后疫情時(shí)代氣相色譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

劉月新 鄒茜 袁園

[摘 要] 進(jìn)入后疫情時(shí)期，傳統(tǒng)高校的圍墻正在被打破。后疫情時(shí)代的教學(xué)變革，應(yīng)不斷探索線上線下融合的混合式教學(xué)實(shí)踐。儀器分析實(shí)驗(yàn)課程需要大型實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，這些實(shí)驗(yàn)器材只能在學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室使用，因而線上教育不可能完全替代線下教育。針對(duì)儀器分析實(shí)驗(yàn)課程中氣相色譜儀器分析教學(xué)特征，以甲醇、正丁醇醇系物替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中高毒性的苯、甲苯苯系物作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)本科線下教學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化，開(kāi)展對(duì)環(huán)境友好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，找到最佳實(shí)驗(yàn)條件開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，對(duì)如何更好地開(kāi)展儀器分析實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)，提高本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，推進(jìn)綠色環(huán)保、環(huán)境友好型實(shí)驗(yàn)室的建立，具有一定的借鑒意義。

[關(guān)鍵詞] 后疫情時(shí)代；氣相色譜；儀器分析；綠色化學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

[基金項(xiàng)目] 2020年度湖南省教育廳普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目（HNJG-2020-0412）

[作者簡(jiǎn)介] 劉月新（1983—），女，山東兗州人，碩士，湖南中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院/藥學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)師，主要從事中藥制劑與藥物分析研究；袁 園（1984—），女，湖南長(zhǎng)沙人，碩士，湖南中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院/藥學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)師（通信作者），主要從事中藥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] C229.29 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2022）06-0053-04 [收稿日期] 2021-06-10

2020年暴發(fā)的新型冠狀病毒肺炎疫情已成為一場(chǎng)席卷歐美、肆虐全球的醫(yī)學(xué)衛(wèi)生災(zāi)難。新冠肺炎疫情給高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了前所未有的壓力，也為我國(guó)高校開(kāi)展信息化教學(xué)按下加速鍵[1]。筆者從事色譜分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作10余年，從實(shí)驗(yàn)儀器安裝、維護(hù)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排、教學(xué)過(guò)程等方面，對(duì)氣相色譜分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)都有較為深入的研究。傳統(tǒng)的氣相色譜實(shí)驗(yàn)通常是學(xué)習(xí)分離苯、甲苯等苯系物來(lái)掌握氣相色譜的原理與操作。但苯系物有很高的毒性和致癌性，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行改進(jìn)，并摸索開(kāi)展本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)條件，以符合綠色化學(xué)的理念，建設(shè)綠色、環(huán)保、節(jié)能型實(shí)驗(yàn)室。

一、氣相色譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

（一）教學(xué)資源有限

氣相色譜儀是大型精密儀器，價(jià)格昂貴，日常的維修保養(yǎng)成本也很高，因此采購(gòu)數(shù)量少，往往多名學(xué)生共同使用一臺(tái)儀器，多數(shù)學(xué)生不能全方位地觀察教師的示范操作。由于上述現(xiàn)實(shí)情況的存在，學(xué)生很難在實(shí)際教學(xué)和實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中親自動(dòng)手操作，甚至部分學(xué)生只要抄錄同組同學(xué)的數(shù)據(jù)即可，因此教學(xué)效果難以保證，往往達(dá)不到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的預(yù)期目標(biāo)[2，3]。

（二）師生互動(dòng)性不強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高

一些學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室無(wú)從下手，教師往往又無(wú)法兼顧到所有學(xué)生的需求，實(shí)驗(yàn)課過(guò)程中學(xué)生遇到問(wèn)題不能及時(shí)有效地跟教師溝通，師生之間溝通不暢，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只是被動(dòng)跟隨教師的節(jié)奏學(xué)習(xí)，打壓了學(xué)生的熱情，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣降低[4]。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法單一

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課通常采用的教學(xué)方法是課前預(yù)習(xí)，寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)教師在課堂上講解實(shí)驗(yàn)原理，演示儀器的操作，最后學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，課后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教學(xué)方法單一。且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是重復(fù)性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生根本不需要?jiǎng)幽X筋設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，而是只要按照實(shí)驗(yàn)講義要求的步驟完成實(shí)驗(yàn)，就可以得到較好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果。除此之外，為了保護(hù)儀器不受損壞，一般不允許在實(shí)驗(yàn)中拆卸儀器，因此，學(xué)生不能直觀地理解儀器的原理，了解儀器的內(nèi)部構(gòu)造，導(dǎo)致他們對(duì)儀器的掌握程度較差，實(shí)驗(yàn)效果不好。

（四）實(shí)驗(yàn)分離對(duì)象危害性大

傳統(tǒng)氣相色譜實(shí)驗(yàn)中采用的是苯系物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，樣品具有高度易燃性，又有很高的毒性和致癌性。有關(guān)文獻(xiàn)中有對(duì)傳統(tǒng)氣相色譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的改革與創(chuàng)新[5-7]，但較少有文獻(xiàn)會(huì)針對(duì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)樣品進(jìn)行改進(jìn)和討論。遵循綠色化學(xué)的概念，結(jié)合我校實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際教學(xué)狀況，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行改進(jìn)，已實(shí)現(xiàn)綠色化實(shí)驗(yàn)室[8-10]。

二、實(shí)驗(yàn)部分

（一）實(shí)驗(yàn)試劑和儀器

1.試劑：標(biāo)準(zhǔn)品：甲醇，正丁醇；樣品：甲醇和正丁醇的混合試樣。甲醇、正丁醇均為色譜純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

2.儀器設(shè)備：SP-7890plus氣相色譜儀（氫火焰離子化檢測(cè)器FID），山東魯南瑞虹化工儀器有限公司。色譜柱：30m*0.32mm，固定相為OV-17中等極性柱（50%苯基-50%甲基聚硅氧烷）；微量進(jìn)樣器：1μL。

（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

氣相色譜實(shí)驗(yàn)課時(shí)是4個(gè)學(xué)時(shí)，以兩人為一小組，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含兩個(gè)部分：一為氣相色譜柱溫、載氣壓力的變化對(duì)色譜峰分離度的影響；二是氣相色譜定量分析方法——面積歸一化法的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)的主要目的是使學(xué)生了解氣相色譜儀的工作原理和基本構(gòu)造，掌握氣相色譜儀的基本操作方法，記錄和分析數(shù)據(jù)，分析溫度和載氣壓力對(duì)樣品分離度的影響趨勢(shì)，最終找到最佳的色譜條件，進(jìn)行氣相色譜的定量分析。我們需要得到的實(shí)驗(yàn)效果是：首先，樣品出峰是正態(tài)峰、對(duì)稱峰、無(wú)拖尾、無(wú)分叉、無(wú)倒峰；其次，樣品出峰時(shí)間要適中。因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)是以兩人為一小組，每組至少進(jìn)7次樣品，而實(shí)驗(yàn)室的氣相色譜儀臺(tái)數(shù)有限，加上教師講解、學(xué)生操作和記錄數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間，需要盡可能控制好樣品的出峰時(shí)間，否則教師無(wú)法在規(guī)定課時(shí)內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。另外，最好的實(shí)驗(yàn)效果是樣品的色譜圖在不同的色譜條件下能有比較大的差異，可以讓學(xué)生直觀感受到條件變化對(duì)氣相色譜峰分離度的影響，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)儀器的興趣，分析數(shù)據(jù)，討論原因，找到本次實(shí)驗(yàn)最佳的分離條件進(jìn)行定量分析。

1.色譜條件。載氣：高純氮?dú)猓?9.99%）；載氣壓力：0.04mpa、0.05mpa、0.06mpa；檢測(cè)器：氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）；色譜柱溫度：130℃、150℃、170℃；檢測(cè)器溫度：200℃；氣化室溫度：200℃；進(jìn)樣量：0.4μL。

2.進(jìn)樣操作。用清洗過(guò)的微量注射器吸取2倍左右進(jìn)樣量的樣品，針頭朝上推進(jìn)注射器柱塞，用濾紙吸收從針尖排出的液體，潤(rùn)洗3次以上。重新吸取樣品溶液0.4μL，左手固定注射器的針部，以維持針的形狀，防止針彎曲。右手握住注射器針管，右手用力，左手不用力，針頭垂直，待針全部插入進(jìn)樣口后，右手用力，迅速進(jìn)樣，進(jìn)樣完畢后迅速拔針。整個(gè)進(jìn)樣操作過(guò)程要求穩(wěn)定﹑動(dòng)作連貫﹑瞬間完成。

三、結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)中柱溫的選擇要求最低溫度應(yīng)高于樣品的沸點(diǎn)，從而保證所有樣品在色譜柱內(nèi)都是以氣體的形式存在并進(jìn)行分離。而最高溫度的選擇應(yīng)比檢測(cè)器溫度低20℃左右，以防止不易揮發(fā)的樣品或雜質(zhì)在檢測(cè)器中冷凝，進(jìn)而污染檢測(cè)器。本次實(shí)驗(yàn)選擇要分離的物質(zhì)是甲醇和正丁醇。甲醇的分子量最小，沸點(diǎn)最小，為64.7℃，正丁醇沸點(diǎn)為117.7℃。所以選擇120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃的柱溫分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選最佳柱溫條件。

許多學(xué)生剛剛接觸儀器分析實(shí)驗(yàn)，他們作為初學(xué)者，對(duì)于氣相色譜等儀器分析實(shí)驗(yàn)的第一印象往往是陌生而又新奇的，對(duì)本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，希望實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在不同柱溫、載氣壓力下，樣品的出峰時(shí)間、峰形均能有顯著的變化，可以給學(xué)生留下深刻的印象，使他們認(rèn)識(shí)到柱溫、載氣壓力在氣相色譜分離中的重要作用，激發(fā)學(xué)生對(duì)氣相色譜實(shí)驗(yàn)，以及整個(gè)儀器分析實(shí)驗(yàn)的興趣。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，柱溫為130℃、150℃、170℃時(shí)，最晚出峰的樣品是正丁醇，在3個(gè)溫度下的相對(duì)保留時(shí)間分別為3.6min、3.0min、2.1min。當(dāng)柱溫150℃時(shí)，甲醇和正丁醇的分離度最大，為7.65；當(dāng)柱溫170℃時(shí)甲醇和正丁醇的分離度最小，為3.82。柱溫變化的分離度和柱效見(jiàn)表1。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇載氣壓力分別為0.04mpa、0.05mpa、0.06mpa，晚出峰的物質(zhì)是正丁醇，它的相對(duì)保留時(shí)間在3個(gè)壓力下分別約為4.1min、2.5min、1.8min。壓力0.05mpa時(shí)甲醇和正丁醇的分離度最大，為7.00；壓力0.06mpa時(shí)，甲醇和正丁醇的分離度最小，為5.36。載氣流速變化的分離度和柱效見(jiàn)表2。

四、結(jié)論

儀器分析實(shí)驗(yàn)是高校分析化學(xué)課程教學(xué)的重要組成部分，它是以分析儀器為基礎(chǔ)，而氣相色譜法是具有高分離效能、高選擇性、高靈敏度和分析速度快等特點(diǎn)的現(xiàn)代儀器分離技術(shù)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥衛(wèi)生、有機(jī)合成、生理生化、食品環(huán)境等領(lǐng)域，針對(duì)本校不同專業(yè)不同層次教學(xué)對(duì)象以及教學(xué)時(shí)數(shù)不同，形成特色實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅可以加深對(duì)儀器分析理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)與理解，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，以及分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的綜合能力，為后續(xù)的實(shí)習(xí)、就業(yè)和科研訓(xùn)練打下良好的基礎(chǔ)。

綠色化學(xué)又稱環(huán)?；瘜W(xué)、清潔化學(xué)。綠色化學(xué)是指利用化學(xué)技術(shù)和方法，從而減少或消除對(duì)人類(lèi)健康、環(huán)境安全和生態(tài)過(guò)程中有害的原材料、催化劑、溶劑、試劑、產(chǎn)品和副產(chǎn)品的使用和生產(chǎn)。它的目標(biāo)是不再使用有毒有害物質(zhì)，不再產(chǎn)生廢物，改變現(xiàn)有化工生產(chǎn)工藝路線，由“先污染后治理”改為“從源頭上防治污染”[11]。

（一）培養(yǎng)綠色化學(xué)觀念，建設(shè)環(huán)境友好型實(shí)驗(yàn)室

實(shí)驗(yàn)是教學(xué)和科學(xué)研究的基礎(chǔ)，建設(shè)環(huán)境友好型化學(xué)實(shí)驗(yàn)室是建設(shè)高水平大學(xué)的重要途徑之一。我們?cè)谌粘５膶?shí)驗(yàn)教學(xué)中向?qū)W生貫徹“綠色化學(xué)”的理念，建立廢液、污水處理站，實(shí)行分級(jí)、分類(lèi)收集，專項(xiàng)管理，統(tǒng)一處理，努力實(shí)現(xiàn)三廢零排放。將實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成為人和自然和諧相處、從源頭防止污染的綠色化實(shí)驗(yàn)室。

（二）樹(shù)立綠色環(huán)保理念，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容綠色化

目前，一些傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，沒(méi)有貫徹綠色化學(xué)概念的設(shè)計(jì)。并且還會(huì)使用有毒有害試劑，一些實(shí)驗(yàn)甚至?xí)a(chǎn)生各種化學(xué)污染物，比如酸、堿、有毒重金屬鹽溶液、有毒有害氣體等，其在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的污染物具有品種多、范圍廣、數(shù)量少、不確定度高，不便于集中管理等特征。

本實(shí)驗(yàn)室已對(duì)部分傳統(tǒng)儀器分析實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行改造，如薄層色譜實(shí)驗(yàn)[12]，液相色譜實(shí)驗(yàn)等，所完成的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，極大地減少了實(shí)驗(yàn)室有毒有害有機(jī)試劑的使用，減少了環(huán)境的污染，使實(shí)驗(yàn)室向著綠色環(huán)保的方向發(fā)展，受到廣大師生的好評(píng)。本次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)以價(jià)格經(jīng)濟(jì)適中、低毒的醇系物替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的苯系物作為分離樣品，將綠色化學(xué)、節(jié)能環(huán)保的理念貫穿于教學(xué)，從而加強(qiáng)了學(xué)生節(jié)能環(huán)保的觀念。

（三）建立虛實(shí)結(jié)合，混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

現(xiàn)代科技極大地豐富了教學(xué)資源，包括各種圖片、視頻、動(dòng)畫(huà)、微課、虛擬資源等。首先，對(duì)于氣相色譜實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)可按動(dòng)作節(jié)點(diǎn)把操作步驟碎片化成不同單元，針對(duì)碎片化后的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行錄制微視頻。微視頻可分為：（1）儀器結(jié)構(gòu)認(rèn)知視頻；（2）儀器操作演示視頻；（3）規(guī)范性實(shí)驗(yàn)操作視頻。拍攝中的場(chǎng)景、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、各類(lèi)器材均為實(shí)驗(yàn)課所用，可以避免因儀器和實(shí)驗(yàn)環(huán)境不同，而給學(xué)生造成的陌生感。

此外，本著虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則，持續(xù)推進(jìn)，逐步完善，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在虛擬的環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在輕松愉快的情境中學(xué)會(huì)相關(guān)的儀器分析知識(shí)，身體健康不會(huì)受到危害，也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。使實(shí)驗(yàn)教學(xué)達(dá)到綠色化，實(shí)驗(yàn)過(guò)程的危害大大降低。

氣相虛擬仿真軟件主要分為溶液的配置、開(kāi)氣、開(kāi)機(jī)啟動(dòng)、檢測(cè)器的選擇、進(jìn)樣口的選擇、軟件開(kāi)啟、方法設(shè)置、進(jìn)樣、數(shù)據(jù)處理、打印報(bào)告等步驟。儀器的維護(hù)保養(yǎng)主要針對(duì)儀器常見(jiàn)故障展開(kāi)，比如更換襯管、更換硅橡膠墊、清洗檢查檢測(cè)器等。對(duì)于學(xué)生這類(lèi)初學(xué)者來(lái)說(shuō)，首次操作大型儀器設(shè)備會(huì)有一定的危險(xiǎn)，如易燃易爆氣體鋼瓶和管路的開(kāi)關(guān)、有毒有害試劑的配置、儀器的開(kāi)關(guān)順序等。傳統(tǒng)教學(xué)為了預(yù)防學(xué)生出現(xiàn)危險(xiǎn)，會(huì)需要教師進(jìn)行指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)員從旁協(xié)作教學(xué)。實(shí)驗(yàn)時(shí)間和人員都受到了限制。虛擬仿真軟件的開(kāi)發(fā)消除了學(xué)生學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間限制，學(xué)生會(huì)在具備一定的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)后，再上機(jī)器進(jìn)行操作，教學(xué)效果顯著提高。

我校在本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中面向藥學(xué)、中藥學(xué)、制藥工程、藥物制劑、生物工程、中藥資源、食品等專業(yè)開(kāi)設(shè)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每年有900多名學(xué)生必修儀器分析實(shí)驗(yàn)，我們堅(jiān)持建設(shè)綠色、環(huán)保、節(jié)能型實(shí)驗(yàn)室[13，14]，不斷改進(jìn)和創(chuàng)新我們的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。從真正意義上實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化建設(shè)，創(chuàng)建環(huán)境友好型化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。今后，如何更好地開(kāi)展儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高后疫情時(shí)代本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，開(kāi)展對(duì)環(huán)境友好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)綠色化，這是我們不斷思考的目標(biāo)和動(dòng)力。

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Experiment Teaching Reform of Gas Chromatography in Post-pandemic Era

LIU Yue-xin， ZOU Qian， YUAN Yuan

（School of Pharmacy， Hunan University of Chinese Medicine， Changsha， Hunan 410208， China）

Abstract： In the post-pandemic era， the traditional teaching methods in colleges and universities are being broken. For the teaching reform in the post-pandemic era， the integration of online and offline mixed teaching model should be continuously explored. For example， the instrumental analysis experiment course needs largescale experiment equipment， which can only be used in school laboratories， so online teaching can not completely replace offline teaching. According to the characteristics of gas chromatography instrumental analysis teaching in instrumental analysis experiment course， methanol and n-butanol alcohol series are used to replace benzene and toluene series， which are highly toxic in traditional experiments. The offline experiment teaching of undergraduate courses is improved and optimized， and the experimental projects which are friendly to environment are used to find better experiment conditions for the experiments. This paper has certain reference significance for how to better carry out the online teaching of instrumental analysis experiment， improve the undergraduate experiment teaching level， and promote the establishment of environment-friendly laboratories.

Key words： post-pandemic era； gas chromatography； instrumental analysis； green chemistry； experiment teaching

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