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摘要：本文通过学生在大型仪器分析实验（离子色谱分析）中经常出现的问题，阐明了大型仪器对本科生开放的同时也常常被忽略的实验环节：样品前处理。对于未经前处理的样品，在分析时给仪器带来故障该如何排除也做了简单的介绍。
关键词：大型仪器分析;样品前处理;故障排除
中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）41-0264-03
一、引言
随着国民经济的快速发展，国家对高等教育的投入也逐年增加，作为高等教育发展的重要硬件支撑，在“211”、“985”等项目的实施中，高校的仪器设备资源有了突飞猛进的增长[1]，借助这些硬件条件很多高校对本科生纷纷开设了大型仪器分析实验课。以华中科技大学环境科学院与工程学院为例，近几年在给排水专业、环境工程专业《环境监测综合实验I》中就安排了大型仪器分析实验“离子色普法分析自来水中的氯离子”、“TOC仪分析污水中的总有机碳”、“荧光分析法测定水中的镁”。环境工程专业《环境监测综合实验II》中涉及大型仪器分析实验有：“原子吸收法测定水中铜”、“液相色谱分析法测定水中苯酚”、“气相色谱测定水体中VOC”等。这些大型仪器对本科的开放无疑对学生动手能力的培养、创新思维的训练都有极大的好处。在本科教育要把理论和实验能力结合的目标下，有效提升学生的应用能力非常重要。从以往学生毕业后的反馈情况看，具备较强实践能力的学生更容易受到单位的青睐，在职业发展上也更有优势[2]。
二、存在的问题
目前高等学校使用的大型仪器自动化程度和集成度高，很先进并且减少了实验误差，但这样学生对仪器的结构和原理以及实验样品分析的特殊性了解就不够深入，学生在实验中求知欲不强，不利于充分调动学生主动思考和动手能力的培养。目前大多数高校环境专业都开设了“环境监测实验”，其实验项目主要是以各项污染物的监测方法为单元[3，4]，实验项目多而全，如果学生掌握所有的实验，对将来工作是非常有益的。但现阶段大学的教学课时数有限，实验课时数更是紧张，很多时候学生课上的分析对象、方法及程序等关键要素都是预先指定的，只需按步操作就行。这样虽然保证了实验的成功率，但在实验过程中不需要创造性的探索，因此学生不能对仪器分析过程的复杂性、样品前处理要求的特殊性、分析试样的选择性有一个全面的认识[5]。
三、分析样品前处理的方法
需要经大型仪器分析的样品为什么一定要前处理[6]呢？一是为了去除样品中的微粒以免堵塞分析仪器的泵或管道，造成仪器的损坏;二是为了减少样品中的杂质干扰，提高仪器的灵敏度和选择性;三是有利于浓缩样品中的微量组份，提高仪器的分析精度。
一般来讲，分析样品前处理占样品分析总工作量的76%[7]，这是因为分析样品种类繁多，其组成、浓度、物理形态等均很繁杂。在本科“离子色谱分析实验”教学过程中往往都选择模拟水样，样品成分单一，对于真实的污染水样前处理过程无法耗费大量的时间在实验教学环节重现让学生了解和处理，造成学生的错觉认识：只要是水样都可以直接进样到大型仪器分析，甚至出现了用蒸馏水配标准储备液的低级错误。按照学生的认知能力以为蒸馏水人都可以饮用，用来配标准储备液当然不应该是问题。但事实并非如此，蒸馏水的获得是一个物理变化过程，是将自来水煮沸气化后遇冷的循环水凝结制得，很明显自来水有何种离子，蒸馏水里就有何种离子，显然不能用它来配置任何标准溶液进行离子色谱分析，否则，还会造成仪器的损害，更谈不上准确分析样品。所以，在大型仪器分析实验课开始前，样品前处理技术应该用专门的学时给学生讲授，不要造成学生看似会操作大型仪器，而其实质的东西——大型仪器分析的精髓并不知晓，日后走上工作岗位面对真实的污染样品无从下手分析。
相对于理论教学，实验教学过程中的随机因素较多，如试剂的质量、纯度、用量、操作方法、实验条件等都可能直接影响到实验结果的准确性和重现性。即使是一些相当成熟的实验，也会因条件控制不当造成实验结果不理想[8]。在大型仪器分析实验中，样品前处理尤为重要，对于离子色谱分析样品前处理的方法有：高速离心（大于10000rpm）、过滤和超滤、选择性沉淀、萃取、索氏抽取、衍生反应、加速溶剂萃取、浓缩样品（液—固萃取/液—液萃取）等[9]，本科实验教学采取最多的样品前处理方式有高速离心、过滤和超滤、萃取等。
过滤和超滤是离子色谱法分析中必不可缺少的步骤，其操作简单，可重复使用过滤装置或过滤膜，最简单的形式就是在进样器的前端加上过滤头（见图1），图2为一次性滤头，图3为可重复使用滤头，其内装有无机（0.45μm）或有机（0.22μm）膜片，膜片可更换，可避免样品交叉污染。
固相萃取法是色谱分析中发展最快的样品前处理技术之一，它是在液—液萃取法的基础上改进而成的一种颇受欢迎的预富集及纯化样品的前处理技术，目前已广泛地用于分析中的样品前处理。固相微萃取装置外型如一只微量进样器，由手柄（holder）和萃取头或纤维头（fiber）两部分构成，萃取头是一根1㎝长，涂有不同吸附剂的熔融纤维，接在不锈钢丝上，外套细不锈钢管（保护石英纤维不被折断），纤维头在钢管内可伸缩或进出，细不锈钢管可穿透橡胶或塑料垫片进行取样或进样。手柄用于安装或固定萃取头，可永远使用。它又可分为直接萃取和顶空萃取，膜保护萃取[10]。我们在做环境样品分析时也常常运用，比如水中多环芳烃（PAHs）和多氯联苯（PCBs）等有机物物质的分析[11];水果、蔬菜及食品中农药和除草剂残留分析等。
四、反思与改进
虽然样品预处理的方法很多，但目的只有一个就是将复杂的样品提纯便于大型仪器分析提高分析精度。但是在现实的本科仪器分析实验教学中，教师往往是希望在有限的实验学时里让学生更多的了解大型仪器的操作和分析，对于样品预处理方法都没有足够的重视，那就更谈不上拿出一定学时数让学生亲自动手处理复杂样品，掌握样品预处理的方法。学生最基本的训练不到位，导致学生错误的认为只要是水样都能直接进入大型仪器（离子色谱仪）分析，事实上并非如此。只有酸雨、饮用水和大气飘尘的滤出液可以直接进样分析[12]，对于地表水和废水样品、含有高浓度干扰基体的样品进样前都要预处理。 基本训练的不到位直接后果就是一些学生在独立操作仪器时不会想到样品前处理这桩事，拿到水样不管三七二十一就直接进仪器分析。比如污染水样没有经过滤膜过滤造成仪器的系统压力很高（一般超过2500Psi，对于Dionex DX-120），导致仪器报警无法使用。这有可能是污染物沉积在保护柱的滤片上或是某段管子有污染物堵塞造成的，在此情况下首先是停止进样，稍加大淋洗液的流速让淋洗液不断冲洗整个系统，一般冲洗时间要大于2小时。如果还不能解决问题就要考虑是否是恒流泵的单向阀堵塞，解决办法就是将单向阀取下放入乙醇或丙酮溶液中，在超声波清洗器中超声30分钟后用超纯水冲干净，重新按照原来的方向（注意不可装反，否则流动相不能通过）装上即可。如果还解决不了问题就要考虑是否是色谱柱堵塞，解决办法就是将色谱柱反接冲洗色谱柱。
看似一个很简单的故障，其根源是仪器分析的最基本训练欠缺或不完善，学生实践能力培养就会成为空中楼阁。要想使学生将来走上社会能独当一面，我们现在的实验教学体系就要改进和完善，在进一步巩固课堂教学效果的同时，更需要通过实验训练和创新能力培养学生熟悉、掌握和应用仪器以及掌握更多的实验技术和方法[13]，为他们将来服务社会打下牢固基础。
参考文献：
[1]毕为民，王连之.构建多元化共享服务体系提高大型仪器设备使用效益[J].实验室研究与探索，2010，（6）：100-102.
[2]刘招第，徐华杰，等.仪器分析实验教学改革探索[J].实验科学与技术，2008，8（5）：86-88.
[3]王秀萍，彭小平，等.教学仪器设备的开放与有偿使用方案的探讨[J].高教探索，2008，（9）：286-287.
[4]王秀萍，张方.“虚实”结合提高大型仪器设备对本科实验教学的开放[J].实验技术与管理，2014，（4）.
[5]黄忠臣.环境监测实验教材建设的思考[J].实验室研究与探索，2010，（2）：126-128.
[6]范云场，朱岩.离子色谱分析中样品前处理技术[J].色谱，2007，（9）：633-640.
[7]丁晓静，牟世芬.离子色谱的样品前处理技术[J].环境化学，2001，20（5）：507-516.
[8]徐肖邢，喻丽珍.提高化学实验教学质量的探索与实践[J].高校实验室研究，2006，12（4）：4-6.
[9]叶明立，施青红，等.离子色谱样品预处理技术[J].现代科学仪器，2004，（2）：94-97.
[10]魏黎明，李菊白，等.固相微萃取在环境监测中的应用[J].分析化学，2004，12（32）：1667-1672.
[11]吴景雄，陈梅芹，等.萃取技术在环境样品预处理中的应用及发展[J].中国环境监测，2005，2（21）：10-13.
[12]Dionex公司DX-120离子色谱操作说明书[Z].
[13]周金池，王美娟.研究生仪器分析实验课程改革思路初探[J].实验室研究与探索，2011，（6）：138-141.
作者简介：王秀萍（1963-），女，湖北武汉人，高级工程师，实验中心副主任，主要从事实验教学、大型仪器管理与分析。
关键词：大型仪器分析;样品前处理;故障排除
中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）41-0264-03
一、引言
随着国民经济的快速发展，国家对高等教育的投入也逐年增加，作为高等教育发展的重要硬件支撑，在“211”、“985”等项目的实施中，高校的仪器设备资源有了突飞猛进的增长[1]，借助这些硬件条件很多高校对本科生纷纷开设了大型仪器分析实验课。以华中科技大学环境科学院与工程学院为例，近几年在给排水专业、环境工程专业《环境监测综合实验I》中就安排了大型仪器分析实验“离子色普法分析自来水中的氯离子”、“TOC仪分析污水中的总有机碳”、“荧光分析法测定水中的镁”。环境工程专业《环境监测综合实验II》中涉及大型仪器分析实验有：“原子吸收法测定水中铜”、“液相色谱分析法测定水中苯酚”、“气相色谱测定水体中VOC”等。这些大型仪器对本科的开放无疑对学生动手能力的培养、创新思维的训练都有极大的好处。在本科教育要把理论和实验能力结合的目标下，有效提升学生的应用能力非常重要。从以往学生毕业后的反馈情况看，具备较强实践能力的学生更容易受到单位的青睐，在职业发展上也更有优势[2]。
二、存在的问题
目前高等学校使用的大型仪器自动化程度和集成度高，很先进并且减少了实验误差，但这样学生对仪器的结构和原理以及实验样品分析的特殊性了解就不够深入，学生在实验中求知欲不强，不利于充分调动学生主动思考和动手能力的培养。目前大多数高校环境专业都开设了“环境监测实验”，其实验项目主要是以各项污染物的监测方法为单元[3，4]，实验项目多而全，如果学生掌握所有的实验，对将来工作是非常有益的。但现阶段大学的教学课时数有限，实验课时数更是紧张，很多时候学生课上的分析对象、方法及程序等关键要素都是预先指定的，只需按步操作就行。这样虽然保证了实验的成功率，但在实验过程中不需要创造性的探索，因此学生不能对仪器分析过程的复杂性、样品前处理要求的特殊性、分析试样的选择性有一个全面的认识[5]。
三、分析样品前处理的方法
需要经大型仪器分析的样品为什么一定要前处理[6]呢？一是为了去除样品中的微粒以免堵塞分析仪器的泵或管道，造成仪器的损坏;二是为了减少样品中的杂质干扰，提高仪器的灵敏度和选择性;三是有利于浓缩样品中的微量组份，提高仪器的分析精度。
一般来讲，分析样品前处理占样品分析总工作量的76%[7]，这是因为分析样品种类繁多，其组成、浓度、物理形态等均很繁杂。在本科“离子色谱分析实验”教学过程中往往都选择模拟水样，样品成分单一，对于真实的污染水样前处理过程无法耗费大量的时间在实验教学环节重现让学生了解和处理，造成学生的错觉认识：只要是水样都可以直接进样到大型仪器分析，甚至出现了用蒸馏水配标准储备液的低级错误。按照学生的认知能力以为蒸馏水人都可以饮用，用来配标准储备液当然不应该是问题。但事实并非如此，蒸馏水的获得是一个物理变化过程，是将自来水煮沸气化后遇冷的循环水凝结制得，很明显自来水有何种离子，蒸馏水里就有何种离子，显然不能用它来配置任何标准溶液进行离子色谱分析，否则，还会造成仪器的损害，更谈不上准确分析样品。所以，在大型仪器分析实验课开始前，样品前处理技术应该用专门的学时给学生讲授，不要造成学生看似会操作大型仪器，而其实质的东西——大型仪器分析的精髓并不知晓，日后走上工作岗位面对真实的污染样品无从下手分析。
相对于理论教学，实验教学过程中的随机因素较多，如试剂的质量、纯度、用量、操作方法、实验条件等都可能直接影响到实验结果的准确性和重现性。即使是一些相当成熟的实验，也会因条件控制不当造成实验结果不理想[8]。在大型仪器分析实验中，样品前处理尤为重要，对于离子色谱分析样品前处理的方法有：高速离心（大于10000rpm）、过滤和超滤、选择性沉淀、萃取、索氏抽取、衍生反应、加速溶剂萃取、浓缩样品（液—固萃取/液—液萃取）等[9]，本科实验教学采取最多的样品前处理方式有高速离心、过滤和超滤、萃取等。
过滤和超滤是离子色谱法分析中必不可缺少的步骤，其操作简单，可重复使用过滤装置或过滤膜，最简单的形式就是在进样器的前端加上过滤头（见图1），图2为一次性滤头，图3为可重复使用滤头，其内装有无机（0.45μm）或有机（0.22μm）膜片，膜片可更换，可避免样品交叉污染。
固相萃取法是色谱分析中发展最快的样品前处理技术之一，它是在液—液萃取法的基础上改进而成的一种颇受欢迎的预富集及纯化样品的前处理技术，目前已广泛地用于分析中的样品前处理。固相微萃取装置外型如一只微量进样器，由手柄（holder）和萃取头或纤维头（fiber）两部分构成，萃取头是一根1㎝长，涂有不同吸附剂的熔融纤维，接在不锈钢丝上，外套细不锈钢管（保护石英纤维不被折断），纤维头在钢管内可伸缩或进出，细不锈钢管可穿透橡胶或塑料垫片进行取样或进样。手柄用于安装或固定萃取头，可永远使用。它又可分为直接萃取和顶空萃取，膜保护萃取[10]。我们在做环境样品分析时也常常运用，比如水中多环芳烃（PAHs）和多氯联苯（PCBs）等有机物物质的分析[11];水果、蔬菜及食品中农药和除草剂残留分析等。
四、反思与改进
虽然样品预处理的方法很多，但目的只有一个就是将复杂的样品提纯便于大型仪器分析提高分析精度。但是在现实的本科仪器分析实验教学中，教师往往是希望在有限的实验学时里让学生更多的了解大型仪器的操作和分析，对于样品预处理方法都没有足够的重视，那就更谈不上拿出一定学时数让学生亲自动手处理复杂样品，掌握样品预处理的方法。学生最基本的训练不到位，导致学生错误的认为只要是水样都能直接进入大型仪器（离子色谱仪）分析，事实上并非如此。只有酸雨、饮用水和大气飘尘的滤出液可以直接进样分析[12]，对于地表水和废水样品、含有高浓度干扰基体的样品进样前都要预处理。 基本训练的不到位直接后果就是一些学生在独立操作仪器时不会想到样品前处理这桩事，拿到水样不管三七二十一就直接进仪器分析。比如污染水样没有经过滤膜过滤造成仪器的系统压力很高（一般超过2500Psi，对于Dionex DX-120），导致仪器报警无法使用。这有可能是污染物沉积在保护柱的滤片上或是某段管子有污染物堵塞造成的，在此情况下首先是停止进样，稍加大淋洗液的流速让淋洗液不断冲洗整个系统，一般冲洗时间要大于2小时。如果还不能解决问题就要考虑是否是恒流泵的单向阀堵塞，解决办法就是将单向阀取下放入乙醇或丙酮溶液中，在超声波清洗器中超声30分钟后用超纯水冲干净，重新按照原来的方向（注意不可装反，否则流动相不能通过）装上即可。如果还解决不了问题就要考虑是否是色谱柱堵塞，解决办法就是将色谱柱反接冲洗色谱柱。
看似一个很简单的故障，其根源是仪器分析的最基本训练欠缺或不完善，学生实践能力培养就会成为空中楼阁。要想使学生将来走上社会能独当一面，我们现在的实验教学体系就要改进和完善，在进一步巩固课堂教学效果的同时，更需要通过实验训练和创新能力培养学生熟悉、掌握和应用仪器以及掌握更多的实验技术和方法[13]，为他们将来服务社会打下牢固基础。
参考文献：
[1]毕为民，王连之.构建多元化共享服务体系提高大型仪器设备使用效益[J].实验室研究与探索，2010，（6）：100-102.
[2]刘招第，徐华杰，等.仪器分析实验教学改革探索[J].实验科学与技术，2008，8（5）：86-88.
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[4]王秀萍，张方.“虚实”结合提高大型仪器设备对本科实验教学的开放[J].实验技术与管理，2014，（4）.
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[9]叶明立，施青红，等.离子色谱样品预处理技术[J].现代科学仪器，2004，（2）：94-97.
[10]魏黎明，李菊白，等.固相微萃取在环境监测中的应用[J].分析化学，2004，12（32）：1667-1672.
[11]吴景雄，陈梅芹，等.萃取技术在环境样品预处理中的应用及发展[J].中国环境监测，2005，2（21）：10-13.
[12]Dionex公司DX-120离子色谱操作说明书[Z].
[13]周金池，王美娟.研究生仪器分析实验课程改革思路初探[J].实验室研究与探索，2011，（6）：138-141.
作者简介：王秀萍（1963-），女，湖北武汉人，高级工程师，实验中心副主任，主要从事实验教学、大型仪器管理与分析。