化學創新班探索性儀器分析實驗教學的改革與實踐
——以氣質聯用儀定性/定量分析實驗為例

陶 佳， 王 敏， 杭義萍， 許 琳

(華南理工大學 化學與化工學院，廣州 510640)

化學創新班探索性儀器分析實驗教學的改革與實踐
——以氣質聯用儀定性/定量分析實驗為例

陶 佳， 王 敏， 杭義萍， 許 琳

(華南理工大學 化學與化工學院，廣州 510640)

結合氣質聯用儀對4-氨基偶氮苯的定性/定量分析實驗，從化學創新班培養模式的特點出發，對于化學創新班探索性儀器分析實驗教學的改革與實踐進行了探討。闡述了華南理工大學化學創新班的特點、現有的氣質聯用儀實驗教學情況簡介、實驗要求與安排、內容以及實驗結果與討論。通過設計4個方面的實驗教學內容，讓學生對于氣質聯用儀定性/定量分析實驗產生較強的理性與感性認識，總結了創新班探索性實驗的成效和體會。

創新班； 探索性實驗； 氣質聯用儀； 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新模式，開展“本-碩”連讀、“本-碩-博”連讀長學制培養模式，組建了包括化學類創新班(本-碩-博連讀班)在內的5個創新班。創新班在本科階段強化通識教育基礎、加強實踐創新能力培養、開展專業領域初步訓練，碩士階段強化學科基礎和研究開發訓練，博士階段強化深入研究和創新發明，本碩博培養統籌優化，有機銜接。隨著創新班的建立，相應課程的教學必須進行改革。儀器分析實驗課作為化學創新班的必修課，有著舉足輕重的作用，共66學時，分為光、電、色三大塊，氣相色譜-質譜聯用儀(簡稱氣質聯用儀GC-MS)的使用是色譜實驗部分里的主要內容。因此，針對化學創新班特殊的培養模式進行氣質聯用實驗教學的改革對于培養兼具科學理論基礎與實驗技能的化學專業人才是十分重要的。

1 氣質聯用儀實驗教學情況簡介

氣相色譜(GC)-質譜(MS)聯用儀可看作是以MS為檢測器的GC或以GC為進樣、分離裝置的MS，因此同時具備GC對混合物的高效分離效能和MS對未知物的強定性能力，可在較短時間內實現對多組分混合物質的定性及定量分析(見圖1)。在所有聯用技術中，GC-MS的發展最為完善，應用最為廣泛[1]。

圖1 GC-MS結構示意圖

在高等院校的儀器分析實驗中，氣質聯用儀的使用是化學以及應用化學等專業重要的基礎實驗之一?，F有的分析化學實驗教材對氣質聯用儀的使用都有詳細的介紹[2]，也有具體的實驗實例。相關文獻也有對傳統的GC-MS使用的實驗教學改進與探索[3-9]，但鮮有基于學習對象差異性進行本科試驗教學討論的。本著綠色化學的理念，結合我校實驗室的實際教學條件，我們探討了對于創新班學生用氣質聯用儀分析紡織品中4-氨基偶氮苯的探索性實驗方法的改進[10-12]。

2 實驗要求與安排

2.1 實驗要求

對于本碩博連讀創新班，因其在大學第四年就要完全進到實驗室，并學習碩士研究生一年級的課程，所以我們希望其在大學二年級也能進行應用化學專業其他同學在大三開設的綜合儀器分析課程的一部分，并在此基礎上拔高，進行探索性實驗的內容，探索性實驗項目是實驗課(獨立設課或非獨立設課)的組成部分，是讓學生接受一個開放性的問題(或者通過自己發現問題)、自己不斷探索解決方案的一類實驗項目[13-15]。從學生學習角度而言，探索性實驗項目與傳統的驗證性實驗項目、設計性實驗項目的區別如表1所示。

探索性實驗由創新班的本科生親身參與，從課題設計、文獻查找、課前討論、實驗操作、數據處理、結果分析到實驗報告。通過查找資料，鍛煉了學生們發現問題的能力，獲取科學知識的能力；通過做實驗，使學生們掌握一定的科研方法、實驗技能。這對于他們養成嚴謹細致的科研作風，培養他們的實驗技能、思考能力大有益處，使學生們的思、做、寫等綜合能力得到很好的培養，將為他們今后繼續攻讀研究生打下良好的基礎。

表1 驗證性實驗、設計性實驗、探索性實驗的區別及聯系

2.2 實驗安排

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

3 實 驗

3.1 儀器與試劑

儀器：氣相色譜儀(型號：Trace GC ultra 美國Finnigan INC)，質譜儀(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)標準品。

3.2 氣質聯用儀的條件

進樣口溫度：260 °C，色譜-質譜接口溫度：270 °C，質量掃描范圍：35～350 amu，進樣方式：不分流進樣，載氣：氦氣(>99.999%)，流速：1.0 mL/min，進樣量：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(準確至0.01 g)，用無色紗線扎緊，在萃取裝置的蒸汽室內垂直放置，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的旋轉蒸發儀蒸去溶劑；用2 mL甲醇將剩余物完全轉移到50 mL帶蓋的試管。

3.4 萃取和濃縮

往上述已預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間控制在5min，以防止過度反應。取約1mL的有機層進行儀器分析。

4 結果與討論

4.1 GC/MS分析條件的選擇

GC/MS實驗過程中，色譜柱的溫度選擇要求最低溫度要高于樣品的沸點，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，防止不易揮發的樣品或雜質在檢測器中冷凝，污染檢測器。本實驗課程面向的對象是大二下學期的學生，很多都是剛剛接觸儀器分析實驗，雖然已經做過氣相色譜的相應實驗，但是對于氣質聯用這類較高級的儀器進行分析實驗，第一印象往往是既陌生又新奇。我們希望實驗的結果是不同升溫速度下樣品的出峰時間和峰形能有顯著的差異，能給學生留下深刻印象。因此，為了激發學生對氣相色譜乃至儀器分析實驗的學習興趣，同時保持儀器分析條件的穩定，在對4-氨基偶氮苯的分析中采用3.2中的條件。結果顯示，總離子流色譜圖中4-氨基偶氮苯的分離度好，峰型好，響應強度也較理想。標準物質的色譜、質譜圖見圖2。根據該譜圖可以確定，4-氨基偶氮苯的保留時間為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/質譜總離子流圖。

4.2 工作曲線的建立

由于《國家紡織產品基本安全技術規范》(GB 18401-2010)中規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所用到的標準品溶液的濃度均為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濃度系列的標準工作溶液，在3.2的條件下進行測定。測定結果如圖3所示，在(1～20)×10-6濃度范圍內，保留時間為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性，相關系數為99.837 %。

圖3 氣相色譜/質譜法測定4-氨基偶氮苯的工作曲線

4.3 實際樣品的分析與回收率實驗

按照3.3與3.4中的實驗方法進行分析，每個添加水平做3次平行實驗；利用4.2中建立的工作曲線計算不同樣品中的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%，穩定性較好。通過實驗結果，使學生對于氣質聯用技術及其應用于實際問題解決的過程產生感性認識。

表2 4-氫基偶氮苯含量測試方法的精度與回收率

5 結 語

本實驗改變過去由教師講，學生聽的以教師為主導傳統灌輸式教學模式，采用啟發式、討論式的以學生為主導的模式，做到多問多練，提高學生分析問題、解決問題和查閱科技文獻資料能力。同時需要學生把課堂上學過的理論知識和已經掌握的理論知識，實驗技術技能有機結合起來，充分發揮分析問題和解決問題的能力，也有助于培養學生的創新意識和創新精神，提高學生進行科學研究的綜合能力，有利于創新班學生提前進入研究生角色。在我校，該實驗在本科教學實驗中面向應用化學和化學本碩博連讀創新班開設，每年必修氣質聯用實驗的學生近200名，要堅持“以生為本”的理念，針對學生個體的差異性，不斷改進、創新我們的實驗。

[1] 尹 偉，法煥寶，鮮曉紅，等.氣質聯用儀外標法定量分析的實驗教學探索 [J]. 實驗科學與技術，2014，12 (1)：13-14.

[2] 陳曉水，侯宏衛，邊照陽，等.氣相色譜-串聯質譜(GC-MS/MS)的應用研究進展 [J]. 質譜學報，2013，34 (5)：308-320.

[3] 邊 磊，徐烜峰，關 玲，等.2-甲基-2-己醇制備實驗中合成產物的GC/MS分析 [J]. 實驗室研究與探索，2013,32(6)：34-36.

[4] 宰德欣，朱麗珺，錢潔塵. 氣質聯用檢測食品包裝材料中的PAEs的教學實驗探索 [J]. 高分子通報，2012 (8)：125-128.

[5] 邵 偉，孫 晴，盛 翔. 氣質聯用法測定飲料中塑化劑的設計性實驗 [J]. 大學化學，2014,29 (3)：67-71.

[6] 葛淑萍，唐 培. 頂空-GC/MS測定藥物中乙醇含量的教學實驗探索 [J]. 實驗室科學，2016,19(3)：16-17.

[7] 孔德明，何 韌. 將醬油中苯甲酸鈉含量的測定設計為GC-MS聯用教學實驗的探討 [J]. 實驗室科學，2009(4)：68-71.

[8] 陳明星，關 妍，潘 偉，等.三種色譜前處理方法的比較 [J]. 實驗室研究與探索，2014,33 (1)：52-55.

[9] 羅 倩，瞿國潤，呂霽烊，等.植物表面蠟質測定中氣質檢測條件的優化 [J]. 實驗室研究與探索，2013，32 (10)：287-290.

[10] 毛秋平，梁向暉，鐘偉強. 紡織品中4-氨基偶氮苯檢測實驗的教學實踐 [J]. 廣東化工，2015,42(5)：142-143.

[11] 廖梅東，杭義萍.GC-MS與HPLC/DAD聯用對紡織品中4-氨基偶氮苯的測定 [J]. 分析測試學報，2010, 29(8)：846-849.

[12] 胡婉蘭，氣質聯用法檢測紡織品中的4-氨基偶氮苯 [J]. 廣東化工，2014,41(9)：211-212.

[13] 張洪奎. 開展探索性實驗培養學生創新精神 [J]. 中國大學教學，2011(11)：68-70.

[14] 孟慶繁，逯家輝，王貞佐，等. 探索性實驗是創新性人才培養的有效途徑 [J]. 實驗室研究與探索，2004，23(1)：85-88.

[15] 韓云海，吳煥周，丁曉玲，等.化學探索性實驗的教學過程設計[J]. 實驗室研究與探索，2007,26 (1)：148-150.

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?；究蒲袠I務費專項資金資助(2015ZM055)；華南理工大學第三批探索性實驗教學項目(Y1160070)；華南理工大學精品微課項目(Y1161000)

陶 佳(1988-)，女，湖南株洲人，博士，講師，主要從事分析化學的理論與實驗教學及研究工作。

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

O 657.7

A

1006-7167(2017)06-0205-04