馮勇，陳華軍，王勇，趙莉，王佳偉，尹國杰

（洛陽理工學(xué)院環(huán)境工程與化學(xué)學(xué)院，河南 洛陽 471023）

隨著分析儀器的不斷發(fā)展及各種分析儀器的聯(lián)用，儀器分析方法的靈敏度及應(yīng)用范圍得到很大提升，許多國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和科學(xué)前沿分析方法的建立均有儀器分析方法的涉及，因此分析檢測方法的效率及準(zhǔn)確度、精密度不斷得到提高[1]。但鑒于大型儀器價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用過程中對(duì)操作人員素質(zhì)水平、熟練程度要求較高，因此培養(yǎng)具有高水平儀器分析技能的人才很有必要。

氣相色譜儀自問世以來，由于其快速、高效、靈敏等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測、食品分析、石油化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用且不斷發(fā)展完善[2]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力、分析解決問題能力及科研能力的重要環(huán)節(jié)，不僅可以幫助學(xué)生加深對(duì)儀器分析方法理論知識(shí)的理解和掌握，鞏固課堂教學(xué)效果，而且有利于學(xué)生創(chuàng)新性、綜合性思維及科研思維的創(chuàng)建，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)作風(fēng)，提高學(xué)生工程實(shí)踐能力、提出和解決問題的能力，而良好的科學(xué)實(shí)驗(yàn)作風(fēng)，獨(dú)立開展工作的能力將會(huì)對(duì)學(xué)生的未來發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[3-4]。作為一門培養(yǎng)具有現(xiàn)代化分析技術(shù)高水平應(yīng)用型人才的課程，如何構(gòu)建適應(yīng)當(dāng)前形勢的儀器分析實(shí)驗(yàn)課程體系，提高學(xué)生綜合實(shí)踐能力，拓寬學(xué)生知識(shí)面，使學(xué)生更好地將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問題的解決中，“儀器分析實(shí)驗(yàn)”教學(xué)的改革與探索一直是各高校相關(guān)從業(yè)者的熱點(diǎn)研究課題[5-6]。

本文以“氣相色譜實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中的改革與探索為例，在實(shí)驗(yàn)中著重考查不同色譜柱溫度、不同線速度及分流比等條件對(duì)目標(biāo)物分離結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)過程中由學(xué)生自主選擇實(shí)驗(yàn)參數(shù)，轉(zhuǎn)變以往教學(xué)的單一性及學(xué)生被動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生對(duì)未知事物的探索，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性[5]。通過實(shí)驗(yàn)的實(shí)施加深學(xué)生對(duì)氣相色譜儀構(gòu)成、原理及應(yīng)用的了解和認(rèn)識(shí)，課后根據(jù)不同條件下所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)氣相色譜儀理論及應(yīng)用的掌握，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力、分析解決問題能力、科研能力及綜合性實(shí)驗(yàn)思維，以滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才的需求[7-8]。

1 “儀器分析實(shí)驗(yàn)”教學(xué)現(xiàn)狀

“儀器分析實(shí)驗(yàn)”課程是我校應(yīng)用化學(xué)、環(huán)境工程、資源循環(huán)科學(xué)與工程等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，涉及色譜分析、光譜分析和電化學(xué)分析三個(gè)方面的共計(jì)8個(gè)實(shí)驗(yàn)，24個(gè)學(xué)時(shí)，如表1所示。主要教學(xué)目標(biāo)包括：①能夠熟悉光學(xué)、電化學(xué)、色譜等常見儀器分析方法的基本原理與基礎(chǔ)操作，掌握典型定性、定量分析方法；②能夠運(yùn)用紅外光譜儀、紫外可見分光光度計(jì)、高效液相色譜儀、氣相色譜儀等儀器分析方法與技術(shù)，進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等分析；③了解常見分析儀器的技術(shù)特點(diǎn)、適用對(duì)象與應(yīng)用范圍，能夠?qū)μ囟▎栴}進(jìn)行方案和方法設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍存在儀器設(shè)施不足，課時(shí)數(shù)少，教學(xué)方法單一等問題，一般采用多人一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)于大型分析儀器，讓每個(gè)學(xué)生自己動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)還是有困難的，大多安排一些演示實(shí)驗(yàn)，對(duì)儀器的組成、原理及應(yīng)用做必要的介紹，導(dǎo)致學(xué)生走馬觀花，缺乏動(dòng)手操作機(jī)會(huì)，實(shí)驗(yàn)參與度低，使學(xué)生對(duì)氣相色譜儀構(gòu)造及原理、操作方法、數(shù)據(jù)處理、日常維護(hù)和應(yīng)用領(lǐng)域等基本知識(shí)掌握不夠牢固，對(duì)氣相色譜分析法了解不夠深入，教學(xué)效果不佳，難以實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的教學(xué)目標(biāo)[9-10]。學(xué)生畢業(yè)后難以快速勝任相關(guān)工作，給用人單位帶來更多的成本付出。

表1 “儀器分析實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目及課時(shí)安排Table.1 The project and teaching arrangement of instrument analysis experiment

2 “氣相色譜實(shí)驗(yàn)”教學(xué)改革探索

2.1 課前預(yù)習(xí)

通過理論課的教學(xué)，學(xué)生只能夠達(dá)到對(duì)氣相色譜分析基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)，實(shí)驗(yàn)課的開展能夠使學(xué)生更加直觀地認(rèn)識(shí)和了解氣相色譜儀的構(gòu)成及應(yīng)用。課前要求學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、獨(dú)立思考能力的培養(yǎng)。具體內(nèi)容包括氣相色譜儀的構(gòu)成及流程（如圖1所示）、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)處理等，掌握進(jìn)樣口溫度、檢測器溫度、色譜柱溫度、線速度及分流比等實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選擇及其對(duì)色譜分離效果的影響。了解氣相色譜分析常用色譜柱種類、檢測器種類及其應(yīng)用條件。實(shí)驗(yàn)前全面了解實(shí)驗(yàn)基本內(nèi)容，做好充分的準(zhǔn)備才能在實(shí)驗(yàn)中得心應(yīng)手，游刃有余。

圖1 氣相色譜儀構(gòu)成及流程Fig.1 The components and process of gas chromatograph

2.2 教學(xué)實(shí)施

上課初期結(jié)合提問式、案例式等多種教學(xué)方式，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)及掌握情況進(jìn)行考查，如氣相色譜儀的基本構(gòu)成主要包括氣路系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，常用檢測器種類包括氫火焰離子化檢測器、熱導(dǎo)檢測器、電子捕獲檢測器、氮磷檢測器和火焰光度檢測器等，程序升溫定義為在一個(gè)分析周期內(nèi)柱溫隨時(shí)間由低溫向高溫作線性或非線性變化，分離度的計(jì)算方法等。結(jié)合實(shí)物為學(xué)生講述氣相色譜儀的具體組成部分及應(yīng)用、常用色譜柱種類有毛細(xì)管色譜柱、填充柱等，及不同色譜柱性能參數(shù)的讀取，使學(xué)生能夠有一個(gè)更加直觀和深刻的認(rèn)識(shí)。針對(duì)不同專業(yè)的學(xué)生及教學(xué)目標(biāo)，擴(kuò)充氣相色譜分析在該專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用及科學(xué)前沿新方法，豐富教學(xué)內(nèi)容，拓展學(xué)生學(xué)習(xí)思路，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和科研興趣。然后分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組可根據(jù)實(shí)際情況自由選擇不同的參數(shù)設(shè)定（柱溫：85℃、80℃、75℃、70℃；線速度：10 cm/sec、13 cm/sec、15 cm/sec、18 cm/sec；分流比：35∶1，30∶1，25∶1，20∶1）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，積極思考，善于發(fā)現(xiàn)和解決實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題，養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。待實(shí)驗(yàn)結(jié)束，向?qū)W生展示色譜圖的常規(guī)處理及origin作圖方法等，最后強(qiáng)調(diào)開、關(guān)機(jī)及日常維護(hù)要?jiǎng)t、注意事項(xiàng)等。充分發(fā)揮學(xué)生在教學(xué)過程中的主導(dǎo)地位，提升學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的參與度和實(shí)驗(yàn)積極性，營造和諧的學(xué)習(xí)氛圍。

2.3 數(shù)據(jù)處理

課后各組共享實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按要求撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包括實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)方法和原理、實(shí)驗(yàn)儀器類型與型號(hào)、主要實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、結(jié)果、討論等。重點(diǎn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合分析討論不同的實(shí)驗(yàn)條件對(duì)色譜分離情況的影響，進(jìn)而對(duì)氣相色譜方法開發(fā)中實(shí)驗(yàn)條件的選擇做出科學(xué)的評(píng)價(jià)。這樣做，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作、溝通能力，而且學(xué)生通過實(shí)踐應(yīng)用、自主分析與主動(dòng)思考，可以更好地掌握色譜條件優(yōu)化的原則和方法，增強(qiáng)獨(dú)立操作氣相色譜儀的能力，提升分析解決問題的能力，為以后學(xué)習(xí)、工作中氣相色譜分析方法的開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)[11-12]。

3 結(jié)果分析

3.1 色譜柱溫度對(duì)分離度的影響

在固定其他色譜條件不變的情況下，考查色譜柱溫度對(duì)分離度及保留時(shí)間的影響，結(jié)果如圖2所示，其中（a）（b）（c）（d）分別為85℃、80℃、75℃、70℃色譜柱溫度下所得戊醇、己醇的氣相色譜圖。由圖2可得，隨著色譜柱溫度的不斷降低，樣品保留時(shí)間及分離度均逐漸增大。

圖2 不同色譜柱溫度下所得戊醇、己醇色譜圖Fig.2 Chromatograms of pentanol and hexanol obtained at different column temperature

3.2 線速度對(duì)分離度的影響

在固定其他色譜條件不變的情況下，考查線速度對(duì)分離度及保留時(shí)間的影響，結(jié)果見圖3，其中（a）（b）（c）（d）分別為10 cm/sec、13 cm/sec、15 cm/sec、18 cm/sec線速度下所得戊醇、己醇的氣相色譜圖。由圖3可知，隨著線速度的不斷增加，樣品保留時(shí)間及分離度均逐漸減小。

圖3 不同線速度下所得戊醇、己醇色譜圖Fig.3 Chromatograms of pentanol and hexanol obtained at different linear speed

3.3 分流比對(duì)分離度的影響

在固定其他色譜條件不變的情況下，考查分流比對(duì)分離度及保留時(shí)間的影響，結(jié)果如圖4所示，其中（a）（b）（c）（d）分別為35∶1，30∶1，25∶1，20∶1分流比下所得戊醇、己醇的氣相色譜圖。由圖4可知，隨著分流比的不斷減小，樣品保留時(shí)間及分離度均無明顯變化。

圖4 不同分流比下所得戊醇、己醇色譜圖Fig.4 Chromatograms of pentanol and hexanol obtained at different split ratio

綜上分析，分離度、保留時(shí)間均隨著色譜柱溫度及線速度的增加而逐漸減小，而分流比的改變對(duì)分離度及保留時(shí)間無明顯影響。此外，鼓勵(lì)學(xué)生積極探索和發(fā)現(xiàn)，分析討論色譜條件的改變對(duì)色譜峰峰形、峰面積等結(jié)果的影響。通過此實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，使學(xué)生們切身體會(huì)色譜條件的改變對(duì)樣品分離度及保留時(shí)間的影響規(guī)律，從而加深對(duì)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)、規(guī)范操作的精神和意識(shí)，為以后氣相色譜分析方法開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，掌握如何有針對(duì)性地優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的快速、高效分離分析。

4 結(jié)束語

基于學(xué)生自主選擇不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)的氣相色譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性，而且有利于學(xué)生分析解決問題能力及科研思維的提升，改善教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，培養(yǎng)滿足社會(huì)發(fā)展需求的高水平應(yīng)用型人才。