基于綠色化學(xué)理念的醫(yī)藥類(lèi)院校儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)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(xué)院，江蘇 鹽城 224005；2. 西藏藏醫(yī)藥大學(xué)，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(gè)別企業(yè)在追求經(jīng)濟(jì)效益的過(guò)程中忽略了社會(huì)效益，導(dǎo)致環(huán)境污染嚴(yán)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(fù)著“為黨育人、為國(guó)育才”的重要使命，學(xué)生在接受高等教育階段，一方面要掌握扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)、熟練的專業(yè)技能，以適應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的就業(yè)形勢(shì)，將來(lái)能立足崗位、服務(wù)社會(huì)；另一方面，在大學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)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(jià)值觀和道德觀。儀器分析是醫(yī)藥類(lèi)院校開(kāi)設(shè)的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，特別注重學(xué)生對(duì)分析儀器的應(yīng)用能力、解決處理問(wèn)題能力的培養(yǎng)，因此探索儀器分析實(shí)驗(yàn)課程改革，從教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)施、教學(xué)評(píng)價(jià)等多個(gè)環(huán)節(jié)推行綠色化學(xué)理念儀器分析實(shí)驗(yàn)，對(duì)培養(yǎng)教師和學(xué)生的環(huán)保意識(shí)，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(hù)是我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的一項(xiàng)戰(zhàn)略任務(wù)，是我國(guó)的基本國(guó)策。隨著現(xiàn)代科學(xué)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(shí)，也面臨著不能與人類(lèi)和環(huán)境共同發(fā)展等問(wèn)題。藥品是一類(lèi)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(lèi)的增多，給藥品檢測(cè)工作增加了一定的困難，儀器分析技術(shù)作為現(xiàn)代藥學(xué)發(fā)展過(guò)程中重要的檢測(cè)手段，通過(guò)測(cè)定物質(zhì)的物理化學(xué)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)研究是生物、醫(yī)藥及相關(guān)專業(yè)學(xué)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(yùn)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(xué)過(guò)程中在保質(zhì)、保量的完成教學(xué)目標(biāo)和技能訓(xùn)練的同時(shí)，巧妙的融入環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展等理念值得教學(xué)工作者深入研究和探討。

1 綠色化學(xué)理念

綠色化學(xué)(Green Chemistry) 又稱為“環(huán)境友好化學(xué)”或“清潔化學(xué)”，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(duì)環(huán)境的污染，并且最大化的滿足原子經(jīng)濟(jì)[2]。綠色化學(xué)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(jì)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(jì)、可再生材料的使用、簡(jiǎn)化操作步驟、減少試劑用量、易于降解、及時(shí)跟蹤監(jiān)控、減少潛在危險(xiǎn)等方面[3]。這十二條原則對(duì)藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教育改革有著重要的指導(dǎo)意義[4]。藥學(xué)作為化學(xué)專業(yè)的衍生學(xué)科，在藥品的研制、生產(chǎn)、質(zhì)量控制、運(yùn)輸、保存和使用等過(guò)程中，都離不開(kāi)化學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。綠色化學(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，從教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)施和教學(xué)評(píng)價(jià)將綠色化學(xué)的理念滲透其中，減少對(duì)人類(lèi)和環(huán)境有害的試劑的使用，增加可循環(huán)、可再生實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)綠色化改革的必要性

儀器分析是藥學(xué)及相關(guān)專業(yè)必修的一門(mén)化學(xué)基礎(chǔ)類(lèi)課程，通過(guò)該課程學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握現(xiàn)代分析儀器的理論知識(shí)和操作技能，為后續(xù)進(jìn)行藥物質(zhì)量控制、藥物評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。該課程一般開(kāi)設(shè)在第一學(xué)年，該階段的學(xué)生剛步入大學(xué)校園，對(duì)大學(xué)生活充滿憧憬和迷茫，他們接受新事物能力強(qiáng)、思維活躍。但尚未形成成熟的“三觀”，易被周?chē)鷮W(xué)習(xí)、生活環(huán)境影響，該階段是形成良好的實(shí)驗(yàn)操作習(xí)慣和職業(yè)素養(yǎng)的關(guān)鍵時(shí)期。在儀器分析的課程講授過(guò)程除了傳授專業(yè)理論知識(shí)和掌握必備的實(shí)驗(yàn)操作技能外，還應(yīng)教育學(xué)生樹(shù)立“安全第一、質(zhì)量為重”的理念。在講授過(guò)程中融入環(huán)保知識(shí)、綠色化學(xué)理念、營(yíng)造良好的實(shí)驗(yàn)氛圍，將有利于學(xué)生養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作，規(guī)避實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，理解藥學(xué)專業(yè)特點(diǎn)及了解專業(yè)素養(yǎng)，從而逐步形成正確的人生觀和價(jià)值觀。

3 基于綠色化學(xué)理念的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革路徑

3.1 現(xiàn)代信息技術(shù)優(yōu)化教學(xué)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(duì)措施，積極響應(yīng)教育部“停課不停學(xué)、停課不停教”的號(hào)召，充分運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)手段，在疫情防控的背景下也給我們的教育教學(xué)工作提出了許多新的挑戰(zhàn)和要求[5]。儀器分析作為一門(mén)實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，采用混合式教學(xué)的方式，在教學(xué)過(guò)程中結(jié)合MOOC、SPOC、智慧職教、雨課堂等平臺(tái)，發(fā)布任務(wù)、上傳教學(xué)資料，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中較難理解的原理、實(shí)驗(yàn)操作等部分以視頻、動(dòng)畫(huà)的方式錄制好上傳平臺(tái)上供學(xué)生學(xué)習(xí)，學(xué)生可以根據(jù)學(xué)習(xí)環(huán)境自由合理分配學(xué)習(xí)時(shí)間。在技能操作前掌握實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理等必備知識(shí)點(diǎn)，做到“有備而來(lái)”，發(fā)揮線上、線下混合式教學(xué)優(yōu)勢(shì)，達(dá)到事半功倍的效果。此外，可以將簡(jiǎn)單理論化學(xué)計(jì)算融入儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，例如大連理工大學(xué)以氣相色譜法分析醇系物實(shí)驗(yàn)為例，使用開(kāi)源或者免費(fèi)軟件WebMO，嘗試將理論化學(xué)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生從數(shù)據(jù)分析上理解實(shí)驗(yàn)原理[6]。

3.2 仿真操作助力綠色實(shí)驗(yàn)

隨著人工智能、計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)悄無(wú)聲息的來(lái)到我們的教育教學(xué)過(guò)程中，并成為重要的組成部分[7]。通過(guò)仿真操作，不僅可以模擬出真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境、儀器圖像等，甚至可以實(shí)現(xiàn)與電腦人物的對(duì)話、交流和互動(dòng)，這不僅可以使學(xué)生真實(shí)、逼真的操作分析儀器，也可以彌補(bǔ)由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴而導(dǎo)致的設(shè)備不足，防止學(xué)生由于操作錯(cuò)誤而導(dǎo)致的設(shè)備損壞，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)不再受到場(chǎng)地、人數(shù)等因素的限制，并且操作過(guò)程可控，利于學(xué)生反復(fù)操作，自主學(xué)習(xí)，有針對(duì)的訓(xùn)練操作技能。目前，結(jié)合藥學(xué)專業(yè)開(kāi)發(fā)出多種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)，例如經(jīng)典的東方仿真軟件，3D 場(chǎng)景模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的南京藥育智能智慧教育云平臺(tái)、上海夢(mèng)之路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)等。通過(guò)使用類(lèi)似的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)操作，學(xué)生可以不受時(shí)間、地點(diǎn)等限制，進(jìn)行儀器分析實(shí)驗(yàn)的仿真操作，教師可以根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或后臺(tái)反饋數(shù)據(jù)，有針對(duì)性的給予學(xué)生指導(dǎo)和幫助，打破了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，利于提高學(xué)生對(duì)分析儀器操作過(guò)程中簡(jiǎn)單問(wèn)題的處理，提高了學(xué)生解決問(wèn)題的綜合能力。同時(shí)，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(shí)驗(yàn)課教學(xué)。

3.3 源頭實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)引領(lǐng)綠色方向

儀器分析屬于分析化學(xué)的范疇，是利用物質(zhì)的物理或物理化學(xué)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(xué)、數(shù)學(xué)等眾多學(xué)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(shí)，又能使其朝著環(huán)境友好的方向發(fā)展，設(shè)計(jì)好儀器分析實(shí)驗(yàn)是關(guān)鍵。在完成教學(xué)目標(biāo)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(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化。例如，紅外光譜實(shí)驗(yàn)可選擇設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)。青蒿素和雙氫蒿素是我國(guó)科學(xué)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(guò)不斷實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造性的研制的抗瘧新藥，拯救了全球數(shù)百萬(wàn)人的生命，屠呦呦女士也因此獲得2015 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，成為第一個(gè)獲得該獎(jiǎng)的中國(guó)人。選擇開(kāi)設(shè)此實(shí)驗(yàn)不僅可以減少污染，詳細(xì)的介紹紅外光譜法在藥物分析中的應(yīng)用，同時(shí)也可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行愛(ài)國(guó)主義教育，激發(fā)學(xué)生的民族自豪感。在開(kāi)展經(jīng)典液相色譜法中柱色譜實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以選擇用氧化鋁為固定相，以95%乙醇為洗脫劑，分離有機(jī)染料甲基橙和亞甲基藍(lán)混合液，對(duì)于分離收集的單一物質(zhì)再聯(lián)合紫外可見(jiàn)分光光度法進(jìn)行含量檢測(cè)，注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)整體性的同時(shí)，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(shí)驗(yàn)，使用氧化鋁為固定相，水為洗脫劑。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(xué)生直觀的觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，理解色譜法的分離原理，同時(shí)使用的試劑易處理，安全、環(huán)保，符合綠色化學(xué)理念。在紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)實(shí)驗(yàn)中，選擇超聲清洗儀代替含有強(qiáng)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(xué)分析方法相比，具有靈敏度高、檢測(cè)限低的特點(diǎn)，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(jī)溶劑，造成污染，在提取過(guò)程中，應(yīng)盡可能的避免有毒有害有機(jī)溶劑的使用，特別是鹵代烴類(lèi)溶劑的使用。水作為綠色、清潔性能源，符合綠色化學(xué)要求，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)盡可能使用水為溶劑。在開(kāi)展儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，可結(jié)合各類(lèi)分析方法特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，特別是針對(duì)試劑用量相對(duì)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(jiàn)分光光度法中的標(biāo)準(zhǔn)曲線法時(shí)，由于繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線至少需要配制5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溶液，試劑用量較大，此時(shí)，結(jié)合醫(yī)藥類(lèi)院校專業(yè)特點(diǎn)，參考《中國(guó)藥典》(2020版)中的藥品檢測(cè)方法，可選擇維生素B12注射液含量的測(cè)定為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采用無(wú)毒、無(wú)害的水作為溶劑，選用體積較小的50 mL 容量瓶，配制系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，從溶劑類(lèi)型角度減少試劑用量對(duì)環(huán)境的污染。對(duì)于高液液相色譜法的分析實(shí)驗(yàn)，應(yīng)選擇合適的色譜條件，不宜選擇分析周期較長(zhǎng)、組成成分特別復(fù)雜的混合組分，以防止大量流動(dòng)相的使用，造成不必要的浪費(fèi)，對(duì)于組分復(fù)雜的樣品，可采取梯度洗脫的方式，縮短分析時(shí)間。紫外可見(jiàn)分光光度法測(cè)定棗皮中黃酮含量實(shí)驗(yàn)，可采用超聲波提取法，不僅可以避免使用大量有機(jī)溶劑，并且省時(shí)、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(lèi)型、性質(zhì)和狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)收集處理。綠色化學(xué)倡導(dǎo)從源頭上防范有害垃圾的產(chǎn)生，對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的化學(xué)廢棄物應(yīng)做好分類(lèi)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(xiǎn)廢棄物的安全防范知識(shí)，堅(jiān)持遵循“減少產(chǎn)生、分類(lèi)存放、集中處理”的原則，督促學(xué)生規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作，并將是否處理得當(dāng)作為實(shí)驗(yàn)操作考核的一部分。對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量試劑，如可以通過(guò)簡(jiǎn)單的方法提純，應(yīng)盡可能循環(huán)使用，避免鋪張浪費(fèi)。例如高效液相實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的可行性后，可與有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程結(jié)合，將儀器分析實(shí)驗(yàn)的廢液作為蒸餾、精餾實(shí)驗(yàn)原料，通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)操作，進(jìn)行純化，在分別達(dá)到兩門(mén)課程教學(xué)目標(biāo)的同時(shí)，減少了有機(jī)溶劑的排放，提高試劑的循環(huán)使用，體現(xiàn)了綠色化學(xué)理念，同時(shí)也能夠使學(xué)生意識(shí)到資源的循環(huán)使用也是社會(huì)持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，醫(yī)藥類(lèi)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(shí)又具有一定的特殊性。藥品作為一類(lèi)特殊的商品，其質(zhì)量與人的生命息息相關(guān)，藥學(xué)專業(yè)所開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)在完成“傳道授業(yè)解惑”的教學(xué)任務(wù)同時(shí)，應(yīng)注重學(xué)生德育發(fā)展，倡導(dǎo)綠色化學(xué)理念，促進(jìn)人類(lèi)和社會(huì)的和諧發(fā)展，儀器分析技術(shù)作為藥品檢測(cè)的一項(xiàng)重要手段，如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中滲透綠色化學(xué)理念，是值得所有藥學(xué)人思考和探索的問(wèn)題。大學(xué)生是社會(huì)進(jìn)步的主力軍，在其專業(yè)課啟蒙階段培養(yǎng)其良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和節(jié)能環(huán)保的思維模式，對(duì)其增強(qiáng)安全環(huán)保意識(shí)，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(qiáng)環(huán)保意識(shí)也是高校貫徹落實(shí)科學(xué)的發(fā)展觀，推動(dòng)節(jié)能環(huán)保型社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)重要舉措。每一位儀器分析課程老師應(yīng)身體力行的推進(jìn)開(kāi)展綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)，不斷總結(jié)工作方法，提升工作效率，為綠水青山貢獻(xiàn)自己的一份力量。本文從什么是綠色化學(xué)理念、儀器分析實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綠色化改革的必要性以及如何進(jìn)行改革三個(gè)方面進(jìn)行探討，望為進(jìn)一步深化儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供參考。