仪器分析课程是我校化学、应用化学和材料化学专业学生的必修课，由理论和实验两个教学环节组成；教学内容包括色谱分析、电化学分析和原子光谱几个板块^[1]，各个板块之间的知识体系相对独立。理论课既要介绍各种仪器的基本原理、结构和主要部件，还要介绍各种仪器的操作条件，教学内容多、章节之间的关联性弱、教学进度快，学生对于这门课程感觉枯燥吃力，大多学生对知识的获取基本依靠死记硬背、处于被动接受，不能运用所学的知识解决实际问题。仪器分析实验的开设可以一定程度上弥补理论课教学的不足，达到通过实验教学加深学生对书本知识的理解并掌握必要的实验基础知识和操作技能的目的。与理论课的教学内容相对应，我们学校开设了气相色谱、液相色谱、库伦滴定、伏安分析、电位滴定、原子吸收、原子发射和荧光分析等八个实验^[2]，要求学生独立完成实验。通过实验学生熟悉了仪器的结构，对仪器分析的基本原理也有了一定的感性认识，提高了学习兴趣。本文以气相色谱实验为例，根据多年的实验教学经验，总结将实验与理论相结合^[3-9]，激发学生学习兴趣的一些举措，以期为提高仪器分析教学效果提供参考。

我校基础化学实验室配有两种气相色谱仪，一种是天美GC7890T型气相色谱仪，配置填充柱和热导检测器；另一种是舜宇恒平GC112A气相色谱仪，采用毛细管柱配套氢火焰离子化检测器。两种仪器分别开设下面两个实验：(1)气相色谱分离操作条件的优化及纯物质对照定性分析，(2)毛细管气相色谱仪的使用和分离效能测定；试剂是分析纯的丁酮、环己烷、正庚烷、甲苯、乙酸正丁酯以及上述五种试剂等体积比的混合物。我们从以下几方面培养学生将理论知识与实验实践相结合。

结合理论课程的基本原理，针对不同的实验，给学生设置不同的预习思考题。

(1)初始操作条件如柱温、进样温度、检测器温度如何设置；

(2)分离度小于1.5时，该如何调节柱温；

(3)改变柱温后，是否需要改变进样温度和检测器温度；

(4)利用纯物质保留值对照定性一定可靠吗？本实验条件下，如何提高定性的可靠性？

(1)毛细管气相色谱仪为何采用分流技术并增加柱后尾吹装置，如何调节分流比提高分离效率；

(2)该实验为何配用氢火焰离子化检测器；能否使用热导检测器？

(3)该实验中为何使用甲烷气测定死时间，能否用空气代替？

上述预习思考题的布置一方面促使学生复习书本知识，另一方面将理论知识与实验操作相结合，可提高学生的学习兴趣。此外，学生通过实验预习可以更快地熟悉实验内容，在进行实验操作时能更好地进入状态。

实验课上基于预习思考题对学生提问，在回答“改变柱温时，进样温度和检测器温度是否需要随之改变”这一问题时，很多学生的答案是“需要改变”。通过分析“设置进样温度和检测器温度的目的”以及分析“本实验所用的试样”后，学生掌握了对于同一试样，当柱温增加时，不需要改变进样温度和检测器温度；而对于不同的试样则需按照被分析物的沸点设置不同的温度。

解释柱温对分离度的影响时，通过“温度对碳酸饮料中二氧化碳浓度的影响”类比启发学生思考；在分析分流比对分离度的影响时，以“分流比对进样量和流速有何影响”问题启发引导学生，通过类似启发式教学，使得学生理解并掌握基本理论。

在毛细管气相色谱实验教学过程中，首先介绍总流量、柱内流量和分流(排空)流量之间的关系，以及保持较高总流量和增加柱后尾吹装置的必要性。通过与填充柱体积的对比，使得学生理解为何毛细管柱要采取分流进样。学生初次接触仪器分析实验因对仪器不熟悉，在调节仪器“分流比”时要花费很多时间。通过分析在总流量保持一定的前提下，几个参数如“分流比与柱内流量的关系”以及“柱内流量与死时间和柱前压力之间的关系”提高学生的实验思维能力：即柱前压力越大，表示柱内流量越大、死时间越短、分流比越小。因此若需降低分流比，表明需要增大柱内流量，则调节分流阀使得柱前压力增大；反之则调节分流阀使得柱前压力降低，即通过柱前压力的变化定性改变分流比的变化方向。

实验结束后布置课后思考题，并要求学生写在实验报告中，通过完成这些思考题进一步加深学生对理论知识的理解。

(1)如何通过调节柱温和载气流量提高分离度、减少峰的拖尾？

(2)什么情况下采用面积归一化法定量，它有什么特点？

(3)用保留时间对照定性时，是否需要严格控制操作条件，为什么？

(1)为什么毛细管气相色谱具有较高的柱效，它与填充柱气相色谱在结构上有什么差异？

(2)氢火焰离子化检测器的应用范围及特性？

(3)检测时为何需要控制氢气空气流量比？

在设定的初始条件下，吸取0.5 μL混合试样或100 μL空气，进样并记录色谱图，在色谱工作站查看相邻色谱峰的分离度及每个峰的对称因子；固定其他操作条件，改变色谱柱温，重复上述操作；在分离度和峰对称度均较优的柱温条件下，改变载气的流量，重复上述操作；总结柱温和载气流量对分离度、保留时间和对称度的影响；最后通过优化柱温和载气流量，使得混合试样中相邻组分之间的分离度大于1.5，且每个峰的对称性良好(峰的对称因子在0.6–1.8之间)，保留时间尽量短。上述三个参数的优先顺序如下：分离度>对称因子>保留时间。

在进样温度、进样量和载气流量等条件固定时，首先测试混合试样在不同柱温下的气相色谱图，分析结果列于表1。由表1可知，随着柱温的升高，空气的死时间基本不变，而每个组分的保留时间变短、相邻组分之间的分离度降低(表1中是第二个组分和第三个组分之间的分离度)，保留时间最短的色谱峰(峰1)的对称性降低、保留时间最长的色谱峰(峰5)的对称性有所改善。由以上结果得到如下结论：柱温对死时间几乎没有影响，表明空气几乎不与固定相作用；柱温对分离度的影响是单向变化的，但其对各组分峰的对称性影响不一，因此应通过条件优化选择合适的柱温。

表2是在其他条件固定时，载气流量对分离效率的影响结果。由表2可知，随着流量的增大，死时间和各组分的保留时间均变短、各组分峰的对称性均有所改善，但相邻组分之间的分离度先增加而后降低。

经过多次实验后，学生发现混合试样中第二和第三组分的保留时间接近、分离度较难调节到1.5以上，而第一个组分和第五个组分的对称度容易超出规定的范围。通过对上述两组实验结果的分析，总结出以下规律：降低温度可提高分离度，适当增加载气流速可提高色谱峰的对称度。经过多次实验后，每组学生均能顺利完成实验要求，且通过该实验加深了对书本上“分离操作条件的选择”这部分内容的理解。

对实验进展比较顺利的小组，鼓励他们再研究进样量和进样温度的影响。通过实验，学生得出以下结论，“进样温度的改变几乎不影响分离效果，但进样量的增加使得分离度降低、各组分的保留时间延长、色谱峰拖尾严重且对称性降低”。

在最优流量和柱温条件下，吸取0.2 μL标准纯物质进样，记录各标准物质的保留时间。对照同条件下的混合试样色谱图，根据出峰的先后顺序可知混合试样中的5个组分分别是丁酮、环乙烷、正庚烷、甲苯和乙酸正丁酯。通过定性实验，学生发现即使控制操作条件不变，同一物质的保留时间也不完全相同，对利用保留值定性的不足有了感性认识。经过启发，学生提出了解决的办法，“将纯物质加入混合试样，通过比较相对峰高的变化，可提高对混合试样定性的可靠性”。

本校气相色谱仪已经使用多年，许多仪器的遥控器也已损坏。在实际操作时，通常一名学生负责清洗注射器、取样、进样，另一名学生负责点击色谱工作站的相应图标。初次实验时，为了使得“进样”操作和工作站的“开始进样”保持一致，负责取样的学生在注射器完全插入进样系统后口数“1、2、3”，然后才将样品注射进去。如此操作大多情况下得到的色谱峰很宽，个别情况下得到有8–10个峰的色谱图：在每一个主峰前面有一个未完全分离的小峰。为解决上述问题，通过加快进样速度并分析比较不同进样速度下的色谱图，学生清楚了进样时间过长使得峰变宽的原因，在后续的实验中改变了不良的操作习惯。

通过毛细管气相色谱实验，希望学生学习掌握分流比的调节(图1是毛细管柱分流进样示意图)以及氢火焰离子化检测器的使用。在设定的操作条件下，吸取10 μL甲烷气或0.1 μL混合试样、进样；用皂膜流量计测定分流出口的流量(q_r)。调节分流阀旋钮，待基线平稳后重复上述操作，总结分流比对分离度和保留时间的影响。

柱内流量(q_c)通过测定甲烷气的保留时间经下式计算得到。

(1) $q_{\mathrm{c}}=\pi r^{2} \frac{L}{t_{\mathrm{m}}}$

式(1)中q_c是柱内载气流量，r为毛细管柱半径，L为毛细管柱长，t_m是死时间、此处用甲烷气的保留时间表示；分流比= q_r/q_c。

混合物在不同分流比下的色谱分析结果列于表3。由表3可知，随着分流比的增加，甲烷气的死时间和各个组分的保留时间均增大，相邻组分之间的分离度也随着增大，但各组分峰的对称因子没有明显变化，表明试样在毛细管中的扩散较小。

另外，学生在实验过程中发现，增加氢气流量比较容易点火；在一定氢气流量下，随着空气流量的增大，信号灵敏度增加。通过该实验，学生对氢火焰离子化检测器的操作条件以及毛细管柱色谱的特性有了一定的了解。

理论塔板数或有效塔板数是评价色谱柱效的指标，根据式(2)和式(3)可以计算色谱柱对不同样品的柱效。式中t_R，t_R^'和Y_1/2分别是各组分的保留时间，调整保留时间和半峰宽。

(2) $n_{理论}=5.54\left(\frac{t_{R}}{Y_{1 / 2}}\right)^{2}$

(3) $n_{有效}=5.54\left(\frac{t_{R}^{'}}{Y_{1 / 2}}\right)^{2}$

根据色谱数据结果，计算出混合试样中各组分在不同分流比下的理论塔板数和有效塔板数，结果见表4。由表4可知，随着分流比的增加，毛细管柱对同一组分的理论塔板数和有效塔板数均增大；而在同一个分流比下，保留时间长的组分其有效塔板数和理论塔板数亦较大。由于有效塔板数扣除了死时间的影响，各组分的有效塔板数远低于其理论塔板数，因而更能反映真实的柱效。

由以上实验结果可知，在填充柱色谱中，试样中各组分的色谱半峰宽较大(0.1–0.4 min)且随着组分保留时间的延长而增大，各组分色谱峰的对称因子差异较大；但同一组分在毛细管柱上的保留时间和半峰宽(0.03–0.04 min)显著降低；同一试样中不同组分的半峰宽亦相近，各色谱峰的对称因子均接近1.0。组分的峰展宽变窄表明毛细管色谱柱有效抑制了涡流扩散和传质阻力，使其具有更高的柱效和灵敏度。

作为仪器分析理论课程教学的基础，实验课程的教学至关重要，将理论知识融合至实验教学中不仅可以加深学生对理论的理解，培养学生的科研思维，更能够提高学生分析问题、解决问题的能力。经过实验实践，学生有了很多心得体会，如“掌握了根据柱前压调节分流比的原理”“进样速度太慢导致色谱峰变宽、拖尾严重”等。希望本文的教学实例给实验教学提供新的思路，为提高学生的学习兴趣提供帮助。