基于綠色化學理念的醫(yī)藥類院校儀器分析實驗教學實踐和探索

石云，次旦南卓，夏冬，李明梅

(1.江蘇醫(yī)藥職業(yè)學院，江蘇 鹽城 224005；2. 西藏藏醫(yī)藥大學，西藏 拉薩 850000)

0 引言

目前，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，個別企業(yè)在追求經(jīng)濟效益的過程中忽略了社會效益，導(dǎo)致環(huán)境污染嚴重、耕地面積減少、自然資源約束趨緊，限制了人與自然的和諧發(fā)展。高校肩負著“為黨育人、為國育才”的重要使命，學生在接受高等教育階段，一方面要掌握扎實的專業(yè)知識、熟練的專業(yè)技能，以適應(yīng)競爭激烈的就業(yè)形勢，將來能立足崗位、服務(wù)社會；另一方面，在大學學習過程中，學生應(yīng)不斷提高自身的職業(yè)素養(yǎng)，形成正確的人生觀、價值觀和道德觀。儀器分析是醫(yī)藥類院校開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，特別注重學生對分析儀器的應(yīng)用能力、解決處理問題能力的培養(yǎng)，因此探索儀器分析實驗課程改革，從教學設(shè)計、教學實施、教學評價等多個環(huán)節(jié)推行綠色化學理念儀器分析實驗，對培養(yǎng)教師和學生的環(huán)保意識，深化“課程思政”建設(shè)，踐行“綠水青山就是金山銀山”的綠色發(fā)展理念具有重要意義[1]。

環(huán)境保護是我國現(xiàn)代化建設(shè)的一項戰(zhàn)略任務(wù)，是我國的基本國策。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的不斷發(fā)展，它在改善人們生活質(zhì)量，提高生活水平的同時，也面臨著不能與人類和環(huán)境共同發(fā)展等問題。藥品是一類特殊的商品，其質(zhì)量關(guān)乎人們健康，甚至生命。隨著藥品種類的增多，給藥品檢測工作增加了一定的困難，儀器分析技術(shù)作為現(xiàn)代藥學發(fā)展過程中重要的檢測手段，通過測定物質(zhì)的物理化學參數(shù)進行科學研究是生物、醫(yī)藥及相關(guān)專業(yè)學生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是藥品質(zhì)量監(jiān)控的重要手段。該課程經(jīng)歷了三次重要的變革、不斷發(fā)展，課程內(nèi)容體系日漸完備，蘊含了豐富的辯證唯物主義思想和思政元素。如何在儀器分析教學過程中在保質(zhì)、保量的完成教學目標和技能訓(xùn)練的同時，巧妙的融入環(huán)境保護、可持續(xù)發(fā)展等理念值得教學工作者深入研究和探討。

1 綠色化學理念

綠色化學(Green Chemistry) 又稱為“環(huán)境友好化學”或“清潔化學”，其核心內(nèi)容是希望利用最少的資源和能耗，從源頭上減少甚至是消除對環(huán)境的污染，并且最大化的滿足原子經(jīng)濟[2]。綠色化學的倡導(dǎo)者Anastas 和Waner 教授提出的十二條原則，內(nèi)容涉及預(yù)防廢棄物產(chǎn)生、原子經(jīng)濟性、使用溫和反應(yīng)條件、產(chǎn)物安全性、所用試劑安全性、能量效率設(shè)計、可再生材料的使用、簡化操作步驟、減少試劑用量、易于降解、及時跟蹤監(jiān)控、減少潛在危險等方面[3]。這十二條原則對藥學實驗教育改革有著重要的指導(dǎo)意義[4]。藥學作為化學專業(yè)的衍生學科，在藥品的研制、生產(chǎn)、質(zhì)量控制、運輸、保存和使用等過程中，都離不開化學專業(yè)基礎(chǔ)知識。綠色化學理念的提出將傳統(tǒng)工業(yè)發(fā)展的“先污染再治理”“邊治理邊污染”轉(zhuǎn)變?yōu)閺脑搭^上阻止發(fā)生環(huán)境污染的可能性。結(jié)合儀器分析實驗教學的各個環(huán)節(jié)，從教學設(shè)計、教學實施和教學評價將綠色化學的理念滲透其中，減少對人類和環(huán)境有害的試劑的使用，增加可循環(huán)、可再生實驗材料的使用，降低有害廢棄物的產(chǎn)生，從根本上降低污染。

2 儀器分析實驗綠色化改革的必要性

儀器分析是藥學及相關(guān)專業(yè)必修的一門化學基礎(chǔ)類課程，通過該課程學習，學生可以掌握現(xiàn)代分析儀器的理論知識和操作技能，為后續(xù)進行藥物質(zhì)量控制、藥物評價奠定基礎(chǔ)。該課程一般開設(shè)在第一學年，該階段的學生剛步入大學校園，對大學生活充滿憧憬和迷茫，他們接受新事物能力強、思維活躍。但尚未形成成熟的“三觀”，易被周圍學習、生活環(huán)境影響，該階段是形成良好的實驗操作習慣和職業(yè)素養(yǎng)的關(guān)鍵時期。在儀器分析的課程講授過程除了傳授專業(yè)理論知識和掌握必備的實驗操作技能外，還應(yīng)教育學生樹立“安全第一、質(zhì)量為重”的理念。在講授過程中融入環(huán)保知識、綠色化學理念、營造良好的實驗氛圍，將有利于學生養(yǎng)成良好的實驗習慣，規(guī)范實驗操作，規(guī)避實驗風險，理解藥學專業(yè)特點及了解專業(yè)素養(yǎng)，從而逐步形成正確的人生觀和價值觀。

3 基于綠色化學理念的儀器分析實驗教學改革路徑

3.1 現(xiàn)代信息技術(shù)優(yōu)化教學資源

2020 年初在全球范圍內(nèi)爆發(fā)了新型冠狀病毒疫情，各大高校迅速做出應(yīng)對措施，積極響應(yīng)教育部“停課不停學、停課不停教”的號召，充分運用現(xiàn)代化教學手段，在疫情防控的背景下也給我們的教育教學工作提出了許多新的挑戰(zhàn)和要求[5]。儀器分析作為一門實踐性較強的課程，采用混合式教學的方式，在教學過程中結(jié)合MOOC、SPOC、智慧職教、雨課堂等平臺，發(fā)布任務(wù)、上傳教學資料，將實驗過程中較難理解的原理、實驗操作等部分以視頻、動畫的方式錄制好上傳平臺上供學生學習，學生可以根據(jù)學習環(huán)境自由合理分配學習時間。在技能操作前掌握實驗?zāi)康?、原理等必備知識點，做到“有備而來”，發(fā)揮線上、線下混合式教學優(yōu)勢，達到事半功倍的效果。此外，可以將簡單理論化學計算融入儀器分析實驗教學工作，例如大連理工大學以氣相色譜法分析醇系物實驗為例，使用開源或者免費軟件WebMO，嘗試將理論化學計算與實驗結(jié)合，引導(dǎo)學生從數(shù)據(jù)分析上理解實驗原理[6]。

3.2 仿真操作助力綠色實驗

隨著人工智能、計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)悄無聲息的來到我們的教育教學過程中，并成為重要的組成部分[7]。通過仿真操作，不僅可以模擬出真實的實驗操作環(huán)境、儀器圖像等，甚至可以實現(xiàn)與電腦人物的對話、交流和互動，這不僅可以使學生真實、逼真的操作分析儀器，也可以彌補由于實驗設(shè)備昂貴而導(dǎo)致的設(shè)備不足，防止學生由于操作錯誤而導(dǎo)致的設(shè)備損壞，使實驗教學不再受到場地、人數(shù)等因素的限制，并且操作過程可控，利于學生反復(fù)操作，自主學習，有針對的訓(xùn)練操作技能。目前，結(jié)合藥學專業(yè)開發(fā)出多種虛擬仿真實驗操作平臺，例如經(jīng)典的東方仿真軟件，3D 場景模擬實驗環(huán)境的南京藥育智能智慧教育云平臺、上海夢之路虛擬仿真實驗教學平臺等。通過使用類似的虛擬仿真實訓(xùn)操作，學生可以不受時間、地點等限制，進行儀器分析實驗的仿真操作，教師可以根據(jù)實時數(shù)據(jù)或后臺反饋數(shù)據(jù)，有針對性的給予學生指導(dǎo)和幫助，打破了傳統(tǒng)的教學模式，利于提高學生對分析儀器操作過程中簡單問題的處理，提高了學生解決問題的綜合能力。同時，可以減少試劑的使用和有害垃圾的產(chǎn)生，預(yù)防環(huán)境污染，助力儀器分析實驗課教學。

3.3 源頭實驗設(shè)計引領(lǐng)綠色方向

儀器分析屬于分析化學的范疇，是利用物質(zhì)的物理或物理化學性質(zhì)從而獲得化合物的組成、含量、結(jié)構(gòu)等信息的一種分析方法，它涉及物理、化學、數(shù)學等眾多學科，是從微觀角度探析藥物本質(zhì)的重要方法，是放大的人的五官，如何在利用好這雙“眼睛”的同時，又能使其朝著環(huán)境友好的方向發(fā)展，設(shè)計好儀器分析實驗是關(guān)鍵。在完成教學目標的前提下，應(yīng)尋找綠色、安全、揮發(fā)性、毒性較小的藥物和試劑，實現(xiàn)實驗教學的綠色化。例如，紅外光譜實驗可選擇設(shè)計利用紅外光譜法，鑒別青蒿素結(jié)構(gòu)，區(qū)別青蒿素和雙氫蒿素實驗。青蒿素和雙氫蒿素是我國科學屠呦呦女士受到古代中醫(yī)方劑著作《肘后備急方》的啟發(fā)，經(jīng)過不斷實驗，創(chuàng)造性的研制的抗瘧新藥，拯救了全球數(shù)百萬人的生命，屠呦呦女士也因此獲得2015 年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，成為第一個獲得該獎的中國人。選擇開設(shè)此實驗不僅可以減少污染，詳細的介紹紅外光譜法在藥物分析中的應(yīng)用，同時也可以對學生進行愛國主義教育，激發(fā)學生的民族自豪感。在開展經(jīng)典液相色譜法中柱色譜實驗時，可以選擇用氧化鋁為固定相，以95%乙醇為洗脫劑，分離有機染料甲基橙和亞甲基藍混合液，對于分離收集的單一物質(zhì)再聯(lián)合紫外可見分光光度法進行含量檢測，注重實驗設(shè)計整體性的同時，減少了試劑的使用量?；蛘哌x用鐵、鈷、銅混合離子柱色譜分離實驗，使用氧化鋁為固定相，水為洗脫劑。這些實驗項目待分離樣品本身具有一定的顏色，在色譜柱中可形成明顯的色譜帶，便于學生直觀的觀察實驗現(xiàn)象，理解色譜法的分離原理，同時使用的試劑易處理，安全、環(huán)保，符合綠色化學理念。在紫外可見分光光度計實驗中，選擇超聲清洗儀代替含有強酸和重金屬的鉻酸洗液清洗比色皿，防止污染。

3.4 用量控制

儀器分析與化學分析方法相比，具有靈敏度高、檢測限低的特點，可用于微量或痕量組分的分析，試劑用量較少。但天然藥物中有效成分的提取通常使用大量的有機溶劑，造成污染，在提取過程中，應(yīng)盡可能的避免有毒有害有機溶劑的使用，特別是鹵代烴類溶劑的使用。水作為綠色、清潔性能源，符合綠色化學要求，在實驗中應(yīng)盡可能使用水為溶劑。在開展儀器分析實驗教學時，可結(jié)合各類分析方法特點，設(shè)計實驗方案，特別是針對試劑用量相對較大的方法，更應(yīng)盡可能的考慮選擇安全性高、污染性小的試劑。例如，在講授紫外-可見分光光度法中的標準曲線法時，由于繪制標準曲線至少需要配制5 個標準溶液，試劑用量較大，此時，結(jié)合醫(yī)藥類院校專業(yè)特點，參考《中國藥典》(2020版)中的藥品檢測方法，可選擇維生素B12注射液含量的測定為實驗項目，采用無毒、無害的水作為溶劑，選用體積較小的50 mL 容量瓶，配制系列標準溶液，繪制標準曲線，從溶劑類型角度減少試劑用量對環(huán)境的污染。對于高液液相色譜法的分析實驗，應(yīng)選擇合適的色譜條件，不宜選擇分析周期較長、組成成分特別復(fù)雜的混合組分，以防止大量流動相的使用，造成不必要的浪費，對于組分復(fù)雜的樣品，可采取梯度洗脫的方式，縮短分析時間。紫外可見分光光度法測定棗皮中黃酮含量實驗，可采用超聲波提取法，不僅可以避免使用大量有機溶劑，并且省時、節(jié)能，從提取方法的角度減小有害試劑用量。

3.5 廢棄物處理綠色化

按照廢棄物類型、性質(zhì)和狀態(tài)進行分類收集處理。綠色化學倡導(dǎo)從源頭上防范有害垃圾的產(chǎn)生，對于實驗過程中產(chǎn)生的化學廢棄物應(yīng)做好分類處理和登記，不可隨意丟棄有害、有毒垃圾。教師在上課期間，應(yīng)滲透危險廢棄物的安全防范知識，堅持遵循“減少產(chǎn)生、分類存放、集中處理”的原則，督促學生規(guī)范實驗操作，并將是否處理得當作為實驗操作考核的一部分。對于實驗過程中產(chǎn)生的大量試劑，如可以通過簡單的方法提純，應(yīng)盡可能循環(huán)使用，避免鋪張浪費。例如高效液相實驗中，如使用制備液相產(chǎn)生的廢液，在充分了解其成分，判斷實驗的可行性后，可與有機化學實驗課程結(jié)合，將儀器分析實驗的廢液作為蒸餾、精餾實驗原料，通過簡單的實驗操作，進行純化，在分別達到兩門課程教學目標的同時，減少了有機溶劑的排放，提高試劑的循環(huán)使用，體現(xiàn)了綠色化學理念，同時也能夠使學生意識到資源的循環(huán)使用也是社會持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。

4 結(jié)語

總之，醫(yī)藥類院校分析儀器技術(shù)所研究的內(nèi)容與其他專業(yè)有著相似之處，同時又具有一定的特殊性。藥品作為一類特殊的商品，其質(zhì)量與人的生命息息相關(guān)，藥學專業(yè)所開設(shè)的實驗在完成“傳道授業(yè)解惑”的教學任務(wù)同時，應(yīng)注重學生德育發(fā)展，倡導(dǎo)綠色化學理念，促進人類和社會的和諧發(fā)展，儀器分析技術(shù)作為藥品檢測的一項重要手段，如何在實驗教學過程中滲透綠色化學理念，是值得所有藥學人思考和探索的問題。大學生是社會進步的主力軍，在其專業(yè)課啟蒙階段培養(yǎng)其良好的實驗習慣和節(jié)能環(huán)保的思維模式，對其增強安全環(huán)保意識，培養(yǎng)良好的職業(yè)素養(yǎng)具有極其重要的意義。構(gòu)建綠色校園、增強環(huán)保意識也是高校貫徹落實科學的發(fā)展觀，推動節(jié)能環(huán)保型社會發(fā)展的一項重要舉措。每一位儀器分析課程老師應(yīng)身體力行的推進開展綠色化學實驗，不斷總結(jié)工作方法，提升工作效率，為綠水青山貢獻自己的一份力量。本文從什么是綠色化學理念、儀器分析實驗進行綠色化改革的必要性以及如何進行改革三個方面進行探討，望為進一步深化儀器分析實驗教學改革提供參考。