以科研促進(jìn)《光學(xué)分析法》課程教學(xué)質(zhì)量的提升

＊王郁敏 馬兆玲 陳華 王紅強(qiáng)

（廣西師范大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)學(xué)院 廣西 541004）

前言

《光學(xué)分析法》是部分高校化學(xué)學(xué)科分析化學(xué)專業(yè)研究生的專業(yè)必修課程之一，本課程是分析化學(xué)學(xué)科方法學(xué)的重要組成部分，課程內(nèi)容包括X射線衍射分析（單晶衍射法和多晶衍射法）、拉曼（Raman）光譜（拉曼光譜法原理、激光拉曼光譜儀基本構(gòu)造和拉曼光譜的應(yīng)用）、電子顯微分析（電子光學(xué)基礎(chǔ)、電子與固體物質(zhì)的相互作用、透射電子顯微（Transmission Electron Microscopy，TEM）分析及掃描電子顯微（Scanning Electron Microscopy，SEM）分析、核磁共振波譜（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）法（基本原理核磁共振波譜法、儀器及樣品制備及NMR譜與分子結(jié)構(gòu)）、圓二色光譜（基本原理、儀器結(jié)構(gòu)及圓二色光譜應(yīng)用）、電子能譜法（X射線光電子能譜（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）、紫外光電子能譜及俄歇電子能譜）。

《光學(xué)分析法》所用講義通常為高校自編講義，授課學(xué)時(shí)為54個(gè)學(xué)時(shí)，該課程要求學(xué)生在本科階段所學(xué)基礎(chǔ)光學(xué)分析法的基礎(chǔ)上，掌握目前國(guó)際上科研工作中所涉及的先進(jìn)光學(xué)分析方法，理解和掌握光學(xué)分析方法的原理，了解儀器的結(jié)構(gòu)和組成，掌握分析方法的應(yīng)用，教師定期組織討論以提升學(xué)生語(yǔ)言表達(dá)、分析質(zhì)疑、合作學(xué)習(xí)的能力，達(dá)到能將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于自己科學(xué)研究中的目的。

然而，《光學(xué)分析法》課程理論涉及大量的物理、計(jì)算機(jī)知識(shí)，要求學(xué)生有一定的物理基礎(chǔ)，這增加了分析化學(xué)專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的難度。此外，本課程教學(xué)大多采用還是傳統(tǒng)的“保姆式教學(xué)”與“填鴨式教育”，課堂教學(xué)枯燥生硬，致使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握不到位，似懂非懂，不得精要，也喪失了對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣。然而，當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速和科技創(chuàng)新日新月異，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的人才成了新時(shí)代的要求，顯然，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已不能適應(yīng)[1-3]。2021年，中央人才工作會(huì)議提出“更加重視科學(xué)精神、創(chuàng)新能力、批判性思維的培養(yǎng)培育”的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的明確要求，作為培養(yǎng)創(chuàng)新及應(yīng)用型人才的搖籃，高校的職能自19世紀(jì)以來(lái)已悄然發(fā)生了變化，不再是單一的教書(shū)育人，高校教師在傳授知識(shí)的同時(shí)也參與科學(xué)研究[4]。因此，以科研促進(jìn)教學(xué)，將科研與教學(xué)緊密結(jié)合，以提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，能有效地保障創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的質(zhì)量，也是時(shí)代發(fā)展、高校發(fā)展、教師發(fā)展和學(xué)生發(fā)展的需要。

根據(jù)《光學(xué)分析法》課程的特點(diǎn)，基于廣西師范大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)學(xué)院大型儀器平臺(tái)，讓學(xué)生走近科研實(shí)踐創(chuàng)新，旨在培養(yǎng)在分析化學(xué)學(xué)科具有扎實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)且能夠獨(dú)立從事科研、德智體全面發(fā)展的高層次專業(yè)人才。下文擬從教師教學(xué)中科研論文講授、學(xué)生自主學(xué)習(xí)科研論文研讀和科研課題研究及儀器實(shí)操三方面入手，以期促進(jìn)學(xué)生掌握了光學(xué)分析多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)提高學(xué)生的科研實(shí)踐創(chuàng)新能力。

1.教師教學(xué)之美國(guó)化學(xué)會(huì)期刊Analytical Chemistry上近年科研論文中所用“光學(xué)分析法”

期刊Analytical Chemistry創(chuàng)刊于1947年，由美國(guó)化學(xué)會(huì)（American Chemical Society）出版，一直致力于發(fā)表分析化學(xué)及其交叉支學(xué)科具有新穎性及原創(chuàng)性的科研論文，是國(guó)際公認(rèn)的分析化學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊和被引用最多的學(xué)術(shù)期刊。因此，選取近年在Analytical Chemistry發(fā)表且用到“光學(xué)分析法”的科研論文，可讓學(xué)生更好了解“光學(xué)分析法”在前沿分析化學(xué)科學(xué)研究中的應(yīng)用。以下兩個(gè)實(shí)例是2016年和2022年發(fā)表在Analytical Chemistry上的兩篇科研論文。

(1)拉曼光譜法在科學(xué)研究中的應(yīng)用

1928年，印度物理學(xué)家拉曼在研究純苯液體的光散射現(xiàn)象時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射光中除了有與入射光頻率相同的瑞利散射光外，還有與入射光頻率不同且強(qiáng)度極弱的分子特征譜線—拉曼散射。從此，拉曼光譜學(xué)得以發(fā)展。由于拉曼散射效應(yīng)非常弱，拉曼光譜技術(shù)在推廣應(yīng)用過(guò)程中受到了嚴(yán)重的限制。但當(dāng)拉曼染料標(biāo)記在基底表面時(shí)，拉曼信號(hào)大大增強(qiáng)，這種效應(yīng)被稱為“表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)”?，F(xiàn)今，表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)已在食品分析、環(huán)境分析、生化分析及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

在該科研論文中，研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型表面等離子體耦合增強(qiáng)拉曼納米探針?lè)椒ㄓ糜诔`敏、單步霍亂毒素的檢測(cè)[5]。神經(jīng)節(jié)苷脂是一種親和力很強(qiáng)的天然糖脂，能與霍亂毒素選擇性地結(jié)合。基于此特性，研究人員設(shè)計(jì)合成了一種等離子體納米粒子，該納米粒子以拉曼染料標(biāo)記的金納米粒子為核、以磷脂雙分子層為外殼，磷脂雙分子層的修飾不僅使等離子體納米顆粒表面上能負(fù)載多個(gè)霍亂毒素分子，而且賦予了這些顆粒很好的穩(wěn)定性。將神經(jīng)節(jié)苷脂插入這些等離子體納米顆粒表面使該納米粒子表面具有多個(gè)霍亂毒素特異性結(jié)合位點(diǎn)。當(dāng)霍亂毒素不存在時(shí)，由于納米探針均勻分散在溶液中并無(wú)相互作用，納米探針僅能產(chǎn)生微弱的等離子體耦合增強(qiáng)拉曼信號(hào)。然而，當(dāng)加入霍亂毒素時(shí)，納米探針能夠特異性的識(shí)別霍亂毒素并組裝成交聯(lián)聚集體，組裝誘導(dǎo)了納米顆粒之間的強(qiáng)烈的局部等離子體耦合效應(yīng)。與此同時(shí)，表面增強(qiáng)拉曼散射信號(hào)顯著增強(qiáng)，從而可以用于霍亂毒素濃度的定量檢測(cè)。

(2)圓二色光譜法在科學(xué)研究中的應(yīng)用

圓二色光譜法可用于具有光學(xué)活性化合物的測(cè)定及物質(zhì)（如有機(jī)化合物、納米材料）絕對(duì)構(gòu)型的研究，光學(xué)活性物質(zhì)對(duì)組成平面偏振光的左旋和右旋圓偏振光的摩爾吸光系數(shù)（ε）是不相等的，即εL≠εR，具有圓二色性。兩種摩爾吸光系數(shù)之差Δε（Δε=εL-εR）是隨入射偏振光的波長(zhǎng)變化而變化的。如果以不同波長(zhǎng)的平面偏振光的波長(zhǎng)λ為橫坐標(biāo)，以吸收系數(shù)之差Δε為縱坐標(biāo)作圖，得到的圖譜即是圓二色光譜（Circular Dichroism，簡(jiǎn)稱CD）。圓二色光譜目前應(yīng)用最為廣泛的是生物大分子如蛋白質(zhì)、多肽及核酸的構(gòu)型研究，測(cè)定具有快速、簡(jiǎn)單、靈敏準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

以下實(shí)例是2022年發(fā)表在Analytical Chemistry的一篇科研論文，該論文利用圓二色光譜法對(duì)核酸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析[6]。圓二色光譜法可用于具有光學(xué)活性化合物的測(cè)定及物質(zhì)（如有機(jī)化合物、納米材料）絕對(duì)構(gòu)型的研究，應(yīng)用最為廣泛的是生物大分子如蛋白質(zhì)、多肽及核酸的構(gòu)型研究，測(cè)定具有快速、簡(jiǎn)單、靈敏準(zhǔn)確的特點(diǎn)。在該科研論文中，作者基于級(jí)聯(lián)核酸放大反應(yīng)設(shè)計(jì)了一種新型的生物傳感方法用于堿性磷酸酶（ALP）活性的檢測(cè)，ALP能水解底物L(fēng)-抗壞血酸-2-磷酸三鈉鹽（AAP）產(chǎn)生抗壞血酸（AA），AA將氧化氫氧化鈷（CoOOH）納米片還原成鈷離子，鈷離子特異性識(shí)別D1核酸探針中特定的核酸序列，并不斷對(duì)與之互補(bǔ)雜交的核酸探針H1進(jìn)行切割，進(jìn)而釋放出可以引發(fā)核酸探針H2和H3進(jìn)行催化發(fā)夾自組裝反應(yīng)（CHA）的引發(fā)鏈序列，不斷地生成H2和H3雙鏈雜交產(chǎn)物H2-H3并暴露出H2被封閉的G4鏈序列。為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)原理的可行性，作者分別對(duì)H2、H2+H3、D1+H1+H2+H3、ALP+AAP+CoOOH+D1+H1+H2+H3的圓二色光譜進(jìn)行了掃描。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)H2探針溶液的圓二色吸收光譜在265nm和241nm處分別有強(qiáng)度很弱的正向吸收和負(fù)向吸收峰，當(dāng)ALP不存在時(shí)，所測(cè)得H2+H3和D1+H1+H2+H3溶液與H2探針溶液的圓二色吸收光譜幾乎一致，但當(dāng)加入ALP時(shí)，溶液的圓二色吸收光譜在265nm和241nm處的正向吸收和負(fù)向吸收峰強(qiáng)度大大增強(qiáng)，表明G4鏈序列被釋放并折疊成了G4鏈結(jié)構(gòu)。通過(guò)這兩個(gè)實(shí)例的講解，學(xué)生可加深對(duì)拉曼光譜和圓二色光譜相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解，也可以提高其綜合實(shí)踐能力。

2.學(xué)生自主學(xué)習(xí)之所在研究課題組已發(fā)表科研論文所用“光學(xué)分析法”

《光學(xué)分析法》所涉及的大部分大型儀器，學(xué)生在本科學(xué)習(xí)階段并未接觸。因此，學(xué)生在課堂上聽(tīng)取教師講授“光學(xué)分析法”相關(guān)儀器構(gòu)造及原理后，課后應(yīng)及時(shí)安排對(duì)學(xué)生對(duì)課題組已發(fā)表的科研論文進(jìn)行研讀，選取科研論文中所用的《光學(xué)分析法》，并自行準(zhǔn)備課件對(duì)《光學(xué)分析法》在科學(xué)研究中的應(yīng)用進(jìn)行講解，再由教師點(diǎn)評(píng)。

功能納米材料在當(dāng)前分析化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用最為廣泛，納米材料是指在三維空間中至少有一維屬于納米尺度范圍或者由它們作為基本單元構(gòu)成的材料總稱。納米材料包括零維納米材料，如富勒烯、納米粒子、量子點(diǎn)；一維納米材料，如納米線、納米管；二維納米材料如石墨烯納米片、氮化碳納米片等；三維納米材料如石墨等。納米材料不同于傳統(tǒng)宏觀材料，其具有獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)，如優(yōu)越的電子性能、高的比表面積、易于摻雜及修飾等。隨著納米技術(shù)的高速發(fā)展及其與分析化學(xué)的不斷交叉融合，科研工作者已開(kāi)發(fā)出了一系列功能化納米材料，已在諸多領(lǐng)域如生物傳感、藥物輸送和癌癥治療等得到了廣泛的應(yīng)用。其中，“光學(xué)分析法”課程中學(xué)習(xí)的電子顯微分析技術(shù)則可對(duì)功能納米材料的形貌、尺寸大小進(jìn)行表征，以證實(shí)功能納米材料的成功合成。如利用透射電子顯微分析技術(shù)對(duì)零維功能納米材料-碳量子點(diǎn)的表征[7]：以在真空條件下，電子束經(jīng)高壓加速后，投射到碳量子點(diǎn)表面，碳量子點(diǎn)組織構(gòu)成成分的密度不同而發(fā)生相應(yīng)的電子散射，因此投射到熒光屏上的電子少而呈暗像，在透射電鏡電子照片上則呈黑色。

此外，利用掃描電子顯微分析技術(shù)對(duì)二維功能納米材料-CoOOH納米片的表征[6]：在真空條件下，用極細(xì)的電子束在CoOOH納米片表面掃描，激發(fā)CoOOH納米片表面放出二次電子，將產(chǎn)生的二次電子用特制的探測(cè)器收集，形成電信號(hào)運(yùn)送到顯像管，隨后在熒光屏上顯示CoOOH納米片的表面形貌。以上的調(diào)研、學(xué)習(xí)、講解過(guò)程，讓學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)得到了鞏固加深，同時(shí)也能大大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該門(mén)課程的興趣。

3.學(xué)生自主學(xué)習(xí)之“光學(xué)分析法”應(yīng)用于課題研究及儀器操作

除了對(duì)課題組已發(fā)表的科研論文進(jìn)行了解學(xué)習(xí)之外，學(xué)生在學(xué)習(xí)課程的同時(shí)可參與導(dǎo)師的科研項(xiàng)目，通過(guò)與導(dǎo)師商討，確定科研課題，這樣學(xué)生可從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換為主動(dòng)學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)用《光學(xué)分析法》所學(xué)知識(shí)來(lái)解決科研課題中所遇到的問(wèn)題。廣西師范大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)學(xué)院大型科學(xué)儀器開(kāi)放管理平臺(tái)擁有非常齊全的大型設(shè)備，如核磁共振譜儀、X射線光電子能譜儀、X射線粉末衍射儀等。學(xué)生通過(guò)參與科研課題及儀器操作，可熟練掌握《光學(xué)分析法》的理論知識(shí)、儀器構(gòu)造和儀器操作技能，在此過(guò)程中培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新思維，并對(duì)科研產(chǎn)生極其濃厚的興趣。此外，在指導(dǎo)學(xué)生的過(guò)程中，導(dǎo)師與學(xué)生的科研思想也能發(fā)生碰撞，激發(fā)并促進(jìn)更好的科研成果的創(chuàng)新。以下是一個(gè)典型的實(shí)踐案例：金屬離子對(duì)金屬納米簇?zé)晒忖鐧C(jī)理研究。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，金屬離子能夠淬滅零價(jià)金屬納米簇的熒光[8]，但鮮有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)其熒光猝滅機(jī)理。

學(xué)生在進(jìn)行該課題研究時(shí)，通過(guò)課堂所學(xué)知識(shí)可知，高分辨透射電鏡可對(duì)物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，獲取晶體學(xué)參數(shù)，X射線光電子能譜儀是一種表面分析技術(shù)，可用來(lái)表征固體材料表面元素種類及其化學(xué)狀態(tài)。因此，可選用高分辨透射電鏡、X射線光電子能譜儀對(duì)零價(jià)金屬納米簇在加入金屬離子前后的晶格條紋和金屬元素的價(jià)態(tài)進(jìn)行分析。如果金屬納米簇的晶格條紋和金屬元素的價(jià)態(tài)在加入金屬離子后發(fā)生變化，則表明金屬納米簇在加入金屬離子后，化學(xué)性質(zhì)已經(jīng)發(fā)生改變。反之，金屬納米簇的化學(xué)性質(zhì)在加入金屬離子后仍保持不變，金屬離子導(dǎo)致金屬納米簇?zé)晒庑盘?hào)的淬滅可能來(lái)源于金屬離子誘導(dǎo)金屬納米簇聚集或光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移等。

學(xué)生在以上科研課題的實(shí)踐過(guò)程中，學(xué)會(huì)了針對(duì)不同問(wèn)題，選用不同的分析方法，也準(zhǔn)確掌握了高分辨透射電鏡和X射線光電子能譜儀儀器構(gòu)造及使用原理等，同時(shí)提高了對(duì)所學(xué)知識(shí)靈活運(yùn)用的能力。

4.結(jié)論

《光學(xué)分析法》是部分高校面向分析化學(xué)專業(yè)研究生的一門(mén)重要的基礎(chǔ)專業(yè)必修課程，也是是眾多分析方法的重要組成部分，其涵蓋化學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科知識(shí)，在分析化學(xué)專業(yè)及其他專業(yè)如無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)等的科學(xué)研究中具有極強(qiáng)的實(shí)用性。因此，結(jié)合當(dāng)前前沿的分析化學(xué)科學(xué)研究，利用學(xué)校完善的大型儀器預(yù)約平臺(tái)，讓學(xué)生接觸和實(shí)操大型科研儀器，為學(xué)生提供對(duì)應(yīng)的科研訓(xùn)練，既能豐富《光學(xué)分析法》教學(xué)內(nèi)容，也能改善傳統(tǒng)的生硬的“填鴨式”課堂教學(xué)方式，使學(xué)生掌握扎實(shí)面廣的分析化學(xué)基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)深入的專業(yè)知識(shí)，提高他們的創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力，達(dá)到國(guó)家和學(xué)校對(duì)科研型人才培養(yǎng)的素質(zhì)要求，使其具有獨(dú)立從事科學(xué)研究或獨(dú)立擔(dān)負(fù)專門(mén)技術(shù)工作的能力，為將來(lái)在分析化學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)取得創(chuàng)造性成果打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。