气相色谱质谱分析实验课程体系的构建与实践.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 气相色谱质谱分析实验课程体系的构建与实践吴 頔,闰明涛,王 美(河北大学 化学与材料科学学院;国家级化学实验教学示范中心,河北 保定 071002)摘 要:为培养本科学生的科研技能,大型仪器设备与本科实验教学共享是高校实验教学的趋势。河北大学国家级化学实验教学示范中心利用共享平台中的气相色谱质谱仪,以“气相色谱质谱法测定垃圾焚烧飞灰中氯苯类化合物”为主题,开设了“创新化学实验气相色谱质谱分析”课程。建立并实施了由“导学、引学、促学”三阶段教学模式与“基础操作实验、定性分析实验、定量综合实验”三层次递进式实验内容组成的实验课程体系。实践证明:该课程体系有效激发了学生的学习兴趣,拓展了气相色谱质谱联用仪的操作应用深度和广度,有效提高了学生的合作能力、探究能力、实验操作能力。关键词:实验课程体系;气相色谱质谱联用仪;垃圾焚烧飞灰;氯苯类化学物中图分类号:O657 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.03.031Construction and practice of gas chromatography mass spectrometry experimental course systemWU Di,RUN Mingtao,WANG Mei(Nation Chemical Experimental Teaching Demonstration Center;College of Chemistry and Materials Science,Hebei University,Baoding 071002,China)Abstract:In order to cultivate the scientific research skills of undergraduate students,the sharing of large-scale equipment and undergraduate experiment teaching are a trend in university teaching.The National Chemical Experimental Teaching Demonstration Center of Hebei University uses the gas chroma-tography-mass spectrometer on the shared platform to set up a course of“Innovative Chemistry Experi-ment-Gas Chromatography Mass Spectrometry”.The subject of the experiment course is“Determine Chlorobenzene Compounds in Waste Incineration Fly Ash by Gas Chromatography Mass Spectrometry”.Construction and practice experimental course system include the three-stage teaching mode and the three-level progressive experimental project.The three-stage teaching models include guiding learning,introducing learning and promoting learning.The three-level progressive experimental projects include basic operation experiment,qualitative analysis experiment and quantitative comprehensive experiment.Practice has proved that the course system has effectively stimulated students interest in learning,also expanded the depth and breadth of the operation and application of gas chromatography-mass spectrome-try and effectively improved students ability to cooperate,explore and operate in experiments.Key words:experimental course system;gas chromatography mass spectrometer;waste incineration fly ash;chlorobenzene compounds 收稿日期:2021-10-27 修改日期:2021-11-01作者简介:吴頔,硕士,高级实验师,主要从事本科实验教学工作。E-mail:wudi2137 通讯作者:王美,博士,副教授,主要研究方向为新型污染物筛查与分析。E-mail:wangmarian 基金 项 目:教 育 部 产 学 合 作 协 同 育 人 项 目(项 目 编 号:202102095020);河北省高等教育教学改革研究与实践项目(项目编号:2021GJJG001);河北大学第三批“精品实验项目”(项目编号:2021-BZ-JPSY39);河北大学化学与材料科学学院第二批本科教学改革项目(项目编号:KCSZ-02-062)。气相色谱质谱联用仪(Gas Chromatograph Mass Spectrometer,GC/MS)是一类高端化学分析仪器,兼具了气相色谱对于混合物的高效分离能力以及质谱仪对于未知化合物的定性分析能力,可以实现对多组分混合物质的快速定性定量分析1。GC/MS 在生产、科研等众多领域有着十分广泛的用途,已成为化学类 2-3、环境类 4本科生仪器分析综合实验课程常见的实验内容。国内关于 GC/MS 的实验教学探索多以某门实验课程中的一个实验项目形式出现,实验所占学时数偏少,学生操作仪器的时间较短 5-6。尤其对于低年级本科生学习者而言,无法系统掌握 GC/MS 的样品测试方法和图谱解析知识等技能。旨在培养本科生利用 GC/MS 仪器处理综合实验问题的能力,使学生尽快将测试技术应用到科研活动中去,克服低年级本科生接触高端仪器的畏惧心理,充分发挥学生的主观能动性,河北大学国家级化学实验教学示范中心将大型仪器平台资源优势与教师丰富的测试经验结合,以选修课的形式开设了“创新化学实验气相色谱质谱分析”课程(34 学时),构建了“三阶段+三层次”实验课程体系,强化学生的合作能力、实践能力、探究能力,促进学生的知识、能力、素质协调发展,取得了较好的效果。1“导学-引学-促学”三阶段教学模式设计与实施“导学-引学-促学”是以学生为中心有效衔接课前、课中、课后三个阶段的学习过程,三个阶段彼此相互呼应,提升教学效果。1.1 课前线上导学学生关注“课堂派”公众号,三人一组,协调分工。课前,教师根据实验教学目标,预设导学内容,包括实验讲义、仪器操作指导视频、参考文献等;学生根据导学内容进行理论知识的学习、主题报告的撰写、实验方案的设计,如基础操作实验中围绕 GC/MS 结构和原理、GC/MS 仪器的日常维护及仪器的操作流程进行文献汇报;定性分析实验以“GC/MS测定有机混合物”为主题拓展学习,了解仪器参数设置的原则;定量综合实验围绕“环境介质中有机污染物污染特征”进行文献阅读汇报,根据待测样品设计实验方案。在导学过程中,教师在线批改、指导学生报告及作业,师生可随时在平台沟通,有效提高了预习效率;学生自主查阅文献、整理信息、拟定实验方案提升了学生学习主动性以及文献阅读、撰写、口语表达的能力;同时,将理论教学的部分内容前置到导学中,有效增加了课堂实验操作和互动时间;进入实验室前,教师在“课堂派”中发布测试题,学生需在指定时间内完成测试,测试合格者方可进入实验室进行实验。1.2 随堂合作引学结合“垃圾分类处理”热点问题,以筛查城市垃圾焚烧飞灰中 8 种氯苯类化合物为实验主题,实验内容贴近生活,提升了学生学习兴趣,理论联系实际,引导学生关注社会问题。优化组合三层次实验内容,以实验为载体,以项目为导向,递进式地开展基础操作实验、定性分析实验、定量综合实验,使学生从基本仪器结构原理入手,逐步熟悉仪器的操作方法,循序渐进地培养学生操作仪器解决较为复杂综合性化学问题的思维和动手能力。开展小组间的合作,实现学生间优势互补,促进知识的建构,培养学生的合作意识。随堂合作引学环节以实践操作为主,锻炼学生实验技能,培养学生勇于探索的实验精神。1.3 课后强化促学学习是不断积累、反复练习的过程。为了保持学习状态,巩固学习效果,在教学过程中,借助“课堂派”增加了“小组作业”和“阶段测试”环节,督促学生复习。教师通过学习交流群解答学生使用 GC/MS 遇到的问题,鼓励学生运用 GC/MS 服务科研和竞赛类活动。同时,学生可以登录“大型仪器共享平台”进行预约测试,充分发挥 GC/MS 在科研活动中的作用;对于有意愿深入学习 GC/MS 的学生,可以参与 GC/MS 相关的第二课堂以及本科毕业设计;学生也可以申请成为 GC/MS 仪器学生辅助管理员,协助教师完成样品的测试和管理。2 三层次递进式实验教学内容设计与实施2.1 基础操作实验基础操作实验旨在培养学生扎实的仪器理论知识和规范操作流程;了解仪器的工作原理及适用范围;掌握主要部件的作用;仪器常见问题和解决办法;加强仪器的日常维护意识。课堂中,教师根据各组的预习情况,有针对性地对相关知识进行讲解,对于各小组提出的问题,组间讨论互动,教师梳理总结。教学过程中,采用多元化教学方法,如指导教师拆装部分仪器部件、以替换下来的老旧部件为实物阐述仪器结构,使学生对仪器有感性认识,便于学生理论联系实际。对于仪器的规范化操作、常见问题的处理等难点问题,指导教师采用对比法+分析法+实践法,化繁为简。以系统真空判断及漏气的判定为例,对比法:根据正常谱图和问题谱图中水峰、氮气峰和空气峰的响应区别,判定系统是否漏气。分析法:学会排查漏气的方法,如使用棉签蘸取丙酮,放到可能漏气的部位,并将质谱扫描窗口调在丙酮的特征峰 m/z 58,观察是否出现溶剂峰。实践法:学生进行自动调谐,核对调谐报告信息,掌握真空判定及漏气判定的方法。授课过程中,操作练习与教师讲解交替进行,学生逐渐熟悉仪器、对于容易出现错误或者忽视的地方,教师及时纠正,021 吴頔,等:气相色谱质谱分析实验课程体系的构建与实践加深学习效果。2.2 定性分析实验定性分析实验项目为“气相色谱质谱法建立氯苯类化合物分析方法”,分析物为商品化的 8 种氯苯类化合物的混合标准品,氯苯类化合物化学性质稳定、谱图简单、易分辨,有利于初学者学习。教学目标:熟练使用 GC/MS 进行定性分析测试;掌握保留时间、峰宽等基本概念和实际意义;初步学会质谱图的解析方法。授课过程中,小组以“GC/MS 测定有机混合物”为主题进行汇报,组间探讨 GC/MS 测定有机物的适用范围,讨论气相色谱和质谱操作条件的选择方法,教师引导学生创建实验方法,规范化完成样品测试及图谱分析,实验过程及主要内容如下:(1)规范化开机。开启载气,选择石英毛细管(30 m,0.25 mm,0.25 m),启动色谱仪和质谱仪,连接电脑(开课前已开机,此部分已演示为主)。(2)设置 GC/MS 测试参数。高纯氦气流速为1.2 mL/min;不分流进样;进样量为 1 L;柱温为45,保持 3 min,以 10/min 速率升温至 240,保持 10 min;采用电子电离源(EI),电离能量为70 eV;离子源温度 230。(3)自动调谐。核查调谐报告,确认仪器是否正常运转。(4)分析测试。全扫描测试模式下得到 8 种氯苯类化学物总离子流图(TIC);根据 TIC 图确定各化合物的保留时间;根据 TIC 图中各化合物的质谱图,确定定性离子,进行图谱检索定性鉴别;选择离子扫描模式,初步了解样品定量分析的方法。实验中,充分发挥组内(际)合作 7和组际竞争的作用。组内成员分工完成样品测试,组际间配合完成样品的两种质谱扫描模式。一组采用全扫描模式,另一组在前组实验结果基础上采用选择离子模式进行测试。两组结合质谱的总离子流图,对各峰进行指认,并讨论各物质电离过程中分子碎裂机理的推测,共享实验结果。这种形式强化了学生对实验操作方法的理解,加深了学生对不同扫描模式特点和质谱图中各碎片信息的认知,培养了学生更为严谨的实验态度;测试完成后,组际间对比谱图、讨论仪器调谐方式、色谱分离影响因素的选择原则、质谱电离方式、数据收集模式、处理图谱方式等因素对定性判定结果的影响,分享优秀的操作经验。在组际讨论互评的过程中,优化了实验方法,加深了对GC/MS 定性测试认识,提高了学生的实验能力。同时,也可有效避免各组间实验报告雷同抄袭问题。2.3 定量综合实验定量综合实验教学内容源自教师科研项目“气质联用法测定垃圾焚烧飞灰中氯苯类化合物”,飞灰采集于生活垃圾焚烧发电厂。氯苯类化合物污染水平的实验结果为城市生活垃圾焚烧飞灰的资源化、无害化的再处理提供基础数据,增强了学生利用自身知识服务社会的理念。教学目标:独立完成一个完整的综合实验项目,包括实验方案设计、样品预处理;建立标准曲线;外标法定量分析飞灰中 8 种氯苯化合物的方法。授课中,小组围绕“GC/MS 检测环境中有机污染物预处理的方法”及“GC/MS 测试常用定量方法”进行讨论和比较。查阅国内外关于飞灰样品处理方法和氯苯类化合物的分析方法的文献报道 8-9,结合实验室设备和试剂情况,确定实验以索氏提取法进行预处理、外标法进行定量分析。教师对学生的实验方案进行引导,学生优化实验条件。实验流程及内容如下:(1)样品浓缩净化。飞灰样品经干燥处理后用盐酸进行消解,用甲苯索氏提取,经酸性及复合硅胶柱净化、分离后获得提取物。(2)配制不同浓度的标样。把氯苯类化合物混合标 准 品 配 制 成 0.10 g/mL、1.00 g/mL、2.00 g/mL、5.00 g/mL、50.00 g/mL 系列的标准工作浓度。(3)外标法定量分析。参考定性分析实验条件编制定量测试方法,测试标样和飞灰样品,得到不同浓度标准定量离子的峰面积,绘制成标准曲线,查出飞灰样品测得的定量离子峰面积在标准曲线图中相应的浓度。定量综合实验中,学生根据自行设计实验方案、自主探索完成实际样品的测试,获得实验数据并进行整理分析,充分发挥学生的主观能动性,培养了查阅文献资料的能力、解决实际问题能力、独立的科研能力和创新能力;教师从旁指导,总结共性问题,巩固教学效果。基于科教融合、教学相长的理念,在实验过程中,学生真切感受和体验了化学及大型仪器测试在日常生活中的重要作用;教师重视实验中出现的新问题、新思路,不断优化科研实验方案10。3 课程考核实验课程考核以小组为单位,包括课前导学+仪器操作+测试+实验报告+考试。课前导学考查学生的预习情况,占 15%;仪器操作考查学生的操作技能,占 20%;测试指完成小组作业和测试情况,占10%;实验报告成绩主要考查学生知识点掌握、实验121设计、实验结果分析等方面的能力,占 15%;考试内容包括口试和上机,现场抽题进行,作答前可小组讨论,考试过程以录像资料为证,口试主要考查学生对所学知识掌握承担及表达能力,上机部分采用模拟上机进行,主要考查经过多次实验操作练习后,学生对仪器熟练程度,占 40%。考核特点:以过程性考核为主、终结性考核为辅的实验课程的考核方式,将实验考核贯穿于整个实验过程中,使学生重视每一个实验环节,调动了学生的学习主动性和积极性;以小组为单位进行考核,学生相互配合、相互学习,提高了学生团队的协作能力 11-12。4 效果与体会2017 年“创新化学实验气相色谱质谱分析”立项为河北大学校级精品实验项目,2019 年项目验收成绩优秀且被评选为精品实验重点支持项目。经过几年的教学探索与实践,教学体系逐步完善,已培养具有独立操作 GC/MS 能力的本科生 80 余名。多名学生参与了以 GC/MS 测试分析为主题的科研项目活动,如学生参与申请实验室开放项目“同位素稀释气相色谱/质谱法测定白酒中邻苯二酸酯类塑化剂的污染水平和污染特征研究”获校级立项,并以此项目为基础开展了本科生毕业论文设计。学生反馈,该课程为学生提供了深入接触大型仪器的机会,提高了学生参与科研活动的兴趣和动力;同时锻炼了学生的实验技能,开拓了专业视野,培养了创新思维。5 结语深化教育教学改革,创新本科生人才培养模式是培养有创新意识和创新能力人才的重要方式,大型仪器的学习和使用是培养综合能力的基本条件。实践证明:以大型仪器为载体开设实验课程,采用“三阶段+三层次”实验课程体系,促进了科研反哺教学,推动了实验教学改革创新,消除了学生对于大型仪器门槛高、操作难的学习瓶颈,激发了学生学习的兴趣,提高了学生的创新意识,为学生参与各类创新性竞赛奠定了基础,为创新人才培养提供了有力的支撑。参考文献(References):1 姬晓悦.大型仪器设备开放共享平台 Py-GC-MS 的开放使用与维护 J.实验室科学,2019,22(5):187-190.2 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):205-208.3 梁向晖,毛秋平,谭相文,等.气质联用法在有机化学实验教学中的应用 J.化学教育(中英文版),2019,40(8):33-37.4 葛淑萍,晏云鹏,全学军.GC-MS 分析垃圾渗透液中有机污染物的实验教学探索 J.大学化学,2016,31(10):80-83.5 肖寒霜,朱仲良,许新华,等.以 GCMS 为例浅谈仪器分析实验教学改革的探索 J.实验室科学,2018,21(4):151-153.6 卢翠芬,李鹤玲,沈金瑞.气质联用仪定性定量分析的实验教学设计与探讨 J.广州化工,2017,45(15):179-180.7 边红霞,屠鹏,胡冰,等.论实验数据“共享”教学模式下学生研究性学习能力的培养 J.天水师范学院学报,2019,39(2):103-106.8 王美.铜和再生铝冶炼过程中氯/溴代二恶英的生成机理研究 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