高校分析測(cè)試中心液相色譜課程的改革與探索*

衛(wèi)陽(yáng)飛，宋 海，任雪峰，岳國(guó)仁

(1 河西學(xué)院甘肅省河西走廊特色資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 張掖 734000；2 河西學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，甘肅 張掖 734000)

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(cè)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(kāi)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(cè)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(zhǎng)。作為一種越來(lái)越常見(jiàn)的分析檢測(cè)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(guò)大學(xué)階段相關(guān)教學(xué)，讓學(xué)生對(duì)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(duì)于大型儀器只是讓學(xué)生“參觀”性質(zhì)走馬觀花看一遍?！安蛔寣W(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(duì)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(wèn)題。

高等學(xué)校的分析測(cè)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(cè)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(cè)內(nèi)容不同可能配備有一系列不同的檢測(cè)配件，有助于學(xué)生開(kāi)闊視野，進(jìn)行對(duì)比學(xué)習(xí)；第二，高校的分析測(cè)試中心在為本校師生提供分析測(cè)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(cè)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(cè)試中心的大型儀器如果單純用于分析測(cè)試服務(wù)，可能普遍存在設(shè)備使用率不高的問(wèn)題。故在此背景下，本學(xué)科組依托河西學(xué)院分析測(cè)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(cè)試中心)現(xiàn)有2臺(tái)Agilent 1260型高效液相色譜儀，分別配備二極管陣列檢測(cè)器(Diode array detector，DAD)和飛行時(shí)間質(zhì)譜檢測(cè)器(Time-of-flight mass spectrometry detector，TOF MSD)；1臺(tái)LC-20A型高效液相色譜儀，配備蒸發(fā)光散射檢測(cè)器(Evaporating light scattering detector，ELSD)；1臺(tái)LC-10Avp型高效液相色譜儀，配備二極管陣列檢測(cè)器(Photo-diode array，PDA)；1臺(tái)ICS-1600型離子色譜儀，配備電導(dǎo)檢測(cè)器(Electrolytic conductivity detector，ELCD)，具備課程開(kāi)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(kāi)發(fā)了與測(cè)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(chǎng)景動(dòng)畫、模擬操作、考核測(cè)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(chǎng)景動(dòng)畫模塊包含了教師錄制的溶劑過(guò)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(duì)學(xué)生仿真操作的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行考核測(cè)評(píng)，給出考核分?jǐn)?shù)。多媒體仿真技術(shù)可以利用圖片、場(chǎng)景、視頻等元素構(gòu)造一個(gè)可感受的場(chǎng)景[3]，當(dāng)教學(xué)資源相對(duì)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(guò)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(wú)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(duì)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(duì)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(cè)試中心良好的設(shè)備條件，通過(guò)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(cè)器發(fā)展而來(lái)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(guò)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(guò)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(duì)比分析測(cè)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(cè)器，從而開(kāi)闊學(xué)生視野，加深其對(duì)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(cè)器(DAD/PDA)、可變波長(zhǎng)型紫外檢測(cè)器(UV)、質(zhì)譜檢測(cè)器(MS)和蒸發(fā)光散射檢測(cè)器(ELSD)等不同檢測(cè)器的異同點(diǎn)

根據(jù)現(xiàn)有條件，對(duì)比分析測(cè)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(cè)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(cè)試目的進(jìn)行儀器選擇的能力[4]。

表1 各種液相色譜檢測(cè)器的性質(zhì)及應(yīng)用特點(diǎn)

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(duì)比分析測(cè)試中心現(xiàn)有的幾種進(jìn)樣器。目前市場(chǎng)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(guò)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(guò)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(guò)對(duì)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(guò)濾膜和有機(jī)相過(guò)濾膜的區(qū)別

流動(dòng)相和樣品的過(guò)濾操作是高效液相色譜實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必須的環(huán)節(jié)之一，因此也是需要向?qū)W生說(shuō)明清楚的問(wèn)題。過(guò)濾膜分有機(jī)相濾膜和水相濾膜。水相過(guò)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(lái)過(guò)濾有機(jī)相，過(guò)濾水相時(shí)可能出現(xiàn)流速低或過(guò)濾不動(dòng)的情況；水膜只能過(guò)濾水相，過(guò)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(guò)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(guò)濾。

2.3 理論聯(lián)系實(shí)際，不讓學(xué)生困于象牙塔

開(kāi)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(lè)中咖啡因含量的測(cè)定”，讓學(xué)生自選可樂(lè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)檢測(cè)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(guò)濾膜的價(jià)格、色譜柱的價(jià)格等，讓學(xué)生對(duì)高效液相色譜有更多認(rèn)知，同時(shí)也提高了學(xué)生未來(lái)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(cè)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(lái)。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(cè)數(shù)據(jù)是多名初學(xué)者共同完成，得到的數(shù)據(jù)沒(méi)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(guò)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(rùn)洗？”“萃取結(jié)束待測(cè)咖啡因分布在上層還是下層？”等問(wèn)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(wèn)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(yǔ)

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(duì)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(cè)試中心在儀器設(shè)備條件上具有顯著優(yōu)勢(shì)，在高等院校分析測(cè)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(shì)，對(duì)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。