虞俊超, 陳翠紅, 徐利斯, 馬小東, 孟鳳林, 展思輝
(南開大學 環(huán)境科學與工程學院,天津 300351)
研究生實驗教學是高校研究生培養(yǎng)的重要組成部分,是提高研究生科研水平和創(chuàng)新能力的中心環(huán)節(jié)[1-2]。在環(huán)境分析領(lǐng)域,熟練掌握相關(guān)儀器分析技術(shù)與方法對研究生進行科學研究及日后從事相關(guān)工作至關(guān)重要。雖然目前國內(nèi)多數(shù)高等院校已開設了研究生的儀器分析實驗教學課,但受實驗條件限制,課程普遍與本科實驗相近,實驗教學內(nèi)容拓展不足,這不利于研究生的高質(zhì)量培養(yǎng)[3]。
氣質(zhì)聯(lián)用儀因其兼有氣相色譜的單一流動相(通常為He)供應優(yōu)勢、高效色譜分離能力及質(zhì)譜對未知物的強大定性/定量功能而被廣泛應用于熱穩(wěn)定性較好的中小分子化合物分析。由于其較寬廣的使用范圍,氣質(zhì)聯(lián)用測試已成為化學、環(huán)境科學、環(huán)境工程等專業(yè)儀器分析課程的常見實驗內(nèi)容。國內(nèi)關(guān)于氣質(zhì)聯(lián)用實驗的實踐探索很多,但多是面向本科生且使用氣相色譜-單級質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)進行實驗教學[4-8]。然而在實際的環(huán)境檢測中,單級質(zhì)譜(MS)常受到復雜環(huán)境樣品的基質(zhì)干擾,有時無法滿足目標物的確證分析需求。相比于單級質(zhì)譜,串聯(lián)質(zhì)譜(MS/MS)可對目標物進行二次裂解,有效地提高了測試的選擇性和靈敏度,因此在環(huán)境分析中發(fā)揮著愈發(fā)重要的作用[9]。
近幾年,在國家“統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設”計劃支持下,我校環(huán)境科學與工程學院陸續(xù)購置了一批高精尖儀器,集中于大型儀器平臺共享使用,這對學院教學及科研發(fā)展形成了強有力的支撐。一流的研究生教育是高校實現(xiàn)“雙一流”建設目標的基石[10]。為進一步提高研究生的科研實踐能力,學院儀器平臺依托其較優(yōu)越的設備條件和專職教師豐富的分析測試經(jīng)驗,以必修課的形式開設了一系列的現(xiàn)代儀器分析課程(70學時)。本文涉及的“氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS/MS)測定土壤中的硝基苯”就是其中的一節(jié)實驗課,課程緊系環(huán)境專業(yè)特色,并基于GC-MS/MS多樣的定性/定量功能拓寬儀器分析實驗內(nèi)容,同時積極進行多元化教學方法實踐,對研究生的氣質(zhì)聯(lián)用實驗教學進行探索。
實驗課面向研究生,考慮到他們將來科研工作中可能遇到更復雜多樣的氣質(zhì)聯(lián)用測試需求,因此選用GC-MS/MS進行實驗教學。如圖1所示,GC-MS/MS主要由5部分組成,分別為氣相色譜、離子源、質(zhì)量分析器、檢測器及數(shù)據(jù)系統(tǒng)。進樣后樣品各組分先通過氣相色譜進行高效分離,然后依次進入離子源完成離子化(形成帶電離子),質(zhì)量分析器按離子質(zhì)荷比(m/z)實現(xiàn)分離分析,檢測器將樣品中不同組分的存在情況轉(zhuǎn)化為電信號,最后通過數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的匯總及處理。平臺購置的氣質(zhì)聯(lián)用設備采用大氣壓化學電離源(APCI)進行測試,因其優(yōu)異的靈敏度和選擇性,該軟電離技術(shù)已被大量應用于GC-MS(/MS)分析測試中[11]。
圖1 GC-MS/MS結(jié)構(gòu)解析
與單四級桿質(zhì)譜(MS)不同,三重四級桿串聯(lián)質(zhì)譜(MS/MS)由一級四級桿(MS1),線性加速碰撞室及三級四級桿(MS2)3部分(見圖1)構(gòu)成。樣品離子先進入MS1篩選出目標物的特征母離子;母離子與氣體(Ar)碰撞,裂解產(chǎn)生子離子;再由MS2捕集子離子。GC-MS/MS的結(jié)構(gòu)特性使其可提供更多分析模式:質(zhì)譜全掃描模式(MS scan)和子離子掃描模式(Product ion scan)可分別用于樣品組分的母離子和子離子電離特征分析,選擇離子監(jiān)測模式(SIM)和多反應監(jiān)測模式(MRM)可分別選擇目標物的特征母離子、母離子-子離子對進行定量分析。
硝基苯(Nitrobenzene)是一種芳烴類化合物,在農(nóng)藥、紡織、炸藥等工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)活動中應用廣泛[12]。早在1989年,硝基苯就被國家環(huán)保局列入“水中優(yōu)先控制污染物黑名單”。2016年,為切實加強土壤污染防治工作,國務院印發(fā)土壤污染防治行動計劃,公布的污染物檢測名單也包括硝基苯。土壤中硝基苯類污染物定量分析常選用氣質(zhì)聯(lián)用儀(EI源)[13],但目前尚無基于APCI源離子化的GC-MS(/MS)分析報道。依托學院大型儀器平臺的設備條件,設計了GC-APCI-MS/MS測定土壤基質(zhì)中硝基苯的實驗教學課程,將科研項目轉(zhuǎn)化為實驗課程,豐富了實驗的可探索性,有利于激發(fā)研究生的專業(yè)學習興趣,培養(yǎng)科研創(chuàng)新思維。
(1) 通過教學,開拓學生的知識面,了解GC-MS/MS的結(jié)構(gòu)與工作原理。
(2) 通過實驗,掌握GC-MS(/MS)的主要操作方法,加深學生對氣質(zhì)聯(lián)用儀開展環(huán)境分析測試的認識。
(3) 通過文獻調(diào)研,讓學生結(jié)合各自未來的研究方向,了解氣質(zhì)聯(lián)用分析測試的適用范圍,充分調(diào)動學生的主動學習興趣,為將來的科研工作做準備。
丙酮、正己烷、乙酸乙酯(色譜級)及無水硫酸鈉(分析級)購自天津市化學試劑六廠。硝基苯標準儲備液:1 g/L。弗羅里硅土SPE柱(500 mg/3 mL)購于東莞市譜標實驗器材科技有限公司。無水硫酸鈉使用前在馬弗爐中300 ℃烘烤2 h,冷卻后放入試劑瓶備用。
天亮后,先后有兩個人扒著木排求救。男人沒有再阻攔,任表姐把他們一個一個拉上木排。第二個上岸的人見表姐沒穿衣服,身子抖得厲害,就脫下自己的衣服,擰干,讓表姐穿上。那是件中山裝,厚厚的卡其布料,外掛四個兜。應該是干部裝,不知道是水里撈的還是那男人自己的。楊小水穿在身上又胖又長,連下身也罩得嚴嚴實實的。
Agilent 7890B-Waters Xevo TQS型氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用儀。
(1) 氣相色譜條件。進樣方式:不分流進樣,進樣量1 μL,進樣口溫度250 ℃,載氣為高純氦氣,流速1.0 mL/min。選用DB5-MS UI柱30 m×0.25 mm×0.25 μm,升溫程序:起始溫度40 ℃,保持4 min,以20 ℃/min升溫至280 ℃,保持2 min。運行時間18 min,溶劑延遲為6 min,傳輸線溫度280 ℃。
(2) 質(zhì)譜條件。采用大氣壓氣相色譜技術(shù)(APGC),APCI電離源,正離子化模式,電暈針電壓2.0 μA,離子源溫度:150 ℃,MS scan掃描范圍:20~300 m/z,Product ion scan 掃描范圍:20~200 m/z。
樣品前處理是完成待分析物提取、凈化和富集的重要過程,對后續(xù)的分析測試效果影響顯著[14]??紤]到土壤樣品處理過程復雜,實驗耗時過長,課程采用教學演示的方式對樣品前處理各步驟用途、質(zhì)量控制等方面進行詳細講解,具體制備流程如下:稱取約10.0 g樣品放入燒杯中,以20 mL丙酮-正己烷(1∶1, V/V)超聲提取30 min,提取結(jié)束后使用離心機3 000 r/min離心5 min(提取流程重復3次),合并有機提取液;提取液經(jīng)無水硫酸鈉柱除水后,使用弗羅里硅土柱凈化樣品:依次用10 mL正己烷、10 mL乙酸乙酯淋洗柱子,土壤提取液裝載后,選用12 mL乙酸乙酯洗脫;將洗脫液氮吹至近干,使用正己烷定容至1 mL,待上機測試。
實驗流程如圖2所示。以小組的形式(每組3~5人)開展實驗教學,保證學生都能進行儀器操作。設計了兩套實驗方案,通過抽簽分配儀器分析實驗內(nèi)容,引導不同組別的學生協(xié)作完成單級質(zhì)譜的SIM和串聯(lián)質(zhì)譜MRM方法開發(fā),并將兩套方法對土壤基質(zhì)樣品的測試效果進行比較,讓學生對GC-MS(/MS)的主要定性/定量功能有較全面的了解。
圖2 GC-MS(/MS)實驗流程設計
研究生是儀器分析實驗教學過程中的學習主體,教師須改變以往“灌輸式”的教學培養(yǎng)方式,增強教學的直觀性、互動性、探索性,建立以學生為中心,教師為引導的新型教學關(guān)系[15-16]。為進一步提高實驗教學效率,達到鞏固研究生專業(yè)知識學習,提高科研創(chuàng)新能力的目標,課程從4個方面進行多元化的教學方法探索(見圖3)。
圖3 多元化的大型儀器分析教學方法實踐
(1) 健全課前預習制度。強化學生課前預習。通過文獻資料調(diào)研,讓學生對硝基苯這類污染物的檢測意義,儀器分析方法有所認識,以此鍛煉學生的主動學習能力;開課前安排5 min,讓學生重溫實驗講義,使學生對教學內(nèi)容與方式,實驗準備流程、操作方法及相關(guān)注意事項有所了解,這有助于學生盡快進入課堂學習狀態(tài),提高學習效率。
(3) 開展基于問題的課堂回顧與討論。要求學生在教學完成后積極提問,設置課堂回顧與討論環(huán)節(jié),并將此環(huán)節(jié)表現(xiàn)納入成績考核。通過課堂知識點回顧,深化學生對相關(guān)知識點的理解;提出問題本身就是一種更主動的學習過程,通過對問題的交流與討論,可以有效強化同組學生對實驗原理、方法的理解,也提高了學生們對儀器分析的探索興趣和創(chuàng)造能力。
(4) 課后開放性問題拓展。針對本次實驗教學內(nèi)容,設置開放性問題,讓學生結(jié)合自己的研究方向,進行相關(guān)資料的再檢索。通過對實驗現(xiàn)象進行開放性探索,有助于穩(wěn)固學生知識積淀,提高實驗教學效果。
在課前文獻調(diào)研的基礎(chǔ)上[12],讓學生對氣相色譜儀主要參數(shù)進行設置。進樣口溫度設定為250 ℃,確保硝基苯能以氣態(tài)的形式進入色譜柱。實驗選用DB5-MS UI非極性毛細管柱,設置梯度升溫程序?qū)⑾趸脚c樣品雜質(zhì)進行高效分離。選擇正己烷作為溶劑,制備標樣和土壤基質(zhì)樣品,在GC分析6 min后啟動質(zhì)譜,切除溶劑峰,減少溶劑對GC-MS/MS分析測試的干擾。通過標準品的總離子流色譜圖確定硝基苯的保留時間為10.2 min。
相比于單級質(zhì)譜(MS),串聯(lián)質(zhì)譜(MS/MS)可以提供更多樣的掃描模式。在GC-MS/MS實驗過程中,可以先使用質(zhì)譜全掃描(MS Scan)了解硝基苯的APCI源電離行為,篩選出豐度較高的母離子,再采用子離子掃描模式(Product ion scan)觀察特征母離子的裂解特征,結(jié)合兩級質(zhì)譜的掃描信息有助于推斷待分析物的分子離子結(jié)構(gòu)。錐孔電壓、碰撞能量分別是MS Scan、Product ion scan模式中的重要調(diào)控參數(shù),通過參數(shù)條件的梯度實驗操作,使學生直接觀察到參數(shù)值的更改對儀器響應的影響,既培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目蒲兴季S,也加深了他們對GC-MS/MS結(jié)構(gòu)及測試原理的理解。硝基苯標準品的MS/MS掃描結(jié)果見圖4,在APCI源離子化條件下,最優(yōu)錐孔電壓為25 V,全掃描譜圖中最強峰是m/z 123.9,根據(jù)質(zhì)荷比推斷應該是硝基苯(C6H5NO2)的質(zhì)子化離子[M+H]+,其余特征母離子主要為m/z 94.1、77.2及105.0。譜圖里的m/z 148.7可能來源于氣相系統(tǒng)中的酞酸酯類化合物干擾,該現(xiàn)象在其他氣質(zhì)聯(lián)用測試中也有報道[17]。選擇高豐度的母離子m/z 123.9,通過設置不同碰撞能量(10~30 eV)進行子離子掃描,記錄產(chǎn)物離子m/z 77.0、93.8、51.0、66.1的最優(yōu)碰撞能量參數(shù)。
通過質(zhì)譜掃描條件優(yōu)化,對硝基苯化合物建立了基于單級質(zhì)譜的SIM定量方法,以及基于串聯(lián)質(zhì)譜的MRM定量方法,具體參數(shù)見表1。
采用外標法定量: 配制20、50、200、500、1 000 ng/mL硝基苯標準溶液,以目標化合物的濃度值為橫坐標,峰面積為縱坐標,建立5點校準工作曲線。結(jié)果顯示在0~1 000 ng/mL范圍內(nèi)測試線性效果良好,相關(guān)系數(shù)R2≥0.994 0。使用GC-MS/MS方法對土壤樣品中的硝基苯含量進行測定,未有檢出。通過對土壤基質(zhì)加標樣品(800 ng/mL)進行測定,全面比較SIM與MRM兩種定量方法對真實環(huán)境樣品的測試效果差別,不同方法的提取離子色譜分析效果如圖5。分析結(jié)果表明,與SIM方法相比,串聯(lián)質(zhì)譜MRM方法選用母-子離子對進行分析測試,能明顯降低土壤基質(zhì)干擾,并增強色譜峰的信噪比值,顯著提高儀器分析測試的靈敏度。通過比對實驗,學生對GC-MS(/MS)的環(huán)境分析測試效果有了更直觀的認識,這有益于他們?nèi)蘸罂蒲泄ぷ鞯拈_展。
圖4 硝基苯的質(zhì)譜掃描條件優(yōu)化
表1 基于MS(/MS)的硝基苯定量和定性離子選擇
圖5 GC-MS(/MS)對土壤加標樣品的測定效果比對
為提高學生的分析操作、創(chuàng)新及團隊協(xié)作能力,將大型儀器氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用儀引入到研究生的儀器分析實驗課程中,選題為“GC-MS/MS測定土壤中的硝基苯”。課程緊系環(huán)境專業(yè)特色,并基于新設備多樣的測試功能,設計兩套氣質(zhì)聯(lián)用定性/定量思路,引導學生協(xié)作式開展儀器分析實驗,使學生對GC-MS(/MS)的主要分析測定功能有較全面的了解。同時為切實提高教學效果,從健全課前預習制度、貫徹對比性教學、開展基于問題的課堂回顧與討論、課后開放性問題拓展4個方面進行多元化教學方法實踐。該實驗課開設已歷時2年,對研究生科研實踐能力的培養(yǎng)助力明顯,教學效果良好。依托儀器平臺的先進設備開展實驗教學,課程本身也可看作是環(huán)境專業(yè)研究生的“公用儀器操作準入培訓”,這為后續(xù)的公用實驗室大型儀器開放,學生自主操作儀器開展科研工作奠定了堅實的基礎(chǔ)。