(tǒng)一，學(xué)生也能進(jìn)一步完善認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

3 教學(xué)效果評價

3.1 課堂評價

在GC-MS實驗教學(xué)過程中，由于儀器數(shù)目有限，每次參加實驗課的學(xué)生一般控制在4～6人(4人的教學(xué)效果較好)，使教師能有充足的時間與學(xué)生進(jìn)行實驗討論，并通過對實驗現(xiàn)象的提問來了解教師的講解效果以及學(xué)生的聽課效果，進(jìn)而評價學(xué)生利用基本原理解決實際問題的能力。我們亦試驗過拔尖班學(xué)生的GC-MS實驗教學(xué)，4人兩組，使之分別在兩臺不同的儀器上操作(Varian 3900 Saturn 2100T GC/MS/MS和Shimadzu GC/MS-QP2010)。雖然兩臺GC-MS儀的進(jìn)樣系統(tǒng)和質(zhì)量分析器有所不同，但教師在一臺儀器上講解完后，學(xué)生遵循講義上的操作步驟，基本上可以在另一臺儀器上獨立操作實驗。

3.2 課后成績評價

學(xué)生成績的評價包括預(yù)習(xí)、實驗操作、實驗結(jié)果以及實驗報告幾部分，其中實驗報告的討論部分尤為重要，可以了解學(xué)生課后學(xué)習(xí)參考書的情況以及學(xué)生對于氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析方法的認(rèn)知程度，進(jìn)而設(shè)計更有效的GC-MS實驗教學(xué)內(nèi)容。

［1］沈德立.高效率學(xué)習(xí)的心理學(xué)研究.北京:教育科學(xué)出版社，2006

［2］盛群力.教學(xué)設(shè)計.北京:高等教育出版社，2005