陳 媛，李雪輝

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

隨著人們生活水平的提高，氣相色譜技術(shù)在食品檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)安全等方面發(fā)揮著越來越重要的作用［1］。在高等院校的化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)中，氣相色譜實(shí)驗(yàn)是化學(xué)、化工、食品、制藥、材料、造紙、生物和環(huán)境等學(xué)科重要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一?，F(xiàn)有的分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材對(duì)氣相色譜都有詳細(xì)的介紹［2］，也有具體的實(shí)驗(yàn)實(shí)例，通常是學(xué)習(xí)分離苯、甲苯等苯系物的實(shí)驗(yàn)來掌握氣相色譜的原理與操作［3］。相關(guān)文獻(xiàn)也有對(duì)傳統(tǒng)的氣相色譜實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與探索［4－8］，但都是對(duì)教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)的改進(jìn)，很少有針對(duì)分離物進(jìn)行討論的?？紤]到苯系物高度易燃，又有高的毒性和致癌物，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，我們探討了用氣相色譜分析酯系物的實(shí)驗(yàn)及其實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)［9－11］。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器

試劑：標(biāo)準(zhǔn)樣品：乙酸乙酯﹑乙酸丁酯﹑乙酸戊酯混標(biāo)（體積比1∶1∶1）；未知樣品：乙酸乙酯﹑乙酸丁酯﹑乙酸戊酯的混合物試樣。乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯均為色譜純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

儀器：7900T型氣相色譜儀（配熱導(dǎo)池檢測(cè)器），上海天美科學(xué)儀器有限公司；色譜柱：2m×3mm不銹鋼柱，固定相為聚乙二醇－20M；微量注射器：1μL；氫氣發(fā)生器：SPH－300，北京中惠普分析技術(shù)研究所。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)室開設(shè)的氣相色譜實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)課時(shí)為4個(gè)學(xué)時(shí)，2人一組，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括2個(gè)部分，分別為氣相色譜柱溫變化對(duì)色譜峰分離的影響和氣相色譜定量分析方法——面積歸一化法。實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕且獙W(xué)生了解氣相色譜儀的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握氣相色譜儀的開機(jī)、測(cè)樣、關(guān)機(jī)等操作流程，記錄下各個(gè)峰的保留時(shí)間、峰面積、半高峰寬等數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同柱溫條件下的分離度，進(jìn)而分析色譜柱的溫度對(duì)樣品分離度的影響趨勢(shì)，再進(jìn)一步通過色譜分離方程分析產(chǎn)生這種影響趨勢(shì)的原因，最終找到最佳的色譜柱溫度進(jìn)行下一個(gè)單元?dú)庀嗌V定量分析方法的實(shí)驗(yàn)［12］。

為了更好地開展氣相色譜實(shí)驗(yàn)，我們想要達(dá)到的效果是：首先樣品正常出峰，峰形對(duì)稱，不拖尾不分叉，不出倒峰或伸舌峰；其次是出峰時(shí)間要適中，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)是2個(gè)人一組，每組正常進(jìn)樣需要進(jìn)4次樣品，而實(shí)驗(yàn)室的氣相色譜儀臺(tái)數(shù)有限，加上教師講解、學(xué)生動(dòng)手操作及記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間，因此需要控制好樣品的出峰時(shí)間，最好在8min以內(nèi)，而且最好是在不同的色譜柱溫條件下，這樣樣品的出峰色譜圖就能有比較大的差異，比如出峰時(shí)間的差距能拉開、峰形也稍有不同，讓學(xué)生第一時(shí)間就對(duì)柱溫變化對(duì)色譜峰分離的影響有感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，進(jìn)而運(yùn)用理論知識(shí)去分析原因，找到最佳的色譜分離條件。

1.2.1 色譜條件

流動(dòng)相：高純氫氣，流量：30mL／min，色譜柱溫度：80℃﹑100℃﹑120℃，進(jìn)樣口溫度：150℃，檢測(cè)器溫度：150 ℃ ，量程（橋電流）：40mA，進(jìn)樣量：0.4μL。

1.2.2 進(jìn)樣操作方法

用微量注射器吸取3～4倍進(jìn)樣量的酯系物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，針頭朝上將溶液推至0.4μL，左手扶著注射器的針桿尾部，右手拿著注射器，將針頭垂直插入進(jìn)樣口（針頭應(yīng)插到底部），用右手食指輕按注射器芯，將溶液迅速推入，隨后將注射器拔出。整個(gè)操作要求穩(wěn)當(dāng)﹑連貫﹑瞬間完成［12］。

2 結(jié)果與討論

2.1 載氣的選擇

本實(shí)驗(yàn)室使用過氮?dú)夂蜌錃?種氣體作為氣相色譜儀的載氣，配置的檢測(cè)器都是熱導(dǎo)池檢測(cè)器（TCD）。依據(jù)TCD的工作原理，主要是基于樣品與載氣的導(dǎo)熱系數(shù)的差異，當(dāng)載氣中混有組分時(shí)，因組分與載氣導(dǎo)熱能力不同會(huì)導(dǎo)致傳熱平衡破壞，熱導(dǎo)池中的電阻絲阻值改變，從而輸出的電壓信號(hào)發(fā)生相應(yīng)的改變，就形成了色譜峰。而H2、He的熱導(dǎo)率與一般的樣品相距比較大，用它們做載氣可以提高TCD的靈敏度，保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度。但是由于He價(jià)格較貴，在市面上比較難買到，所以我們沒有選擇He，而一直使用N2作載氣，原因是它比較安全。氮?dú)鈱?duì)TCD靈敏度不高，響應(yīng)不夠好，隨著時(shí)間的延長，氮?dú)馄恐械目諝獾入s質(zhì)還會(huì)氧化檢測(cè)器，經(jīng)常出現(xiàn)檢測(cè)器出來的色譜峰是倒峰、分叉峰、拖尾峰，甚至是不出峰的情況，既影響了教師的教學(xué)效果，又增加了實(shí)驗(yàn)室維修維護(hù)儀器的負(fù)擔(dān)，消耗時(shí)間又浪費(fèi)資源。

隨著氫氣發(fā)生器使用的廣泛性，降低了氫氣使用的危險(xiǎn)性，我們實(shí)驗(yàn)室也與時(shí)俱進(jìn)，積極對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改造創(chuàng)新，及時(shí)購置氫氣發(fā)生器作為氣相色譜的載氣源。使用過程中發(fā)現(xiàn)氫氣作載氣，色譜峰形漂亮、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、檢測(cè)器性能良好，而且由于氫氣有還原性，可以保護(hù)檢測(cè)器色譜柱不被氧化老化，延長了檢測(cè)器的使用壽命。

2.2 色譜柱溫、進(jìn)樣口溫度、檢測(cè)器溫度的優(yōu)化

根據(jù)儀器廠家工程師的建議，進(jìn)樣口溫度和檢測(cè)器溫度都設(shè)定為150℃。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(cè)器溫度20℃左右，防止不易揮發(fā)的樣品或雜質(zhì)在檢測(cè)器中冷凝，污染檢測(cè)器。我們要分離的物質(zhì)是乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯體積比1∶1∶1的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。乙酸乙酯的分子量最小，沸點(diǎn)最小，為77.2℃，所以我們選擇的柱溫分別為80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

我們教授的是剛上大二的學(xué)生，很多都是剛剛接觸儀器分析實(shí)驗(yàn)，對(duì)氣相色譜這樣的儀器分析實(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)果是不同柱溫下樣品的出峰時(shí)間和峰形能有顯著的差異，能給學(xué)生留下深刻印象，并認(rèn)識(shí)到柱溫這個(gè)因素在氣相色譜分離中起到的重要作用，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生對(duì)氣相色譜乃至儀器分析實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇色譜柱溫分別為80℃、100℃、120℃，最晚出峰的物質(zhì)是乙酸戊酯，它的相對(duì)保留時(shí)間在3個(gè)溫度下分別約為4min、2min、0.8min。柱溫80℃時(shí)乙酸乙酯和乙酸丁酯的最大分離度為9.30；柱溫120℃時(shí)，乙酸丁酯和乙酸戊酯的分離度最小，為3.38。由于柱溫在120℃時(shí)，出峰效果已經(jīng)明顯跟100℃不同，為了最大限度地保護(hù)色譜柱，延長其使用壽命，所以不選擇130℃作為柱溫。具體數(shù)據(jù)見表1。色譜圖見圖1。

表1 柱溫變化對(duì)分離度的影響

表1 （續(xù)）

圖1 不同柱溫條件下酯系物色譜圖

2.3 檢測(cè)器橋電流量程和進(jìn)樣量的優(yōu)化

使用氮?dú)庾鲚d氣的時(shí)候，因?yàn)闄z測(cè)器響應(yīng)不好，為了提高檢測(cè)器的靈敏度，加載的電流量程為110mA，進(jìn)樣量也加大到1μL，但是這會(huì)大大損耗檢測(cè)器的使用壽命。我們換了氫氣作載氣后，試驗(yàn)了0.2μL、0.4 μL、1μL的樣品進(jìn)樣量，40mA、50mA、60mA 的電阻橋電流量程。在檢測(cè)器靈敏度足夠高的前提下，盡量降低橋電流量程可以延長檢測(cè)器的使用壽命，能很好地保護(hù)和維護(hù)檢測(cè)器的性能。

進(jìn)樣量為0.2μL時(shí)，因?yàn)檫M(jìn)樣體積比較小，要分離的酯系物又比較容易揮發(fā)，學(xué)生比較難操作，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成很大誤差。進(jìn)樣量為1μL時(shí)，既浪費(fèi)試劑，又容易使色譜柱過載，污染儀器，出現(xiàn)不正常的平頂峰，沒有辦法積分，無法計(jì)算色譜峰面積。所以選擇最佳的進(jìn)樣體積為0.4μL。當(dāng)進(jìn)樣體積為0.4μL時(shí)，加載40mA的橋電流，樣品出峰的峰形就很對(duì)稱，色譜峰的響應(yīng)靈敏度足夠高，分離度足夠好，峰面積也達(dá)到上萬，滿足實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確度和精密度的要求。所以選擇橋電流為40mA，進(jìn)樣體積為0.4μL，相對(duì)于110 mA的橋電流，1μL的進(jìn)樣量，節(jié)約能源和試劑，教學(xué)效果也大大提高。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以穩(wěn)定高效節(jié)能的氫氣發(fā)生器取代氫氣瓶、氮?dú)馄孔鳛闅庠?，以價(jià)格適中、低毒的光譜純酯系物取代苯系物作為分離樣品，不僅大大提高教學(xué)效果，還體現(xiàn)綠色化學(xué)、節(jié)能環(huán)保的時(shí)尚教學(xué)理念，加強(qiáng)了學(xué)生節(jié)能環(huán)保的意識(shí)，提高了學(xué)生的綜合能力。在我校，該實(shí)驗(yàn)在本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中面向化學(xué)、化工、制藥、高分子、生物、環(huán)境、食品等專業(yè)開設(shè)，每年必修氣相色譜實(shí)驗(yàn)的學(xué)生有1 200多名，我們要堅(jiān)持“以生為本”的理念，堅(jiān)持建設(shè)綠色、環(huán)保、節(jié)能型實(shí)驗(yàn)中心［13］，不斷改進(jìn)、創(chuàng)新我們的實(shí)驗(yàn)。

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