后疫情时代气相色谱实验教学改革

刘月新 邹茜 袁园

[摘 要] 进入后疫情时期，传统高校的围墙正在被打破。后疫情时代的教学变革，应不断探索线上线下融合的混合式教学实践。仪器分析实验课程需要大型实验仪器设备，这些实验器材只能在学校的实验室使用，因而线上教育不可能完全替代线下教育。针对仪器分析实验课程中气相色谱仪器分析教学特征，以甲醇、正丁醇醇系物替代传统实验中高毒性的苯、甲苯苯系物作为实验对象，对本科线下教学实验进行改进、优化，开展对环境友好的实验项目，找到最佳实验条件开展实验，对如何更好地开展仪器分析实验线上教学，提高本科实验教学水平，推进绿色环保、环境友好型实验室的建立，具有一定的借鉴意义。

[关键词] 后疫情时代；气相色谱；仪器分析；绿色化学；实验教学

[基金项目] 2020年度湖南省教育厅普通高等学校教学改革研究项目（HNJG-2020-0412）

[作者简介] 刘月新（1983—），女，山东兖州人，硕士，湖南中医药大学药学院/药学基础教学实验中心实验师，主要从事中药制剂与药物分析研究；袁 园（1984—），女，湖南长沙人，硕士，湖南中医药大学药学院/药学基础教学实验中心实验师（通信作者），主要从事中药质量标准研究。

[中圖分类号] C229.29 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）06-0053-04 [收稿日期] 2021-06-10

2020年暴发的新型冠状病毒肺炎疫情已成为一场席卷欧美、肆虐全球的医学卫生灾难。新冠肺炎疫情给高校的实验教学带来了前所未有的压力，也为我国高校开展信息化教学按下加速键[1]。笔者从事色谱分析实验教学工作10余年，从实验仪器安装、维护、实验内容安排、教学过程等方面，对气相色谱分析实验教学都有较为深入的研究。传统的气相色谱实验通常是学习分离苯、甲苯等苯系物来掌握气相色谱的原理与操作。但苯系物有很高的毒性和致癌性，我们对实验样品进行改进，并摸索开展本科实验教学的实验条件，以符合绿色化学的理念，建设绿色、环保、节能型实验室。

一、气相色谱实验教学现状

（一）教学资源有限

气相色谱仪是大型精密仪器，价格昂贵，日常的维修保养成本也很高，因此采购数量少，往往多名学生共同使用一台仪器，多数学生不能全方位地观察教师的示范操作。由于上述现实情况的存在，学生很难在实际教学和实验操作过程中亲自动手操作，甚至部分学生只要抄录同组同学的数据即可，因此教学效果难以保证，往往达不到实验教学的预期目标[2，3]。

（二）师生互动性不强，学生学习积极性不高

一些学生进入实验室无从下手，教师往往又无法兼顾到所有学生的需求，实验课过程中学生遇到问题不能及时有效地跟教师沟通，师生之间沟通不畅，导致学生在实验过程中只是被动跟随教师的节奏学习，打压了学生的热情，学生的学习兴趣降低[4]。

（三）实验教学方法单一

传统的实验课通常采用的教学方法是课前预习，写预习报告，实验教师在课堂上讲解实验原理，演示仪器的操作，最后学生进行实验，课后提交实验报告，教学方法单一。且实验内容主要是重复性和验证性实验，学生根本不需要动脑筋设计实验，而是只要按照实验讲义要求的步骤完成实验，就可以得到较好的实验数据和结果。除此之外，为了保护仪器不受损坏，一般不允许在实验中拆卸仪器，因此，学生不能直观地理解仪器的原理，了解仪器的内部构造，导致他们对仪器的掌握程度较差，实验效果不好。

（四）实验分离对象危害性大

传统气相色谱实验中采用的是苯系物进行实验，样品具有高度易燃性，又有很高的毒性和致癌性。有关文献中有对传统气相色谱实验教学模式和实验教学设计的改革与创新[5-7]，但较少有文献会针对实验检测样品进行改进和讨论。遵循绿色化学的概念，结合我校实验室的实际教学状况，我们对实验及实验方法进行改进，已实现绿色化实验室[8-10]。

二、实验部分

（一）实验试剂和仪器

1.试剂：标准品：甲醇，正丁醇；样品：甲醇和正丁醇的混合试样。甲醇、正丁醇均为色谱纯，天津市科密欧化学试剂有限公司。

2.仪器设备：SP-7890plus气相色谱仪（氢火焰离子化检测器FID），山东鲁南瑞虹化工仪器有限公司。色谱柱：30m*0.32mm，固定相为OV-17中等极性柱（50%苯基-50%甲基聚硅氧烷）；微量进样器：1μL。

（二）实验内容

气相色谱实验课时是4个学时，以两人为一小组，其实验内容包含两个部分：一为气相色谱柱温、载气压力的变化对色谱峰分离度的影响；二是气相色谱定量分析方法——面积归一化法的应用。本实验的主要目的是使学生了解气相色谱仪的工作原理和基本构造，掌握气相色谱仪的基本操作方法，记录和分析数据，分析温度和载气压力对样品分离度的影响趋势，最终找到最佳的色谱条件，进行气相色谱的定量分析。我们需要得到的实验效果是：首先，样品出峰是正态峰、对称峰、无拖尾、无分叉、无倒峰；其次，样品出峰时间要适中。因为该实验是以两人为一小组，每组至少进7次样品，而实验室的气相色谱仪台数有限，加上教师讲解、学生操作和记录数据所需要的时间，需要尽可能控制好样品的出峰时间，否则教师无法在规定课时内完成实验教学任务。另外，最好的实验效果是样品的色谱图在不同的色谱条件下能有比较大的差异，可以让学生直观感受到条件变化对气相色谱峰分离度的影响，激发学生学习仪器的兴趣，分析数据，讨论原因，找到本次实验最佳的分离条件进行定量分析。

1.色谱条件。载气：高纯氮气（99.99%）；载气压力：0.04mpa、0.05mpa、0.06mpa；检测器：氢火焰离子化检测器（FID）；色谱柱温度：130℃、150℃、170℃；检测器温度：200℃；气化室温度：200℃；进样量：0.4μL。

2.进样操作。用清洗过的微量注射器吸取2倍左右进样量的样品，针头朝上推进注射器柱塞，用滤纸吸收从针尖排出的液体，润洗3次以上。重新吸取样品溶液0.4μL，左手固定注射器的针部，以维持针的形状，防止针弯曲。右手握住注射器针管，右手用力，左手不用力，针头垂直，待针全部插入进样口后，右手用力，迅速进样，进样完毕后迅速拔针。整个进样操作过程要求稳定﹑动作连贯﹑瞬间完成。

三、结果与讨论

实验中柱温的选择要求最低温度应高于样品的沸点，从而保证所有样品在色谱柱内都是以气体的形式存在并进行分离。而最高温度的选择应比检测器温度低20℃左右，以防止不易挥发的样品或杂质在检测器中冷凝，进而污染检测器。本次实验选择要分离的物质是甲醇和正丁醇。甲醇的分子量最小，沸点最小，为64.7℃，正丁醇沸点为117.7℃。所以选择120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃的柱温分别进行实验，优选最佳柱温条件。

许多学生刚刚接触仪器分析实验，他们作为初学者，对于气相色谱等仪器分析实验的第一印象往往是陌生而又新奇的，对本次实验进行改进，希望实验的结果表明，在不同柱温、载气压力下，样品的出峰时间、峰形均能有显著的变化，可以给学生留下深刻的印象，使他们認识到柱温、载气压力在气相色谱分离中的重要作用，激发学生对气相色谱实验，以及整个仪器分析实验的兴趣。

实验结果表明，柱温为130℃、150℃、170℃时，最晚出峰的样品是正丁醇，在3个温度下的相对保留时间分别为3.6min、3.0min、2.1min。当柱温150℃时，甲醇和正丁醇的分离度最大，为7.65；当柱温170℃时甲醇和正丁醇的分离度最小，为3.82。柱温变化的分离度和柱效见表1。

实验结果选择载气压力分别为0.04mpa、0.05mpa、0.06mpa，晚出峰的物质是正丁醇，它的相对保留时间在3个压力下分别约为4.1min、2.5min、1.8min。压力0.05mpa时甲醇和正丁醇的分离度最大，为7.00；压力0.06mpa时，甲醇和正丁醇的分离度最小，为5.36。载气流速变化的分离度和柱效见表2。

四、结论

仪器分析实验是高校分析化学课程教学的重要组成部分，它是以分析仪器为基础，而气相色谱法是具有高分离效能、高选择性、高灵敏度和分析速度快等特点的现代仪器分离技术，广泛应用于医药卫生、有机合成、生理生化、食品环境等领域，针对本校不同专业不同层次教学对象以及教学时数不同，形成特色实验项目。通过对实验课的学习，学生不仅可以加深对仪器分析理论知识的认识与理解，而且有助于培养学生的思维能力，以及分析问题和解决问题的综合能力，为后续的实习、就业和科研训练打下良好的基础。

绿色化学又称环保化学、清洁化学。绿色化学是指利用化学技术和方法，从而减少或消除对人类健康、环境安全和生态过程中有害的原材料、催化剂、溶剂、试剂、产品和副产品的使用和生产。它的目标是不再使用有毒有害物质，不再产生废物，改变现有化工生产工艺路线，由“先污染后治理”改为“从源头上防治污染”[11]。

（一）培养绿色化学观念，建设环境友好型实验室

实验是教学和科学研究的基础，建设环境友好型化学实验室是建设高水平大学的重要途径之一。我们在日常的实验教学中向学生贯彻“绿色化学”的理念，建立废液、污水处理站，实行分级、分类收集，专项管理，统一处理，努力实现三废零排放。将实验室建设成为人和自然和谐相处、从源头防止污染的绿色化实验室。

（二）树立绿色环保理念，实验内容绿色化

目前，一些传统的化学实验项目，没有贯彻绿色化学概念的设计。并且还会使用有毒有害试剂，一些实验甚至会产生各种化学污染物，比如酸、碱、有毒重金属盐溶液、有毒有害气体等，其在实验室产生的污染物具有品种多、范围广、数量少、不确定度高，不便于集中管理等特征。

本实验室已对部分传统仪器分析实验项目进行改造，如薄层色谱实验[12]，液相色谱实验等，所完成的实验改进，极大地减少了实验室有毒有害有机试剂的使用，减少了环境的污染，使实验室向着绿色环保的方向发展，受到广大师生的好评。本次实验改进以价格经济适中、低毒的醇系物替代传统实验中的苯系物作为分离样品，将绿色化学、节能环保的理念贯穿于教学，从而加强了学生节能环保的观念。

（三）建立虚实结合，混合式实验教学模式

现代科技极大地丰富了教学资源，包括各种图片、视频、动画、微课、虚拟资源等。首先，对于气相色谱实验的学习可按动作节点把操作步骤碎片化成不同单元，针对碎片化后的知识点进行录制微视频。微视频可分为：（1）仪器结构认知视频；（2）仪器操作演示视频；（3）规范性实验操作视频。拍摄中的场景、实验室环境、实验仪器设备、各类器材均为实验课所用，可以避免因仪器和实验环境不同，而给学生造成的陌生感。

此外，本着虚实结合、相互补充、能实不虚的原则，持续推进，逐步完善，构建虚拟仿真实验环境和实验对象，在虚拟的环境中开展实验，使学生在轻松愉快的情境中学会相关的仪器分析知识，身体健康不会受到危害，也不会对环境造成污染。使实验教学达到绿色化，实验过程的危害大大降低。

气相虚拟仿真软件主要分为溶液的配置、开气、开机启动、检测器的选择、进样口的选择、软件开启、方法设置、进样、数据处理、打印报告等步骤。仪器的维护保养主要针对仪器常见故障展开，比如更换衬管、更换硅橡胶垫、清洗检查检测器等。对于学生这类初学者来说，首次操作大型仪器设备会有一定的危险，如易燃易爆气体钢瓶和管路的开关、有毒有害试剂的配置、仪器的开关顺序等。传统教学为了预防学生出现危险，会需要教师进行指导，实验员从旁协作教学。实验时间和人员都受到了限制。虚拟仿真软件的开发消除了学生学习的时间和空间限制，学生会在具备一定的学习基础后，再上机器进行操作，教学效果显著提高。

我校在本科教學实验中面向药学、中药学、制药工程、药物制剂、生物工程、中药资源、食品等专业开设该实验项目，每年有900多名学生必修仪器分析实验，我们坚持建设绿色、环保、节能型实验室[13，14]，不断改进和创新我们的实验内容。从真正意义上实现实验教学的绿色化建设，创建环境友好型化学实验室。今后，如何更好地开展仪器分析实验教学，提高后疫情时代本科实验教学水平，开展对环境友好的实验项目，实现实验绿色化，这是我们不断思考的目标和动力。

参考文献

[1]颜亮.后疫情时期O2O混合教学模式研究与应用[J].办公自动化，2021，26（8）：20-21+26.

[2]李文红，金祥飞，马作豪，等.微信公众号在气相色谱实验教学中的应用[J].广州化工，2020，48（24）：175-176.

[3]周建刚，陈红兵，卢进登.强化绿色教育理念 推进环境友好型实验中心建设[J].教育教学论坛，2019（49）：271-272.

[4]杨素芳，孙雨琳，查媌，等.论微信平台在大学物理化学实验教学中的运用[J].科技风，2019（27）：60-61.

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[6]许天钧.“互联网+”背景下化工工艺专业气相色谱实验教学改革探索[J].教育信息化论坛，2019，3（7）：130-131.

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[8]郁桂云，钱晓荣，吴静，等.仪器分析实验教学的改革探索[J].广州化工，2017，45（10）：197-199.

[9]陈媛，李雪辉.气相色谱本科教学实验的改进[J].实验技术与管理，2015，32（7）：213-215.

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[11]周建刚，陈红兵，卢进登.强化绿色教育理念 推进环境友好型实验中心建设[J].教育教学论坛，2019（49）：271-272.

[12]刘月新，徐菲，刘芳，等.中药专业薄层色谱实验的绿色化改进[J].科技创新导报，2017，14（31）：215-216.

[13]任玉兰.气相色谱实验教学改革初探[J].山东化工，2012，41（11）：62-63+70.

[14]杭义萍，张震.强化绿色教育理念 建设环境友好型化学实验中心[J].高等理科教育，2006（5）：107-110.

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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