代 凯，徐美彦，汪元媛，霍 瑶，胡太平，张金锋①

（淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北235000）

0 引言

气相色谱在检测技术中已有超过50年的使用历史，在材料、生物、食品、化学、环境、制药、农业、化工和法医等方面都得到广泛应用［1-2］. 作为一种简单的物理分离分析方法，气相色谱法可以分离、鉴定和分析测定沸点为23～773 K的挥发性稳定化合物. 它具有许多其它分析测试方法无法比拟的优点：快速、灵敏、易于操作，用少量样品就可以获得准确的结果. 可以分离和分析具有类似官能团结构的同系物异构体和同位素. 因此，现代大型高精密仪器设备的熟练使用成为大学本科生和研究生必备的技能.

为突出大学对应用型人才的培养目标，如何通过大学课程设计教学方式的改革，使材料类及其相关专业的硕士生和本科生能够积极主动学习和掌握气相色谱的工作原理、基本理论和基本方法成为教学研究的难点和重点. 尤其对新能源、绿色环境以及食品安全问题所需要的基本知识和基本测试技术手段有着充分的了解，有利于培养能够正确地思考、分析、解决实际问题，为我国新能源、绿色环境技术和安全食品的研发培养大批专业人才［3-4］.

1 气相色谱技术的特点及操作注意事项

1.1 气相色谱技术的特点

气相色谱主要用于定性和定量分析检测样品. 气相色谱可以通过加载不同的检测器、色谱柱以及其他附件进行多功能化. 当颗粒吸附剂填入填充柱，能够进行气固色谱分析；而当固定液体加入填充柱时，则可进行气液色谱分析；若用毛细管色谱柱并进行进样时，可进行毛细管色谱分析；如果热解装置连接到色谱仪的注射器，即可对聚合物进行热解色谱分析. 馏分收集器可放置在色谱柱和检测器之间，用于小型制备色谱. 在上世纪90年代，Philips等利用在线热解析调制器通过温度和极性的改变实现气相色谱分离特性，由于传输频率非常高，因此在聚焦后发送到极性柱，这样有利于样品的快速检测. 相较于其他测试方法，如原子吸收分光光度法［5］，大大增强样品的快速检测性和准确性. 随着科技的发展，Stanford大学的研究人员推出一种具有重量轻、携带方便、分析速度快和检测范围广，易于其他测试手段相结合使用的便携式气相色谱仪，能够适合于不同气体、液体的监测和产品的质量控制等［6］.

1.2 操作注意事项

气相色谱具有应用价值巨大，因此得到广泛的使用. 但气相色谱的缺点是必须用已知物的色谱数据来进行对照，不能直接根据色谱数值得出定量的结论. 对于材料类的硕士生和本科生来说，无论是为打好基础还是为将来能够从事科研、教学、售后和管理等相关专业工作，理解和掌握某些气相色谱技术是很重要. 关于教学硕士生和本科生如何在科学实验中正确使用气相色谱仪，其中最重要的环节就是手动进样，则非常依赖操作员的经验，因为手动进样无法精确掌握每次进样的速度以及量，这样会严重影响机器的测试结果，进样过程中的细微差别会导致最终实验结果的极大差异性. 对于难以分离的样品，实验员则需根据自己的经验来设置仪器参数，例如调大分流比，减小柱流量，调节进样口和色谱柱的温度，以及加快进样速度与加大进样口相较于柱载压力. 通过这些手段可以有效地将难以分离的峰分离开以致能够准确定性定量测试样品［7］. 在不同温度下试样的峰形和出峰时间明显不同［8］，较易观测. 长期使用过程中也许会碰到色谱柱和进样口被污染的情况，掌握解决这一问题的方法也很重要. 对于色谱柱污染，则可以通过老化色谱柱来实现，温度则可以在原来测试基础上提高30 ℃左右老化2 h即可，若色谱柱污染较严重，则可以在每隔20 min时进0.5 μl试剂丙酮，进3针即可.

2 气相色谱在课程设计中的应用

2.1 气相色谱的应用分类

气相色谱应用主要包括：1）气体分析：氢气、氧气和甲烷等能源气体的检测；2）饮用水中痕量的农药、多环芳烃和有机溶剂残留等检测；3）环境水域中含有的难降解的有机污染物；4）土壤中含有的有毒有害有机污染物；5）固体废弃物等. 在硕士生和本科生课程设计中气相色谱主要应用于新能源领域、环境领域和食品安全分析中.

2.2 气相色谱技术在新能源领域中的应用

能源短缺的问题日益严峻，以煤、石油和天然气为代表的化石燃料一方面储量在急剧下降，另一方面这些化石燃料存在环境污染. 利用太阳光光解水制氢气作为清洁能源且产物为水无污染是解决能源短缺问题的有效途径. 在淮北师范大学课程设计中，采用可见光光催化剂在氙灯的激发下光解水产生氢气，利用气相色谱检测光催化过程产生氢气的峰形如图1所示. 因为氢气是非挥发性碳氢化合物，这里的气相色谱可以采用TCD 热导检测器来检测，热导检测器之所以被人们所青睐，是因为它的结构简单，辅助部件少，线性范围较宽，应用范围宽广，是一种通用检测器，除对有相同导热系数的样品组分外，它几乎对所有的挥发性物质都有响应，因此从引入气相色谱法以来，它一直是使用最广泛的一种检测器. 这种检测器具有中等灵敏度和宽达4个数量级的线性范围，因此在光催化分解水中得到广泛应用［9］.

图1 H2检测谱图

图2 CH4和CH3OH检测谱图

2.3 气相色谱技术在环境领域中的应用

由于二氧化碳的大量排放，温室效应问题变得日益严峻，在淮北师范大学课程设计中，除光解水制氢气来获取清洁能源外，还可以通过光催化技术还原二氧化碳转换为碳氢或碳氢氧等化合物，利用气相色谱仪检测实验过程产生甲烷和甲醇的图形如图2所示. 由于实验过程中，光催化转换二氧化碳的产物浓度过低，TCD检测器的灵敏度远远不够，检测不出来，这里就要用FID检测器来检测光催化过程中产生的甲烷和甲醇等产物. 用FID检测器是质量流速检测器，它不需要离子流放大器作为讯号的输出放大器，从检测器内热电偶上给出的电势可以直接在一台直流电位差计记录器上得到讯号电势的绘图. 因此FID检测器可以直接将样品组分的燃烧热作为定量校正是它的最大优点，它已广泛应用于有机能源燃料的光催化二氧化碳转化.

2.4 气相色谱技术在食品安全分析中的应用

现阶段，食品安全问题成为我国全社会关注的焦点. 尤其我国的饮品和烟熏类、蔬菜及水果等食品问题较为突出最为严重. 了解我国食品中各种污染物的污染程度并制定相应的卫生标准具有重要的食品安全意义. 采用气相色谱可快速检测出烟熏、烧烤及油炸类食品中含有的20多种多环芳烃以及在烟草中含有的多达132种农药残留污染［10］. 此外，还可以检测食品防腐添加剂山梨酸和苯甲酸等食品含量，在蔬菜，蜂蜜及水果等检测“六六六”、七氯、滴滴涕、有机磷、艾试剂、硫丹和有机氮农药残留［11］，食品包装袋中有害物质成分和含量的检测分析以及分析水体中的二甲苯、苯、甲苯、有机氯、丁苯萘、有机溴和痕量酚类化合物等50多种有毒污染［12］.

3 气相色谱技术定量定性分析

气相色谱既可以进行定性检测，又可以进行定量检测. 在定性检测中，可以将纯物质先进行测试然后对应出相关的数据，然后对照该测试结果，每一种成分均有其内在的保留时间、保留体积、调整保留体积、调整保留时间，且不受其他组分的影响，因此可以确定每个峰位代表的组分，从而确定由这些组分所构成的混合物试样的组成. 在定量分析中，可以用峰高或峰面积以内标法、外标法或归一化法定量，并与微机联用作为现代化的分析工具［13］.

4 构建完善的课程设计体系

气相色谱方法课程设计是一门实践性很强的学科，虽然一直非常重视实验教学改革，但目前本专业的实验教学体系中仍存在一些比较突出的问题与不足. 在学生平均总学时数中，实验教学的学时比例仍偏低. 在基础实验课程中，验证性的实验项目过多，综合性、设计性的项目偏少. 同时，还存在实验项目与理论课内容的联系不够紧密［14-15］；实验课程之间倾向于各自为政，内容和结构衔接得不够好；教师的科研课题未能充分引入到专业实验教学或毕业设计中. 这些都在一定程度上削弱实验教学体系的科学性和先进性.

针对气相色谱方法课程设计的现状与存在的问题，我们以“注重基础、强化实验、培养能力”为指导思想，对现有的实验教学体系进行全面深入的改革与优化. 具体思路是从实验教学目标体系、内容体系、保障体系、管理体系和质量监控体系等5个实验教学的子体系着手，全方位打造一个以提高应用型人才实践能力为核心的实验教学体系［16］. 在定位目标的情况下，研究生带领本科生自己调研实验内容，导师充当辅助角色，不仅将学生的实验安排在实验室进行，而且还安排在本实验教学中心进行，或者直接安排到实习实训基地中进行. 在完成气相色谱理论知识和操作知识后，加强实验室的开放管理，对培养学生的“动手能力、创新能力、具备跨学科综合交叉知识结构的应用能力、合作精神、宏观管理与协调能力”具有十分重要的实际作用. 在实验过程中，我们发现部分同学能够进行实验的创新性改进. 如学生设计自来水中甲醇含量的测试，然后根据结果进行葡萄酒中甲醇含量的测试. 这个方法具有非常具体的实际使用意义，学生的研究积极性得到很大的提高.

5 总结

在以科技创新为主的时代发展趋势中，气相色谱技术这一相对成熟的科学技术在材料、食品、化工、医学和生物等多方面领域都具有重大的科学效用. 对于当代材料类专业的硕士生和本科生而言，通过了解并掌握气相色谱技术的相关知识可以更好地完成有关实验操作，强化能源危机、环保意识和食品安全理念，为我国可持续经济的发展培养合格的社会主义建设接班人.