色譜儀在教學實踐中的應用

武開業 張小娟

【摘 要】色譜是一種分離技術，20世紀初，俄國化學家茨維特公開發表色譜學說，這是現代色譜這一分離技術的來源，隨著現代科技的發展，色譜技術也迅速發展，形成了許多分支，常見的有氣相色譜、液相色譜，發展比較前沿的有毛細管電泳技術，體現了多種分離技術的結合，色譜儀作為色譜技術的直觀呈現，集中了化學、數學、物理學、電子學及軟件工程等多學科精華，代表了現代化學發展的一個方向，目前市場上各個品牌的各種型號色譜儀琳瑯滿目，被廣泛地應用于化工、環保、醫藥、工業生產、農業、教學等領域。

結合教學實踐，本文對色譜儀的原理及應用進行了分析，主要分析了氣相色譜儀及氣質聯用儀、液相色譜儀、離子色譜儀。

【關鍵詞】色譜儀;教學應用

中圖分類號： TE863.1 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）23-0140-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.065

1 氣相色譜儀及氣相色譜-質譜聯用儀的原理及應用

氣相色譜分離的實質是以氣體為流動相，當被分析的多組份混合樣品被注入進樣器且瞬間汽化后，樣品由載氣攜帶經過裝有固定相的色譜柱，各組份分子與色譜柱內部固定相分子間發生吸附、脫附溶解等過程，因為每種樣品組份分子吸附、脫附的作用力不同，所反應的時間也不同，最終結果使混合樣品中的組份得到完全分離，各組份按照分離順序進入檢測器，由檢測器轉換為電信號送至記錄儀或積分儀繪出色譜圖，我們根據保留時間進行定性測定，根據峰面積或者峰高進行定量測定。氣相色譜法具有選擇性高、分離效率高、分析速度快的特點，但它僅適用于分析蒸氣壓低、沸點低的樣品，而不適用于分析高沸點有機物，高分子和熱穩定性差的化合物以及生物活性物質，因此其使用受到限制，氣相色譜儀檢測器種類豐富，分類及用途如表1所示。

由表1可見，檢測器是質譜的氣相色譜儀我們稱之為氣相色譜-質譜聯用儀，質譜檢測的原理就是利用有機分子所產生的碎片離子進行分析，常見的有全掃描分析和選擇離子掃描分析，可以對空氣、水、土壤中70余種有機化合物進行準確的定性和定量測定，準確度高，靈敏度比其他類型檢測器高。因為質譜的這些特點，便攜式氣質聯用儀也被研制出來，可以更方便的被帶到突發事故現場進行有毒氣體監測或者水流污染監測。

我們利用氣相色譜儀，組織學生對汽車空氣中的有機物進行了檢測，經過檢測，汽車空氣中主要含有苯類化合物、醛酮類化合物、以及一些半揮發性有機物，通過測定，學生們熟悉了采氣袋的使用，氣相色譜儀的開機順序以及開關機注意事項，以及色譜工作站軟件的操作使用。

六六六、DDT等有機氯農藥因為毒性高，在自然環境中不容易降解，所以國家早就禁止使用，我們利用氣相色譜-質譜聯用儀，對土壤中殘留的有機氯農藥進行了測定，通過測定，學生們熟悉了氣相色譜儀質譜儀的開機順序以及開關機注意事項，初步熟悉了質譜正常工作條件的判斷，質譜儀的調諧操作，測定方法的參數設置以及色譜工作站軟件的操作使用，初步完成了對于氣質聯用儀的教學設計。

2 高效液相色譜儀原理及應用

高效液相色譜分離的實質與經典液相色譜法相同，都是樣品分子（溶質）與溶劑（即流動相或洗脫液）以及固定相分子間的作用力的大小不同，從而決定色譜過程的保留行為不同，區別之處在于高效液相色譜采用了高壓輸液泵、高靈敏度檢測器和高效微粒固定相，從而提高了分離效率，改善了測定的準確度和靈敏度。

與氣相色譜相比，高效液相色譜的優勢在于：對于高沸點、熱穩定性差、相對分子量大于400以上的有機物（這些物質幾乎占有機物總數的75%～80%），原則上都可應用高效液相色譜法來進行分離、分析，據統計，在已知化合物中，能用氣相色譜分析的約占20%，而能用液相色譜分析的約占70～80%，從而彌補了氣相色譜的不足。

高效液相色譜儀的核心部分是它的分離系統，由固定相和流動相組成，液相色譜的固定相可以是吸附劑、化學鍵合固定相（或在惰性載體表面涂上一層液膜）、離子交換樹脂或多孔性凝膠，流動相是各種溶劑。被分離混合物被流動相液體推動進入色譜柱，根據各組分在固定相及流動相中的吸附能力、分配系數、離子交換作用或分子尺寸大小的差異進行分離。

我們利用高效液相色譜對廢水中的硝基苯進行了測定，首先，我們組織學生進行色譜測定前的準備工作，熟悉開機順序，配置標準使用溶液，對混合流動相有機溶液和水溶液進行過濾和脫氣泡操作，沖刷整個流路系統，待基線穩定后開始測定，在測定過程中根據出峰效果進行測定波長和流速的選取，最后利用色譜工作站對于實驗結果進行處理，通過實驗初步熟悉了高效液相色譜儀器操作，培養了學生的動手實驗能力和初步的科研能力。

3 離子色譜儀原理及應用

離子色譜其實也是液相色譜的一種，由于它的結構和分析對象與一般液相色譜有一些差異，一般作為一個獨立的色譜大類，主要用于陰陽離子的測定，該儀器應用離子交換的原理，采用低交換容量的離子交換樹脂來分離離子，其主要填料為有機離子交換樹脂，以苯乙烯/二乙烯基苯共聚體為骨架，在苯環上引入磺酸基形成強酸型陽離子交換樹脂，引入叔胺基形成季胺型強堿性陰離子交換樹脂，此交換樹脂具有大孔或薄殼型或多孔表面層型的物理結構，便于快速達到交換平衡，離子交換樹脂耐酸堿，可在任何pH范圍內使用，易再生處理，使用壽命長，缺點是機械強度差，易溶脹，易受有機物污染。

在我們使用離子色譜儀的開始階段，碰到了一些問題，例如基線不穩定，抑制器漏液，柱壓不穩定等，我們對照著廠家提供的說明書以及儀器內部結構示意圖進行逐一排查，這個過程雖然耽誤了一些時間，但是通過排查，學生們進一步熟悉了儀器的組成和內部結構，使有利于熟練操作儀器。

酸雨對環境造成嚴重危害，對酸雨中的成分進行有效的測定是十分必要的，我們利用離子色譜儀對酸雨中的硝酸根離子和硫酸根離子進行測定，經過檢測，本區域內降水酸堿度適中。

許多農村地區的飲用水是地下水，其中一部分地區含有的氟離子超標，長期飲用氟離子超標的水可以導致氟斑牙，嚴重的可以導致氟骨癥，所以我們用離子色譜儀對水中含有的氟離子進行了比較測定，測定水樣隨機采取，有自來水、井水、市售礦泉水等，經檢測自來水和市售礦泉水不含氟離子，有些地區井水中含有少量的氟離子。

我們還應用離子色譜對水的硬度進行了測定，水的硬度主要是由水中所含有的鈣離子和鎂離子的濃度所決定的，以前用傳統的絡合滴定法分析測定這些離子，程序繁瑣，費時費力，而利用離子色譜可以在半小時內準確測定這些離子的含量，大大節省了人力物力。

4 小結

色譜儀作為一種高科技分析儀器，是多學科有機結合的體現，通過色譜儀在教學實踐中的應用，加深了學生對于色譜基本理論知識的理解，開闊了視野，鍛煉了動手能力，初步掌握了色譜儀的使用，激發了對于化學的學習興趣，而且化工專業的學生主要就業方向是化工企業，以后在生產過程中，色譜儀是一種常見的儀器，學生們因為有在學校操作色譜儀的基礎，所以可以很快掌握色譜儀的生產應用，從而樹立工作自信心，為以后的職業發展打下良好的基礎。

【參考文獻】

[1]地表水環境質量標準（GB 3838-2002）.

[2]生活飲用水衛生規范（中華人民共和國衛生部，2001年）.

[3]水和廢水標準檢驗法（中國建筑工業出版社，1985年）.