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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河西學(xué)院分析測試中心)的大型儀器設(shè)備,借助其儀器多樣性優(yōu)勢,學(xué)科組進(jìn)行了高效液相色譜實(shí)驗(yàn)課程的改革與探索。采用理論教學(xué)、仿真實(shí)訓(xùn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密結(jié)合的三位一體教學(xué)法、對比教學(xué)法及小組教學(xué)法,引導(dǎo)學(xué)生掌握原理及操作,提高學(xué)生利用相關(guān)儀器及理論進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)和科學(xué)研究的自主創(chuàng)新能力,同時(shí)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(nèi)外公開發(fā)行的綜合性化工科技刊物，國內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)CN44-1228/TQ，國際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)ISSN1001-9677,半月刊，每月10號(hào)和25號(hào)出版，國內(nèi)外公開發(fā)行。本刊曾先后獲得廣東省、廣州市科技情報(bào)成果獎(jiǎng)，分別榮獲廣州市優(yōu)秀期刊稱號(hào)、廣東省優(yōu)秀期刊稱號(hào)和全國優(yōu)秀科技期刊稱號(hào)。《廣州化工》是連續(xù)入選美國《化學(xué)文摘》重點(diǎn)期刊，是《中國期刊全文數(shù)據(jù)庫》全文收錄期刊，是《中國學(xué)術(shù)期刊綜合評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫》統(tǒng)計(jì)源刊和萬方數(shù)據(jù)(ChinaInfo)系統(tǒng)科技期刊群上網(wǎng)期刊。

　　依托甘肅省河西走廊特色資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河西學(xué)院分析測試中心)的大型儀器設(shè)備,學(xué)科組自2010年起面向化學(xué)及藥學(xué)相關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生開設(shè)了與理論教學(xué)緊密結(jié)合的高效液相色譜實(shí)踐課程。

　　1、改革背景和基礎(chǔ)條件

　　隨著社會(huì)和科技的進(jìn)步,現(xiàn)代檢測技術(shù)發(fā)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(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[1]。通過大學(xué)階段相關(guān)教學(xué),讓學(xué)生對高效液相色譜理論及操作進(jìn)行深入透徹的學(xué)習(xí),可以為學(xué)生邁入相關(guān)工作崗位或繼續(xù)深造打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[2]。但部分院校由于實(shí)驗(yàn)條件有限或教學(xué)人員存在“怕儀器被用壞”等思想,不讓學(xué)生動(dòng)手操作,對于大型儀器只是讓學(xué)生“參觀”性質(zhì)走馬觀花看一遍。“不讓學(xué)生用的儀器不是好儀器”。儀器分析理論知識(shí)本身比較抽象,加之實(shí)際操作的缺乏必將導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下,對知識(shí)理解不深入,導(dǎo)致學(xué)生的記憶不牢固,實(shí)踐應(yīng)用能力缺乏等問題。

　　高等學(xué)校的分析測試中心擁有得天獨(dú)厚的儀器分析教學(xué)條件:首先,分析測試中心一般擁有良好的儀器設(shè)備條件,同一類型儀器由于日常檢測內(nèi)容不同可能配備有一系列不同的檢測配件,有助于學(xué)生開闊視野,進(jìn)行對比學(xué)習(xí);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(wù)的同時(shí),還會(huì)承接社會(huì)上事業(yè)單位或企業(yè)的各種檢測服務(wù),是搭建高校產(chǎn)學(xué)研平臺(tái)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(wù),可能普遍存在設(shè)備使用率不高的問題。故在此背景下,本學(xué)科組依托河西學(xué)院分析測試中心進(jìn)行相關(guān)教學(xué)改革與實(shí)踐,具有非常重要的實(shí)踐意義。

　　甘肅省河西走廊特色資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河西學(xué)院分析測試中心)現(xiàn)有2臺(tái)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(shí)間質(zhì)譜檢測器(Time-of-flightmassspectrometrydetector,TOFMSD);1臺(tái)LC-20A型高效液相色譜儀,配備蒸發(fā)光散射檢測器(Evaporatinglightscatteringdetector,ELSD);1臺(tái)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(tái)ICS-1600型離子色譜儀,配備電導(dǎo)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(shí)踐

　　2.1 課堂理論教學(xué)、仿真實(shí)訓(xùn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)三位一體,相互印證、強(qiáng)化

　　高效液相色譜課程教學(xué)包括課堂理論教學(xué)、仿真實(shí)訓(xùn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)三個(gè)組成部分。學(xué)科組和東方仿真軟件公司合作,共同開發(fā)了與測試中心現(xiàn)有儀器相匹配的儀器分析仿真實(shí)訓(xùn)軟件。該軟件包括儀器介紹、場景動(dòng)畫、模擬操作、考核測評(píng)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(nèi)部構(gòu)造,如往復(fù)式柱塞泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、單向閥工作原理、六通進(jìn)樣閥工作原理等;場景動(dòng)畫模塊包含了教師錄制的溶劑過濾和脫氣操作、液相進(jìn)樣針的使用等操作的小視頻;根據(jù)實(shí)際操作設(shè)計(jì)了模擬操作環(huán)節(jié),學(xué)生可模擬進(jìn)行硬件和軟件的相關(guān)操作;最后系統(tǒng)可對學(xué)生仿真操作的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行考核測評(píng),給出考核分?jǐn)?shù)。多媒體仿真技術(shù)可以利用圖片、場景、視頻等元素構(gòu)造一個(gè)可感受的場景[3],當(dāng)教學(xué)資源相對匱乏時(shí)可讓學(xué)生模擬感受真實(shí)的操作環(huán)境,而當(dāng)實(shí)際操作條件滿足時(shí),可通過仿真訓(xùn)練讓學(xué)生觀察到儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)等在真實(shí)教學(xué)中無法觸及的部分。高效液相色譜課程,課堂理論教學(xué)占4學(xué)時(shí),仿真實(shí)訓(xùn)占2學(xué)時(shí),實(shí)驗(yàn)教學(xué)占5學(xué)時(shí),仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)課之前,課堂理論教學(xué)設(shè)計(jì)在仿真實(shí)訓(xùn)之前,三位一體,理論與應(yīng)用相互印證、強(qiáng)化,讓學(xué)生對高效液相色譜儀的原理、儀器結(jié)構(gòu)、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(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)

　　借助分析測試中心良好的設(shè)備條件,通過多層面比較法進(jìn)行細(xì)節(jié)教學(xué)。

　　2.2.1 比較高效液相色譜和氣相色譜的異同點(diǎn)

　　高效液相色譜法是在傳統(tǒng)的液相色譜基礎(chǔ)上,引入氣相色譜的理論和技術(shù),采用高壓泵、高效固定相和高靈敏度檢測器發(fā)展而來的。高效液相色譜和氣相色譜同屬色譜法,均由流動(dòng)相和固定相組成;不同之處在于氣相色譜流動(dòng)相為氣體,只能用于分離熱穩(wěn)定、易揮發(fā)、低沸點(diǎn)的化合物,而高效液相色譜的流動(dòng)相為液體,其應(yīng)用范圍非常廣泛,適用于高沸點(diǎn)、難揮發(fā)和熱不穩(wěn)定的化合物、離子型化合物、高聚物乃至生物大分子等物質(zhì);高效液相色譜的流動(dòng)相具有運(yùn)載樣品分子和選擇性分離的雙重作用,而氣相色譜流動(dòng)相只起運(yùn)載樣品分子的作用。在實(shí)際教學(xué)過程中,氣相色譜實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在高效液相色譜實(shí)驗(yàn)之前,故在進(jìn)行高效液相色譜教學(xué)時(shí),可通過比較兩種色譜儀器的異同點(diǎn),加深學(xué)生理解和記憶,培養(yǎng)學(xué)生發(fā)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(diǎn)

　　根據(jù)現(xiàn)有條件,對比分析測試中心同個(gè)實(shí)驗(yàn)室的離子色譜儀和高效液相色譜儀,讓學(xué)生明白離子色譜儀本質(zhì)上也屬于液相色譜儀,區(qū)別在于離子色譜采用了專用的流動(dòng)相、色譜柱和檢測器,從而開闊學(xué)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(jí)管陣列檢測器(DAD/PDA)、可變波長型紫外檢測器(UV)、質(zhì)譜檢測器(MS)和蒸發(fā)光散射檢測器(ELSD)等不同檢測器的異同點(diǎn)

　　根據(jù)現(xiàn)有條件,對比分析測試中心同個(gè)實(shí)驗(yàn)室?guī)着_(tái)高效液相色譜儀所配備的幾種檢測器的性質(zhì)和應(yīng)用特點(diǎn),培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)樣品類型和測試目的進(jìn)行儀器選擇的能力[4]。

　　2.2.4 比較自動(dòng)進(jìn)樣器和手動(dòng)進(jìn)樣器的異同點(diǎn)

　　根據(jù)現(xiàn)有條件,對比分析測試中心現(xiàn)有的幾種進(jìn)樣器。目前市場上流通的進(jìn)樣器均為六通閥進(jìn)樣器,分手動(dòng)和自動(dòng)兩種。手動(dòng)進(jìn)樣器可通過手動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)樣器把手位置,使轉(zhuǎn)子和定子以不同的方式結(jié)合,以實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣器內(nèi)流路的改變,從而實(shí)現(xiàn)采樣和進(jìn)樣。自動(dòng)進(jìn)樣器則由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制進(jìn)樣閥采樣、進(jìn)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(zhuǎn)盤式、排式),然后輸入程序(如進(jìn)樣次數(shù)、分析周期等),啟動(dòng)后設(shè)備將自行進(jìn)樣。在教學(xué)過程中,主要讓學(xué)生采用手動(dòng)進(jìn)樣的方式,讓學(xué)生充分理解六通進(jìn)樣閥的工作原理。

　　2.2.5 比較四元泵和二元泵的異同點(diǎn)

　　通過對比分別配備四元泵和二元泵的兩臺(tái)高效液相色譜儀,結(jié)合仿真實(shí)訓(xùn)中關(guān)于輸液泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)的介紹,讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)四元泵和二元泵的內(nèi)在區(qū)別和聯(lián)系。二元泵一般為高壓梯度洗脫系統(tǒng),一臺(tái)泵控制一路流動(dòng)相,兩路流動(dòng)相在泵后混合,可以不配在線脫氣機(jī),梯度準(zhǔn)確度高;而四元泵在輸液泵前有低壓梯度比例閥,一臺(tái)輸液泵可以同時(shí)控制四路流動(dòng)相,流動(dòng)相在泵前進(jìn)行預(yù)混合,所以一般都需要配備在線脫氣機(jī)。

　　2.2.6 比較正相色譜和反相色譜的異同點(diǎn)

　　流動(dòng)相和色譜柱的選擇在高效液相色譜分離中起到非常關(guān)鍵的作用。如何根據(jù)現(xiàn)有樣品,選擇合適的色譜體系,是培養(yǎng)學(xué)生自主實(shí)踐能力的必備要素之一。正相色譜是指流動(dòng)相極性小于固定相極性的液相色譜系統(tǒng),其流動(dòng)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(qiáng)的化合物,一般極性小的物質(zhì)先出峰。而反相色譜是指流動(dòng)相極性大于固定相極性的液相色譜系統(tǒng),其流動(dòng)相多采用甲醇、乙腈等強(qiáng)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(zhì)先出峰。

　　2.2.7 比較水相過濾膜和有機(jī)相過濾膜的區(qū)別

　　流動(dòng)相和樣品的過濾操作是高效液相色譜實(shí)驗(yàn)過程中必須的環(huán)節(jié)之一,因此也是需要向?qū)W生說明清楚的問題。過濾膜分有機(jī)相濾膜和水相濾膜。水相過濾膜一般為纖維素類材質(zhì),有機(jī)相濾膜包括尼龍、聚醚砜、聚四氟乙烯等材質(zhì)。有機(jī)膜主要用來過濾有機(jī)相,過濾水相時(shí)可能出現(xiàn)流速低或過濾不動(dòng)的情況;水膜只能過濾水相,過濾有機(jī)相時(shí)會(huì)發(fā)生濾膜溶解的現(xiàn)象,從而污染過濾器和溶劑。而若流動(dòng)相為混合溶劑,即既有有機(jī)相又有水相時(shí),首選有機(jī)濾膜進(jìn)行過濾。

　　2.3 理論聯(lián)系實(shí)際,不讓學(xué)生困于象牙塔

　　開展了非常貼近實(shí)際的高效液相色譜實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“可樂中咖啡因含量的測定”,讓學(xué)生自選可樂進(jìn)行實(shí)驗(yàn),根據(jù)檢測結(jié)果,參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)GB2760-2014)進(jìn)行結(jié)果判定,極大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在進(jìn)行各環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)操作的同時(shí),穿插介紹所用實(shí)驗(yàn)儀器及相關(guān)耗材的價(jià)格,如高效液相色譜儀器的價(jià)格、各種過濾膜的價(jià)格、色譜柱的價(jià)格等,讓學(xué)生對高效液相色譜有更多認(rèn)知,同時(shí)也提高了學(xué)生未來適應(yīng)工作的能力。

　　2.4 小組教學(xué),強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)技能

　　根據(jù)實(shí)際情況,設(shè)7～8人一個(gè)小組,每班分多個(gè)小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。課上明確要求,從樣品處理到標(biāo)準(zhǔn)曲線制作,樣品中咖啡因含量的測定、加標(biāo)回收率的操作及計(jì)算等環(huán)節(jié),每個(gè)學(xué)生都必須參與進(jìn)來。每個(gè)學(xué)生需獨(dú)立完成1～2次標(biāo)品或樣品的手動(dòng)進(jìn)樣和數(shù)據(jù)處理。雖然標(biāo)準(zhǔn)曲線或樣品檢測數(shù)據(jù)是多名初學(xué)者共同完成,得到的數(shù)據(jù)沒有同一個(gè)人完成的好,但于教學(xué)的初衷有益。而小組教學(xué)可以增加每個(gè)學(xué)生的操作機(jī)會(huì),提高實(shí)際操作能力。

　　2.5 與分析化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)相結(jié)合,引發(fā)學(xué)生思考

　　在教學(xué)中,設(shè)置“哪些實(shí)驗(yàn)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(jié)束待測咖啡因分布在上層還是下層?”等問題,讓學(xué)生結(jié)合以往所學(xué)分析化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí),進(jìn)行獨(dú)立思考,提高解決問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生勤于思考和縝密的實(shí)驗(yàn)思維。

　　3、結(jié)語

　　作為儀器分析重要的組成部分,高效液相色譜是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想相對保守,實(shí)驗(yàn)手段落后,儀器設(shè)備欠缺,不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力,也不利于廣大教師的教學(xué)熱情。高效液相色譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的改革,必須從課程設(shè)置、教學(xué)要求、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教師隊(duì)伍等全方位地進(jìn)行配套改革[5,6]。分析測試中心在儀器設(shè)備條件上具有顯著優(yōu)勢,在高等院校分析測試中心進(jìn)行以高效液相色譜為代表的儀器分析實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革和探索,充分發(fā)揮其資源優(yōu)勢,對于提升應(yīng)用型高校人才培養(yǎng)質(zhì)量,進(jìn)一步搭建高校產(chǎn)學(xué)研平臺(tái),體現(xiàn)辦學(xué)特色,具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

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