波谱分析课程教学的实践与思考

曹书霞 廖新成

(郑州大学化学系 河南郑州 450052)

波谱分析课程教学的实践与思考

曹书霞 廖新成

(郑州大学化学系 河南郑州 450052)

介绍作者在长期波谱分析课程教学实践的基础上,对该课程教学内容及教学方法改革的一些探索。

波谱分析课程是化学系各专业的主要选修课,它以若干交叉学科的知识为基础,实践性和应用性均很强,主要包括紫外光谱法、红外光谱法、核磁共振波谱法以及质谱分析法 4部分[1]。通过该课程的学习,应使学生了解现代波谱分析技术及其工作原理,掌握各类波谱分析技术的特点及方法,培养学生解析化合物波谱图的基本技能,为将来从事化学研究工作打下必要和坚实的基础。在威廉斯(D.H.W illiams)和弗莱明 (I.Fleming)编著的《有机化学中的光谱方法》一书序言中[2],作者写道:“在 19世纪后半叶,波谱方法已经成为有机化学发展的奠基石”,由此可见波谱方法的重要性。现今波谱分析技术已经成为探索有机分子以及生物大分子结构的最有效、最可靠的手段之一,因此现代波谱分析技术已经成为化学以及相关学科工作者所必须掌握的技术之一。近几年,一些院校对于波谱分析课程的教学方法及考试模式等进行了一些改革,并提出了建议[3-5]。作者从事本科生、研究生波谱分析教学和波谱相关科研工作已经十几年,积累了较丰富的教学和科研经验。下面介绍作者在波谱分析课程的教学内容及教学方法方面所作的一些有益尝试和探索。

1 教学内容力求实用和新颖

(1)注重波谱技术发展史的介绍。在介绍每一种波谱技术方法时,首先介绍其出现的技术背景及社会背景,强调每一个方法的建立都是和实际应用需求分不开的,突出课程的实用性。例如 20世纪 30年代末,由于石油工业的发展,需要测定油的成分。当时用蒸馏的方法首先分离烃类混合物,然后再用分别测定折光率的方法进行分析,通常要用数天时间。在 20世纪 40年代初,开始将质谱方法用于石油工业中烃的分析,从而大大缩短了分析时间。在 1942年,世界上出现了第一台商品化的质谱仪,主要用于石油精炼和橡胶工业。另外在核磁共振及质谱技术的发展史中,有一些对波谱技术发展做出了卓越贡献的学者获得了诺贝尔奖。在教学中穿插这些内容,可以引发学生对波谱技术的兴趣,有助于激发他们在日后的研究工作中对一些现有技术改进的灵感。例如 2002年的诺贝尔化学奖授予了美国科学家约翰·芬恩(John B.Fenn)、日本科学家田中耕一 (Koichi Tanaka)和瑞士科学家库尔特 ·维特里希 (Kurt Wüthrich),以表彰他们在生物大分子结构确定和分析研究领域所发展的波谱新方法,其中就涉及到两种新的质谱离子源技术以及一种新的核磁共振技术[6]。紧接着,2003年的诺贝尔生理学或医学奖授予了英国物理学家曼斯菲尔德 (P.Mansfield)和美国科学家劳特布尔 (P.C. Lauterbur),以表彰他们在核磁共振成像应用以及在医学诊断和研究领域的重大成果。虽然此项技术与解析未知化合物结构没有直接的关系,但对此项技术的简单介绍可以使学生感知核磁共振技术从分析分子结构跨越到分析人体组织的发展历程。

(2)围绕纵横两条主线,理顺课程内容的框架结构。波谱分析课程涉及的每种仪器方法都有各自的理论基础、应用范围和研究内容,在教学时容易使课程显得内容庞杂、结构松散,导致学生在学习时容易产生零散、枯燥的感觉。有些学过这门课的学生到了高年级仍不清楚何种情况下利用波谱技术能更快速、高效地解决实际工作中的问题,甚至有时不知样品如何配制。我们在教学中采取了把握两条纵横主线的方法:一条纵穿整个课程的主线是“波谱”,除去质谱法与电磁波没有联系之外,其他 3大谱学方法都是电磁波与样品分子作用的结果。不同的电磁波作用在分子上,呈现出不同的波谱特征,因此应该使学生能以“波谱”为主线,从谱图产生的原理上理解 3大谱学之间的联系;而另一条主线横穿每一章的内容,即以仪器原理、波谱特征和实践应用为主线,讲解每一种波谱学方法。每章的学习首先介绍该波谱方法的原理、仪器类型、介绍其制样方法,然后阐述各类化合物的波谱特征,最后介绍该种谱学方法的实际应用。这样围绕该课程的两条主线能使学生清晰地把握波谱分析课程的框架,掌握课程内容的重点。

(3)在波谱的应用中引入科研实例。在课程的内容安排上,应注重理论与实际的有效结合。这门课的最终目的是提高学生波谱分析技能,故若没有大量的实际例子进行实战讲解,往往效果欠佳。我们在学生掌握了各类谱图的基本规律之后,通过大量的科研实例使学生增强感性认识,掌握解析各类化合物谱图的基本特征,使学生所学知识得以巩固。学生往往对身边的研究感兴趣,故在教学中引入本系与波谱相关的科研实例,往往能激发起学生的兴趣,这样可使科研实例有近有远,有大有小,从而取得较好的教学效果。例如科研中一些立体化学的问题常常可以利用核磁共振技术来解决,立体化学中的手性、构型、构象等问题往往可以和核磁共振谱图中的峰形、裂分情况联系起来,举一些科研实例可以引导学生感受如何将波谱知识应用到实际工作中去。当讲到核磁共振的NOE效应时,我们举了一个本系科研的实例[7],即利用NOE实验确定合成分离得到的氨基酸氢膦烷非对映异构体之一的空间构型。该例子的讲授加深了学生对NOE概念的理解,强化了NOE效应在科学研究中的作用。

(4)介绍波谱分析新技术。波谱分析技术一直处于快速发展中,因此有必要在课程中穿插一些相关的内容,使学生了解波谱分析技术的发展趋势。例如近十几年来色谱-波谱技术的联用得到了迅速普及,强大的分离技术和波谱分析鉴定技术的密切配合,已在许多领域获得了广泛的应用。尤其是在生命科学领域,给化学工作者提出了许多具有挑战性的化学问题,该项技术也为解决生命科学过程中的一些问题,如生物活性物质的分析等提供了强有力的工具。我们在课程中穿插讲授了气相色谱-傅立叶变换红外光谱、气相色谱-质谱、液相色谱-质谱、毛细管电泳-质谱、液相色谱-核磁共振谱等联用技术的简单原理以及应用范围,使学生对色谱-波谱联用技术有初步的了解。

(5)网上波谱资源的介绍。目前网上有许多较好的波谱谱库资源和波谱知识网站,介绍网上相关波谱资源,不但可以丰富和巩固学生相关的波谱知识,而且有利于学生了解和掌握在网络上查询和获取化学资源及信息的方法。例如给学生介绍的一个免费波谱图检索网站(http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi)可以查询化合物的 IR、1H-NMR、13C-NMR、MS谱图数据;另一个谱库资源是美国的 N IST数据库网站 (http://webbook.nist.gov/chemistry),可以查询化合物的 IR、MS、UV图谱,这些免费的数据库可以强化学生对谱图特征的感性认识,有利于学生在解题过程中利用标准图谱加以比对。另外网上还有许多介绍波谱知识的网站,例如美国加利福尼亚 Scripps质谱中心的网站 (http://masspec. scripps.edu/),有许多关于质谱发展史、质谱基础理论、质谱前沿知识以及最新质谱研究的内容,可以供感兴趣的学生学习和参考;由剑桥同位素实验室和加利福尼亚大学洛杉矶分校化学和生物化学系共同维护的环球谱学网站 (http://www.chem.ucla.edu/～webspectra/index.html),不但有基础理论知识,而且提供了许多有关1H-NMR、13C-NMR、DEPT、COSY和 IR光谱的练习题,这些练习题分别设置为初级、中级和高级,可以供不同阶段的学生进行练习;美国罗切斯特技术学院化学系的 Joseph P.Hornak博士创建的核磁共振学习网页 (http://www.cis.rit. edu/htbooks/nmr/inside.htm),详细阐述了核磁共振的原理及应用,在原理讲解中还穿插了许多形象生动的 Flash动画,是深入学习和理解核磁共振原理的一个全面而且优秀的网站。

2 教学方式力求生动和高效

(1)以往的教学将波谱分析作为有机化学专业的一门专业课对待,理论讲授较多,方法和应用内容相对较少,而且与物理有机、有机合成及其他相关课程的界限分得过于清楚。在讲授方式上,我们将波谱分析这门课和有趣的反应机理、高超的合成技巧以及波谱分析实验课巧妙地配合进行,这样既不枯燥,又易于激发学生的学习兴趣。通过实际的合成例子,由图谱推测结构,由结构推测机理,反过来又可从机理验证结构的正确性。此外,设计一些相关的实验在波谱分析实验课上让学生动手练习,可以有效地提高学生对课程的兴趣,并锻炼学生综合利用波谱技术解决实际科研问题的能力。

(2)要达到波谱分析教学的目的,必须让学生掌握各类化合物的结构与其波谱图特征信息之间的关系,最终达到利用各种谱图信息确定化合物结构的目的。因此,大量的图谱信息是教学的必需素材。传统的教学方法采用板书以及幻灯片的方式,这些方式提供的信息量少,而且速度慢,不能满足提供大量信息的要求。因此在波谱分析教学中应利用多媒体技术,在课堂上根据需要灵活播放所需的文字以及图片信息。另外,多媒体技术还可以集文字、图片、声音于一体,形象生动地展示各类仪器的原理以及谱图的特征。例如在讲授质谱仪器的工作原理时,由于质谱技术的快速发展,不同类型的离子源和不同类型的质量分析器组成了不同类型的仪器,若只是利用文字和图片,学生对各类质谱仪的工作原理不易理解透彻。我们从网上下载了一些质谱仪器工作原理的 Flash动画,通过演示动画及视频资料,使课堂更加生动活泼,使学生能轻松地理解各类质谱仪的工作原理,并留下较深的印象。又如一些红外光谱应用软件可以形象地演示谱图中吸收峰所对应的化学键振动类型,生动地演示吸收峰与分子结构的对应关系。因此,多媒体技术的应用,可以大幅度增加波谱分析教学的信息量,同时能加深学生对各类仪器原理的理解以及对各类化合物波谱特征的掌握,从而提高学生解析谱图的能力。

(3)在课堂上逐步引入专业英语词汇,使学生能尽快、尽早地熟悉相关专业词汇,提高学生阅读英文文献及网络资源的能力,这样有利于学生尽快了解波谱前沿知识以及最新进展。另外,在课堂上演示从国外网站选择的一些优秀的波谱学动画,由于有英语字幕和配音,既能提高学生的专业英语阅读能力,又能锻炼学生的听说能力。

波谱分析是一门理论与实用性都较强的课程,我们希望通过对波谱分析课程教学内容以及教学方法的一些适当调整,使学生更好地掌握波谱分析的理论知识,提高解析谱图的能力。

[1] 刘宏民.实用有机光谱解析.郑州:郑州大学出版社,2008

[2] W illiamsD H,Fleming I.SpectroscopicMethods in Organic Chemistry.5th ed.London:McGraw-HillBook Co,1995

[3] 许招会,王生,廖维林,等.光谱实验室,2007,24(3):400

[4] 许招会,王生,彭云.化学教育,2006,27(6):35

[5] 陆小兰,唐洪杰,张桂玲,等.化工高等教育,2006,91(5):104

[6] 何美玉.大学化学,2003,18(1):18

[7] 曹书霞,刘金明,郭艳春,等.波谱学杂志,2007,24(2):147