以四大光譜綜合解析為導(dǎo)向的光譜分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

洪戰(zhàn)英，聞 俊，趙靖霞，趙衛(wèi)權(quán)，李 玲，柴逸峰，范國(guó)榮

(1.第二軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院,a.藥物分析學(xué)教研室;b.分析測(cè)試中心；2.上海市藥物(中藥)代謝產(chǎn)物研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200433)

·藥學(xué)教育·

以四大光譜綜合解析為導(dǎo)向的光譜分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

洪戰(zhàn)英1a,2，聞 俊1a,2，趙靖霞1b，趙衛(wèi)權(quán)1a,2，李 玲1b，柴逸峰1a,2，范國(guó)榮1a,2

(1.第二軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院,a.藥物分析學(xué)教研室;b.分析測(cè)試中心；2.上海市藥物(中藥)代謝產(chǎn)物研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200433)

以綜合解析為導(dǎo)向的光譜分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)，旨在通過(guò)對(duì)未知化合物紫外光譜、紅外光譜、核磁共振波譜及質(zhì)譜數(shù)據(jù)的采集與分析，模擬新藥研發(fā)過(guò)程中采用四大光譜確定未知化合物結(jié)構(gòu)的流程，加深學(xué)生對(duì)光譜法基本理論知識(shí)的理解，訓(xùn)練學(xué)生規(guī)范操作光譜分析儀器，促進(jìn)學(xué)生形成光譜綜合解析的基本思路，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)；光譜分析；綜合解析

《儀器分析》是一門(mén)講授以物質(zhì)的物理或者物理化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，使用較特殊儀器進(jìn)行分析的方法學(xué)課程[1]。作為藥學(xué)專業(yè)一門(mén)實(shí)踐性、應(yīng)用性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，儀器分析實(shí)驗(yàn)更是可以讓學(xué)生直觀的感受儀器的構(gòu)造，了解當(dāng)今現(xiàn)代化的分析儀器在藥學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，從而激發(fā)學(xué)生的專業(yè)熱情[2]。因此開(kāi)設(shè)高質(zhì)量、具有藥學(xué)專業(yè)特點(diǎn)的儀器分析實(shí)驗(yàn)勢(shì)在必行。筆者根據(jù)多年實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合新藥研發(fā)中化合物結(jié)構(gòu)解析的相關(guān)研究經(jīng)歷，從提高學(xué)生分析問(wèn)題能力和增加專業(yè)學(xué)習(xí)興趣角度出發(fā)，開(kāi)設(shè)了以光譜綜合解析為導(dǎo)向的紫外光譜、紅外光譜、核磁共振波譜和質(zhì)譜四合一的光譜分析法實(shí)驗(yàn)系列，采用分組輪轉(zhuǎn)與學(xué)生單人操作的方式，完成光譜實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練任務(wù)，取得了良好的教學(xué)效果。

1 突出專業(yè)特點(diǎn)，明確實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的

光譜分析法作為儀器分析的重要組成部分，在藥學(xué)研究中主要用來(lái)對(duì)藥品及先導(dǎo)化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、含量測(cè)定等?！陡叩葘W(xué)校藥學(xué)本科專業(yè)規(guī)范》指出，藥學(xué)專業(yè)培養(yǎng)的是具備藥學(xué)學(xué)科基本理論、基本知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，能夠從事藥物研究與開(kāi)發(fā)、藥物生產(chǎn)、藥物質(zhì)量控制、藥物臨床應(yīng)用等方面工作的專門(mén)技術(shù)人才[3]。因此在實(shí)驗(yàn)設(shè)置上，應(yīng)該緊緊圍繞這一培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合新藥研發(fā)中的典型任務(wù)，抓住未知化合物結(jié)構(gòu)解析這一中心環(huán)節(jié)，結(jié)合光譜分析實(shí)驗(yàn)基本要求，設(shè)計(jì)出基于光譜綜合解析的光譜分析實(shí)驗(yàn)系列。

有別于以往光譜分析實(shí)驗(yàn)示教為主的授課形式，本次光譜綜合實(shí)驗(yàn)系列的教學(xué)目的要求學(xué)生在了解儀器構(gòu)造和掌握基本原理的基礎(chǔ)上，動(dòng)手操作儀器，進(jìn)行光譜采集，然后根據(jù)光譜提供的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)未知化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析，模擬新藥研發(fā)過(guò)程中采用四大光譜確定未知化合物結(jié)構(gòu)的流程，使學(xué)生在親自實(shí)踐的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步了解不同光譜儀器應(yīng)用特點(diǎn)，掌握光譜解析的基本思路，并在一定程度上加深對(duì)基本理論知識(shí)的理解和藥學(xué)專業(yè)特點(diǎn)的把握。

2 結(jié)合教學(xué)目的，篩選合適實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)對(duì)象的選擇是開(kāi)設(shè)本次光譜四合一實(shí)驗(yàn)系列的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度直接影響了光譜綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果：簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)容易解析，但是會(huì)損失掉部分特定結(jié)構(gòu)、功能團(tuán)相關(guān)光譜信息的知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)也會(huì)讓學(xué)生覺(jué)得沒(méi)有挑戰(zhàn)性；復(fù)雜結(jié)構(gòu)涵蓋了眾多的數(shù)據(jù)信息，其難度卻會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒?；诮虒W(xué)目的之一是期望通過(guò)光譜綜合解析實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)化合物結(jié)構(gòu)解析的過(guò)程，了解藥物研究中結(jié)構(gòu)解析基本思路，因此結(jié)合理論教學(xué)的大綱要求，選擇具有苯環(huán)、羰基、氨基、羥基、雙鍵等主要官能團(tuán)的化合物為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。從藥學(xué)專業(yè)特點(diǎn)角度出發(fā)，我們認(rèn)為選擇現(xiàn)有的藥物可以提升實(shí)驗(yàn)中學(xué)生的認(rèn)知感，也方便實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。

基于上述考慮，最終選擇了乙酰水楊酸、水楊酸、對(duì)乙酰氨基酚和對(duì)氨基酚4個(gè)化合物為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其中乙酰水楊酸和對(duì)乙酰氨基酚均為臨床上常用的解熱鎮(zhèn)痛藥，水楊酸和對(duì)氨基酚分別為上述兩個(gè)藥物的主要雜質(zhì)。所選的4個(gè)化合物都具有苯環(huán)，因此具有特征的紫外吸收光譜和核磁共振波譜；具有的羥基活潑氫在紅外光譜和核磁共振波譜上也均會(huì)有較為特征的顯示；其中前3個(gè)化合物還具有羰基基團(tuán)，后兩者還具有氨基基團(tuán)，基本滿足了實(shí)驗(yàn)對(duì)象選擇原則。

3 采用分組輪轉(zhuǎn)方式，合理使用儀器設(shè)備

四大光譜分析用的儀器除紫外光譜儀之外，紅外光譜儀、質(zhì)譜儀和核磁共振波譜儀都屬于大型精密貴重儀器，以往實(shí)驗(yàn)課主要采用教師示教的方式，學(xué)生以聽(tīng)老師講解為主，而不能自己動(dòng)手操作，這樣的授課方式讓實(shí)驗(yàn)效果大打折扣。本著讓每個(gè)學(xué)生盡可能接觸儀器的原則下，將實(shí)驗(yàn)班次分成4個(gè)小組，采用輪轉(zhuǎn)方式進(jìn)行，每個(gè)小組帶著老師分給的化合物到不同的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)光譜實(shí)驗(yàn)。這種分組輪轉(zhuǎn)的模式，大大地減少每個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器前的學(xué)生數(shù)量，增加了學(xué)生動(dòng)手操作的時(shí)間。

紫外光譜儀作為較常用的小型儀器設(shè)備，在簡(jiǎn)要介紹其結(jié)構(gòu)和基本操作，由學(xué)生對(duì)未知樣品進(jìn)行單人操作，完成繪制吸收光譜、選擇最大吸收波長(zhǎng)、測(cè)定該波長(zhǎng)處的吸光系數(shù)以及建立一條工作曲線等訓(xùn)練。紅外光譜實(shí)驗(yàn)、質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)和核磁共振波譜實(shí)驗(yàn)在示教的基礎(chǔ)上增加了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的過(guò)程。帶教老師采用基本原理提問(wèn)的方式，帶領(lǐng)學(xué)生了解儀器的基本構(gòu)造；以一已知化合物為例演示光譜采集的操作，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的光譜分析，在這個(gè)過(guò)程中，教師特別強(qiáng)調(diào)操作的規(guī)范性，例如紅外壓片的取樣量，研磨的手法；質(zhì)譜中樣品濃度的選擇，離子化過(guò)程中電壓的調(diào)節(jié)；核磁共振波譜中樣品的溶劑選擇與溶解等。示教之后，各組學(xué)生在準(zhǔn)備室進(jìn)行樣品準(zhǔn)備，逐一親自上機(jī)操作，獲得各自的圖譜。然后老師再通過(guò)比較每位同學(xué)獲得圖譜的差異，強(qiáng)調(diào)樣品處理過(guò)程的關(guān)鍵步驟。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)方式，不論是逐一上機(jī)操作還是單人單機(jī)操作，都實(shí)實(shí)在在的訓(xùn)練了學(xué)生對(duì)各種儀器基本操作技能，實(shí)驗(yàn)中遇到了共性問(wèn)題由老師組織大家交流討論，啟發(fā)思維，引導(dǎo)學(xué)生不斷的修正實(shí)驗(yàn)思路，突出學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的主觀能動(dòng)性。

4 實(shí)驗(yàn)報(bào)告結(jié)合幻燈匯報(bào)，鞏固實(shí)驗(yàn)成效

通過(guò)四次輪轉(zhuǎn)的光譜實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生們獲得了未知化合物的典型圖譜，在老師的指導(dǎo)下，基本確定了光譜解析的思路，完成光譜綜合解析報(bào)告。在綜合解析報(bào)告的基礎(chǔ)上，我們要求每組學(xué)生以電子幻燈的形式有條理的匯報(bào)本次光譜綜合實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果。學(xué)生們首先計(jì)算出不飽和度，然后根據(jù)紅外光譜找出具有代表性的官能團(tuán)；根據(jù)核磁共振波譜將主要的氫進(jìn)行歸屬；利用質(zhì)譜驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性；而紫外光譜獲得的吸收峰個(gè)數(shù)及吸收帶強(qiáng)弱也進(jìn)一步驗(yàn)證了化合物結(jié)構(gòu)的正確性。同時(shí)學(xué)生們還通過(guò)比較小組內(nèi)的不同譜圖，指出實(shí)驗(yàn)操作的注意點(diǎn)，例如：化合物含水量高，在核磁共振波譜中可能會(huì)出現(xiàn)水峰；壓片用樣品量會(huì)影響紅外光譜圖上部分峰的辨認(rèn)；樣品濃度太高會(huì)使紫外光譜吸光度值超過(guò)1，影響吸光系數(shù)計(jì)算等。

這個(gè)過(guò)程正是從理論到實(shí)踐教學(xué)的一次有益嘗試，使得原本各自獨(dú)立的光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)在“綜合解析”的引導(dǎo)下，被有機(jī)地整合在一起，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)了光譜分析法基本理論的基礎(chǔ)上，充分了解光譜分析在藥學(xué)研究中的應(yīng)用，系統(tǒng)掌握了光譜分析實(shí)驗(yàn)操作的基本技術(shù)，經(jīng)歷了對(duì)未知化合物進(jìn)行光譜綜合分析的實(shí)驗(yàn)研究思路，在實(shí)踐中加深了學(xué)生對(duì)某些特殊基團(tuán)光譜特征的理解。同時(shí)以綜合解析為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，進(jìn)一步加強(qiáng)了學(xué)生在實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)中的主體地位，由學(xué)生自行采集的未知化合物的四大光譜并加以解析，更加貼近實(shí)際的科研工作狀態(tài)，在一定程度上調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，促進(jìn)他們不斷溫習(xí)、積極思考，提高了學(xué)生自學(xué)能力。

5 小結(jié)

在實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中，仍然有部分內(nèi)容需要進(jìn)一步改進(jìn)，以更好的提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果：首先是完善綜合解析實(shí)驗(yàn)講義，增加預(yù)習(xí)導(dǎo)讀部分，以問(wèn)題為導(dǎo)向讓學(xué)生全面復(fù)習(xí)所學(xué)理論知識(shí)，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)順利進(jìn)行，讓學(xué)生抓住每個(gè)光譜分析實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)有目的地采集相關(guān)數(shù)據(jù)；其次是教師轉(zhuǎn)變角色，在授課過(guò)程中不僅僅突出本實(shí)驗(yàn)所要傳遞的信息，還應(yīng)該聯(lián)系學(xué)生已經(jīng)完成的光譜一同進(jìn)行交流與討論，實(shí)現(xiàn)多維互動(dòng)；第三，精心選擇實(shí)驗(yàn)對(duì)象，未知化合物不僅要現(xiàn)實(shí)可行，還必須涵蓋必要的光譜特征，今后可以適當(dāng)增加一些新的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，拓展深度與廣度。

總之，以綜合解析為導(dǎo)向的四合一光譜分析實(shí)驗(yàn)將紫外光譜、紅外光譜、質(zhì)譜和核磁共振波譜的基本知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，在教學(xué)實(shí)踐中系統(tǒng)地訓(xùn)練了學(xué)生光譜儀器的規(guī)范化操作，使樣品處理、光譜采集與結(jié)構(gòu)解析有機(jī)結(jié)合，充分鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，大大提高了教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力打牢基礎(chǔ)，為后續(xù)藥學(xué)多學(xué)科實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展提供了系統(tǒng)的光譜綜合解析的研究思路。

[1] 李發(fā)美. 分析化學(xué)[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2011：4.

[2] 楊 云, 李銀環(huán), 慕 慧. 深化分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革 培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力[J]. 西北醫(yī)學(xué)教育，2010,18(5)：987.

[3] 余 鵬, 牟玲麗. 藥學(xué)專業(yè)儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探討[J]. 中國(guó)醫(yī)藥導(dǎo)報(bào)，2011,8(8)：104.

Thepracticeofspectrumanalysisexperimentteachingbasedoncomprehensivestructureidentification

HONG Zhan-ying1a,2, WEN Jun1a,2, ZHAO Jing-xia1b, ZHAO Wei-quan1a,2, LI Ling1b, CHAI Yi-feng1a,2, FAN Guo-rong1a,2

(1.School of Pharmacy, Second Military Medical University,a.Department of Pharmaceutical Analysis; b.Analysis and Test Center, Shanghai 200433, China; 2.Shanghai Key Laboratory for Pharmaceutical Metabolite Research, Shanghai 200433, China)

The practice of spectrum analysis experiment teaching based on comprehensive structure identification was to simulate the procedure of elucidating structure by spectroscopy methods, including UV, IR, NMR and MS in new drug research, which could help students to understand the theory of spectrum analysis, get standard instrument operating practice and form the basic thought of comprehensive structure identification with improving practical ability.

experiment teaching; spectrum analysis; comprehensive structure identification

上海市教委重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目《藥物分析》，上海市高校本科重點(diǎn)教學(xué)改革項(xiàng)目《藥學(xué)專業(yè)多學(xué)科綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)》.

洪戰(zhàn)英(1972-)，女，博士. E-mail:hongzhy_001@yahoo.com.cn.

范國(guó)榮.E-mail:guorfan@yahoo.com.cn.

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B

1006-0111(2012)05-0390-03

10.3969/j.issn.1006-0111.2012.05.021

2011-12-08

[修回日期]2012-04-23