仪器分析课程中波谱分析的教学思考

2019年第11期广东化工第46卷总第397期·223·仪器分析课程中波谱分析的教学思考葛跃伟，王峰，梁生旺，王淑美*(广东药科大学中药学院，广东广州510006)Consideration and Design of Spectral Analysis Teaching in the InstrumentalAnalysis CourseGe Yuewei,Wang Feng,Liang Shengwang,Wang Shumei*(School of Chinese Material Medical,Guangdong Pharmaceutical University,Guangzhou510006,China)Abstract:Instrumental analysis is a basic course of pharmacy related specialties,which involves the current major instrument-based medication analysis.The spectral analysis as an important method of qualitative and quantitative analysis of organic compounds is difficult to understand and learn thoroughly.In this paper, the emphasis including principle and progress teaching in the course of spectral analysis were discussed and summarized.Furthermore,on the basis of teaching experiences,the misunderstanding of spectral teaching was also demonstrated in this paper.It will provide reference for the design and reform of spectral analysis teaching in the course of instrumental analysis.Keywords:instrumental analysis；spectral analysis；teaching design《仪器分析》是一门介绍各种现代仪器分析方法的物理和化学原理、结构原理、测试原理和定性定量分析方法的课程，是药学和中药学专业的必修专业课程[1]。

《仪器分析》可以根据分析手段简单的分为光学分析、电化学分析、色谱分析及质谱分析等部分，其中波谱分析课程主要介绍用于物质结构分析的紫外光谱(UV)、红外光谱(IR)、核磁共振(NMR)、有机质谱(MS)等方面的内容，是有机化学的一个重要分支学科。

由于波谱分析课程涉及知识较为抽象，经验性较强，成为难于掌握的一部分知识，但鉴于其在药物成分的分析与鉴定方面不可或缺的作用，该部分课程是药学相关各个专业如天然药物化学、中药化学、药物分析、制药工程等所必需的专业基础知识，属必修课教授范畴[2]。

药学类多门课程均涉及到波谱分析的教学，比如《仪器分析》、《药物分析》、《天然药物化学》、《中药化学》等，以及专门的《波谱解析》课程，我们在教学过程中发现波谱课程在不同教材中的交叉严重，出现大量重复性教学，有必要厘清这部分知识在不同课程、不同专业中的侧重点，进而提升波谱分析的教学质量。

结合本教研室的教学经验，本文就《仪器分析》中波谱分析部分的教学重点、误区和相关对策进行了总结。

1《仪器分析》中波谱分析教学的侧重点波谱解析在多门课程中均有涉及，但从教学安排上《仪器分析》的教学一般要早于《中药化学》、《天然药物化学》和《波谱解析》等课程，也是波谱学与本科生的首次见面，因此在教学上应考虑其侧重点，为后续课程的开展铺垫好基础。

1.1重视波谱分析仪器的原理性教学《仪器分析》课程设置的初衷是为了让本科生在学习基础化学课程后能掌握分析仪器操作原理和分析方法，以应用于不同药物的分析，其课程的核心为仪器的原理性教学，原理通方能活学活用。

在波谱部分的教学中，涉及紫外分光光度计、红外光谱仪、核磁共振仪及质谱仪等四类仪器，那么在教学中涉及到的原理一般有三个层次：一是自然法则，如物质(有机化合物)在电磁辐射下的变化，如电子跃迁、分子共振、裂解等现象；二是科学阐释，如朗伯-比耳定律、拉莫尔进动等理论，这些理论是构建自然现象与仪器设计的基础；三是人为法则，即各类仪器设计的原理，让学生明白“仪器盒子”里面发生了什么，“仪器盒子”是怎么来的。

通过三个层次的原理讲解，不仅可以引导学生了解知识本质，更能激发学生创新的欲望。

比如在紫外-可见分光光谱的讲解中，首先介绍紫外光谱的由来，它是分子中原子外层电子发生能级跃迁而导致的在150~800 nm波长范围内的吸收谱带，此时可进一步介绍朗伯-比耳定律(Lambert-Beer)这一光学基本定律，引导学生建立光与量之间的关系。

有了这两点基本知识后，可以激发学生如何发明一种仪器可以定性和定量的对化合物进行测定，首先要有光源(氘灯和钨灯)来发射紫外光，其次要有单色器(棱镜或光栅)来进行波长选择，之后是设置样品池来让光路通过，样品外层电子跃迁吸收紫外光而产生的吸收谱则会被检测器记录并转化为电信号传输给显示装置，显示吸光值，形成紫外图，用于定量和定性的研究。

这样学生可充分理解紫外分光光度计的基本构成和工作原理，即使未来应用更高阶的仪器，也能够在基本原理基础上迅速掌握操作方法。

1.2重视波谱分析仪器的进展性教学作为有机化合物分析的重要手段，基于波谱原理的相关仪器近年来发展迅速，如质谱近年来不断在离子源和检测器上推陈出新，用于药学、生物学和医学等不同领域的分子检测。

因此《仪器分析》课程中的波谱教学应侧重仪器发展历史、发展趋势、以及不同阶段不同类型仪器的特点，这样才能让学生在应用实践中胸有成竹，更容易接受日新月异的新技术和新仪器方法。

在教学中，应在基本仪器原理的介绍后，讲解首代仪器的基本组成、工作原理和优缺点，再逐步讲解次代仪器的创新之处及优势。

如在质谱的教学中，首先讲明质谱工作原理，质谱分析是一种测量离子质荷比的分析方法，其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子流，进入质量分析器，之后在电场和磁场共同作用下，将离子流分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。

随后，讲解质谱的仪器开发进程，第一台质谱仪是英国科学家弗朗西斯于1919年发明，并用这台装置发现了53个非放射性元素，发现了天然存在的287种核素中的212种，第一次证明原子质量亏损，为此荣获1922年诺贝尔化学奖；1966年，M.S.B，Munson 和F.H.Field报道了化学电离源，这也是质谱第一次可以检测热不稳定的生物分子；到了80年代左右，适用于有机小分子结构分析的软电离方式如快原子轰击、电喷雾和适用于大分子的基质辅助激光解析等技术相继出现，质谱的功能进一步被扩大，不仅能用于分析高极性、难挥发和热不稳定样品，并能进行蛋白质序列分析和翻译后修饰分析[3]。

目前，生物质谱已经无可争议地成为蛋白质组学中分析与鉴定肽和蛋白质的最重要的手段[4]。

在讲解这部分知识时，应将重点放在离子源和质量分析器的逐代创新特色[收稿日期]2019-03-08[基金项目]广东省创新强校项目(中药学精品开放课程建设项目)；广东省中药分析创新团队项目[作者简介]葛跃伟，男，博士，从事仪器分析的教学与科研。

*为通讯作者：王淑美，女，博士，教授，从事分析化学的教学与科研。

广东化工2019年第11期·224·第46卷总第397期上，易于学生掌握不同仪器的分析优势。

此外，目前不断涌现出仪器的整合平台，如高效液相色谱与紫外分光光度计的整合形成广泛使用的HPLC-UV仪器，需要在授课过程中加以讲解，介绍各自波谱仪器整合的目的和优势。

如在质谱讲解中，作为高灵敏度的检测器，质谱可以与气相色谱(GC)和液相色谱(LC)进行串联，分别用于挥发性和非挥发性成分的分析，尤其是LC-MS自20世纪80年代以来，已成为各类质谱生产商创新的重要领域，如Thermo Fisher公司开发的Fusion融合型质谱是HPLC与三台不同质谱检测器的整合，可兼容目前各类化合物成分的分析[5]。

通过质谱仪器的逐代讲解，不仅有利于学生理解仪器设计原理，更能激发学生学习使用各类仪器的兴趣，有利于激发他们的创新思维。

笔者在该部分授课时，曾尝试让学生自行设计质谱分析仪器，不乏具有创新性的想法。

2《仪器分析》中波谱分析教学的几个误区及对策《仪器分析》是一门难度较大的课程，涵盖了药学分析几乎全部的基础知识，尤其是波谱分析部分，原理抽象，经验性强，数据复杂，成为学生学习的一个痛点[6]，因此教师在进行该部分授课时要格外注意教学设计，我们在长期的教学研究中发现，该部分教学易进入几个误区，总结如下，并针对性的提出教学对策。

2.1过分强调波谱解析，忽视了仪器原理教学《仪器分析》波谱解析部分对四大波谱的讲解侧重点应在仪器原理与方法原理上，而一些教师容易在这部分引入过多的结构解析课程，是一个很常见的误区。

首先，《仪器分析》课程的安排一般早于《天然药物化学》、《中药化学》等专业课程，这就造成学生在有机化学上的准备不足，对复杂结构的认识有限，更没有结构鉴定的任何经验，在这个时候加大波谱解析的应用难度，容易让学生吃“夹生饭”，不但不容易让学生掌握课程要点，还容易引发学生的厌学情绪，从此对波谱“望而生畏”；其次，复杂化学结构的过度讲解，会与其他课程形成较多重复，与教学大纲与课程安排冲突。

因此，我们建议使用结构简单的有机化合物进行基本原理的讲解，一方面容易让学生理解规律性知识，比如在红外光谱中羰基吸收带的讲解中，我们用少于六个碳的分子去讲解吸收带位置的影响因素；另一方面实现由浅入深的教学方法，让学生有一定的知识储备后，尤其是理解仪器操作和分析的原理后，再配合其他课程的学习来实现对复杂结构的分析鉴定，易于形成基础扎实、网络化的知识体系。

2.2缺乏阶段性实践教学环节《仪器分析》的讲授内容是基于经典仪器的药物分析方法，每一部分的课程内容都涉及到具体仪器的操作使用，实践课是学好这门课程的关键，突破“纸上谈兵”是提高教学效率的关键。

波谱部分教学也不例外，我们发现波谱部分的教学容易形成“困难累计”的教学效应，学生对于难于理解的、晦涩的内容，尤其是原理性内容，随着授课时数增加而积累，比如在核磁共振谱的教学中，首先核磁共振原理就是教学的一个难点，后续的影响核磁共振化学位移的诸多因素均需要在核磁共振原理很好掌握的基础之上才能理解，之后是对核磁谱的应用，如果每个环节都不能学透，就会造成恶性循环的局面。