GC-MS在实验教学中的应用.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 3 期 2023 年 6 月Vol.26 No.3 Jun.2023 GC-MS 在实验教学中的应用周 蕾,王文明,胡 坪,张文清,钱俊红,刚洪泽,杨世忠(华东理工大学 化学与分子工程学院,上海 200237)摘 要:为培养化学类专业本科生的现代重要仪器使用和数据分析能力,将气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)结合全扫描(Scan)/选择离子监测(SIM)模式分析应用于本科优班的实验教学。通过提出问题进行思考式预习,有针对性地引导学生提前进行文献检索和基本原理学习。设计了针对挥发性脂肪酸(VFA)定性/定量分析的实验,对 VFA(C1C4)丁酯化产物进行 Scan 模式定性分析、SIM 模式绘制标准曲线以定量分析,最终测定实际样品中 VFA 的含量。使学生充分了解了仪器分析的常规思路和方法,加深了对仪器构造、原理的理解,掌握了仪器操作、样品前处理等实验技能,并培养了科学思维和创新探索能力。关键词:气质联用;本科实验教学;全扫描;选择离子监测;挥发性脂肪酸中图分类号:O657 文献标识码:B doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.03.006Application of GC-MS in experimental teachingZHOU Lei,WANG Wenming,HU Ping,ZHANG Wenqing,QIAN Junhong,GANG Hongze,YANG Shizhong(School of Chemistry and Molecular Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)Abstract:In order to cultivate the ability of utilizing modern instruments and analyzing data for under-graduates majoring in chemistry,gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS)combined with Scan/selective ion monitoring(SIM)mode analysis was applied to instrumental analysis experiment targeting the qualitative and quantitative analysis of volatile fatty acids(VFA).By raising questions,students were led to carry out targeted literature search and basic principle learning in advance,in or-der to preview the experimental content in a thinking way.Butyl-esterification products of VFA(C1C4)were qualitatively and quantitatively analyzed with Scan and SIM mode,which were also used to analyze the contents of VFA in oilfield samples.This course enables students to understand the conven-tional ideas and methods of instrumental analysis,deepen the understanding of instrument structure and principle,master experimental skills such as instrument operation and sample preparation,and also cultivate the ability of scientific thinking and innovative exploration.Key words:GC-MS;undergraduate experimental teaching;scan;SIM;volatile fatty acid 收稿日期:2021-10-24 修改日期:2022-04-04作者简介:周蕾,博士,高级工程师,主要研究方向为微生物代谢产物研究并从事仪器分析实验教学。E-mail:leizhou 通讯作者:杨世忠,博士,教授,主要研究方向为烃降解机制。E-mail:meor 基金项目:中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项(项 目 编 号:WK1817017);2018 年度华东理工大学本科实验实践教学改革与建设项目(项目编号:80222301901001)。本科实验教学是高校化学类专业教学体系中的重要环节,重点在培养学生的实践、应用和创新能力 1-2,以达到专业培养的目标与效果、满足专业定位与社会需求。将大型仪器有效地应用于实验教学,不仅可使学生加深对理论教学内容的认识与理解,也可培养训练学生的仪器使用、分析操作及其它相关技能。而基于传统模式的简单操作、内容单一的实验,已无法满足科技水平不断提升的需求,实验教学内容亟需拓展与更新,以提高学生的培养质量,更利于与日后从事科学研究及技术工作相衔接。为贯彻落实国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020 年),华东理工大学长期开展选拔优秀生班(优班)的培养模式,专业包括应用化学、化学及材料化学,目的是培养学生的学习能力、团队精神、科学素养,造就具有国际视野和战略眼光、富有创新精神、具备领袖素质的高水平人才。近年来,也同时开展了“本-硕-博”连读培养模式。针对优班生的培养,除了强化通识教育、学科及专业课程外,还着重开发科研实操训练课程,并将各种大型仪器(包括核磁共振、液质联用、气质联用仪(GC-MS)等)针对大三优班单独开放,进行专门的培训,旨在为日后进行创新、科研活动等打下坚实基础,培养专业型人才。针对学科发展的需求,华东理工大学一直积极开展实验教学改革工作,不断推进教学内容的更新拓展。在前期科研工作的基础上3,针对性地设计了“挥发性脂肪酸(VFA)的 GC-MS 分析”实验,基于 GC-MS 的定性和定量分析功能,围绕化学专业特色,进行本科优班实验教学内容的设计与探索。1 实验背景GC-MS 是较早实现联用技术的仪器,结构如图1 所示。其由色谱部分实现对多个易挥发组分的有效分离,同时由质谱部分实现分子结构的分析,兼具二者高分辨率和高灵敏度的优势,有效地实现了1+12。此外,在质谱的扫描模式中,全扫描(Scan)可获得较多的碎片离子信息,更利于确证分子结构,但灵敏度较低;而选择离子监测(SIM)可有针对性地对离子进行检测,具有高灵敏度,可应用于痕量分析。因此,GC-MS 在复杂混合物分析中具有广泛应用,是环境4、化学 5-6、食品 7-8、药学 9等相关专业“仪器分析实验”课程的重要内容,但目前有关GC-MS 的 Scan/SIM 分析实验还比较有限。VFA 一般是指具有小于 6 个碳原子碳链的有机酸,具有较强的挥发性,广泛地存在于自然界及生产生活中(如大气10、废水11、秸秆12、餐厨垃圾13等),也是许多生物代谢的重要中间产物,还可作为原料用于生产可降解型塑料材料 14等,对其定性定量检测具有重要意义。图 1 GC-MS 结构示意图2 实验教学目的与内容通过本实验,使学生可直观地理解并掌握 GC-MS 的工作原理及使用方法;学习通过 Scan 模式扫描图谱并进行谱库检索以进行定性分析,对所获得的质谱图可进行简单的解析;学习选择特征离子,并通过 SIM 模式对目标物质进行定量测定;加深对GC-MS 分析范围的认识,培养并训练科学研究的思维与方法。由于大型仪器价格昂贵,配置的台套数有限,没有办法实现学生“一对一”操作,因此,需要将学生提前进行 35 人分组(可自由组合)进行实验。但同时,也给学生创造了共同协作、相互讨论的机会,可有效地提升教学质量与教学效果。本实验的学时数为 8 学时,内容主要为:(1)提前布置任务提出问题,通过理论复习、文献调研、观看仪器操作视频等方式进行课前预习;(2)对实验原理、操作方法、仪器分析条件设定等内容进行简要演示讲解;(3)Scan 模式下定性分析及谱库检索;(4)选择特征离子,SIM 模式下进行定量分析;(5)配制标准溶液,建立标准曲线,并对实际样品进行分析。3 实验3.1 问题式预习结合优班仪器分析课程的进度及化学与分子工程学院大型仪器平台的教学条件,合理地安排优班实验时间,尽量保证其与理论课内容相互衔接,使学生对课堂内容可以从理性过渡到感性认识,达到理想的学习效果。由于学生先进行理论课学习,可以42 周蕾,等:GC-MS 在实验教学中的应用通过提出开放式思考题的方式,例如:(1)GC-MS的构造及原理?可用于分析什么物质?(2)哪里存在 VFA?VFA 的定性定量分析方法都有什么?(3)不同样品的前处理方式?仪器分析条件等等,使学生有针对性地进行理论复习、文献调研、方案设计等,实现问题式预习。3.2 实验仪器与试剂美国 Agilent 7890A GC-5975C MSD 型气相色谱-质谱联用仪、美国 Agilent HP-5(5%苯基-甲基聚硅氧烷)色谱柱(30 m 0.25 mm 0.25 m)、TGL-16C 型台式高速离心机(上海安亭科学仪器厂)、DHG-9003 型电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)、旋涡振荡器(上海辅光精密仪器有限公司)、大龙 TopPette 移液枪、枪头、进样瓶、比色管、具塞离心管和容量瓶。硫酸(分析纯)、正丁醇(分析纯)、丙酮(分析纯)、氨水(分析纯)和无水硫酸钠(分析纯)购自于上海凌峰化学试剂有限公司,正十二烷(99%)、甲酸丁酯(98%)、乙酸丁酯(99%)、丙酸丁酯(99%)和丁酸丁酯(98%)购自于上海百灵威化学技术有限公司,高纯氮和高纯氦(99.999%)购自于上海加杰特种气体有限公司。3.3 分析条件设定程序升温条件为:初始柱温为 60,保持 1 min后,以 15 /min 的速率升温至 145,保持 0 min。后运行条件为 240,保持 5 min。进样口温度为250,辅助接口温度为 280,载气氦气的流速为0.5 mL/min,进样量为 1.0 L,分流进样,分流比为201。电子轰击离子源温度为 230,电离能量为70 eV,四级杆温度为 150,溶剂延迟 0 min,Scan模式质量扫描范围 30300 amu,SIM 模式添加每种物质所选择的扫描离子。3.4 标准曲线的建立分别吸取甲酸丁酯、乙酸丁酯、丙酸丁酯和丁酸丁酯各 500 L 于 25 mL 容量瓶中,用丙酮定容至刻度线,将其作为混合标准储备液。分别吸取一定量的混合标准储备液于5 mL 容量瓶中,用丙酮稀释至刻 度,分 别 配 制 成 约 50、100、300、700 和1800 g/mL 浓度系列的标准溶液。在 3.3 节的条件下进行 GC-MS 分析,绘制标准曲线。3.5 实际样品的预处理用移液枪吸取 2.00 mL 油田水样置于离心管中,8000 rpm 下高速离心 3 min,移取上清液于比色管中,加入氨水调节 pH 10,在 105 条件下烘干(此步骤可提前完成)。烘干后冷却,加入 1.00 mL的硫酸-正丁醇混合溶液(1 10,v/v),盖上塞子密封,超声 3 min,在 90 条件下进行丁酯化反应60 min。反应结束后冷却,加入 1 mL 去离子水,旋涡震荡混匀。再加入 0.50 mL 正十二烷,旋涡震荡混匀,静置后萃取,相同操作重复两次。合并上层有机相后用无水硫酸钠除水,最后定容至 1.00 mL,移至进样瓶中,GC-MS 自动进样分析。3.6 课堂时间安排实验课堂教学以分组形式进行,在统一进行原理及内容演示讲解后,以小组为单位,按照图 2 进行实验操作。由于优班学生的学习基础和能力较强,组内成员可根据实验流程安排进行合理分工,同时进行样品的前处理和标准溶液配制的操作,利用反应等待时间,可共同进行定性和定量仪器分析,包括仪器参数设定、Scan 扫描、谱库检索、离子选择、SIM分析、标准曲线绘制等,最后进行实际样品的测定。实验过程中,教师随时提醒学生操作的时间节点,就学生的实际操作给出具体的指导和建议,或提出关键问题以进行考察,给学生打课堂分。同时,学生之间可随时沟通讨论进展情况,既保证了实验时间安排,也使学生都可以进行样品处理、仪器操作等,对整个实验有较为全面的了解。课后学生完成实验报告,内容除了涵盖常规的实验目的、原理、方法、结果与讨论之外,学生可根据各自课前文献检索情况,增加一部分检索内容的总结,如仪器应用现状及发展、预处理及前处理方法或者实验设计等,可以加强对学生思考能力的培养,同时提前训练文献综述能力。图 2 GC-MS 实验流程安排4 结果与讨论4.1 前处理及色谱分析条件的选择优班学生在大一和大二已经做过几次气相色谱实验 4,15,也具有有机合成产物前处理及分析的经历,并且专业基础较好。因此,基于课前的文献检索,可先与学生讨论样品前处理的方式及优缺点,以拓展学生的认知,激发学生的学习兴趣。针对环境52样品中 VFA 含量较低的问题,为了提高检测的响应值,在前期研究工作的基础上 3,通过比较甲酯化、乙酯化、丙酯化和丁酯化的反应产物响应值,选择采用丁酯化的衍生方式测定,可以大大降低检出限,更有利于低含量样品的检测。同时,考虑到提高酯化产物产量,并减少副反应产物的生成,选择 60 min作为反应时间。由于 VFA(C1 C4)丁酯的沸点较低,因此在选择溶剂时选择了更高沸点的正十二烷。因此,在色谱条件设计时,基于目标物质和溶剂沸点的高低顺序,色谱在升温至 145 后则立刻结束质谱检测,启动后运行程序,进而冲洗色谱柱带出溶剂,减少对质谱的污染。采用 3.3 节的分析条件,对甲酸丁酯、乙酸丁酯、丙酸丁酯和丁酸丁酯的标准物质进行 Scan 模式测定,总离子流图如图 3 所示。通过谱库检索,确定了各峰对应的物质及保留时间分别为 3.1、3.8、4.7 和 5.7 min。图 3 VFA(C1C4)丁酯的 GC-MS 总离子流图4.2 质谱扫描参数的选择GC-MS 常采用电子轰击离子源(EI),将气化后的样品分子电离成为分子离子以及碎片离子,以获得丰富的结构信息。为了达到高电离效率、灵敏度、以及好的重复性,通常选择的电离电压 为70 eV,且目前参考谱库中的有机化合物 EI 标准谱都是在该电子轰击能量下获得的。同时,提示学生可根据目标物质的分子量,设置质谱 Scan 模式扫描的分子量范围(如 30 300 amu)。在实验过程中,学生可以通过对标准物质 Scan 模式扫描后获得的质谱图(图 4)进行分析讨论,根据主要的质谱峰来判断物质进入 EI 后所产生的分子离子、碎片离子、特别是麦氏重排离子等,以选择丰度较高、特征性的碎片离子作为定性和定量离子,具体包括:甲酸丁酯:56.0、41.0、31.0、73.0;乙酸丁酯:43.0、56.0、61.0、73.0;丙酸丁酯:41.0、57.0、75.0、87.0;丁酸丁酯:43.0、56.0、71.0、89.0。4.3 标准曲线与实际样品分析采用外标法,将甲酸丁酯、乙酸丁酯、丙酸丁酯和丁酸丁酯配制成约 50、100、300、700 和 1800 A.甲酸丁酯;B.乙酸丁酯;C.丙酸丁酯;D.丁酸丁酯图 4 VFA(C1C4)丁酯的质谱图g/mL 浓度系列的混合溶液,选择一个或多个基峰离子作为 SIM 参数进行扫描,并以浓度为横坐标,峰面积积分值为纵坐标,分别建立标准曲线。测定结果表明,在 01800 g/mL 范围内,各物质浓度的线性相关性较好,相关系数 R2 0.9965。采用 3.3节和 3.5 节中的样品预处理和分析方法,对油田产出水样同时进行 Scan 和 SIM 模式扫描,分析结果如图 5 所示,通过谱库检索确定存在的 VFA 种类,并利用所建立的标准曲线进行含量计算。通过整个实验过程及结果分析,可使学生对 GC-MS 应用于实际样品的定性和定量分析获得更加直观的认识与了解,对 GC-MS 的适用范围等也有了一定认知,有助于后续应用于毕业设计、创新和科研活动等。图 5 GC-MS 对油田样品中 VFA 丁酯化产物的测定结果4.4 实验考查评价本实验课程旨在通过多方面、多角度的考核,考察学生仪器分析实验的综合能力,包括文献检索、实验设计、分析操作、仪器操作、数据处理等,培养学生自主实验的意识和能力,提高学生的科研素养。实验课程具体的评价标准可参考表 1,通过对课前预习、课堂实际操作以及课后报告分别进行评价打分,使学生可以了解自己的薄弱环节,有针对性地进行提高,以学生获得仪器分析实际应用能力为课程的最终目标。62 周蕾,等:GC-MS 在实验教学中的应用表 1 实验考查内容及评价标准考察内容考察指标及技能评价标准(100%)课前预习(15%)1.文献检索:关键词选择、归纳总结2.方案设计:技术路线、方法选择1.检索目标明确、内容表述准确(7%)2.有依据、方案可行(8%)课堂实操(55%)1.前处理:称量、配制、移取、离心、萃取等常规操作2.仪器参数设置:GC 参数、MS 参数、碎片离子选择、其它辅助设备使用3.样品分析:样品准备、自动进样4.数据处理:数据记录、定性分析、标曲绘制、定量测定5.问答讨论:关键知识点掌握、提出问题、解决问题的能力6.其它:课堂纪律、实验习惯、积极性、协作分工能力1.操作规范、认真细致(10%)2.参数设置准确、仪器使用规范(10%)3.样品定容准确、完成进样、洗针等操作(8%)4.数据处理熟练、方式和结果正确、数据准确可靠、记录详实、无修改(9%)5.回答要点正确、分析解决问题合理(9%)6.遵守实验室安全和卫生要求、爱护实验仪器、团结协作效果好(9%)课后报告(30%)1.报告格式:书写规范、层次分明、条理清楚、内容完整2.报告内容:具有目的、原理、方法、结果、讨论等部分3.结果分析:对数据深入分析、计算结果正确、有效数字4.拓展讨论:深入探讨或展望1.满足规范要求、内容完整、书写工整(6%)2.各部分内容完整、正确(7%)3.数据分析合理、计算准确、符合有效数字要求(9%)4.讨论深入具体、有新意(8%)5 结语本实验课程紧密围绕着本科化学专业特色,涵盖内容多元,涉及文献检索、理论学习与实验操作、样品预处理、仪器操作、数据分析等,且过程简单易实现。通过问题式预习、分组实验、课上讨论式教学模式,培养了学生提出问题、分析问题、解决问题的科研思维,加深了学生对理论课程内容的理解,同时提高了实际动手操作能力,将 GC-MS 的 Scan/SIM模式分析充分引入到本科优班的实验教学中,并注重思维拓展,为学生后续进行科研工作等奠定基础。此外,本实验内容可进一步拓展到长链脂肪酸等物质分析,也可通过增加引导性或者示范性的教学模式,将课程全面拓展到优班以外的化学类专业学生,兼顾不同学生的能力差异,综合培养化学类相关专业学生的仪器分析、应用实践与创新能力。参考文献(References):1 徐肖邢,俞丽珍,杨高文.应用型本科化学实验教学改革的研究与实践J.实验室研究与探索,2008,27(10):111-113.2 何晓燕,南光明,张月梅,等.本科化学专业实验教学模式的改革与实践J.化学教育,2016,37(16):27-30.3 ZHOU L,LI K-P,MBADINGA S M,et al.Analyses of n-al-kanes degrading community dynamics of a high temperature metha-nogenic consortium enriched from production water of a petroleum reservoir by a combination of molecular techniquesJ.Ecotoxi-cology,2012(21):1680-1691.4 胡坪.仪器分析实验M.3 版.北京:高等教育出版社,2016.5 陶佳,王敏,杭义萍,等.化学创新班探索性仪器分析实验教学的改革与实践 以气质联用仪定性/定量分析实验为例J.实验室研究与探索,2017,36(6):205-208.6 梁向晖,毛秋平,谭相文,等.十二烷基甜菜碱制备及表征J.实验技术与管理,2018,35(9):48-50.7 唐雪惠,李朝晖,邓凤妮.气质联用法测定饮用水中 29 种挥发性有机物J.化学研究与应用,2010,22(7):939-942.8 贝峰,左一鸣,王超,等.GCMS 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