高效液相色谱仪在本科化学实验教学中的信息化应用

苗芳芳

（北京农学院 生物与资源环境学院，北京 102206）

随着社会和科技的进步及教育现代化的快速发展，教学规模不断扩大，高校办学条件得到明显改善，现代化的教学仪器不断更新。高校结合信息化平台，纷纷购置了紫外分光光度仪、高效液相色谱仪、质谱仪等多种分析检测仪器，以保障办学质量[1]。目前，高效液相色谱仪凭借专业的检测方法，可快速获得分析检测结果，在食品、药物、医学、化工等领域得到广泛的应用。高效液相色谱仪作为重要的分析化学仪器，在创新型人才培养方面可以极大地满足教学需求和人才培养需要。但由于实验条件有限、实验指导人员无法与本科教学紧密对接以及学生的使用率较低等，学生对高效液相色谱仪的了解和认知局限于课堂，不能熟练掌握高效液相色谱仪的基本操作，难以解决实际化学分析问题，加上仪器分析化学的理论知识比较抽象，最终会导致学生的学习兴趣及学习效率下降。信息化发展与实体教学的快速接轨，可将高效液相色谱仪的实际操作设置为仿真教学，还可与视频网络教学、动画操作等有机结合，帮助学生快速掌握高效液相色谱仪的操作步骤，并及时上机演练。本科生普遍缺少接触、操作相应实验设备的机会，高效液相色谱仪的仿真软件可以让学生随时随地练习各个操作步骤，最终熟练掌握高效液相色谱仪的基本操作技能[2-3]。通过介绍高效液相色谱仪的组成及各部件工作原理、开展实验、完成实验报告、观看各部件运行的动画模拟及实地参观各实验室等教学过程，学生不仅掌握了高效液相色谱仪的基本原理及操作，也激发和提高了学习兴趣，增进了对先进仪器、技术和知识的了解，提高了仪器分析化学实验的教学质量。

1 高效液相色谱仪的应用

1.1 高效液相色谱仪简介

高效液相色谱又称“高压液相色谱”“高速液相色谱”“高分离度液相色谱”“近代柱色谱”等。高效液相色谱仪是色谱法的一个重要应用，主要用于分析检测沸点较高且不易挥发、稳定性好和分子质量较大的有机化合物，由储液器、进样器、色谱柱、泵、检测器、记录面板等部分组成。高效液相色谱仪以流动相为载体，由色谱柱实现成分分离，再由检测器进行样品分析。在高校仪器分析教学及科研检测方面，高效液相色谱仪是不可或缺的仪器设备。大型分析仪器设备作为高校科研能力的支柱，不仅可以培养学生的实践创新能力，还可以促进实验室设备改造及本科实验教学。在本科教学推行方面，各大高校的教学职能部门认真贯彻教育部关于本科人才的培养计划，切实加强学生科研创新及实践能力的培养。

1.2 高效液相色谱仪在课程建设中的价值

高效液相色谱仪作为一种先进的分析仪器，不仅可以应用在“化学工程”“物理化学”“分析化学”等基础课程教学中，还可以应用在土木工程、交通运输等理工科专业课程教学中，被广泛应用于测控等，可以快速准确地对土壤岩石成分、环境指标、材料成分、化学成分进行检测和分析，极大地丰富了本科教学内容，提高了专业教学质量。同时，该大型仪器分析具有多学科交叉、发展性、开拓性等特点，极大地提高了学生的实践操作和创新能力，这与高等院校培养高素质应用型人才的目标一致。此外，高效液相色谱仪在实验教学中也起到了提高实验教学质量和培养学生能力的重要作用。与其他传统分析仪器相比，高效液相色谱仪具有精度高、分辨率高和灵敏度高的优点，可以与紫外检测仪、红外光谱仪、质谱仪等结合，大大拓宽了应用范围，成为实验教学中不可缺少的重要仪器。在传统的实验教学模式下，教师和学生经常使用基本仪器进行教与学，实验类型多为演示型和验证型。学生只需要根据实验讲义完成实验，缺乏创新和独立思考。高效液相色谱仪在实验教学中的应用将改变这种情况，可以培养学生数学、物理、化学、计算机等学科的综合能力，学生可以在教师的指导下自行设计实验来解决相关问题，完成实验设计和操作，通过验证和分析得出结果，成为创新应用型人才。

1.3 高效液相色谱仪在化学中的应用价值

化学作为一门以实验操作为基础的学科，先进仪器的应用和实践内容的增加将极大地提高学生对专业学习的兴趣，加深学生对化学专业的了解，为本科人才培养奠定良好的基础。高效液相色谱仪的使用与教学推广可以满足本科生、研究生的教学和科研要求，不仅是一种教学工具、实验仪器，更是培养具备综合知识和创新能力人才的载体。随着现代检测设备和检测技术的发展，高效液相色谱技术迅速发展，已被广泛应用于工业废水检测、地表水和地下水中重金属和有机污染物的检测，展现了较高的工作效率和精度。

2 理论联系实际，加强仪器实践操作能力

化学实验是理论联系实际的操作科学，与大学毕业生满足社会需求、实现对口就业有必然的内在联系。高效液相色谱仪的实践操作可以使学生处于教学的主体地位，以最有效的方式迅速掌握基础理论知识与实践操作技能。学习内容与实际应用的联系可以激发学生学习大型仪器操作技能的兴趣，使其学有所获并产生深入探索的兴趣。在有机化学“茶叶中咖啡因含量的提取和测定”实验中，可以让学生根据不同的茶叶选择实验，操作高效液相色谱仪，并针对各个操作模块重点介绍其使用规范及色谱柱的原理等，让学生对高效液相色谱有更多的认识，提高学生未来适应工作的能力。例如学生在进行农药残留检测前，需要掌握色谱检测仪器的预备工作，熟悉液相色谱的各个模块，包括检测器、功能模块、软硬件的开机顺序，学会配制标准溶液、待测样品溶液、流动相等；还要求对混合流动相中的有机溶液和水溶液的比例进行设置，预先进行过滤和脱气泡等关键细节操作，冲刷整个流动相系统，待基线稳定后再开始测定。在测定过程中，学生要根据峰面积选取测定波长和流速，并利用色谱工作站对实验结果进行处理。通过实验，学生初步了解了高效液相色谱仪器的操作，培养了动手实验能力和初步科研能力。

3 本科化学实验中高效液相色谱仪的教学内容

在本科教学中，学生需要了解液相色谱法的优点及适用范围；理解常用检测仪器的原理、优缺点及适用范围；理解高效液相色谱法的主要类型及分离原理（液-固色谱、液-液色谱、反相色谱、离子对色谱、离子交换色谱、尺寸排阻色谱和主要固定相）；理解液相色谱仪的类型及设备特点、影响色谱峰扩展及色谱分离的因素（涡流扩散、纵向扩散、传质阻力、柱外效应）；掌握液相色谱法流动相的要求和选择方法；掌握高效液相色谱仪的构造（高压泵、梯度洗脱装置、进样装置、色谱柱、检测器）和应用。基于仪器分析化学基础知识，引导学生培养独立解决问题的能力和缜密的思维。

4 依托仿真信息化教学，提升高效液相色谱仪的使用率

高效液相色谱仪的学习内容包含该仪器的相关知识及操作原理，例如有机相的配制、操作前的排气处理、实验方法的设计、数据处理、仪器操作等方面。仿真大型仪器的操作部分主要为高效液相色谱仪器的安全运行，操作培训展示包括实验室大型仪器的安全操作和安全教育，特别是仪器出现紧急状况时的预备方案和解决措施[4]。为了让使用者更好地操作仪器，在每一位使用者初次在线操作仪器时，都有相关视频向其讲解仪器各模块的基本作用等相关知识，包括对仪器的保护和保养及关机、冲洗色谱柱等细节的讲解，直到使用者充分了解仪器再进行仿真操作。基于以上学习，仿真实验合格者可以申请上机操作高效液相色谱仪，同时记录仪器的使用情况。为了更快地提升学生的学习效率，建议实行小组教学，强化操作技能。根据实际情况，设5～6人为1个小组，要求小组组长记录小组成员的学习情况，包括仪器的操作环节及注意事项，同时明确要求学生记录学习时间和出错环节，汇总后由专业化学教师进行着重讲解。每组学生可以在申请上机时由专业课教师带领进行现场授课，讲解出错较多的地方，这样既可以提升学生的学习效率，又可以实现有针对性的教学，避免学生因操作不规范而损坏仪器，极大地提高了仪器的使用效率及教学质量。小组教学还可以增加学生的操作机会，提高实际操作能力。

5 结语

高效液相色谱仪是以动手操作为基础的实践性大型仪器设备。作为农林高校的学生，掌握该仪器的操作主要依托仪器分析化学实验教学的开展及科研训练等途径。传统的实验教学主要为教师讲解，不利于学生实现操作与理论的结合。结合大型仪器仿真教学，在本科教学及科研方面，积极推广高效液相色谱仪的使用和学习，必须从课程设置、大纲修订等途径切实加强配套教学改革。应用化学专业在培养应用型人才时，开展以高效液相色谱仪为代表的仪器分析实验课程教学改革和探索，可以充分发挥其资源优势，提升应用型高校人才培养质量；搭建高校产学研一体化平台，体现信息化技术在大型仪器设备与本科教学结合中的应用，具有深远的战略意义。