核磁共振波譜儀引入儀器分析實驗教學的探索

王　聰, 王遠紅, 王　義, 張秀麗

(中國海洋大學 醫藥學院, 山東 青島　266003)

?

核磁共振波譜儀引入儀器分析實驗教學的探索

王聰, 王遠紅, 王義, 張秀麗

(中國海洋大學 醫藥學院, 山東 青島266003)

探索將核磁共振波譜儀引入儀器分析實驗教學課程。從利用多媒體設備講授理論知識、簡化上機操作步驟、創新實驗內容及制定合理科學的課程評價體系等方面,介紹了將核磁共振波譜儀引入儀器分析實驗教學的具體實施方案。實驗課程內容理論聯系實際,可激發學生探索科學的積極性,提高他們的動手能力和科研能力,為實現高校創新人才培養打下基礎。

核磁共振波譜儀； 儀器分析實驗； 實驗教學

儀器分析是高等院?；瘜W和藥學等專業的基礎課程,將儀器分析實驗納入實驗教學中,是高等院校實驗教學改革的重大課題。隨著儀器的不斷更新換代及新儀器的出現,儀器分析實驗課程也需要突破傳統教學模式,以發展的眼光看待儀器分析實驗教學,及時改進教學方法和教學內容,實現與時俱進的改革[1-6]。

目前，分光光度計、紅外光譜儀等儀器已經比較成熟地用于高等院校實驗教學中，但核磁共振波譜儀等貴重且操作和維護比較復雜的儀器多用于科研工作中,在本科生實踐教學中極少涉及[7-10],大多數學生對該類儀器只有粗淺的認識和基本識圖、解圖能力。

有機波譜解析、有機化學和儀器分析是中國海洋大學醫藥學院藥學專業的基礎課程,課程內容涉及核磁共振波譜解析,而核磁共振波譜是進行化合物結構鑒定最重要的工具。筆者對核磁共振波譜儀引入儀器分析實驗教學進行了探索,主要包括理論講授、實踐操作及課程評價3方面的內容。該課程的實施可調動學生學習的積極性,培養學生正確掌握和使用先進的儀器設備,提高他們的動手能力和科研能力。

1　采用多媒體教學講授理論知識

夯實理論知識基礎是學好儀器分析課程的第一步。核磁共振分析實驗教學可以幫助學生學習核磁共振波譜的基本概念和基本理論[10]。核磁共振分析課程的理論知識比較枯燥,在核磁共振分析實驗教學中可以借助多媒體教學,把抽象深奧的微觀過程、儀器的外觀與內部構造等,以直觀、形象、圖文并茂的形式表現出來,既能激發學生的學習興趣,又有利于學生對教學內容的理解和掌握,彌補傳統教學方式直觀感、立體感和動態感不足的問題,使一些抽象、難懂的內容變得易于理解和掌握。

此外,因為核磁實驗室空間有限,學生人數比較多,在現場演示上機操作,難以保證教學效果,而多媒體教學彌補了這方面的不足,大大提高了教學質量和教學效率。該課程的理論教學部分著重講述3方面內容。

1.1核磁共振波譜儀的發展歷史

講述核磁共振波譜儀的發展歷史,有助于激發學生對核磁研究的興趣。1942年,O.Stern用分子束技術測定了質子的磁矩；2010年,全球首臺1 000MHz核磁共振波譜儀在法國里昂安裝成功,有8位科學家因在核磁共振方面的突出貢獻而獲得了諾貝爾物理獎、化學獎等。現在，核磁共振技術已經發展成為理論最嚴密、技術最先進、結果最可靠的儀器分析技術,被廣泛應用于有機分子結構鑒定、藥物篩選、質量控制、組合化學等領域,成為科技人員不可缺少的結構分析工具。

在此教學環節,以核磁共振精彩的發展史,告訴學生核磁共振波譜儀在科學領域的重要作用,激發學生的學習熱情。

1.2核磁共振波譜儀的基本原理、構造、分類

核磁共振是一種用來研究物質分子結構及物理特性的光譜學方法,其基本原理是進行科學研究和實驗需要掌握的基礎知識。核磁共振研究的是具有磁矩的原子核,還需具有外磁場和射頻磁場,并滿足射頻磁場的頻率等于自旋核的進動頻率的條件。核磁共振波譜儀主要由磁鐵、射頻發生器、射頻接收器、探頭、掃描發生器等組成。按照射頻的不同,核磁共振波譜儀可分為400MHz、500MHz、600MHz等；按射頻照射方式的不同,還可分為連續波核磁共振波譜儀(CW-NMR)、脈沖傅里葉變換核磁共振波譜儀(PFT-NMR)。在對核磁共振理論介紹的基礎上,結合實際儀器講解其組成及用途,更能加深學生的認識和理解。

1.3核磁共振波譜儀的操作方法及譜圖處理

樣品測試及譜圖處理方法是整個理論授課的重點,也是難點。在學生上機操作前,要將操作步驟及樣品配制的注意事項等制作成視頻資料,對學生進行詳細的講解,這同時也解決了核磁室空間有限、上機操作講解困難的問題。操作視頻資料可以清楚明了地向每個學生展示規范的操作,對于操作的關鍵步驟還可以重復播放,達到強化訓練的目的。課下,學生可以隨時對實驗內容進行復習,既規范了實驗操作,又節約了實驗時間,達到了事半功倍的效果。

2　簡化上機操作步驟,創新實驗教學內容

2.1簡化上機操作步驟,保證學生上機操作質量

由于儀器分析實驗課課時有限,需要編寫宏命令,簡化實驗操作步驟。將采樣常規設置(如掃描時間、譜寬設置、掃描次數等)參數編寫在一個宏命令里,使用者只需完成取樣、放樣、建立文件名、鎖場、勻場、采集這6個步驟,即可操作儀器完成數據采集。在數據采集過程中,要向學生講解重要參數設置的目的及其對測試結果的影響,使學生對測試條件有更全面的了解,采集到效果比較理想的譜圖。

在數據處理方面,需要編寫打印宏命令,設置打印模板,將峰的強度、位移坐標、譜圖格式等參數固定,這樣每次處理譜圖時,只要調出自己的模板即可,無需再重新設定參數,大大縮短了處理譜圖的時間[11]。教師可以將節約的時間用于演示和講解處理圖譜的方法與注意事項,包括基線校正、相位調節、標峰、積分等。上機操作采用分組形式,與其他儀器分析實驗同時進行,切實保證每個學生都有上機操作的機會,調動學生學習操作貴重儀器的積極性,對大型設備不再有望而卻步的畏懼心理。

2.2創新實驗教學內容,培養創新人才

高校肩負著培養創新型人才的重任,高校教師要通過營造創新環境、改進教學方法和教學內容,努力創造條件,引導更多的學生跨入科學實驗的門檻,參與科研活動,激發學生的科研熱情,完成對學生創新能力的培養。核磁共振波譜分析實驗教學內容要結合前沿核磁共振研究,選擇新穎、實用的化合物進行分析,避免課本上過時的化合物分析。另外所選擇的化合物峰形裂分要有代表性,能夠驗證理論知識。

例如,可以選擇布洛芬(2-[對-異丁苯基]-丙酸)。該化合物結構簡單,結構中包含苯環、羧基、甲基(CH3)、亞甲基(CH2)、次甲基(CH)等信號,涵蓋信息全面且有代表性,核磁共振氫譜(1H-NMR)裂分符合n+1規律。教師引導學生從化學位移與官能團(基團)關系、信號峰的裂分與相鄰官能團質子數關系、積分面積與質子數等幾處入手,對氫信號進行一一歸屬。以2位CH為例,受相鄰羧基和苯環的影響向低場位移,δ值增大,化學位移應為δ=3.70～3.74；根據n+1規律,該信號峰被相鄰的CH3裂分為四重峰；通過對該處信號峰進行積分,積分面積為1,驗證了此處有一個氫質子。圖1所示為實驗產生的譜圖。學生通過認真解析譜圖,與理論知識相互驗證,既提高了分析圖譜解決問題的能力,也創造了一個有機波譜理論與實驗相結合的機會。

圖1　布洛芬結構式及1H-NMR(in d6- Acetone)

為了讓學生更全面地了解核磁共振技術的應用及最前沿的發展動態,在向學生講授定性結構解析知識的同時,還可向定量測定知識擴展。核磁共振定量技術具有傳統方法不可比擬的優勢,它作為一種新型的定量技術,已成為藥物定量分析的一種重要手段。以生活中常用的布洛芬緩釋膠囊為例[12],向學生講授核磁共振定量技術的原理、方法及發展前景,使學生所學到的知識在生活中得到了應用。理論結合實際、科學走進生活,既調動了學生對實驗的興趣與積極性,又提高了學生解決實際問題的能力。

3　建立科學的課程評價體系

課程評價是檢驗教學質量的重要手段,不僅能夠檢驗學生的學習效果,還可讓教師及時發現實驗教學中存在的不足,改進教學方法、提高教學質量?？茖W的課程評價能夠全面、公正地反映學生實驗課程學習的真實水平,有利于激發學生自主訓練和探索精神,培養求真務實的學風。使學生做到課前充分預習,課上積極主動,課下認真分析實驗數據。

針對傳統課程評價體系單純依靠實驗報告評分的弊端,可將教學考核過程分解為課堂提問、基本操作、

實驗數據處理及討論等不同內容,對每一部分內容分別賦予不同比重的分值進行量化打分。學生對于實驗數據、譜圖處理方面的問題和對實驗的深入探討,可以通過微信平臺等網絡工具隨時進行交流,教師答疑解惑,其他學生也可參與進來,獲得知識的補充。這不僅能夠使問題得到及時有效的解決,而且縮短了師生間的距離,促進了師生聯系。如果學生還有疑問,可預約時間請教師現場解答。

4　結語

核磁共振波譜儀引入儀器分析實驗課程,將有機波譜解析、有機化學和儀器分析3門主要課程聯系起來,有利于學生將核磁共振知識融會貫通,不僅掌握核磁共振波譜儀的構造、原理及使用方法,同時緊跟核磁共振技術前沿,加強了理論知識在實踐中的應用。該課程的實施,有助于高校創新型人才的培養,提高學生實驗操作技能,激發他們探索科學的積極性,并為他們以后走上工作崗位奠定基礎。

References)

[1] 陳巖,高先池,楊桂朋.改進儀器分析實驗教學的思考[J].實驗科學與技術,2012,10(6):104-108.

[2] 呂海濤.儀器分析實驗教學改革的探索與實踐[J].實驗室科學,2011,14(3):16-18.

[3] 張大偉,韋軍.現代儀器分析實驗課教學改革與實踐[J].實驗技術與管理,2009,26(12):117-118.

[4] 龍小玲,蘇慶平,陳文,等.儀器分析實驗教學改革初探[J].實驗科學與技術,2009,7(2):88-90.

[5] 賈長英,張曉娟,張丹陽.現代儀器分析及其教學改革[J].化工高等教育,2007(2):45-47.

[6] 遲玉廣，李中陽，劉國光，等.現代儀器分析課程教學改革與實踐[J].廣東化工,2011,38(6):225,227.

[7] 顧鳳岐,陳立君,秦凱倫.構建開放共享大平臺提高大型儀器設備使用率[J].實驗室研究與探索,2010,29(7):328-330.

[8] 李麗.儀器分析實驗教學改革初探[J].西北民族大學學報:自然科學版,2010,31(1):84-86.

[9] 阮尚全,劉凱,邱艷,等.基于貴重儀器培養學生科研創新能力探索[J].內江師范學院學報,2010,25(10):88-90.

[10] 鄭超,陳潤鋒,周廣榮.原理性和研究性核磁共振實驗教學探索與實踐[J].實驗技術與管理,2011,28(10):130-133,137.

[11] 林沛和.HNMR在本科基礎有機化學實驗教學中的應用[J].實驗室研究與探索,2005,24(6):76-77.

[12] 張秀麗,王聰,任素梅,等.緩釋膠囊中布洛芬含量的核磁共振波譜定量分析方法研究[J].中國海洋藥物,2014,33(1):11-16.

ExplorationonapplicationofNMRinexperimentalteachingofinstrumentalanalysis

WangCong,WangYuanhong,WangYi,ZhangXiuli

(SchoolofMedicineandPharmacy,OceanUniversityofChina,Qingdao266003,China)

IthasbeenactivelyexploratedontheapplicationofNMRfortheexperimentalteachingofinstrumentalanalysis.Threeaspectsaredescribedfromteachingtheoreticalknowledgebymultimedia,simplifyingoperationprocedure,innovativingexperimentcontent,andmakingreasonablescientificcurriculumevaluationsystem.Bymeansoftheoryandpractice,theconcreteimplementationplanisintroducedontheapplicationofNMRintheexperimentalteachingreformofinstrumentalanalysis.Thecoursecontenthasthefeatureoftheorywithpractice,whichcanstimulatestudentstoexploretheenthusiasmofscience,improvetheirpracticalabilityandscientificresearchlevel,andlayafoundationforhighlevelcollegesanduniversitiestraininginnovativetalents.

nuclearmagneticresonance(NMR)spectrometer;instrumentalanalysisexperiment;experimentalteaching

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.039

2016-01-26

藥學自主實驗性實驗課程建設研究項目(2015M005)；中國海洋大學本科教育教學研究立項項目(2014ZD01)；高?；究蒲袠I務費實驗室研究基金項目(20125101)

王聰(1986—),女,山東菏澤,碩士,實驗師,研究方向為核磁共振波譜儀的管理與應用

E-mail：wangcong0525@163.com

張秀麗(1979—),女,山東菏澤,碩士,實驗師,研究方向為核磁共振波譜儀的管理與應用.

E-mail：xiulizhang@ouc.edu.cn

O657；H191

A

1002-4956(2016)7-0160-03