高效液相色譜儀在本科化學實驗教學中的信息化應用

苗芳芳

（北京農學院 生物與資源環境學院，北京 102206）

隨著社會和科技的進步及教育現代化的快速發展，教學規模不斷擴大，高校辦學條件得到明顯改善，現代化的教學儀器不斷更新。高校結合信息化平臺，紛紛購置了紫外分光光度儀、高效液相色譜儀、質譜儀等多種分析檢測儀器，以保障辦學質量[1]。目前，高效液相色譜儀憑借專業的檢測方法，可快速獲得分析檢測結果，在食品、藥物、醫學、化工等領域得到廣泛的應用。高效液相色譜儀作為重要的分析化學儀器，在創新型人才培養方面可以極大地滿足教學需求和人才培養需要。但由于實驗條件有限、實驗指導人員無法與本科教學緊密對接以及學生的使用率較低等，學生對高效液相色譜儀的了解和認知局限于課堂，不能熟練掌握高效液相色譜儀的基本操作，難以解決實際化學分析問題，加上儀器分析化學的理論知識比較抽象，最終會導致學生的學習興趣及學習效率下降。信息化發展與實體教學的快速接軌，可將高效液相色譜儀的實際操作設置為仿真教學，還可與視頻網絡教學、動畫操作等有機結合，幫助學生快速掌握高效液相色譜儀的操作步驟，并及時上機演練。本科生普遍缺少接觸、操作相應實驗設備的機會，高效液相色譜儀的仿真軟件可以讓學生隨時隨地練習各個操作步驟，最終熟練掌握高效液相色譜儀的基本操作技能[2-3]。通過介紹高效液相色譜儀的組成及各部件工作原理、開展實驗、完成實驗報告、觀看各部件運行的動畫模擬及實地參觀各實驗室等教學過程，學生不僅掌握了高效液相色譜儀的基本原理及操作，也激發和提高了學習興趣，增進了對先進儀器、技術和知識的了解，提高了儀器分析化學實驗的教學質量。

1 高效液相色譜儀的應用

1.1 高效液相色譜儀簡介

高效液相色譜又稱“高壓液相色譜”“高速液相色譜”“高分離度液相色譜”“近代柱色譜”等。高效液相色譜儀是色譜法的一個重要應用，主要用于分析檢測沸點較高且不易揮發、穩定性好和分子質量較大的有機化合物，由儲液器、進樣器、色譜柱、泵、檢測器、記錄面板等部分組成。高效液相色譜儀以流動相為載體，由色譜柱實現成分分離，再由檢測器進行樣品分析。在高校儀器分析教學及科研檢測方面，高效液相色譜儀是不可或缺的儀器設備。大型分析儀器設備作為高校科研能力的支柱，不僅可以培養學生的實踐創新能力，還可以促進實驗室設備改造及本科實驗教學。在本科教學推行方面，各大高校的教學職能部門認真貫徹教育部關于本科人才的培養計劃，切實加強學生科研創新及實踐能力的培養。

1.2 高效液相色譜儀在課程建設中的價值

高效液相色譜儀作為一種先進的分析儀器，不僅可以應用在“化學工程”“物理化學”“分析化學”等基礎課程教學中，還可以應用在土木工程、交通運輸等理工科專業課程教學中，被廣泛應用于測控等，可以快速準確地對土壤巖石成分、環境指標、材料成分、化學成分進行檢測和分析，極大地豐富了本科教學內容，提高了專業教學質量。同時，該大型儀器分析具有多學科交叉、發展性、開拓性等特點，極大地提高了學生的實踐操作和創新能力，這與高等院校培養高素質應用型人才的目標一致。此外，高效液相色譜儀在實驗教學中也起到了提高實驗教學質量和培養學生能力的重要作用。與其他傳統分析儀器相比，高效液相色譜儀具有精度高、分辨率高和靈敏度高的優點，可以與紫外檢測儀、紅外光譜儀、質譜儀等結合，大大拓寬了應用范圍，成為實驗教學中不可缺少的重要儀器。在傳統的實驗教學模式下，教師和學生經常使用基本儀器進行教與學，實驗類型多為演示型和驗證型。學生只需要根據實驗講義完成實驗，缺乏創新和獨立思考。高效液相色譜儀在實驗教學中的應用將改變這種情況，可以培養學生數學、物理、化學、計算機等學科的綜合能力，學生可以在教師的指導下自行設計實驗來解決相關問題，完成實驗設計和操作，通過驗證和分析得出結果，成為創新應用型人才。

1.3 高效液相色譜儀在化學中的應用價值

化學作為一門以實驗操作為基礎的學科，先進儀器的應用和實踐內容的增加將極大地提高學生對專業學習的興趣，加深學生對化學專業的了解，為本科人才培養奠定良好的基礎。高效液相色譜儀的使用與教學推廣可以滿足本科生、研究生的教學和科研要求，不僅是一種教學工具、實驗儀器，更是培養具備綜合知識和創新能力人才的載體。隨著現代檢測設備和檢測技術的發展，高效液相色譜技術迅速發展，已被廣泛應用于工業廢水檢測、地表水和地下水中重金屬和有機污染物的檢測，展現了較高的工作效率和精度。

2 理論聯系實際，加強儀器實踐操作能力

化學實驗是理論聯系實際的操作科學，與大學畢業生滿足社會需求、實現對口就業有必然的內在聯系。高效液相色譜儀的實踐操作可以使學生處于教學的主體地位，以最有效的方式迅速掌握基礎理論知識與實踐操作技能。學習內容與實際應用的聯系可以激發學生學習大型儀器操作技能的興趣，使其學有所獲并產生深入探索的興趣。在有機化學“茶葉中咖啡因含量的提取和測定”實驗中，可以讓學生根據不同的茶葉選擇實驗，操作高效液相色譜儀，并針對各個操作模塊重點介紹其使用規范及色譜柱的原理等，讓學生對高效液相色譜有更多的認識，提高學生未來適應工作的能力。例如學生在進行農藥殘留檢測前，需要掌握色譜檢測儀器的預備工作，熟悉液相色譜的各個模塊，包括檢測器、功能模塊、軟硬件的開機順序，學會配制標準溶液、待測樣品溶液、流動相等；還要求對混合流動相中的有機溶液和水溶液的比例進行設置，預先進行過濾和脫氣泡等關鍵細節操作，沖刷整個流動相系統，待基線穩定后再開始測定。在測定過程中，學生要根據峰面積選取測定波長和流速，并利用色譜工作站對實驗結果進行處理。通過實驗，學生初步了解了高效液相色譜儀器的操作，培養了動手實驗能力和初步科研能力。

3 本科化學實驗中高效液相色譜儀的教學內容

在本科教學中，學生需要了解液相色譜法的優點及適用范圍；理解常用檢測儀器的原理、優缺點及適用范圍；理解高效液相色譜法的主要類型及分離原理（液-固色譜、液-液色譜、反相色譜、離子對色譜、離子交換色譜、尺寸排阻色譜和主要固定相）；理解液相色譜儀的類型及設備特點、影響色譜峰擴展及色譜分離的因素（渦流擴散、縱向擴散、傳質阻力、柱外效應）；掌握液相色譜法流動相的要求和選擇方法；掌握高效液相色譜儀的構造（高壓泵、梯度洗脫裝置、進樣裝置、色譜柱、檢測器）和應用。基于儀器分析化學基礎知識，引導學生培養獨立解決問題的能力和縝密的思維。

4 依托仿真信息化教學，提升高效液相色譜儀的使用率

高效液相色譜儀的學習內容包含該儀器的相關知識及操作原理，例如有機相的配制、操作前的排氣處理、實驗方法的設計、數據處理、儀器操作等方面。仿真大型儀器的操作部分主要為高效液相色譜儀器的安全運行，操作培訓展示包括實驗室大型儀器的安全操作和安全教育，特別是儀器出現緊急狀況時的預備方案和解決措施[4]。為了讓使用者更好地操作儀器，在每一位使用者初次在線操作儀器時，都有相關視頻向其講解儀器各模塊的基本作用等相關知識，包括對儀器的保護和保養及關機、沖洗色譜柱等細節的講解，直到使用者充分了解儀器再進行仿真操作。基于以上學習，仿真實驗合格者可以申請上機操作高效液相色譜儀，同時記錄儀器的使用情況。為了更快地提升學生的學習效率，建議實行小組教學，強化操作技能。根據實際情況，設5～6人為1個小組，要求小組組長記錄小組成員的學習情況，包括儀器的操作環節及注意事項，同時明確要求學生記錄學習時間和出錯環節，匯總后由專業化學教師進行著重講解。每組學生可以在申請上機時由專業課教師帶領進行現場授課，講解出錯較多的地方，這樣既可以提升學生的學習效率，又可以實現有針對性的教學，避免學生因操作不規范而損壞儀器，極大地提高了儀器的使用效率及教學質量。小組教學還可以增加學生的操作機會，提高實際操作能力。

5 結語

高效液相色譜儀是以動手操作為基礎的實踐性大型儀器設備。作為農林高校的學生，掌握該儀器的操作主要依托儀器分析化學實驗教學的開展及科研訓練等途徑。傳統的實驗教學主要為教師講解，不利于學生實現操作與理論的結合。結合大型儀器仿真教學，在本科教學及科研方面，積極推廣高效液相色譜儀的使用和學習，必須從課程設置、大綱修訂等途徑切實加強配套教學改革。應用化學專業在培養應用型人才時，開展以高效液相色譜儀為代表的儀器分析實驗課程教學改革和探索，可以充分發揮其資源優勢，提升應用型高校人才培養質量；搭建高校產學研一體化平臺，體現信息化技術在大型儀器設備與本科教學結合中的應用，具有深遠的戰略意義。