大学分析化学中高效液相色谱实验教学改革与探索

2020-03-06杨腊祥姚盖雄

山东化工 2020年3期

杨腊祥，姚盖雄

(邵阳学院食品与化学工程学院，湖南邵阳 422000)

分析化学是一门研究物质化学组成的科学，包括定性、定量和结构分析。作为化学的一个分支学科，分析化学对化学其他学科的发展起着非常重要的作用，对国民经济建设、国防事业发展和社会的进步都有着重要的意义[1]。因此，大学本科课程中分析化学的教学对于化学及其相关专业的大学生的培养显得尤为重要。高效液相色谱法(HPLC)是分析化学中一种对液体中物质成分进行分析与检测的重要方法。它具有进样压力高、分离效率高、检测器灵敏度高、不需要对样品进行萃取等特点。然而，由于HPLC是一种大型分析仪器，其操作相对一般容量分析要复杂得多。这对于大学本科教学提出了挑战，即怎么样才能在有限的课时(如4～6 h)内，让每一个学生能够理解HPLC的工作原理及初步掌握操作步骤[2]。因此，本文的目的是针对目前HPLC教学中存在的实际问题及其需要认真注意的事项，提出相应的教学改革方案，期望能够提高HPLC的教学质量。

1 实验内容的选择

相对于气相色谱，HPLC更能够适用于测定高沸点、热稳定性差、相对分子较大的物质，因此它能够应用于核酸、稠环芳烃、高聚物、农药、药物、抗生素、表面活性剂等很大一部分化学物质的分析检测。然而，对于大学生实验课程教学来说，并不是所有的物质都适合[3-4]。它需要满足以下几个原则：首先，必须绝对保障学生的人身安全，因此所选取测定的物质也必须安全可靠，即不能是易挥发、高毒性的物质。其次，所选取的物质不能是需要复杂的前处理，这样才能保证在有限的课时内把重点实验内容讲解完，而不是把大量的时间耗费在前处理上面。再次，所选取物质的响应峰形要好、峰面积要足够大，这样能才给学生足够的操作空间，即在有些操作不规范的情况下也能得到响应峰用于分析。最后，所选取的物质必须容易获取，最好是和生产生活相关性比较大的物质，这样更有利于激发学生的兴趣。例如笔者所属学院开设的“可乐中咖啡因的高效液相色谱分析”实验课程很好地满足上述要求，所取得的教学效果也比较满意。

2 高效液相色谱仪的选择

表1 不同HPLC性能参数和教学特点的对比

目前高校一般都配备有大型分析仪器，而HPLC由于适用性比较好，一般都属于标配[5]。然而由于学校的经济条件的不同，所购置的HPLC的性能和价格也大不相同。其中主要分为两类，一类是带有自动进样器的进口HPLC，如安捷伦1200系列、赛默飞U3000等；另一类是手动进样的国产HPLC，如舜宇1260A。表1列出了笔者所属学院购置的两台HPLC的性能参数和教学特点。虽然进口HPLC性能要远高于国产HPLC，但对于本科教学来说，其教学效果不一定要好于国产手动的HPLC。其原因是两种HPLC的原理是一样的，这对于教学讲解是没有差别的，相反，手动国产HPLC的大部分配件都裸露在外面可以进行更加详细的讲解。其次是国产HPLC大部分都需要手动操作，更有利于锻炼学生的动手能力。另外，国产HPLC比较简单，价格便宜，维修也比较方便，一般不会耽误正常教学。然而进口HPLC对于教学来说也有自身优点，如节省测定的时间，能在有限的课时内把学生的样品都测定完。另外，进口HPLC所使用的色谱柱的分离效果都要明显优于国产HPLC，而且可以同时测定多个波长，这样更有利于学生锻炼参数的优化操作。因此，对于HPLC仪器的选择，要综合考虑他们的特点，再根据所教学的人/组数进行选择。一般地，如果人/组数在20以内，可以使用国产HPLC进行教学，更有利于锻炼学生的操作能力;如果人/组数超20，则需考虑使用带有自动进样器的进口HPLC进行教学，这样才能保证在规定的课时内把内容讲解完全。

3 测定方法的优化

对于教学实验来说，HPLC的测定方法和一般的科学研究会有些不同的地方。科学研究一般都追求最好的精度，对于实验条件考虑较少，而教学实验除了要考虑检测精度以外还需要考虑实验条件[6-7]。首先，对于流动相一般采用无毒或者低毒的溶剂，如甲醇、去离子水等，而且有机相和无机相的配比要稍高，让所测样品的出峰时间保持在5 min以内，以保证在规定课时内测定完所有的样品。其次，进样量不要太高，这样能保证较好的峰形，有利于学生自己分析测定结果。最后，尽量使用多波长分析，让学生观察不同波长对响应峰的影响，有利于学生理解优化吸收波长对HPLC测定有机物的重要性。以笔者所属学院开设的“可乐中咖啡因的高效液相色谱分析”实验课程为例，其测定方法如下：测定仪器为带有自动进行器的HPLC(赛默飞U3000)，分离柱为安捷伦C18液相色谱柱。流动相为60%甲醇和40%水的混合物，流速为1 mL·min-1，进样量为10 μL，柱温为40℃，检测波长为254 nm。图1显示了不同浓度咖啡因的HPLC响应信号。可以看出，咖啡因的响应信号较大，峰型较好，以峰面积做标准曲线，r2达到了0.999。保留时间约为3 min，很好满足教学要求。