談毛細管電泳分離異構體實驗的教與學

周　平　金姍霞（武漢大學化學與分子科學學院，武漢430072）

談毛細管電泳分離異構體實驗的教與學

周平金姍霞*
（武漢大學化學與分子科學學院，武漢430072）

以毛細管電泳分離異構體的實驗教學為例，探討了提高儀器分析實驗教學效果的有效途徑。

儀器分析；實驗；教學；探索

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隨著科學技術的進步、社會經濟的發展，儀器分析在科研、檢測、生產及生活中的應用越來越普及。在分析化學課程的教學中，儀器分析部分的重要性愈顯突出。儀器分析課堂教學側重闡述各種儀器分析方法、技術的原理，并介紹相關儀器的構造及應用。儀器分析實驗是理論教學的實踐環節。實驗在儀器分析教學中具有不可或缺的作用。以前經費有限，儀器設備昂貴，本科生在儀器分析實驗中能接觸的儀器少，稍好的設備僅供科研使用，學生無法親自上機操作，只能走馬觀花，教學效果難以令人滿意。近年來，國家經濟實力增強，加大了對高等教育的投入，高校實驗教學中心建設取得了很大進步，各種儀器設備日臻齊全，儀器分析實驗已經成為本科生分析化學教學的重要組成部分。在新的形勢下，如何才能根據課程特點做好儀器分析實驗的教學呢？此前有一些教研論文討論了儀器分析實驗教學中存在的問題，并提出了相應的教改建議［1－4］，強調教學內容和教學手段改進的重要性。在此，以毛細管電泳分離異構體的實驗為例，探討提高本科生儀器分析實驗教學效果的有效途徑。

1　合理的實驗設計

毛細管電泳分離異構體是儀器分析實驗教材中第23個實驗［5］，具體內容是利用毛細管區帶電泳分離硝基苯酚異構體。經過近十年的教學實踐及學生反饋，發現該實驗的教學效果良好，其中一個重要原因在于該實驗的實驗設計。毛細管電泳是上世紀80年代發展起來的分離技術，其分離模式眾多，應用領域非常廣。毛細管電泳非常適合用于分離核酸，曾為人類基因組計劃的提前完成做出了重要貢獻［6］。分離異構體，尤其是對映體，是其另一有特色的應用領域。分離核酸時通常需采用激光誘導熒光檢測，對儀器設備的要求較高。以異構體作為實驗的分析對象是合理的選擇，既能體現毛細管電泳的技術優勢，又考慮到了實驗對儀器設備的要求。按照教材的實驗方案進行操作，以pH 7.0磷酸緩沖液為背景電解質進行區帶電泳，鄰、間、對位3種硝基苯酚異構體可在10分鐘以內實現基線分離（圖1），出峰先后順序為間、鄰、對位異構體。學生通過實驗體驗了毛細管電泳分離技術進樣量少、分析速度快、分離效率高等特點，對其分離能力印象深刻。儀器設備是儀器分析實驗教學必需的硬件，但是僅有設備是不夠的，成功的實驗課還需要合理的實驗設計。實驗設計方案如同電影的劇本，劇本不好，想拍出好電影就難；實驗設計不合理，要獲得理想的教學效果也難。針對不同的分析儀器，設計的實驗應能展示該儀器有特色的應用領域，同時要方便學生在指定教學時間內完成實驗過程。合理的實驗設計是保證儀器分析實驗課教學效果的一個重要前提，因此，教師應該格外重視和完善儀器分析實驗設計，加強實驗教材的建設，使其真正成為實驗課程的核心教學材料。

圖1　硝基苯酚異構體的毛細管電泳圖（a）樣品由甲醇配制；（b）樣品由1:24（體積比）甲醇水溶液配制

2　專業的指導

在該實驗的教學實踐中，還能體會到實驗指導教師對于提高教學效果的突出作用。在區帶電泳分離模式中，電滲流是必須考慮的驅動力。雖然教材編寫者在實驗原理部分介紹了電滲的概念，但是還需要指導實驗的教師特別強調電滲流對于電泳分離的重要性。在實驗開始前的講解中闡明電滲流產生的原因及在分離中的作用，在實驗中分析中性分子硫脲的電泳結果，讓學生感知電滲流的存在，并引導學生思考調控電滲流的方法。通過對學生的提問交流可以發現，即使經過相關章節的課堂教學，學生對電滲的概念還是比較模糊，對電滲流的作用更是沒有認識。在教師有意識的指導下，學生在做完實驗后均能很好地領悟電滲流的重要作用。教師在實驗教學中的作用不僅體現在對重要理論知識點的準確把握，還表現在需根據實驗現象對學生進行知識引領。譬如針對3種異構體濃度相同但出峰面積有明顯差別的現象，學生有疑問，教師要引導學生去回顧紫外檢測的定量基礎——朗伯-比爾定律，并可借機解釋毛細管電泳紫外檢測器靈敏度偏低的缺點。細心的學生在實驗中發現進樣后出峰前電泳圖的基線有波動，需要教師引導學生從樣品配制方法及儀器檢測原理中找出原因。由此可見，儀器分析實驗指導教師不能僅僅指導學生操作儀器，而是要非常熟悉相關的理論教學內容，對該儀器分析方法的應用領域有全面的認識，準確把握設計實驗的教學指導思想，借助實驗現象現場啟發教學，這樣才能發揮實驗課現場教學的優勢，達到理想的教學效果。儀器分析實驗課涉及的儀器種類較多，很難要求一個教師精準掌握每種儀器分析方法，聘用多個在相應領域有研究經驗的教師分別指導對應的實驗是最佳的方案。

3　把握好儀器操作的學習

儀器操作是儀器分析實驗課的重要組成部分，是學生了解儀器構造的有效途徑。在毛細管電泳實驗中，盡管進口電泳儀具有可加壓進樣、可溫控分離通道等優點，但是價格較貴，我們在實驗教學中采用了國產儀器設備。國產電泳儀的高壓電源、毛細管分離系統、紫外檢測器、數據采集系統等模塊分列，使學生對儀器構造一目了然。該儀器操作也比較簡單，學生可在教學時間內掌握儀器操作，獨立完成實驗方案的內容。然而，不是所有儀器都能展示各部分的構造，需根據儀器特點來區別對待。以質譜儀為例，學生從外觀上能看到進樣系統、離子源、真空系統的一部分、數據采集及處理系統等，卻無法看到質量分析器、檢測器等核心器件，除非在實驗開始前拆開儀器，但這顯然是不現實的。教師在實驗教學中對儀器的構造進行現場介紹后，須對學生進行儀器操作指導。不同儀器的操作難易程度差別明顯，一些小型儀器如紅外光譜、紫外光譜等學生能較快學會，但質譜、核磁等大型儀器操作較復雜。因此，對于儀器操作也應根據具體儀器的特點適度把握，以學生能獨立操作完成實驗教材指定的相關實驗內容為標準。親自動手操作儀器對于學生掌握儀器分析理論知識的價值是不言自明的，但教師無需對儀器的應用軟件進行詳細的講授，畢竟實驗教學有時間限制，學生也難在較短時間內吸收和掌握。而且，同樣的儀器設備，不同生產廠家的應用軟件由于知識產權保護的原因多不相同，學生在以后的學習和工作中遇到不同廠家的設備，還得重新學習。因此，學生在儀器分析實驗課中，在具體儀器使用上以學會儀器的基本操作為目標，要在操作中認真領悟該儀器分析方法的特色和應用領域。對于確有對儀器操作感興趣、希望掌握儀器各項使用功能的學生，可安排實驗技術人員在課余時間進行專門培訓。

4　互動式教學

互動式教學通過師生的平等交流探討能激發學生學習的主動性和探索性，從而提高教學效果。課堂教學以講授新知識為主且內容較多，教師對互動式教學較難掌控。由于年齡特點以及崇尚內斂的文化熏陶，學生主動參與的積極性也不高。課堂教學因而多采用講授式教學。實驗課也可以采用講授式教學，對教師而言甚至更簡單一些，但是通過教學實踐發現，還是互動式教學的教學效果更好，實驗課也適合采用互動式教學。學生在上實驗課前已經通過課堂教學學習過毛細管電泳的相關理論知識，有了一定的基礎，互動就好開展。近兩年我們要求學生在上實驗課前要預習相關課堂教學的內容，就是為了達到這個目的。為做好互動式教學，教師上實驗課時要有意營造一種可輕松交流的氛圍，譬如在講解電滲現象時提問“假如在實驗室的自來水管（塑料）兩端加上直流高壓會不會產生電滲流？”，學生討論就很熱烈。實驗課上能方便地與學生近距離交流，教師要主動和學生建立平等的關系。在等待實驗結果的間隙，可以和學生簡單閑聊學習生活，拉近師生間的距離。學生在平等輕松的狀態下才會主動就實驗現象和理論問題與教師展開積極討論。教師要把握和引導交流探討的方向，調動學生動腦、動口和動手的積極性，使學生輕松學習和掌握上文所述的教學內容。

5　重視實驗報告

實驗報告是理科實驗課教學的重要環節，對于儀器分析實驗教學也是如此，要根據儀器分析實驗課的特點來對待實驗報告。在教學實踐中我們體會到，應引導學生在寫實驗報告時重點分析實驗結果，其次是影響實驗結果的因素。對實驗過程的描述則不宜過分強調，否則學生會將儀器操作的步驟包括軟件的使用詳細羅列，增加學生負擔。在毛細管電泳實驗完成后，要求學生在實驗報告中分析電壓、進樣量、緩沖液pH等條件對實驗的影響，但重點是解釋3種異構體的出峰次序。正確解析實驗結果需思考電泳淌度及電滲流淌度的大小和方向，尤其是須考慮3種異構體解離常數（pKa）的差異，絕大多數學生能找到這些原因。部分學生進一步思考3種異構體pKa值為什么存在差異，進而利用硝基的吸電子誘導效應、共軛效應等對酚羥基解離的影響進行分析。顯然，學生通過實驗深刻理解了毛細管區帶電泳的分離原理以及化合物荷電性質在區帶電泳分離中的突出作用，進而激發了他們運用相關有機化學知識解釋實驗現象的熱情。對于學生而言，書寫實驗報告是一個結合實驗現象復習領會理論知識和運用理論知識分析解決實際問題的過程；對于教師而言，從學生的實驗報告能了解儀器分析課堂教學及實驗教學的效果，洞悉教學中存在的問題，從而有針對性地改進理論及實驗教學。因此，學生和教師都應該特別重視實驗報告。學生認真書寫實驗報告、教師認真批改實驗報告是提高儀器分析實驗教學效果的有效手段。

從學生學習情況來看，每位學生均能自主操作儀器完成實驗過程，少數學生在進樣環節容易出現問題。由于實驗采用虹吸進樣，容易帶入氣泡至毛細管中引起斷流，多由進樣操作時毛細管傾斜所致，經指導后均能改正。學生對于異構體得以快速分離的實驗結果很感興趣，往往會在實驗過程中討論其分離機理。通過實驗課教學，學生對于毛細管區帶電泳分離技術的原理有了更清晰的認識，這也體現在他們的實驗報告中。大多數學生能正確回答實驗教材的思考問題：“為什么本實驗要采用pH為7左右的緩沖液分離硝基苯酚異構體？用pH為2的緩沖溶液可以嗎？”以及“若要得到流向正極的電滲流，應采取哪些措施？”。由于對上述環節的重視，該實驗課的教學取得了較好的效果。我們從中體會到，儀器分析實驗課的教學，對于教師而言不能停留在教學生操作儀器的層面，要利用實驗過程深化學生對儀器分析方法、技術原理及重要知識點的理解；對于學生而言不只是直觀了解儀器構造，要通過自主操作深刻體會各儀器分析方法的特色和應用領域。加強實驗課教材的建設，調動有教學和科研經驗的教師從事相關儀器分析實驗的教學，盡可能由學生獨立操作儀器完成實驗，靈活運用互動式教學，重視實驗報告的書寫和批改，這些是提高儀器分析實驗乃至儀器分析課堂教學效果的有效途徑。

［1］李愛峰，孫愛玲，柳仁民.大學化學，2012，27（5），30.

［2］胡萬群，張漢昌.大學化學，2011，26（5），30.

［3］周云，張連慶，林金明.大學化學，2010，25（6），48.

［4］張培敏，陳恒武，郭偉強，薛彩琴，蔣銀土，鄔建敏，張嘉捷，朱巖.大學化學，2007，22（2），10.

［5］武漢大學化學與分子科學學院實驗中心.儀器分析實驗.武漢:武漢大學出版社，2005.

［6］Dovichi，N.J.；Zhang，J.Angew.Chem.Int.Edit.2000，39（24），4463.

Discussion on Teaching and Learning of the Separation Experiment of lsomers by Capillary Electrophoresis

ZHOU PingJIN Shan-Xia*
（College of Chemistry and Molecular Science，Wuhan University，Wuhan 430072，P.R.China）

In the analytical chemistry curriculum of undergraduate education，the teaching of instrumental analysis laboratory course is getting more and more important.This paper，taking the experiment of capillary electrophoresis for isomers separation as an example，discussed the efficient approaches to improve the instrumental analysis laboratory teaching effectiveness.

Instrumental analysis；Experiment；Teaching；Discussion

O6；G64

10.3866/PKU.DXHX201510015

，Email:lock1_8@whu.edu.cn