高校分析測試中心液相色譜課程的改革與探索

　　摘要：依托甘肅省河西走廊特色資源利用重點實驗室(河西學院分析測試中心)的大型儀器設備,借助其儀器多樣性優勢,學科組進行了高效液相色譜實驗課程的改革與探索。采用理論教學、仿真實訓和實驗教學緊密結合的三位一體教學法、對比教學法及小組教學法,引導學生掌握原理及操作,提高學生利用相關儀器及理論進行畢業設計和科學研究的自主創新能力,同時也大大提高了本校分析測試中心高效液相色譜儀器的使用率,取得了良好效果。

　　本文源自廣州化工,2020,48(16):154-156.《廣州化工》期刊是國內外公開發行的綜合性化工科技刊物，國內統一刊號CN44-1228/TQ，國際標準刊號ISSN1001-9677,半月刊，每月10號和25號出版，國內外公開發行。本刊曾先后獲得廣東省、廣州市科技情報成果獎，分別榮獲廣州市優秀期刊稱號、廣東省優秀期刊稱號和全國優秀科技期刊稱號。《廣州化工》是連續入選美國《化學文摘》重點期刊，是《中國期刊全文數據庫》全文收錄期刊，是《中國學術期刊綜合評價數據庫》統計源刊和萬方數據(ChinaInfo)系統科技期刊群上網期刊。

　　依托甘肅省河西走廊特色資源利用重點實驗室(河西學院分析測試中心)的大型儀器設備,學科組自2010年起面向化學及藥學相關專業高年級本科生開設了與理論教學緊密結合的高效液相色譜實踐課程。

　　1、改革背景和基礎條件

　　隨著社會和科技的進步,現代檢測技術發生著日新月異的變化,其中儀器分析所占的比重日益增長。作為一種越來越常見的分析檢測手段,高效液相色譜目前在食品、藥品、化工等眾多領域都有廣泛的應用[1]。通過大學階段相關教學,讓學生對高效液相色譜理論及操作進行深入透徹的學習,可以為學生邁入相關工作崗位或繼續深造打下堅實基礎[2]。但部分院校由于實驗條件有限或教學人員存在“怕儀器被用壞”等思想,不讓學生動手操作,對于大型儀器只是讓學生“參觀”性質走馬觀花看一遍。“不讓學生用的儀器不是好儀器”。儀器分析理論知識本身比較抽象,加之實際操作的缺乏必將導致學生學習效率低下,對知識理解不深入,導致學生的記憶不牢固,實踐應用能力缺乏等問題。

　　高等學校的分析測試中心擁有得天獨厚的儀器分析教學條件:首先,分析測試中心一般擁有良好的儀器設備條件,同一類型儀器由于日常檢測內容不同可能配備有一系列不同的檢測配件,有助于學生開闊視野,進行對比學習;第二,高校的分析測試中心在為本校師生提供分析測試服務的同時,還會承接社會上事業單位或企業的各種檢測服務,是搭建高校產學研平臺的良好載體;第三,部分新建院校分析測試中心的大型儀器如果單純用于分析測試服務,可能普遍存在設備使用率不高的問題。故在此背景下,本學科組依托河西學院分析測試中心進行相關教學改革與實踐,具有非常重要的實踐意義。

　　甘肅省河西走廊特色資源利用重點實驗室(河西學院分析測試中心)現有2臺Agilent1260型高效液相色譜儀,分別配備二極管陣列檢測器(Diodearraydetector,DAD)和飛行時間質譜檢測器(Time-of-flightmassspectrometrydetector,TOFMSD);1臺LC-20A型高效液相色譜儀,配備蒸發光散射檢測器(Evaporatinglightscatteringdetector,ELSD);1臺LC-10Avp型高效液相色譜儀,配備二極管陣列檢測器(Photo-diodearray,PDA);1臺ICS-1600型離子色譜儀,配備電導檢測器(Electrolyticconductivitydetector,ELCD),具備課程開展必備的硬件條件。

　　2、嘗試的改革和實踐

　　2.1 課堂理論教學、仿真實訓和實驗教學三位一體,相互印證、強化

　　高效液相色譜課程教學包括課堂理論教學、仿真實訓和實驗教學三個組成部分。學科組和東方仿真軟件公司合作,共同開發了與測試中心現有儀器相匹配的儀器分析仿真實訓軟件。該軟件包括儀器介紹、場景動畫、模擬操作、考核測評等模塊。在高效液相色譜儀器介紹模塊,介紹了高效液相色譜的工作原理及各組成模塊的內部構造,如往復式柱塞泵的內部結構、單向閥工作原理、六通進樣閥工作原理等;場景動畫模塊包含了教師錄制的溶劑過濾和脫氣操作、液相進樣針的使用等操作的小視頻;根據實際操作設計了模擬操作環節,學生可模擬進行硬件和軟件的相關操作;最后系統可對學生仿真操作的各個環節進行考核測評,給出考核分數。多媒體仿真技術可以利用圖片、場景、視頻等元素構造一個可感受的場景[3],當教學資源相對匱乏時可讓學生模擬感受真實的操作環境,而當實際操作條件滿足時,可通過仿真訓練讓學生觀察到儀器內部結構等在真實教學中無法觸及的部分。高效液相色譜課程,課堂理論教學占4學時,仿真實訓占2學時,實驗教學占5學時,仿真實訓環節設計在實驗課之前,課堂理論教學設計在仿真實訓之前,三位一體,理論與應用相互印證、強化,讓學生對高效液相色譜儀的原理、儀器結構、操作步驟等有了深刻的理解。

　　2.2 將對比法滲透到高效液相色譜實驗教學的各個環節

　　借助分析測試中心良好的設備條件,通過多層面比較法進行細節教學。

　　2.2.1 比較高效液相色譜和氣相色譜的異同點

　　高效液相色譜法是在傳統的液相色譜基礎上,引入氣相色譜的理論和技術,采用高壓泵、高效固定相和高靈敏度檢測器發展而來的。高效液相色譜和氣相色譜同屬色譜法,均由流動相和固定相組成;不同之處在于氣相色譜流動相為氣體,只能用于分離熱穩定、易揮發、低沸點的化合物,而高效液相色譜的流動相為液體,其應用范圍非常廣泛,適用于高沸點、難揮發和熱不穩定的化合物、離子型化合物、高聚物乃至生物大分子等物質;高效液相色譜的流動相具有運載樣品分子和選擇性分離的雙重作用,而氣相色譜流動相只起運載樣品分子的作用。在實際教學過程中,氣相色譜實驗設計在高效液相色譜實驗之前,故在進行高效液相色譜教學時,可通過比較兩種色譜儀器的異同點,加深學生理解和記憶,培養學生發散思維能力。

　　2.2.2 比較高效液相色譜和離子色譜的異同點

　　根據現有條件,對比分析測試中心同個實驗室的離子色譜儀和高效液相色譜儀,讓學生明白離子色譜儀本質上也屬于液相色譜儀,區別在于離子色譜采用了專用的流動相、色譜柱和檢測器,從而開闊學生視野,加深其對高效液相色譜法的理解。

　　2.2.3 比較光電二級管陣列檢測器(DAD/PDA)、可變波長型紫外檢測器(UV)、質譜檢測器(MS)和蒸發光散射檢測器(ELSD)等不同檢測器的異同點

　　根據現有條件,對比分析測試中心同個實驗室幾臺高效液相色譜儀所配備的幾種檢測器的性質和應用特點,培養學生根據樣品類型和測試目的進行儀器選擇的能力[4]。

　　2.2.4 比較自動進樣器和手動進樣器的異同點

　　根據現有條件,對比分析測試中心現有的幾種進樣器。目前市場上流通的進樣器均為六通閥進樣器,分手動和自動兩種。手動進樣器可通過手動調節進樣器把手位置,使轉子和定子以不同的方式結合,以實現進樣器內流路的改變,從而實現采樣和進樣。自動進樣器則由計算機自動控制進樣閥采樣、進樣和清洗等操作。操作者只需把裝好樣品的小瓶按一定次序放入樣品架上(有轉盤式、排式),然后輸入程序(如進樣次數、分析周期等),啟動后設備將自行進樣。在教學過程中,主要讓學生采用手動進樣的方式,讓學生充分理解六通進樣閥的工作原理。

　　2.2.5 比較四元泵和二元泵的異同點

　　通過對比分別配備四元泵和二元泵的兩臺高效液相色譜儀,結合仿真實訓中關于輸液泵內部結構的介紹,讓學生領會四元泵和二元泵的內在區別和聯系。二元泵一般為高壓梯度洗脫系統,一臺泵控制一路流動相,兩路流動相在泵后混合,可以不配在線脫氣機,梯度準確度高;而四元泵在輸液泵前有低壓梯度比例閥,一臺輸液泵可以同時控制四路流動相,流動相在泵前進行預混合,所以一般都需要配備在線脫氣機。

　　2.2.6 比較正相色譜和反相色譜的異同點

　　流動相和色譜柱的選擇在高效液相色譜分離中起到非常關鍵的作用。如何根據現有樣品,選擇合適的色譜體系,是培養學生自主實踐能力的必備要素之一。正相色譜是指流動相極性小于固定相極性的液相色譜系統,其流動相多采用己烷、庚烷等弱極性溶劑,而固定相多采用氰基柱、氨基柱、二醇基柱等,常用于分離中等極性和極性較強的化合物,一般極性小的物質先出峰。而反相色譜是指流動相極性大于固定相極性的液相色譜系統,其流動相多采用甲醇、乙腈等強極性溶劑,而固定相多采用C18柱(十八烷基硅氧烷鍵合硅膠)、C8柱等,常用于分離非極性和極性較弱的化合物,一般極性大的物質先出峰。

　　2.2.7 比較水相過濾膜和有機相過濾膜的區別

　　流動相和樣品的過濾操作是高效液相色譜實驗過程中必須的環節之一,因此也是需要向學生說明清楚的問題。過濾膜分有機相濾膜和水相濾膜。水相過濾膜一般為纖維素類材質,有機相濾膜包括尼龍、聚醚砜、聚四氟乙烯等材質。有機膜主要用來過濾有機相,過濾水相時可能出現流速低或過濾不動的情況;水膜只能過濾水相,過濾有機相時會發生濾膜溶解的現象,從而污染過濾器和溶劑。而若流動相為混合溶劑,即既有有機相又有水相時,首選有機濾膜進行過濾。

　　2.3 理論聯系實際,不讓學生困于象牙塔

　　開展了非常貼近實際的高效液相色譜實驗項目“可樂中咖啡因含量的測定”,讓學生自選可樂進行實驗,根據檢測結果,參考相關標準(食品添加劑使用標準GB2760-2014)進行結果判定,極大提高了學生的學習興趣。在進行各環節實驗操作的同時,穿插介紹所用實驗儀器及相關耗材的價格,如高效液相色譜儀器的價格、各種過濾膜的價格、色譜柱的價格等,讓學生對高效液相色譜有更多認知,同時也提高了學生未來適應工作的能力。

　　2.4 小組教學,強化實驗技能

　　根據實際情況,設7～8人一個小組,每班分多個小組進行實驗操作。課上明確要求,從樣品處理到標準曲線制作,樣品中咖啡因含量的測定、加標回收率的操作及計算等環節,每個學生都必須參與進來。每個學生需獨立完成1～2次標品或樣品的手動進樣和數據處理。雖然標準曲線或樣品檢測數據是多名初學者共同完成,得到的數據沒有同一個人完成的好,但于教學的初衷有益。而小組教學可以增加每個學生的操作機會,提高實際操作能力。

　　2.5 與分析化學基礎知識相結合,引發學生思考

　　在教學中,設置“哪些實驗藥品需要精密稱定或量取,哪些不需要?”“萃取過程中加入氫氧化鈉和氯化鈉的目的是什么?”“燒杯、分液漏斗、移液管等哪些需要潤洗?”“萃取結束待測咖啡因分布在上層還是下層?”等問題,讓學生結合以往所學分析化學基礎知識,進行獨立思考,提高解決問題的能力,培養學生勤于思考和縝密的實驗思維。

　　3、結語

　　作為儀器分析重要的組成部分,高效液相色譜是一門實踐性很強的實驗技術。傳統的實驗教學思想相對保守,實驗手段落后,儀器設備欠缺,不利于培養學生的創新思維和實踐能力,也不利于廣大教師的教學熱情。高效液相色譜實驗教學課程的改革,必須從課程設置、教學要求、教學內容、教學手段、教師隊伍等全方位地進行配套改革[5,6]。分析測試中心在儀器設備條件上具有顯著優勢,在高等院校分析測試中心進行以高效液相色譜為代表的儀器分析實驗課程的教學改革和探索,充分發揮其資源優勢,對于提升應用型高校人才培養質量,進一步搭建高校產學研平臺,體現辦學特色,具有深遠的戰略意義。

　　參考文獻：

　　[1]孫艷濤,王麗,王良,等.應用型人才培養模式下“色譜分析”課程的教學改革[J].牡丹江大學學報,2016,25(9):174-175,178.

　　[2]李琴,周陸怡.高等院校高效液相色譜實驗課的教學改革[J].廣州化工,2018,46(17):146-147.

　　[3]劉想,曹媛媛,王鳳.基于多媒體仿真技術實現氣相色譜實驗教學改革的探究[J].教育現代化,2018,5(51):51-52.

　　[4]任雪峰.儀器分析實訓教程[M].北京:科學出版社,2017:43-77.

　　[5]劉慧中,謝一凡,金玉杰,等.高效液相色譜法的實驗教學改革與實踐[J].實驗室科學,2017,20(4):150-153.

　　[6]冉谷.高校轉型發展背景下的液相色譜課程實驗教學改革[J].西部素質教育,2017,3(4):86-86.