儀器分析實驗—氣相色譜課程教學方案改革探索

王雪 唐鋮

[摘 要] 儀器分析實驗是藥學相關專業(yè)的基礎必修課程，氣相色譜是儀器分析中大型精密儀器的重要組成部分，廣泛應用于醫(yī)藥化工的各個領域。通過改革和完善氣相色譜的實驗教學，達到醫(yī)學院校培養(yǎng)實驗性人才的目的。從儀器分析課程——氣相色譜實驗的現(xiàn)狀和存在的弊端出發(fā)，對實驗教學方案，包括實驗用化合物和實驗設計進行了改革和實踐。此項教學改革案例加深了學生的色譜理論知識，有效地提高了教學質量和學生的實踐能力、分析解決問題能力和創(chuàng)新能力，進一步提升學生的就業(yè)競爭力。

[關鍵詞] 實驗教學改革;儀器分析;氣相色譜

[基金項目] 2018年度天津市自然科學基金“基于新型細胞膜磁性微球技術的四逆湯配伍機制研究”（18JCYBJC95100）

[作者簡介] 王 雪（1986—），女，山西孝義人，博士，天津醫(yī)科大學藥學院實驗中心實驗師，主要從事儀器分析教學與科研、實驗室管理研究;唐 鋮（1980—），男，天津人，博士，天津醫(yī)科大學藥學院實驗中心副教授（通信作者），主要從事中藥藥效物質研究。

[中圖分類號] O632 ? [文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2021）29-0061-04 ? [收稿日期] 2021-04-02

儀器分析是化學學科的一個重要分支[1]，是

采用比較復雜或者特殊的儀器設備，通過檢測物質的某些物理或者物理化學性質的參數(shù)及其變化來獲取物質的化學組成，成分含量及化學結構等信息的一類方法[2]，是藥學、檢驗等相關專業(yè)本科實驗教學的一個重要課程。氣相色譜是儀器分析分類中的重要部分。氣相色譜的概念在1952年由James和Martin首次提出[3]，同時發(fā)明了首臺氣相色譜儀，用于檢測脂肪酸的分離。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，氣相色譜廣泛應用于石油化工領域[4，5]，食品分析[6，7]，環(huán)境質量檢測[8，9]，醫(yī)藥工業(yè)[ 10，11 ]，考古發(fā)掘[ 12，13 ]等各個領域。

氣相色譜的發(fā)展在色譜領域可謂獨領風騷，目前在天津醫(yī)科大學藥學院和檢驗學院四個專業(yè)（藥學、藥物制劑、臨床藥學、檢驗）的本科實驗教學中，設置了《苯和甲苯的氣相色譜分離和甲苯含量測定》的實驗，實驗目的是讓學生了解氣相色譜儀的工作原理、儀器組成和使用方法;掌握氣相色譜法的定性方法和內標法定量的方法。作為一項重要的儀器分析手段，在實際教學中，由于主客觀條件的限制[ 14 ]，存在著實驗用化合物毒性較大，課時短，以演示實驗為主，實驗設計單一，結果分析偏向理論等問題。因此，考慮到提高教學質量，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識，增強實踐操作能力，引導學生在實驗中發(fā)現(xiàn)問題解決問題，我們對氣相色譜課程安排及教學進行了改革。

一、目前實驗教學存在的問題及改革對策

（一）實驗用化合物調整

氣相色譜主要用于檢測極性較小的一類化合物，在各學校教學中使用的常為苯系化合物苯和二甲苯的分離分析，這一類化合物被稱為“芳香殺手”，對人類具有強致癌性[1]。同時，實驗室存在通風設備老化等問題，因此，出于對學生以及實驗教師自身健康的考慮，結合氣相色譜在職業(yè)病檢測[ 15] 和法醫(yī)檢測[ 16 ]方面的應用，我們將分析物進行了調整，進行醇類化合物（甲醇、乙醇）的分離分析。樣品采用大鼠酒精灌胃后眼球取血，進一步通過血液樣品處理獲得[ 17 ]。這一改革豐富了學生對生物樣品前處理的直觀認識，初步在氣相色譜實驗中引入與藥理學的學科交叉，增強學生對藥學院課程的融會貫通。

（二）實驗設計調整

由于只有3學時的課程安排，且受到儀器分析中儀器設備臺數(shù)（只有1臺）的局限，我們進行了實驗調整，將儀器的利用價值最大化。

第一，讓學生充分了解儀器構造。在實驗演示過程中將儀器配件，包括進樣系統(tǒng)的進樣隔墊、玻璃襯管、密封圈、分離用毛細管柱、頂空進樣的設備等進行展示，讓學生近距離接觸儀器，克服對精密儀器的恐懼心理，建立貴重儀器敢動手的信心。

第二，進樣方式。在傳統(tǒng)手動進樣的基礎上增加頂空進樣，既保證學生有動手操作的機會和對氣相色譜進樣“三快”（插入速度、停留時間、拔出速度）[ 18 ]的理解，又讓學生對氣相色譜頂空進樣這種進樣方式有更深入的認識。同時，手動進樣時采用內標一點法進行定量，頂空進樣采用標準曲線法定量，此舉可以引導學生對后續(xù)譜圖由于進樣方式不同引起的差異進行分析，理解由于定量方式不同造成的計算結果的差異。如圖1a、圖1b所示，手動進樣時，學生往往由于缺乏實踐經(jīng)驗和部分學生有緊張的情況，存在進樣針沒有扎到底，“三快”中出現(xiàn)停留，而導致峰形出現(xiàn)拖尾分叉等現(xiàn)象。自動頂空進樣（如圖1c）往往可以達到較好的效果。

第三，色譜條件的改變。主要是程序升溫條件的微調，激發(fā)學生對溫度影響保留時間的思考，體會程序升溫在氣相色譜分析法當中的重要性。如圖2所示，100℃開始的程序升溫沒有達到分離效果，40℃保持5分鐘后以5℃/分鐘速率升溫的程序使得甲醇和乙醇的分離得到明顯改善。這主要是由于100℃時溫度遠高于待分析化合物的沸點，使得其在毛細管柱中完全沒有保留。

（三）注意事項

使用氣相色譜儀時，開機務必注意先打開載氣至需要的壓力，然后再打開儀器主機，即開機先通載氣再通電，關機先斷電再斷氣，以免造成熱導檢測器熱敏元件等的損傷。手動進樣時，強調進樣速度的“三快”，以防色譜峰的變形。由于進樣時樣品量極微量，只有2μl，因此使用微量注射器時強調排氣泡的方法與手法，一定要謹防氣泡沒有排干凈。使用頂空進樣器進樣時，壓密封蓋的角度、力量也要著重演示，以免造成定量分析的誤差。此外，對于色譜柱的切割、安裝、更換、老化，均對照實物進行演示，加強學生在今后的科研及工作中使用氣相色譜儀的動手能力和分析問題解決問題的能力。