高校分析测试中心液相色谱课程的改革与探索
摘要：依托甘肃省河西走廊特色资源利用重点实验室(河西学院分析测试中心)的大型仪器设备,借助其仪器多样性优势,学科组进行了高效液相色谱实验课程的改革与探索。采用理论教学、仿真实训和实验教学紧密结合的三位一体教学法、对比教学法及小组教学法,引导学生掌握原理及操作,提高学生利用相关仪器及理论进行毕业设计和科学研究的自主创新能力,同时也大大提高了本校分析测试中心高效液相色谱仪器的使用率,取得了良好效果。
本文源自广州化工,2020,48(16):154-156.《广州化工》期刊是国内外公开发行的综合性化工科技刊物，国内统一刊号CN44-1228/TQ，国际标准刊号ISSN1001-9677,半月刊，每月10号和25号出版，国内外公开发行。本刊曾先后获得广东省、广州市科技情报成果奖，分别荣获广州市优秀期刊称号、广东省优秀期刊称号和全国优秀科技期刊称号。《广州化工》是连续入选美国《化学文摘》重点期刊，是《中国期刊全文数据库》全文收录期刊，是《中国学术期刊综合评价数据库》统计源刊和万方数据(ChinaInfo)系统科技期刊群上网期刊。
依托甘肃省河西走廊特色资源利用重点实验室(河西学院分析测试中心)的大型仪器设备,学科组自2010年起面向化学及药学相关专业高年级本科生开设了与理论教学紧密结合的高效液相色谱实践课程。
1、改革背景和基础条件
随着社会和科技的进步,现代检测技术发生着日新月异的变化,其中仪器分析所占的比重日益增长。作为一种越来越常见的分析检测手段,高效液相色谱目前在食品、药品、化工等众多领域都有广泛的应用[1]。通过大学阶段相关教学,让学生对高效液相色谱理论及操作进行深入透彻的学习,可以为学生迈入相关工作岗位或继续深造打下坚实基础[2]。但部分院校由于实验条件有限或教学人员存在“怕仪器被用坏”等思想,不让学生动手操作,对于大型仪器只是让学生“参观”性质走马观花看一遍。“不让学生用的仪器不是好仪器”。仪器分析理论知识本身比较抽象,加之实际操作的缺乏必将导致学生学习效率低下,对知识理解不深入,导致学生的记忆不牢固,实践应用能力缺乏等问题。
高等学校的分析测试中心拥有得天独厚的仪器分析教学条件:首先,分析测试中心一般拥有良好的仪器设备条件,同一类型仪器由于日常检测内容不同可能配备有一系列不同的检测配件,有助于学生开阔视野,进行对比学习;第二,高校的分析测试中心在为本校师生提供分析测试服务的同时,还会承接社会上事业单位或企业的各种检测服务,是搭建高校产学研平台的良好载体;第三,部分新建院校分析测试中心的大型仪器如果单纯用于分析测试服务,可能普遍存在设备使用率不高的问题。故在此背景下,本学科组依托河西学院分析测试中心进行相关教学改革与实践,具有非常重要的实践意义。
甘肃省河西走廊特色资源利用重点实验室(河西学院分析测试中心)现有2台Agilent1260型高效液相色谱仪,分别配备二极管阵列检测器(Diodearraydetector,DAD)和飞行时间质谱检测器(Time-of-flightmassspectrometrydetector,TOFMSD);1台LC-20A型高效液相色谱仪,配备蒸发光散射检测器(Evaporatinglightscatteringdetector,ELSD);1台LC-10Avp型高效液相色谱仪,配备二极管阵列检测器(Photo-diodearray,PDA);1台ICS-1600型离子色谱仪,配备电导检测器(Electrolyticconductivitydetector,ELCD),具备课程开展必备的硬件条件。
2、尝试的改革和实践
2.1 课堂理论教学、仿真实训和实验教学三位一体,相互印证、强化
高效液相色谱课程教学包括课堂理论教学、仿真实训和实验教学三个组成部分。学科组和东方仿真软件公司合作,共同开发了与测试中心现有仪器相匹配的仪器分析仿真实训软件。该软件包括仪器介绍、场景动画、模拟操作、考核测评等模块。在高效液相色谱仪器介绍模块,介绍了高效液相色谱的工作原理及各组成模块的内部构造,如往复式柱塞泵的内部结构、单向阀工作原理、六通进样阀工作原理等;场景动画模块包含了教师录制的溶剂过滤和脱气操作、液相进样针的使用等操作的小视频;根据实际操作设计了模拟操作环节,学生可模拟进行硬件和软件的相关操作;最后系统可对学生仿真操作的各个环节进行考核测评,给出考核分数。多媒体仿真技术可以利用图片、场景、视频等元素构造一个可感受的场景[3],当教学资源相对匮乏时可让学生模拟感受真实的操作环境,而当实际操作条件满足时,可通过仿真训练让学生观察到仪器内部结构等在真实教学中无法触及的部分。高效液相色谱课程,课堂理论教学占4学时,仿真实训占2学时,实验教学占5学时,仿真实训环节设计在实验课之前,课堂理论教学设计在仿真实训之前,三位一体,理论与应用相互印证、强化,让学生对高效液相色谱仪的原理、仪器结构、操作步骤等有了深刻的理解。
2.2 将对比法渗透到高效液相色谱实验教学的各个环节
借助分析测试中心良好的设备条件,通过多层面比较法进行细节教学。
2.2.1 比较高效液相色谱和气相色谱的异同点
高效液相色谱法是在传统的液相色谱基础上,引入气相色谱的理论和技术,采用高压泵、高效固定相和高灵敏度检测器发展而来的。高效液相色谱和气相色谱同属色谱法,均由流动相和固定相组成;不同之处在于气相色谱流动相为气体,只能用于分离热稳定、易挥发、低沸点的化合物,而高效液相色谱的流动相为液体,其应用范围非常广泛,适用于高沸点、难挥发和热不稳定的化合物、离子型化合物、高聚物乃至生物大分子等物质;高效液相色谱的流动相具有运载样品分子和选择性分离的双重作用,而气相色谱流动相只起运载样品分子的作用。在实际教学过程中,气相色谱实验设计在高效液相色谱实验之前,故在进行高效液相色谱教学时,可通过比较两种色谱仪器的异同点,加深学生理解和记忆,培养学生发散思维能力。
2.2.2 比较高效液相色谱和离子色谱的异同点
根据现有条件,对比分析测试中心同个实验室的离子色谱仪和高效液相色谱仪,让学生明白离子色谱仪本质上也属于液相色谱仪,区别在于离子色谱采用了专用的流动相、色谱柱和检测器,从而开阔学生视野,加深其对高效液相色谱法的理解。
2.2.3 比较光电二级管阵列检测器(DAD/PDA)、可变波长型紫外检测器(UV)、质谱检测器(MS)和蒸发光散射检测器(ELSD)等不同检测器的异同点
根据现有条件,对比分析测试中心同个实验室几台高效液相色谱仪所配备的几种检测器的性质和应用特点,培养学生根据样品类型和测试目的进行仪器选择的能力[4]。
2.2.4 比较自动进样器和手动进样器的异同点
根据现有条件,对比分析测试中心现有的几种进样器。目前市场上流通的进样器均为六通阀进样器,分手动和自动两种。手动进样器可通过手动调节进样器把手位置,使转子和定子以不同的方式结合,以实现进样器内流路的改变,从而实现采样和进样。自动进样器则由计算机自动控制进样阀采样、进样和清洗等操作。操作者只需把装好样品的小瓶按一定次序放入样品架上(有转盘式、排式),然后输入程序(如进样次数、分析周期等),启动后设备将自行进样。在教学过程中,主要让学生采用手动进样的方式,让学生充分理解六通进样阀的工作原理。
2.2.5 比较四元泵和二元泵的异同点
通过对比分别配备四元泵和二元泵的两台高效液相色谱仪,结合仿真实训中关于输液泵内部结构的介绍,让学生领会四元泵和二元泵的内在区别和联系。二元泵一般为高压梯度洗脱系统,一台泵控制一路流动相,两路流动相在泵后混合,可以不配在线脱气机,梯度准确度高;而四元泵在输液泵前有低压梯度比例阀,一台输液泵可以同时控制四路流动相,流动相在泵前进行预混合,所以一般都需要配备在线脱气机。
2.2.6 比较正相色谱和反相色谱的异同点
流动相和色谱柱的选择在高效液相色谱分离中起到非常关键的作用。如何根据现有样品,选择合适的色谱体系,是培养学生自主实践能力的必备要素之一。正相色谱是指流动相极性小于固定相极性的液相色谱系统,其流动相多采用己烷、庚烷等弱极性溶剂,而固定相多采用氰基柱、氨基柱、二醇基柱等,常用于分离中等极性和极性较强的化合物,一般极性小的物质先出峰。而反相色谱是指流动相极性大于固定相极性的液相色谱系统,其流动相多采用甲醇、乙腈等强极性溶剂,而固定相多采用C18柱(十八烷基硅氧烷键合硅胶)、C8柱等,常用于分离非极性和极性较弱的化合物,一般极性大的物质先出峰。
2.2.7 比较水相过滤膜和有机相过滤膜的区别
流动相和样品的过滤操作是高效液相色谱实验过程中必须的环节之一,因此也是需要向学生说明清楚的问题。过滤膜分有机相滤膜和水相滤膜。水相过滤膜一般为纤维素类材质,有机相滤膜包括尼龙、聚醚砜、聚四氟乙烯等材质。有机膜主要用来过滤有机相,过滤水相时可能出现流速低或过滤不动的情况;水膜只能过滤水相,过滤有机相时会发生滤膜溶解的现象,从而污染过滤器和溶剂。而若流动相为混合溶剂,即既有有机相又有水相时,首选有机滤膜进行过滤。
2.3 理论联系实际,不让学生困于象牙塔
开展了非常贴近实际的高效液相色谱实验项目“可乐中咖啡因含量的测定”,让学生自选可乐进行实验,根据检测结果,参考相关标准(食品添加剂使用标准GB2760-2014)进行结果判定,极大提高了学生的学习兴趣。在进行各环节实验操作的同时,穿插介绍所用实验仪器及相关耗材的价格,如高效液相色谱仪器的价格、各种过滤膜的价格、色谱柱的价格等,让学生对高效液相色谱有更多认知,同时也提高了学生未来适应工作的能力。
2.4 小组教学,强化实验技能
根据实际情况,设7～8人一个小组,每班分多个小组进行实验操作。课上明确要求,从样品处理到标准曲线制作,样品中咖啡因含量的测定、加标回收率的操作及计算等环节,每个学生都必须参与进来。每个学生需独立完成1～2次标品或样品的手动进样和数据处理。虽然标准曲线或样品检测数据是多名初学者共同完成,得到的数据没有同一个人完成的好,但于教学的初衷有益。而小组教学可以增加每个学生的操作机会,提高实际操作能力。
2.5 与分析化学基础知识相结合,引发学生思考
在教学中,设置“哪些实验药品需要精密称定或量取,哪些不需要?”“萃取过程中加入氢氧化钠和氯化钠的目的是什么?”“烧杯、分液漏斗、移液管等哪些需要润洗?”“萃取结束待测咖啡因分布在上层还是下层?”等问题,让学生结合以往所学分析化学基础知识,进行独立思考,提高解决问题的能力,培养学生勤于思考和缜密的实验思维。
3、结语
作为仪器分析重要的组成部分,高效液相色谱是一门实践性很强的实验技术。传统的实验教学思想相对保守,实验手段落后,仪器设备欠缺,不利于培养学生的创新思维和实践能力,也不利于广大教师的教学热情。高效液相色谱实验教学课程的改革,必须从课程设置、教学要求、教学内容、教学手段、教师队伍等全方位地进行配套改革[5,6]。分析测试中心在仪器设备条件上具有显著优势,在高等院校分析测试中心进行以高效液相色谱为代表的仪器分析实验课程的教学改革和探索,充分发挥其资源优势,对于提升应用型高校人才培养质量,进一步搭建高校产学研平台,体现办学特色,具有深远的战略意义。
参考文献：
[1]孙艳涛,王丽,王良,等.应用型人才培养模式下“色谱分析”课程的教学改革[J].牡丹江大学学报,2016,25(9):174-175,178.
[2]李琴,周陆怡.高等院校高效液相色谱实验课的教学改革[J].广州化工,2018,46(17):146-147.
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[4]任雪峰.仪器分析实训教程[M].北京:科学出版社,2017:43-77.
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