現(xiàn)代核磁共振波譜技術(shù)教學(xué)實(shí)踐與人才培養(yǎng)探索

鄧小娟,丁國生，陳小平

(天津大學(xué) 分析中心，天津 300072)

專論(139～142)

現(xiàn)代核磁共振波譜技術(shù)教學(xué)實(shí)踐與人才培養(yǎng)探索

鄧小娟,丁國生，陳小平

(天津大學(xué) 分析中心，天津 300072)

針對目前核磁共振波譜技術(shù)教學(xué)實(shí)踐中存在的問題，探討了核磁共振波譜技術(shù)課堂教學(xué)、上機(jī)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的改進(jìn)措施. 希望有助于現(xiàn)代核磁共振波譜技術(shù)的普及應(yīng)用，同時(shí)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)代核磁共振波譜技術(shù)的積極性，并提高其動(dòng)手能力和科研創(chuàng)新能力，為實(shí)現(xiàn)高校創(chuàng)新性人才培養(yǎng)打下基礎(chǔ).

核磁共振；教學(xué)；人才培養(yǎng)

Abstract: In view of the problems and the present situation in the teaching of nuclear magnetic resonance (NMR), the paper introduces the reform measures for NMR in modern instrumental analysis teaching, which can contribute to the application and popularization of NMR technology. At the same time, the combination of theory and practice can stimulate students to learn the modern instrumental analysis technology and improve their practical ability and scientific research ability, and lay a foundation for the training of innovative talents of colleges and universities.

Keywords: NMR; teaching; talent development

核磁共振波譜技術(shù)是鑒定有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)的重要手段，隨著其技術(shù)的不斷完善和應(yīng)用的普及，它在化學(xué)、化工、生物、藥學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域的科研和生產(chǎn)中發(fā)揮了不可比擬的作用，已經(jīng)成為科研工作者不可或缺的工具之一[1-2]. 但該儀器較貴重且維護(hù)復(fù)雜，多用于科研工作，在實(shí)踐教學(xué)中涉及較少，大多數(shù)學(xué)生對其只有粗淺的原理認(rèn)識(shí)及基本的譜圖解析能力. 另一方面，雖然有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定和波譜分析或儀器分析是高等院校化學(xué)、藥學(xué)、高分子材料學(xué)等專業(yè)的基礎(chǔ)課程，但在核磁共振技術(shù)相關(guān)教學(xué)及教材中，更側(cè)重于一些核磁共振波譜的基本理論學(xué)習(xí)，缺少對實(shí)際測試時(shí)，樣品制備、儀器操作、譜圖解析及新技術(shù)和應(yīng)用等實(shí)際內(nèi)容的學(xué)習(xí)[3-6].

隨著現(xiàn)代核磁共振技術(shù)的不斷改進(jìn)和應(yīng)用范圍的普及，結(jié)合核磁共振波譜測試和教學(xué)中存在的問題，相關(guān)課程也需要突破傳統(tǒng)教學(xué)模式，以發(fā)展的眼光更新和改進(jìn)教學(xué)方法和內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)與時(shí)俱進(jìn)[7-10].

1 核磁共振波譜技術(shù)教學(xué)實(shí)踐現(xiàn)狀

1.1 課堂教學(xué)以理論學(xué)習(xí)為主

核磁共振波譜技術(shù)理論學(xué)習(xí)主要涉及核磁共振波譜概論、核磁共振氫譜和核磁共振碳譜三個(gè)部分. 每一部分包含的內(nèi)容都比較多，比如概論部分包括核磁共振基本原理、化學(xué)位移、偶合裂分、弛豫過程、核磁共振波譜儀等內(nèi)容，每個(gè)內(nèi)容又由若干小節(jié)構(gòu)成，涉及物理、化學(xué)、電子學(xué)等多學(xué)科知識(shí). 學(xué)生普遍反映核磁共振波譜法理論部分晦澀難懂，理解難度較大，所以在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中很難將理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)技術(shù)聯(lián)系在一起，導(dǎo)致大多數(shù)學(xué)生積極性不高、盲目性較大.

1.2 演示實(shí)驗(yàn)難于掌握要領(lǐng)

核磁共振譜儀工作站可調(diào)參數(shù)較多，樣品進(jìn)入譜儀后，從勻場到打印譜圖，均由一系列指令來完成，命令繁雜，難于記憶，學(xué)生靠僅有的幾次實(shí)驗(yàn)課并不能完全掌握操作要領(lǐng).

1.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中儀器開放程度有限

一方面多數(shù)學(xué)生對沒有接觸過的儀器積極性不高，另一方面核磁譜儀價(jià)格較昂貴，任課教師也不敢放手讓初學(xué)者自主操作，大大影響了教學(xué)效果.

1.4 實(shí)際操作時(shí)解決問題能力有限

一般來說，很多科研工作者會(huì)分析核磁譜圖，但接觸核磁共振譜儀維護(hù)和管理的機(jī)會(huì)較少，因此對實(shí)際問題的解決能力不夠，有的情況處理不當(dāng)，甚至?xí)?dǎo)致譜圖質(zhì)量不佳或錯(cuò)誤.

2 改革教學(xué)思路，服務(wù)人才培養(yǎng)

2.1 改進(jìn)理論知識(shí)講授，更新課堂教學(xué)內(nèi)容

理論基礎(chǔ)是學(xué)好核磁共振技術(shù)的第一步，但是理論知識(shí)相對比較枯燥，而且在本科及研究生的其它課程中會(huì)重復(fù)學(xué)習(xí)核磁共振基本理論. 因此，現(xiàn)代核磁共振波譜技術(shù)的課堂教學(xué)內(nèi)容更要側(cè)重與實(shí)踐結(jié)合的基本概念和理論，并借助多媒體教學(xué)，以直觀、形象的方式把抽象、深?yuàn)W的微觀過程、儀器構(gòu)造等表現(xiàn)出來，以此才能激發(fā)學(xué)生的興趣，有利于學(xué)生對基礎(chǔ)知識(shí)的理解和掌握，并彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方式直觀和立體感不足、理論聯(lián)系實(shí)際不足等問題，大大提高了教學(xué)效果. 該課程的課堂教學(xué)部分著重講述以下方面內(nèi)容.

2.1.1 現(xiàn)代核磁共振技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展歷史

講述核磁共振技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展歷史，有助于激發(fā)學(xué)生了解核磁共振技術(shù)的興趣. 核磁共振技術(shù)是鑒定有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)的有利工具，由于具有迅速、準(zhǔn)確、分辨率高和不破壞樣品等特點(diǎn)，廣泛用于化學(xué)、生物、材料等各個(gè)領(lǐng)域. 1946年兩位美國科學(xué)家布洛赫和珀塞爾發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象，化學(xué)家利用分子結(jié)構(gòu)對氫原子周圍磁場產(chǎn)生的影響，發(fā)展出了核磁共振譜技術(shù)，用于解析分子結(jié)構(gòu). 隨著時(shí)間的推移，核磁共振譜技術(shù)不斷發(fā)展，從最初的一維氫譜發(fā)展到13C譜、二維核磁共振譜等高級(jí)譜圖，核磁共振技術(shù)解析分子結(jié)構(gòu)的能力也越來越強(qiáng). 進(jìn)入1990年代以后，人們甚至發(fā)展出了依靠核磁共振信息確定蛋白質(zhì)分子三級(jí)結(jié)構(gòu)的技術(shù)，使得溶液相蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的精確測定成為可能. 在硬件上，更高磁場強(qiáng)度磁體不斷被開發(fā)，2010年出現(xiàn)1 000 MHz核磁共振譜儀. 現(xiàn)在，核磁共振技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成一項(xiàng)理論完整、技術(shù)先進(jìn)、結(jié)果可靠的現(xiàn)代儀器分析技術(shù)，廣泛用于有機(jī)化學(xué)、藥物化學(xué)、材料化學(xué)等領(lǐng)域，成為科研人員不可或缺的結(jié)構(gòu)分析工具.

在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，以核磁共振的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，突出其在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情.

2.1.2 核磁共振的基本原理、譜儀構(gòu)造和分類

核磁共振是研究物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的波譜學(xué)方法，其基本原理是進(jìn)行科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ). 核磁共振是一種物理學(xué)現(xiàn)象，其定義相對較難理解，因此，我們可以從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)提取定義中的知識(shí)點(diǎn). 首先，核磁共振檢測的對象是自旋的原子核，如1H、13C、19F、31P等，不能自旋的原子核如12C、16O等是沒有核磁共振現(xiàn)象的. 核磁共振的產(chǎn)生還需要有外加磁場和射頻磁場，并滿足射頻磁場的頻率等于自旋核的進(jìn)動(dòng)頻率的條件. 核磁共振譜儀主要由磁體和探頭、機(jī)柜(射頻發(fā)生器、射頻接收器、信號(hào)放大、數(shù)據(jù)采集控制等)、工作站(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、總體控制)等組成. 按照射頻的不同，核磁共振譜儀可分為400、500、600 MHz等，頻率數(shù)和磁場強(qiáng)度成正比，頻率數(shù)越高，譜儀靈敏度和分辨率越高. 在核磁共振理論介紹的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用講解其組成和分類，能夠加深學(xué)生對儀器功能和應(yīng)用的理解，并為實(shí)驗(yàn)教學(xué)打下基礎(chǔ).

2.1.3 核磁共振樣品的制備和操作方法

核磁共振樣品的制備和操作方法是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)，樣品制備的正確與否直接關(guān)聯(lián)譜圖質(zhì)量的高低. 在實(shí)驗(yàn)教學(xué)前，要將樣品制備的注意事項(xiàng)，對學(xué)生進(jìn)行詳細(xì)講解. 對于樣品，可以是固體或液體，但是要求能溶解在某種溶劑中；純度一般要求較高，可以減少重疊，有利于譜圖解析；濃度適當(dāng)，一般在毫克級(jí)，對于1H譜降低濃度能提高分辨率，對于13C譜增加濃度能增加靈敏度. 核磁管要求清洗干凈并干燥，否則會(huì)對譜圖有干擾. 氘代試劑選擇需要根據(jù)樣品溶解度、測試目的、觀測范圍和測定條件等因素靈活選擇.

將操作步驟錄制成視頻資料，以清楚地向每個(gè)學(xué)生展示規(guī)范操作，反復(fù)強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵步驟，達(dá)到強(qiáng)化訓(xùn)練目的. 這些講解可以為實(shí)驗(yàn)教學(xué)做好準(zhǔn)備工作，更清楚的讓學(xué)生掌握樣品制備和儀器操作要點(diǎn).

2.1.4 核磁共振的譜圖解析

譜圖解析是核磁共振波譜技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn). 針對實(shí)際應(yīng)用中廣泛使用的一維和二維譜圖進(jìn)行分類講解和要點(diǎn)解析，重點(diǎn)掌握一維1H、13C的解析步驟，了解二維等其他譜圖的解析. 對于1H譜，譜圖中可以得到3種數(shù)據(jù)：化學(xué)位移、偶合裂分和積分面積. 可以根據(jù)化學(xué)位移推測化學(xué)基團(tuán)；根據(jù)偶合裂分可以確定鄰位上氫的個(gè)數(shù)，推測鄰位基團(tuán)；根據(jù)積分面積可以推測氫的個(gè)數(shù). 對于13C譜，一般是去偶13C譜，可以根據(jù)化學(xué)位移推測化學(xué)基團(tuán)，根據(jù)信號(hào)數(shù)目推測碳的種類. 對于分子結(jié)構(gòu)確認(rèn)歸屬，還需利用DEPT譜確定碳的類型，利用二維COSY、HMQC和HMBC等確定一鍵或者多鍵相關(guān). 通過譜圖解析基本知識(shí)點(diǎn)的歸納講解，讓學(xué)生對譜圖解析有總體的認(rèn)知，為實(shí)際應(yīng)用時(shí)的譜圖解析提供綱領(lǐng)性參考.

2.2 簡化上機(jī)操作步驟，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

課堂教學(xué)與實(shí)踐沒有很好銜接，導(dǎo)致學(xué)生能夠解析譜圖，但是對測試實(shí)際問題認(rèn)知不足，因此有必要改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式和內(nèi)容. 針對核磁共振波譜技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以簡化上機(jī)步驟，而突出與譜圖質(zhì)量或解析相關(guān)的測試技術(shù). 例如隨著技術(shù)及應(yīng)用的發(fā)展，核磁共振波譜技術(shù)不僅可以用于定性分析和簡單一維譜，也可以做定量分析和復(fù)雜的DEPT譜、NOE差譜和二維譜等. 因此將定量核磁共振波譜技術(shù)、溶劑峰壓制實(shí)驗(yàn)和高級(jí)譜圖等新技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以更準(zhǔn)確的得到定量分析結(jié)果或鑒定分子結(jié)構(gòu).

2.2.1 簡化上機(jī)操作步驟，保證上機(jī)質(zhì)量

目前儀器自動(dòng)化程度顯著提高，使用者將樣品放好后，所有操作都在電腦工作站上完成，如鎖場、勻場、選擇測試項(xiàng)目、設(shè)置采樣次數(shù)、處理譜圖和打印譜圖等. 為了方便操作，將主要的命令改為宏命令，并設(shè)置相關(guān)快捷鍵，這樣大大簡化了操作步驟，學(xué)生經(jīng)過培訓(xùn)后很容易上機(jī)操作.

2.2.2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及現(xiàn)代儀器分析的發(fā)展，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行修改，避免課本上過于陳舊、落后的基礎(chǔ)知識(shí)介紹和實(shí)驗(yàn)方法，代之于較新的、有代表性且適合于教學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，可適當(dāng)增加與生命科學(xué)、質(zhì)量控制或納米材料等熱點(diǎn)學(xué)科有關(guān)的新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.

例如為了讓學(xué)生全面了解核磁共振技術(shù)的應(yīng)用及其最前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)，可擴(kuò)展定量核磁共振測試技術(shù). 核磁共振波譜技術(shù)主要用于有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)測定，是一種定性分析方法. 目前，藥物含量測定一般采用色譜法以及各種聯(lián)用技術(shù)，這些方法準(zhǔn)確、可靠，但方法建立過程繁瑣，且需要提供對照品，故只能用于已知化合物的分析. 隨著核磁共振波譜技術(shù)的逐漸普及實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，核磁共振波譜技術(shù)也日益成為藥物定量分析的一種重要手段. 該方法具有傳統(tǒng)方法不可比擬的優(yōu)勢，如無需對照品、樣品預(yù)處理步驟簡單、測定快速準(zhǔn)確、不破壞樣品等. 以核磁共振波譜法測定藥物片劑中吡羅昔康含量作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，選擇合適的內(nèi)標(biāo)物、氘代試劑，優(yōu)化采樣次數(shù)、延遲時(shí)間等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，通過方法學(xué)考察建立定量核磁共振波譜法，既涉及結(jié)構(gòu)分析又涵蓋定量知識(shí)，使學(xué)生對核磁的功能有較深刻的了解. 在實(shí)驗(yàn)前可不告訴學(xué)生待測物的名稱，上樣測定樣品氫譜碳譜后，打出譜圖，給學(xué)生足夠時(shí)間對譜圖各峰進(jìn)行歸屬，明確物質(zhì)結(jié)構(gòu)后再運(yùn)用相關(guān)定量公式計(jì)算出藥物含量. 該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生在掌握核磁共振譜圖基本解析方法的基礎(chǔ)上，能夠進(jìn)一步利用核磁共振波譜技術(shù)進(jìn)行定量分析，且對藥物結(jié)構(gòu)和含量有了感性認(rèn)識(shí)，難度適中，學(xué)生比較感興趣.

2.3 搭建研究平臺(tái)，培養(yǎng)創(chuàng)新人才

高校肩負(fù)這創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重任，高校教師需要通過教學(xué)改革創(chuàng)造條件，引導(dǎo)學(xué)生參與科研活動(dòng)，完成對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng). 作為大型儀器平臺(tái)也要將分析技術(shù)與教學(xué)和人才培養(yǎng)結(jié)合，搭建堅(jiān)實(shí)的交叉學(xué)科研究平臺(tái)，加強(qiáng)學(xué)生科研素質(zhì)培養(yǎng)，服務(wù)于創(chuàng)新人才培養(yǎng). 將核磁共振波譜儀器面向全體學(xué)生開放共享，為學(xué)生開展創(chuàng)新性研究提高強(qiáng)有力的硬件保障. 建設(shè)課堂教學(xué)、課外科研相結(jié)合的培養(yǎng)體系. 加強(qiáng)課堂教學(xué)內(nèi)容，打造理論基礎(chǔ)培養(yǎng)平臺(tái). 依托新技術(shù)和應(yīng)用研究，打造科研能力培養(yǎng)平臺(tái). 開拓內(nèi)外資源，加強(qiáng)課外科研訓(xùn)練，打造綜合素質(zhì)培養(yǎng)平臺(tái). 如與有機(jī)化學(xué)、藥物化學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科的理論教學(xué)相結(jié)合，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中引入現(xiàn)代核磁共振分析測試技術(shù)，搭建交叉學(xué)科研究平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生開展科研創(chuàng)新工作，形成從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、合成到儀器測試及譜圖解析等一站式的綜合實(shí)驗(yàn)方法，并把核磁共振波譜技術(shù)與其它檢測手段(質(zhì)譜、紫外、紅外、色譜等)結(jié)合，為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)理論與實(shí)踐相結(jié)合的機(jī)會(huì). 這樣也能將科學(xué)研究的設(shè)計(jì)思路滲透于早期的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的綜合性和研究性，為創(chuàng)新性人才培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

綜上所述，將核磁共振波譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研基本能力培養(yǎng)相互結(jié)合，將核磁共振波譜技術(shù)研究成果服務(wù)于創(chuàng)新人才培養(yǎng)，能夠發(fā)揮大型儀器對于教學(xué)和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的促進(jìn)作用，也是對當(dāng)前分析測試技術(shù)研究和創(chuàng)新人才培養(yǎng)舉措的一項(xiàng)重要補(bǔ)充.

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ExplorationsofModernNMRinTeachingPracticeandTalentDevelopment

DENG Xiao-juan, DING Guo-sheng, CHEN Xiao-ping

(AnalysisCenter,TianjinUniversity,Tianjn300072，China)

G642；G482

A

1006-3757(2017)03-0139-04

10.16495/j.1006-3757.2017.03.001

2017-05-31;

2017-06-27.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：201506147)；天津大學(xué)研究生創(chuàng)新人才培養(yǎng)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)YCX16024)和天津大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與改革項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：LAB2014-28)

鄧小娟(1980- )，女，博士，工程師，主要研究方向?yàn)榉治龌瘜W(xué)，E-mail：fxzx_tju@163.com

陳小平，男，工程師，主要研究方向?yàn)閮x器分析，E-mail：lilinjia2009@126.com.