譜圖檢索應(yīng)用于波譜分析教學(xué)的研究

費旭 李堯 田晶

（大連工業(yè)大學(xué) 分析測試中心,遼寧 大連 116034）

波譜分析技術(shù)是現(xiàn)代有機化合物結(jié)構(gòu)表征的重要手段。近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計算機科學(xué)和電子科學(xué)蓬勃發(fā)展，這極大的推動了波譜分析技術(shù)的進(jìn)步。在波譜分析中紅外光譜、核磁共振譜(1H 譜和13C譜)、紫外-可見光譜、質(zhì)譜四種分析儀器成為目前有機化學(xué)中最有力的結(jié)構(gòu)鑒定和成分分析的工具[1-3]。波譜分析技術(shù)在造紙工業(yè)、食品工業(yè)、化學(xué)工業(yè)，醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，同時也推動了有機化學(xué)、生物化學(xué)、高分子化學(xué)等多個學(xué)科的發(fā)展[4,5]。因此，波譜分析是大學(xué)化學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生必須學(xué)習(xí)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課,該課程理論性強,包含的知識點多,為了提高本課程的教學(xué)質(zhì)量,使學(xué)生真正掌握波譜分析技術(shù),從課程的內(nèi)容出發(fā),結(jié)合實際譜圖進(jìn)行解析,探索本課程的最佳教學(xué)方法，推進(jìn)教學(xué)改革。

一、標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫的應(yīng)用

波譜分析的發(fā)展包括儀器化，電子化，計算機化，智能化，信息化的過程。在當(dāng)今信息傳播如此迅速的時代，波譜分析數(shù)據(jù)平臺將會被科研人員廣泛應(yīng)用[2]。國際上許多研究型大學(xué)和科研機構(gòu)，為了充分的利用波譜分析結(jié)果，建立了系統(tǒng)完善的分析數(shù)據(jù)譜圖庫，例如：1.中國應(yīng)用化學(xué)數(shù)據(jù)庫（http://www.appchem.csdb.cn/），數(shù)據(jù)庫中心包括：核磁碳譜數(shù)據(jù)庫，化合物活性數(shù)據(jù)庫和稀土萃取數(shù)據(jù)庫。2.日本有機物譜圖庫（https://sdbs.db.aist.go.jp），數(shù)據(jù)庫包括有機化合物的紅外光譜，核磁波譜，質(zhì)譜和拉曼光譜等。3.上海有機所的化學(xué)數(shù)據(jù)庫（http://www.organchem.csdb.cn/scdb/default.asp）,包括有機化合物結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，紅外光譜,核磁波譜和質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫。這些數(shù)據(jù)庫的存在對于化合物解析和結(jié)構(gòu)鑒定起到很好的輔助作用，是同學(xué)們學(xué)習(xí)波譜分析的有力工具。

二、研究型教學(xué)模式的實施

基于波譜分析課程的應(yīng)用特性，采用研究型教學(xué)模式對學(xué)生進(jìn)行授課，本課程的教授對象為造紙、環(huán)境工程、環(huán)境科學(xué)、化學(xué)化工等專業(yè)碩士研究生，研究生在科研過程中會根據(jù)波譜分析內(nèi)容對本領(lǐng)域材料進(jìn)行實際研究，學(xué)生必須要主動思考并認(rèn)真探究，才能掌握波譜分析的應(yīng)用方法。因此，采用研究型教學(xué)的模式，在教學(xué)授課過程中講解波譜分析的儀器原理測試方法，重點教授波譜分析的應(yīng)用及分析方法，更重要的是通過上機實驗獨立操作，學(xué)會樣品的制備和儀器的使用，并結(jié)合所學(xué)內(nèi)容和數(shù)據(jù)庫信息解析所得到的測試結(jié)果。

三、重視實踐操作，增加實驗課比例

波譜分析的理論知識部分極為重要但是不易理解，為了使學(xué)生們更好地掌握基礎(chǔ)知識，我們將理論課程和實驗課程穿插進(jìn)行，例如，先進(jìn)行紅外光譜章節(jié)的第一堂理論課，講解基本原理，然后安排實驗進(jìn)行上機操作，接下來進(jìn)行第二堂紅外光譜分析的理論課，進(jìn)行深入講解。使理論和實驗融會貫通。在課程安排上也增加實驗課的比例，開展設(shè)計性實驗，在實驗過程中分小組進(jìn)行上機操作，保證每位同學(xué)都能獨立進(jìn)行實驗測試，增加對儀器的了解。由于大型儀器價格比較昂貴，學(xué)生在上機操作前都要觀看教師親自操作演示，對于接受能力慢的同學(xué)，在操作前還可以反復(fù)觀看操作錄像，有疑問隨時與授課教師溝通。這樣既能保證同學(xué)們提升動手能力，也能保證大型儀器的正常運行。

四、教學(xué)實例示范

在實驗課中讓學(xué)生選取4 種樣品中的一種進(jìn)行（包括油酸，碳酸鈉，丙三醇和葡萄糖）中選取一種進(jìn)行紅外光譜測試。告訴同學(xué)們這四種樣品的名稱，同學(xué)們根據(jù)名稱檢索到相應(yīng)樣品的CAS 號，通過CAS 號在譜圖庫里面查找相應(yīng)的紅外譜圖。例如同學(xué)選擇了油酸進(jìn)行測試后得到圖1 的紅外測試結(jié)果，檢索油酸CAS 號為112-80-1，碳酸鈉CAS 號為497-19-8，丙三醇CAS 號為56-81-5，葡萄糖CAS 號為50-99-7。登錄網(wǎng)址https://sdbs.db.aist.go.jp 后，輸入CAS 號可以搜索到相應(yīng)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)譜圖，將譜圖下載下來進(jìn)行對比分析，檢索到這四種樣品的紅外光譜圖分別是圖2油酸，圖3 碳酸鈉，圖4 丙三醇和圖5 葡萄糖，判斷所選樣品是這四種的樣品中的哪一種，同學(xué)有根據(jù)峰位置和峰形可以判斷出所選樣品是油酸。并且可以進(jìn)一步通過峰位標(biāo)記出代表的官能團(tuán)類型，完成譜圖的解析。

五、總結(jié)

波譜分析課程是輕工、化工等專業(yè)研究生的必修課,該門課程是研究有機化合物結(jié)構(gòu)解析的重要學(xué)科，對于學(xué)生的科研能力培養(yǎng)有著重要作用，在學(xué)習(xí)工程中改變原有的授課方式，通過實踐教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫相檢索相結(jié)合使學(xué)生更好地掌握本門課程，進(jìn)一步通過對比測試結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)譜圖的方法準(zhǔn)確分析鑒定化合物。充分利用國際的科研信息平臺，使學(xué)生的科研能力等到提高。同時學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)信息自主學(xué)習(xí)，也得促進(jìn)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)信息資源服務(wù)于自己的科研工作，通過對信息的檢索和應(yīng)用，也能培養(yǎng)夠同學(xué)們對科學(xué)研究熱情和自信。使波譜分析教學(xué)與科研平臺最新成果同步，使學(xué)生的學(xué)習(xí)更加有的放矢。波譜分析的教學(xué)改革讓同學(xué)們體會到該門課程學(xué)化工領(lǐng)域的重要性，讓更多學(xué)生掌握這門有力工具進(jìn)行科學(xué)研究。