化學(xué)創(chuàng)新班探索性儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與實(shí)踐
——以氣質(zhì)聯(lián)用儀定性/定量分析實(shí)驗(yàn)為例

陶 佳， 王 敏， 杭義萍， 許 琳

(華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，廣州 510640)

化學(xué)創(chuàng)新班探索性儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與實(shí)踐
——以氣質(zhì)聯(lián)用儀定性/定量分析實(shí)驗(yàn)為例

陶 佳， 王 敏， 杭義萍， 許 琳

(華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，廣州 510640)

結(jié)合氣質(zhì)聯(lián)用儀對4-氨基偶氮苯的定性/定量分析實(shí)驗(yàn)，從化學(xué)創(chuàng)新班培養(yǎng)模式的特點(diǎn)出發(fā)，對于化學(xué)創(chuàng)新班探索性儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與實(shí)踐進(jìn)行了探討。闡述了華南理工大學(xué)化學(xué)創(chuàng)新班的特點(diǎn)、現(xiàn)有的氣質(zhì)聯(lián)用儀實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況簡介、實(shí)驗(yàn)要求與安排、內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論。通過設(shè)計(jì)4個方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生對于氣質(zhì)聯(lián)用儀定性/定量分析實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生較強(qiáng)的理性與感性認(rèn)識，總結(jié)了創(chuàng)新班探索性實(shí)驗(yàn)的成效和體會。

創(chuàng)新班； 探索性實(shí)驗(yàn)； 氣質(zhì)聯(lián)用儀； 4-氨基偶氮苯

0 引 言

我校從2009年開始，采取本科生與研究生貫通培養(yǎng)新模式，開展“本-碩”連讀、“本-碩-博”連讀長學(xué)制培養(yǎng)模式，組建了包括化學(xué)類創(chuàng)新班(本-碩-博連讀班)在內(nèi)的5個創(chuàng)新班。創(chuàng)新班在本科階段強(qiáng)化通識教育基礎(chǔ)、加強(qiáng)實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)、開展專業(yè)領(lǐng)域初步訓(xùn)練，碩士階段強(qiáng)化學(xué)科基礎(chǔ)和研究開發(fā)訓(xùn)練，博士階段強(qiáng)化深入研究和創(chuàng)新發(fā)明，本碩博培養(yǎng)統(tǒng)籌優(yōu)化，有機(jī)銜接。隨著創(chuàng)新班的建立，相應(yīng)課程的教學(xué)必須進(jìn)行改革。儀器分析實(shí)驗(yàn)課作為化學(xué)創(chuàng)新班的必修課，有著舉足輕重的作用，共66學(xué)時(shí)，分為光、電、色三大塊，氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(簡稱氣質(zhì)聯(lián)用儀GC-MS)的使用是色譜實(shí)驗(yàn)部分里的主要內(nèi)容。因此，針對化學(xué)創(chuàng)新班特殊的培養(yǎng)模式進(jìn)行氣質(zhì)聯(lián)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革對于培養(yǎng)兼具科學(xué)理論基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)技能的化學(xué)專業(yè)人才是十分重要的。

1 氣質(zhì)聯(lián)用儀實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況簡介

氣相色譜(GC)-質(zhì)譜(MS)聯(lián)用儀可看作是以MS為檢測器的GC或以GC為進(jìn)樣、分離裝置的MS，因此同時(shí)具備GC對混合物的高效分離效能和MS對未知物的強(qiáng)定性能力，可在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對多組分混合物質(zhì)的定性及定量分析(見圖1)。在所有聯(lián)用技術(shù)中，GC-MS的發(fā)展最為完善，應(yīng)用最為廣泛[1]。

圖1 GC-MS結(jié)構(gòu)示意圖

在高等院校的儀器分析實(shí)驗(yàn)中，氣質(zhì)聯(lián)用儀的使用是化學(xué)以及應(yīng)用化學(xué)等專業(yè)重要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一。現(xiàn)有的分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材對氣質(zhì)聯(lián)用儀的使用都有詳細(xì)的介紹[2]，也有具體的實(shí)驗(yàn)實(shí)例。相關(guān)文獻(xiàn)也有對傳統(tǒng)的GC-MS使用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)與探索[3-9]，但鮮有基于學(xué)習(xí)對象差異性進(jìn)行本科試驗(yàn)教學(xué)討論的。本著綠色化學(xué)的理念，結(jié)合我校實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際教學(xué)條件，我們探討了對于創(chuàng)新班學(xué)生用氣質(zhì)聯(lián)用儀分析紡織品中4-氨基偶氮苯的探索性實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)[10-12]。

2 實(shí)驗(yàn)要求與安排

2.1 實(shí)驗(yàn)要求

對于本碩博連讀創(chuàng)新班，因其在大學(xué)第四年就要完全進(jìn)到實(shí)驗(yàn)室，并學(xué)習(xí)碩士研究生一年級的課程，所以我們希望其在大學(xué)二年級也能進(jìn)行應(yīng)用化學(xué)專業(yè)其他同學(xué)在大三開設(shè)的綜合儀器分析課程的一部分，并在此基礎(chǔ)上拔高，進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是實(shí)驗(yàn)課(獨(dú)立設(shè)課或非獨(dú)立設(shè)課)的組成部分，是讓學(xué)生接受一個開放性的問題(或者通過自己發(fā)現(xiàn)問題)、自己不斷探索解決方案的一類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[13-15]。從學(xué)生學(xué)習(xí)角度而言，探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的區(qū)別如表1所示。

探索性實(shí)驗(yàn)由創(chuàng)新班的本科生親身參與，從課題設(shè)計(jì)、文獻(xiàn)查找、課前討論、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析到實(shí)驗(yàn)報(bào)告。通過查找資料，鍛煉了學(xué)生們發(fā)現(xiàn)問題的能力，獲取科學(xué)知識的能力；通過做實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生們掌握一定的科研方法、實(shí)驗(yàn)技能。這對于他們養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科研作風(fēng)，培養(yǎng)他們的實(shí)驗(yàn)技能、思考能力大有益處，使學(xué)生們的思、做、寫等綜合能力得到很好的培養(yǎng)，將為他們今后繼續(xù)攻讀研究生打下良好的基礎(chǔ)。

表1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、探索性實(shí)驗(yàn)的區(qū)別及聯(lián)系

2.2 實(shí)驗(yàn)安排

本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生對白色棉布和黃色混紡布兩種樣品中的4-氨基偶氮苯進(jìn)行含量測定[12]。具體安排主要包括4方面的內(nèi)容：① 查閱文獻(xiàn)，了解紡織品中4-氨基偶氮苯檢測的背景、意義以及現(xiàn)有的方法；② 熟悉實(shí)驗(yàn)條件，確定保留時(shí)間與定性離子；③ 利用不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品建立工作曲線；④ 實(shí)際樣品的分析和回收率試驗(yàn)。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 儀器與試劑

儀器：氣相色譜儀(型號：Trace GC ultra 美國Finnigan INC)，質(zhì)譜儀(型號：Trace DSQ 美國Finnigan INC)，氣相色譜柱：美國Agilent DB-5(5%二苯基-95%二甲基聚硅氧烷) MS 石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，高純氦(>99.999%)，微量注射器(1 μL)，丙酮(分析純)，酯類混合物(溶劑為丙酮)。

試劑：甲醇，叔丁基甲醚，二甲苯，氯化鈉，連二亞硫酸鈉水溶液(200 mg/mL)，2%氫氧化鈉水溶液。4-氨基偶氮苯 (CAS 60-09-3)標(biāo)準(zhǔn)品。

3.2 氣質(zhì)聯(lián)用儀的條件

進(jìn)樣口溫度：260 °C，色譜-質(zhì)譜接口溫度：270 °C，質(zhì)量掃描范圍：35～350 amu，進(jìn)樣方式：不分流進(jìn)樣，載氣：氦氣(>99.999%)，流速：1.0 mL/min，進(jìn)樣量：1.0 μL，離子源：EI，離子源溫度：230 °C，離化電壓：70 eV，溶劑延遲：3.0 min。

柱溫：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 紡織樣品預(yù)處理

取有代表性的織物，剪成約5 cm×5 cm小片，混合均勻。從混合樣中稱取 0.5 g 試樣(準(zhǔn)確至0.01 g)，用無色紗線扎緊，在萃取裝置的蒸汽室內(nèi)垂直放置，使冷凝溶劑可從樣品上流過。在萃取裝置中加入25mL二甲苯抽提1 h，抽提液冷卻到室溫，用85 °C的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸去溶劑；用2 mL甲醇將剩余物完全轉(zhuǎn)移到50 mL帶蓋的試管。

3.4 萃取和濃縮

往上述已預(yù)先處理的紡織樣品中加入9 mL 2% NaOH水溶液，所有樣品要浸濕。加入1.0mL新鮮配制的200 mg/mL連二亞硫酸鈉溶液后立即蓋上試管蓋并搖勻。將此密閉試管置于40 °C水槽中振蕩30min。取出后立即用冰水冷卻，2 min內(nèi)冷卻到室溫。加入7 g氯化鈉和10mL叔丁基甲醚，旋緊蓋子，置于振蕩器中振蕩45 min。冷卻及加入氯化鈉和叔丁基甲醚上振蕩器的時(shí)間控制在5min，以防止過度反應(yīng)。取約1mL的有機(jī)層進(jìn)行儀器分析。

4 結(jié)果與討論

4.1 GC/MS分析條件的選擇

GC/MS實(shí)驗(yàn)過程中，色譜柱的溫度選擇要求最低溫度要高于樣品的沸點(diǎn)，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 °C左右，防止不易揮發(fā)的樣品或雜質(zhì)在檢測器中冷凝，污染檢測器。本實(shí)驗(yàn)課程面向的對象是大二下學(xué)期的學(xué)生，很多都是剛剛接觸儀器分析實(shí)驗(yàn)，雖然已經(jīng)做過氣相色譜的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，但是對于氣質(zhì)聯(lián)用這類較高級的儀器進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)，第一印象往往是既陌生又新奇。我們希望實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是不同升溫速度下樣品的出峰時(shí)間和峰形能有顯著的差異，能給學(xué)生留下深刻印象。因此，為了激發(fā)學(xué)生對氣相色譜乃至儀器分析實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)保持儀器分析條件的穩(wěn)定，在對4-氨基偶氮苯的分析中采用3.2中的條件。結(jié)果顯示，總離子流色譜圖中4-氨基偶氮苯的分離度好，峰型好，響應(yīng)強(qiáng)度也較理想。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的色譜、質(zhì)譜圖見圖2。根據(jù)該譜圖可以確定，4-氨基偶氮苯的保留時(shí)間為8.22 min，選擇定性離子為m/z 197、120、92、65。

圖2 4-氨基偶氮苯的氣相色譜/質(zhì)譜總離子流圖。

4.2 工作曲線的建立

由于《國家紡織產(chǎn)品基本安全技術(shù)規(guī)范》(GB 18401-2010)中規(guī)定紡織品中禁用芳香胺限量為20 mg/kg，因此在建立工作曲線時(shí)所用到的標(biāo)準(zhǔn)品溶液的濃度均為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濃度系列的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，在3.2的條件下進(jìn)行測定。測定結(jié)果如圖3所示，在(1～20)×10-6濃度范圍內(nèi)，保留時(shí)間為8.22 min下的色譜峰面積對4-氨基偶氮苯的濃度具有線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為99.837 %。

圖3 氣相色譜/質(zhì)譜法測定4-氨基偶氮苯的工作曲線

4.3 實(shí)際樣品的分析與回收率實(shí)驗(yàn)

按照3.3與3.4中的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行分析，每個添加水平做3次平行實(shí)驗(yàn)；利用4.2中建立的工作曲線計(jì)算不同樣品中的4-氨基偶氮苯含量，以考察該方法的精密度和回收率，具體結(jié)果見表2。從表2可知，該方法的平均回收率為86%～102%，RSD值小于4%，穩(wěn)定性較好。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使學(xué)生對于氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)及其應(yīng)用于實(shí)際問題解決的過程產(chǎn)生感性認(rèn)識。

表2 4-氫基偶氮苯含量測試方法的精度與回收率

5 結(jié) 語

本實(shí)驗(yàn)改變過去由教師講，學(xué)生聽的以教師為主導(dǎo)傳統(tǒng)灌輸式教學(xué)模式，采用啟發(fā)式、討論式的以學(xué)生為主導(dǎo)的模式，做到多問多練，提高學(xué)生分析問題、解決問題和查閱科技文獻(xiàn)資料能力。同時(shí)需要學(xué)生把課堂上學(xué)過的理論知識和已經(jīng)掌握的理論知識，實(shí)驗(yàn)技術(shù)技能有機(jī)結(jié)合起來，充分發(fā)揮分析問題和解決問題的能力，也有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神，提高學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究的綜合能力，有利于創(chuàng)新班學(xué)生提前進(jìn)入研究生角色。在我校，該實(shí)驗(yàn)在本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中面向應(yīng)用化學(xué)和化學(xué)本碩博連讀創(chuàng)新班開設(shè)，每年必修氣質(zhì)聯(lián)用實(shí)驗(yàn)的學(xué)生近200名，要堅(jiān)持“以生為本”的理念，針對學(xué)生個體的差異性，不斷改進(jìn)、創(chuàng)新我們的實(shí)驗(yàn)。

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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

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2015ZM055)；華南理工大學(xué)第三批探索性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目(Y1160070)；華南理工大學(xué)精品微課項(xiàng)目(Y1161000)

陶 佳(1988-)，女，湖南株洲人，博士，講師，主要從事分析化學(xué)的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)及研究工作。

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

O 657.7

A

1006-7167(2017)06-0205-04