气相色谱法适用于挥发性或半挥发性混合物样品的分离和鉴定。有机物中20%–30%都是采用气相色谱法分离分析，该方法在石油、化工、医药、食品和环保等领域有着广泛的应用^[1-3]。因此，相关专业的本科生熟悉气相色谱仪器的使用及维护是非常必要的。

目前，各大高校均已开设有关气相色谱仪器的本科实验，但由于实验室硬件资源、师资以及学时不足等方面的限制而未达到预期效果，甚至流于形式^[4]。在资源和学时有限的情况下，我们对传统教学内容和教学方法进行了改进，将正交试验应用于气相色谱法分离低毒性的正己烷和环己烷实验中，把学生分成不同小组，每组设置不同的色谱分离条件，记录正己烷和环己烷的峰宽及保留时间等数据；根据公式计算两者间的分离度，比较不同色谱实验条件下的分离情况，总结出影响气相色谱分离的主要因素。学生通过亲自动手实验，一方面可以熟练地掌握气相色谱的仪器构造和基本操作；另一方面可以加深其对色谱柱柱效和总分离效能等抽象理论知识的深入理解。

1)岛津GC-2014 C气相色谱仪(FID检测器)；2)安捷伦DB-WAX毛细管柱(30 m × 0.32 mm，0.25 µm)；3)容量瓶10 mL；4)吸量管(5 mL)；5) N₂、H₂、空气钢瓶；6)微量进样针(1 µL)。

1)正己烷：色谱纯(批号：151211，含量：97+%)；2)环己烷：色谱纯(批号：120806，含量：99.9+%)；3)无水乙醇：色谱纯(批号：100226，沸点：99.8+%)。

准确移取5 mL正己烷溶液于10 mL容量瓶中，用环己烷溶液进行定容，摇匀，作为样品溶液供测试使用。

汽化室温度：90 ℃；线速度：19.5 mL∙min⁻¹；检测器温度：90 ℃；柱温：50 ℃；载气：氮气(流量为0.63 MPa)，氢气(流量为0.43 MPa)，空气(流量为0.45 MPa)；分流比：150 : 1；进样量：0.20 µL。

大型仪器设备价格昂贵，运行及维护成本较高，普通高校用于本科实验的教学经费有限，大型仪器设备数量较少。另外，大型仪器设备操作相对繁琐，教师讲解仪器构造及使用注意事项占据了大部分的课堂时间，为了保持实验教学的有序进行，教师往往还会亲自演示仪器的开、关机和实验参数设置，学生只需进样操作即可获得实验数据。学生动手机会少，难免对理论知识及仪器操作掌握不牢，限制了其科研能力和创新能力的培养。因此，如何将有限的课堂时间高效地利用起来尤为重要。

教师可以在课上利用PPT简单介绍实验的基本原理及步骤，使学生初步了解整个实验的过程及内容。在等待仪器开机自检过程中教师逐项介绍仪器的构造和功能，学生跟着教师的引导进行现场观察。①气路系统：载气不同，钢瓶的颜色不同，氮气、氢气和氧气的钢瓶分别是黑色、绿色和蓝色。载气从钢瓶出来后经过净化器净化，目的是除去载气中的氧气、水分及烃类物质；净化器中蓝色的部分是硅胶、黑色的部分是活性炭、米色的部分是分子筛。我们将柱温箱打开，看到的分别是进样口、色谱柱和检测器。②进样系统：进样口下面有一块电加热板，它能够使样品瞬间气化，有利于所得色谱峰宽更窄，柱效更高。③色谱柱属于分离系统，学生可以直接观察到色谱柱的形状(螺旋形)、材质(石英)、长度(30 m)、内径(0.32 mm)和固定液涂层厚度(0.25 µm)。开机结束后，教师先设置好仪器参数，在等待仪器稳定的过程中，讲解工作站参数设置、进样操作流程和数据处理方法，也就是④检测系统和⑤记录系统所包含的部分内容。教师在理论课上已经讲授过气相色谱的五大系统，现场教学不仅充分地利用了实验课上的有效时间，同时，能够将抽象知识具体化，便于学生更好地理解和掌握。

仪器稳定后，学生分别移取正己烷、环己烷和样品溶液0.20 µL进样。根据色谱图上读取的保留时间进行定性分析，根据峰高、峰面积可以进行定量分析。由图1a和1b可知正己烷和环己烷的保留时间分别为2.842和3.160 min，确定样品溶液中的色谱峰依次为正己烷和环己烷(见图1c)。

在气相色谱中，除了要选择合适的固定液之外，还要选择分离时的最佳条件(如柱温、柱长、载气流速和进样量等)，以提高柱效能，增大分离度，满足分离的需要^[5]。此部分内容既是教学重点又是教学难点，教师通过理论教学不容易让学生理解和掌握。另外实验考查的影响因素较多，采用传统的实验方法费时、费力，正交试验法恰好克服了上述缺点。正交法是针对众多因素试验，抓主要因素、减少试验次数的一种非常科学的方法^[6]。以单因素试验结果为基础，选取汽化室温度、柱温、检测器温度、分流比、线速度和进样量6个因素设计正交试验，根据参考文献和教师课前预做实验将每个因素设置3个水平，研究各因素对正己烷和环己烷分离度的影响，寻找最佳实验条件，设计的正交试验方案见表1。

由于样品溶液为正己烷和环己烷的混合物，应检测到2种物质的色谱峰(图2a)。从正交表2中我们发现，在分离条件不适宜的情况下，色谱峰拖尾，导致色谱峰的个数增多(图2b)。另外，正交表的极差分析结果显示，各因素对正己烷和环己烷分离影响的主次为：B→F→D→C→E→A (A：汽化室温度；B：柱温；C：检测器温度；D：分流比；E：线速度；F：进样量)，即因素B (柱温)为主要影响因素。结合表2中不同实验条件下所得分离度的数值，选取最适合的组合为实验5 (A2B2C2D3E3F1)，即汽化室温度为90 ℃，柱温为50 ℃，检测器温度为90 ℃，分流比为150 : 1，线速度为19.5 mL∙min⁻¹，进样量为0.20 µL的条件下，正己烷和环己烷的分离效果最好。由于课时有限，为了让学生们都能动手操作，教师可以在讲解正交实验方法后，选取表2中的部分实验让学生进行验证。将每次课的12个学生，分成6组，每小组2人。由于因素B (柱温)为主要影响因素，因此考查在B2条件下涉及的6组实验，如表2中的实验2 (A1B2C2D2E2F2)、实验5 (A2B2C2D3E3F1)、实验8 (A3B2C3D2E1F3)、实验11 (A1B2C1D1E3F3)、实验14 (A2B2C3D1E2F1)和实验17 (A3B2C1D3E1F2)。

优化前，实验2中色谱峰的个数为3，正己烷和环己烷的出峰时间分别为2.910和3.205 min；优化后，实验5中色谱峰的个数为2，正己烷和环己烷的出峰时间为2.833和3.119 min。两个组分的分离程度用分离度(R)来定量地描述。若两组分峰形对称且满足正态分布条件，当R < 1时，两峰有部分重叠；当R= 1时，分离程度可达到98%；R= 1.5时，分离程度可达到99.7%，因而通常用R= 1.5作为相邻两色谱峰完全分开的标准^[7-9]。分离度可以全面反映柱效能和选择性的影响。

$R=\frac{t_{\mathrm{R}_{2}}-t_{\mathrm{R}_{1}}}{\frac{1}{2}\left(W_{1}+W_{2}\right)}=\frac{2\left(t_{\mathrm{R}_{2}}-t_{\mathrm{R}_{1}}\right)}{W_{1}+W_{2}}$

式中t₁和t₂为组分1和组分2的保留时间，W₁和W₂为组分1和组分2色谱峰的峰底宽。最后学生根据优化前后所测得两组分t_R和W的数值，计算优化前后分离度分别为3.405和3.416。6组学生通过不同条件下的实验数据，讨论后得出：优化后色谱峰不仅分离度增加，还缩短了分析时间。

利用正交实验考查进样量、汽化室温度、检测器温度、柱温、线速度和分流比参数对正己烷和环己烷分离效果的影响。一方面，比较不同实验条件下的分离度和色谱峰个数，找出影响分离度的主要影响因素，加深学生对柱效及分离度等理论知识的深入理解；另一方面，采用正交法减少实验次数，合理规划课上时间，让学生在课堂上都能亲自动手操作色谱仪器参数设置，熟悉仪器操作流程及分离技巧。通过对传统气相色谱法分离低混合物的实验进行改进，改变了教师在教学中的主体地位，充分发挥了化学实验的教学功能，全面提高了学生的综合素质。