核磁共振技術(shù)應(yīng)用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探究

鄧冬艷，李成輝

（四川大學(xué)a.化學(xué)學(xué)院；b.分析測(cè)試中心，成都 610064）

0 引言

大學(xué)化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是化學(xué)專業(yè)不可或缺的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)以理論教學(xué)為基礎(chǔ)，是學(xué)生將課堂所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行運(yùn)用與實(shí)踐的重要途徑。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生更加深刻地理解并掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)、原理及技能操作，從而培養(yǎng)具有良好的科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，能夠從事化學(xué)及相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域工作的人才［1-4］。儀器分析實(shí)驗(yàn)課程是化學(xué)類專業(yè)學(xué)生的必修課程，而儀器設(shè)備是該實(shí)驗(yàn)課程的重要組成部分，在教學(xué)工作中扮演著技術(shù)支撐的角色［5-8］。近年來，隨著國(guó)家和地方對(duì)高校教育的大力資助，高校大型儀器設(shè)備的數(shù)量和質(zhì)量得到極大改善，為教學(xué)和科研工作提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。但是總體來講，利用這些儀器設(shè)備進(jìn)行教學(xué)工作，尤其是本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間遠(yuǎn)低于科研工作［7-8］。因此，亟須探究如何發(fā)揮這些儀器設(shè)備在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用。其中，核磁共振儀是有機(jī)結(jié)構(gòu)分析必不可少的重要手段，該技術(shù)快速、簡(jiǎn)便，適合在學(xué)生中開展基于核磁共振技術(shù)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。并且，探索核磁共振技術(shù)在本科化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用對(duì)該專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革具有重要的作用［9-11］。

化學(xué)學(xué)科屬于我?！半p一流”建設(shè)學(xué)科，近年來發(fā)展較為迅速，而學(xué)校化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心專業(yè)實(shí)驗(yàn)室綜合訓(xùn)練教學(xué)平臺(tái)目前已配備有多臺(tái)核磁共振儀。在滿足日?？蒲泄ぷ鳒y(cè)試需求的同時(shí)，可以充分利用該資源進(jìn)行本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)。目前，綜合訓(xùn)練教學(xué)平臺(tái)開設(shè)了多門本科生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)不斷探索與改革過程中［12-14］，為了讓學(xué)生更好地了解與掌握核磁共振的原理、儀器操作及其應(yīng)用，探究了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)“核磁共振氫譜法測(cè)定白酒中的乙醇含量”，并將其應(yīng)用于本科四年級(jí)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)包括前期教師對(duì)核磁儀器的原理、構(gòu)造、操作流程和制樣要求的講解，以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中學(xué)生進(jìn)行樣品的制備、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和譜圖數(shù)據(jù)分析。為了有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，讓學(xué)生有更多自主學(xué)習(xí)核磁儀器的機(jī)會(huì)，采取小組化方式教學(xué)。由此避免以教師演示、學(xué)生觀察為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)弊端。該實(shí)驗(yàn)具有很強(qiáng)的能動(dòng)性，著重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題以及解決問題的能力，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解，從而有效將所學(xué)理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

（1）學(xué)習(xí)核磁共振波譜的基本原理。

（2）學(xué)習(xí)核磁共振氫譜的制樣方法、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、解析方法和定量技術(shù)。

（3）了解核磁共振儀的工作原理和基本操作。

（4）培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并激發(fā)其對(duì)科學(xué)研究的興趣，為科研團(tuán)隊(duì)注入新鮮血液。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

核磁共振氫譜圖可以提供化合物的化學(xué)位移值、耦合常數(shù)、裂分峰形及各峰的積分面積，可用于化合物的結(jié)構(gòu)分析。同時(shí)，在核磁共振氫譜中，只要?dú)浜宋幢伙柡图ぐl(fā)，則信號(hào)的積分面積通常正比于該信號(hào)的相應(yīng)基團(tuán)中的質(zhì)子數(shù)目。因此，可利用核磁共振氫譜的積分面積的測(cè)量和計(jì)算來進(jìn)行定量分析。白酒的主要成分是乙醇和水，占總量的98%以上。其核磁共振氫譜譜圖反映的主要是乙醇和水之間質(zhì)子的變化規(guī)律［15］。通過白酒樣品的核磁共振氫譜譜圖分析可知，乙醇的甲基和亞甲基分別在化學(xué)位移約1.05×10－6和3.50×10－6處有四重峰和三重峰，而水和乙醇中的羥基質(zhì)子在4.60×10－6左右出峰。然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分，利用它們的峰面積可以計(jì)算出該體系中兩種組分（乙醇和水）的相對(duì)含量。注意：化學(xué)位移4.60×10－6左右的信號(hào)包括乙醇和水中的羥基質(zhì)子信號(hào)，所以在計(jì)算乙醇和水的質(zhì)量比時(shí)，需要從水的積分面積值中減去對(duì)應(yīng)于乙醇分子中一個(gè)質(zhì)子的強(qiáng)度。由該體系中兩種組分（乙醇和水）的相對(duì)含量進(jìn)一步得出白酒中的乙醇含量（以體積分?jǐn)?shù)計(jì)，ωa）。具體計(jì)算公式如下：

式中：Wa、Wb分別為組分乙醇和水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Sa、Sb分別為乙醇亞甲基和水信號(hào)的積分面積；Na、Nb分別為產(chǎn)生該信號(hào)的氫核的數(shù)目，本實(shí)驗(yàn)中都是2；Ma、Mb分別為乙醇和水的相對(duì)分子質(zhì)量，本實(shí)驗(yàn)中分別為46和18；ρa(bǔ)、ρb分別為乙醇和水的相對(duì)密度值，本實(shí)驗(yàn)中室溫條件下分別為0.79和1.0。

將式（1）結(jié)果代入式（2）則可得白酒中的乙醇含量值。同時(shí)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線法，由乙醇／水標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的乙醇體積分?jǐn)?shù)（Wa）與乙醇亞甲基和水信號(hào)的積分面積相對(duì)值（Sa／Sb）建立線性回歸方程式，通過白酒試樣溶液的Sa／Sb值可計(jì)算得出其乙醇含量。通過與標(biāo)準(zhǔn)曲線法所得乙醇含量值進(jìn)行比較來驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性。

1.3 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

主要試劑：氘代丙酮、無水乙醇、超純水（18.24 MΩ·cm－1）、白酒（市售）；

主要儀器：傅里葉變換核磁共振譜儀（AVANCE III HD 400 MHz，Bruker，Germany），Φ5 mm 核磁共振樣品管。

1.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟

1.4.1 乙醇／水標(biāo)準(zhǔn)系列溶液及白酒樣品溶液配制

考慮到利用核磁共振氫譜定量時(shí)，組分比例差距較大會(huì)產(chǎn)生較大誤差，擬配制的乙醇／水標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的乙醇體積分?jǐn)?shù)分別為40%、45%、50%、55%、60%和65%，乙醇和水總體積為600 μL。則具體配制方法為，分別取360、330、300、270、240 和210 μL 超純水于核磁共振樣品管中（做好標(biāo)記），然后分別加入240、270、300、330、360 和390 μL 無水乙醇，再依次滴加50 μL氘代丙酮，封口后振蕩使樣品溶液混合均勻。

取600 μL白酒（52°）于核磁共振樣品管中，滴加50 μL氘代丙酮，封口后振蕩使樣品溶液混合均勻，即為白酒原液樣品溶液。取500 μL白酒（52°）于核磁共振樣品管中，分別加入100 μL無水乙醇或100 μL超純水，然后滴加50 μL氘代丙酮，封口后振蕩使樣品溶液混合均勻，即為白酒樣品1溶液和白酒樣品2溶液。

1.4.2 1H NMR測(cè)定

氫譜分析條件：測(cè)定溫度為25℃，檢測(cè)頻率為400.13 MHz，譜寬為4 001.3 Hz，脈沖寬度為11.9 μs，采集時(shí)間6.82 s，延遲時(shí)間為1 s，采集次數(shù)為16；采樣點(diǎn)數(shù)為32 000。

將待測(cè)樣品送入磁體，然后依次執(zhí)行鎖場(chǎng)、調(diào)諧、勻場(chǎng)、自動(dòng)增益步驟，接著采集乙醇／水標(biāo)準(zhǔn)系列溶液以及白酒樣品的自由衰減信號(hào)（FID，free induced decay），并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括：數(shù)據(jù)的窗函數(shù)處理、傅里葉變換、相位調(diào)節(jié)、基線校正、標(biāo)準(zhǔn)參考峰位標(biāo)定、譜峰標(biāo)注、譜峰積分處理并記錄積分面積值，繪出譜圖。注意，需確保積分區(qū)間間隔足夠遠(yuǎn)，以保證給出完整的積分。

1.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1.5.1 直接法測(cè)定白酒中乙醇含量值

圖1所示為白酒樣品的核磁共振氫譜譜圖。首先利用氘代丙酮的溶劑峰（δ＝2.05×10－6）進(jìn)行譜峰標(biāo)定。由圖可知，δ＝1.02 ×10－6和δ＝3.46 ×10－6處的四重峰和三重峰分別為乙醇甲基和亞甲基質(zhì)子信號(hào)，δ＝4.66×10－6處的單峰及附近的鼓包為水和乙醇羥基質(zhì)子信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中選擇乙醇亞甲基質(zhì)子信號(hào)與水的質(zhì)子信號(hào)作為分析對(duì)象，此時(shí)產(chǎn)生核磁信號(hào)的氫核數(shù)目均為2。將乙醇甲基質(zhì)子信號(hào)積分面積作為基準(zhǔn)，獲得乙醇亞甲基質(zhì)子信號(hào)與水的質(zhì)子信號(hào)的積分面積，再由兩者的積分面積比值計(jì)算得出白酒中乙醇含量值。由于δ＝4.66×10－6處的單峰及附近的鼓包包含水和乙醇羥基質(zhì)子信號(hào)，所以水的實(shí)際積分面積值需要從總的積分值（7.57）中減去對(duì)應(yīng)于乙醇分子中一個(gè)質(zhì)子的強(qiáng)度（1.005）。由圖1所示白酒樣品氫譜譜圖數(shù)據(jù)處理結(jié)果，可計(jì)算得到該酒樣中乙醇含量ωa為49.76%。由于核磁測(cè)試實(shí)驗(yàn)過程中白酒原液與樣品總體積比為60∶65，所以最終得到白酒原液樣品中的乙醇含量ω′a為53.91%。而白酒原液樣品中乙醇的實(shí)際含量（體積分?jǐn)?shù)）為52%，可知由該核磁共振氫譜法直接測(cè)得的結(jié)果與實(shí)際值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.67%，表明該方法具有很好的可靠性，且白酒樣品1和2的測(cè)試結(jié)果也與實(shí)際值具有很好的一致性。具體數(shù)據(jù)分析如表1所示。

圖1 白酒原液樣品的核磁共振氫譜譜圖及其數(shù)據(jù)處理

表1 直接法測(cè)定白酒樣品中乙醇含量數(shù)據(jù)分析

1.5.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線法測(cè)定白酒中乙醇含量值

配制一系列不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇／水標(biāo)準(zhǔn)溶液（此時(shí)應(yīng)考慮到利用核磁共振氫譜定量時(shí)，組分比例差距較大會(huì)產(chǎn)生較大誤差，因此配制的乙醇／水標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度需控制好），對(duì)測(cè)得的核磁共振氫譜譜圖（見圖2）進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。然后建立乙醇亞甲基質(zhì)子信號(hào)和水的質(zhì)子信號(hào)的積分面積比（Sa／Sb）與乙醇體積分?jǐn)?shù)（ωa）的標(biāo)準(zhǔn)曲線（見圖3）。結(jié)果表明，在乙醇體積分?jǐn)?shù)為40%～65%的范圍內(nèi)，Sa／Sb與ωa具有良好的線性關(guān)系。擬合線性回歸方程為y＝1.544x－0.451，相關(guān)系數(shù)R＝0.994。表明采用核磁共振氫譜法測(cè)定乙醇／水溶液中的乙醇含量是可行的。

圖2 不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇／水標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的核磁共振氫譜譜圖

圖3 乙醇／水標(biāo)準(zhǔn)系列溶液所得核磁共振氫譜譜圖中乙醇亞甲基質(zhì)子信號(hào)和水的質(zhì)子信號(hào)的積分面積比（Sa／Sb）與乙醇體積分?jǐn)?shù)（ωa）的線性關(guān)系曲線

同時(shí)利用標(biāo)準(zhǔn)曲線法測(cè)定白酒原液樣品、樣品1及樣品2中的乙醇含量。白酒中約98%以上的成分是乙醇和水［12］，相當(dāng)于乙醇／水溶液。則分別測(cè)定白酒原液樣品、樣品1及樣品2的核磁共振氫譜。對(duì)白酒樣品的亞甲基信號(hào)和水信號(hào)進(jìn)行峰面積積分，分別將所得Sa／Sb值代入線性回歸方程得到樣品中的乙醇含量值。由表2結(jié)果可知，采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法測(cè)得的白酒樣品的乙醇含量值與實(shí)際含量值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.48%～6.35%之間，且與直接法得到的含量值相當(dāng)。表明使用核磁共振氫譜建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線法用于白酒樣品中的乙醇含量測(cè)定準(zhǔn)確度較好。

表2 標(biāo)準(zhǔn)曲線法測(cè)定白酒樣品中乙醇含量值及其與直接法所得值的比較分析

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果討論

目前，該實(shí)驗(yàn)已在本科化學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中順利實(shí)施，并取得了較好的教學(xué)效果。一方面，從理論講解到實(shí)際操作，并采取小組化方式教學(xué)，使學(xué)生熟練掌握核磁儀器的工作原理和操作技能，加深對(duì)大型儀器設(shè)備的了解認(rèn)識(shí)，彌補(bǔ)本科生在大型儀器教學(xué)中上機(jī)訓(xùn)練機(jī)會(huì)少的不足。另一方面，在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生從樣品制備、實(shí)驗(yàn)測(cè)試到核磁數(shù)據(jù)分析，全程自主設(shè)計(jì)并操作，使學(xué)生掌握核磁共振氫譜直接法和標(biāo)準(zhǔn)曲線法測(cè)定白酒中乙醇含量的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，了解核磁相關(guān)技術(shù)的前沿知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的科研興趣，并充分訓(xùn)練學(xué)生的綜合能力。

3 結(jié)語(yǔ)

將核磁共振波譜技術(shù)引入本科化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，建立“核磁共振氫譜法測(cè)定白酒中的乙醇含量”的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，使前沿技術(shù)與實(shí)驗(yàn)課程相結(jié)合，豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，充分發(fā)揮大型儀器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的技術(shù)支持作用。通過實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生充分掌握核磁儀器的工作原理和操作技能；同時(shí)，使學(xué)生掌握基于核磁共振氫譜法的定量技術(shù)，了解核磁相關(guān)技術(shù)的前沿知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，從而有效地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。