虚拟仿真高分辨质谱仪在药学教育中的实践

王一男，杨冬芝，赵子明，郭 栋

(徐州医科大学药学院药物分析教研室， 徐州 221004)

分析化学是一门以实验为基础的课程，是药学类相关专业的重要基础课程，其知识不仅内容抽象，对实验要求也非常严格。同时，仪器分析的实验教学在分析化学实验课程中的地位尤其重要，在学生综合能力培养方面起着不可替代的作用，对药学专业学生综合素质的提高意义重大[1,2]。但传统的仪器分析实验教学多由于经费和场地不足，一定程度上影响了教学效果。大型分析仪器类实验教学的实践教学模式一直是分析化学实验课程建设的“卡脖子”因素。为解决以上教学问题，本文以HPLC-Q-TOF-MS虚拟仿真实验教学系统为例，坚持能虚不实、虚实结合的建设理念，设计了线上实验教学过程及成绩考核体系[3]。学生通过系统的学习和交互操作，可避免实验中仪器数量不足和仪器损坏的问题，并根据操作步骤反复进行操作练习。我们通过建设HPLC-Q-TOF-MS两种药物的定性和定量的虚拟仿真实验教学，以期解决学生学习空间受限制的现状，充分发挥学生在大型仪器分析实验中的主观能动性，促进高分辨质谱仪器在药学人才培养、科学研究中的作用。

1 HPLC-Q-TOF-MS实验教学中存在的问题

HPLC-Q-TOF-MS可广泛用于小分子药物化合物的定性和定量分析，操作者在操作过程中要熟悉仪器工作原理才能获得满意的结果。熟悉掌握仪器的原理和正确使用，可为药学类学生在今后的实际工作中打下坚实的基础。同时，高分辨质谱仪属于大型分析仪器设备，造价昂贵且维护保养复杂，一般高校采购的数量有限，在服务教学的同时还要服务于科研工作。因此在实验教学过程中，为了防止不规范操作对仪器的损坏，学生上机实操机会有限，造成参与度下降且自主性实验能力不足。另外，HPLC-Q-TOF-MS实验涉及的质谱理论大多抽象难懂，且整体实验操作复杂，单靠课堂中的理论讲解很难将仪器的技术原理及操作方法要点形象地展现给学生，导致其理论学习困难、学习兴趣不高。教师在进行仪器操作示范时的演示时长有限，一次操作演示难以让学生很好地掌握全部要领，从而导致学生对HPLC-Q-TOF-MS知识学习失去兴趣。最后，实验成绩评价体系中缺少过程性评价，传统的实验模式中所有学生完成的实验报告成绩差距甚微，无法完成对实验操作过程的规范性考核。

2 HPLC-Q-TOF-MS虚拟仿真实验教学的可行性

大型分析仪器是高校进行教学、科研、社会服务的重要支撑[4,5]，也是培养高层次人才的重要工具[6,7]。近年来，国内众多高校都在筹建虚拟仿真实验平台，并将其逐步应用于大型分析仪器实验教学的实践中，辅助解决现实实验中难以解决的实验教学项目[8-10]。虚拟仿真技术可作为实验教学的重要补充，能够直观、形象地诠释理论质谱知识的难点，具有独特的交互性、开放共享性、经济性、可重复性等优点，突破了传统实验教学在时间和空间上的限制[11]。HPLC-Q-TOF-MS的虚拟教学可以解决高分辨质谱仪器数量不足、维护保养困难、上机实操成本高等诸多现实问题，能促进学生自主探索实验操作。虚拟仿真实验可以实现时间的全开放，方便学生随时随地进行学习训练，能够体现以学生为中心的主导性地位和以能力为先的人才培养理念，培养学生终生受益的自主学习习惯。总之，虚拟仿真教学是未来高校实验室向信息化转变的发展方向[12-15]，发挥虚拟仿真实验教学的优势并在药学专业开展自主式实验教学模式探索与实践，可以提升学生的创新能力和综合实践能力。

3 HPLC-Q-TOF-MS虚拟仿真实验教学准备

3.1 授课对象

授课对象为药学院大二年级的药学专业、药物制剂专业、临床药学专业、药学专升本专业的学生。按照班级分组，授课教师给班里每位同学分配独立的虚拟仿真实验教学的账号和密码，在理论课堂上向同学们演示HPLC-Q-TOF-MS虚拟仿真实验的网页登录方法，并介绍线上仿真软件的使用方法和操作流程。

3.2 课程内容

秦皮苷和秦皮素是中药秦皮中重要的两种香豆素类化合物成分，具有利尿、抗氧化等多种药理活性，口服吸收后在血浆中可以大量的原型形式存在。血浆经过处理后再通过HPLC-Q-TOF-MS分析，我们可精确得到秦皮苷(m/z=393.0792,[M+Na]+)和秦皮素(m/z=209.0444,[M+H]+)的质谱信息，从而进行化合物定性，并通过建立标准曲线进行定量分析。

3.3 教学目标

HPLC-Q-TOF-MS可广泛用于小分子药物化合物的定性和定量分析。学生应理解掌握小分子化合物的质谱裂解规律；了解HPLC-Q-TOF-MS仪器的基本构造和测试原理；熟悉HPLC-Q-TOF-MS的分析测试步骤；学习二级质谱图数据的解析技术和定性、定量的方法；训练严谨的科学思维，培养对药学知识学以致用的能力。

3.4 教学方式

①虚实结合，软硬相辅。虚拟实验开始前，教师先带领同学们去药学院实验中心观摩HPLC-Q-TOF-MS仪器的基本构造和使用方法；②理论课堂中教师以问题为牵引，通过启发式、案例式教学引出虚拟实验的教学内容，使同学们对问题本身产生兴趣；③教师给学生布置预习题目，让同学们自行查阅文献检索并根据自己所学知识设计秦皮苷和秦皮素两种药物的定性和定量鉴别方法；④学生在智慧教室开展集中讨论和交流，分小组汇报实验方案和实验设计，教师和其他同学点评并提问，进行互动式教学；⑤课后，学生进行探究式学习，对本实验相关领域进行全面学习、分析和探索；⑥课堂中教师运用微信群和超星课堂，在线发布实验相关的问题讨论，让课堂互动丰富生动，提升教学效果。

4 教学过程

依据HPLC-Q-TOF-MS虚拟仿真实验的特点和教学目标的要求，教师采取线上预习、线上教学、线上实操、线上评价的四步骤教学过程。

4.1 线上预习

HPLC-Q-TOF-MS虚拟仿真软件具备知识学习、模拟互动和操作回溯功能，分别通过3D演示、操作考核和成绩评价模式实现。在演示模式下，学生浏览3D视频对仪器工作原理和实验内容进行预习，同时了解所测定药物结构的关系。秦皮素为秦皮苷的苷元，秦皮苷在体内经过酶的代谢可脱去葡萄糖集团生成秦皮素。秦皮素、秦皮苷均具有一定的药效物质活性，如抗菌、利尿等、降低尿酸等。教师通过3D模型动画、用户交互界面(UI)以及视频讲解学习课件，包括实验原理、仪器构造等知识，介绍药物分子定性和定量的分析流程等，以直观的3D虚拟模型代替简单的文字描述，增强学生对实验仪器的了解，从而提高实验课程的学习效果。

4.2 线上教学

线上教学过程主要在多媒体智慧教室，教师与同学通过屏幕共享互动完成。线上教学部分包含以下六个方面。①提出实验目的：我们利用HPLC-Q-TOF-MS进行血浆中秦皮苷和秦皮素两种药用成分的定性和定量分析。②讨论分析实验原理：我们根据高分辨质谱仪分析，结合秦皮苷的二级质谱碎片(m/z 209.026 77，194.021 41，181.039 58)和秦皮素的二级质谱碎片(m/z 194.022 50，181.050 44，163.039 05)以及质谱裂解规律推测两中香豆素类化合物的结构，建立标准曲线，利用HPLC-Q-TOF-MS测定两种药物的含量。③设计实验过程：包括样品和标准品的制备、色谱条件和质谱条件的选择。色谱柱条件设置如下：C18色谱柱(150 mm × 2.1 mm，3 μm；Kromat，USA)；流动相(A)0.1%甲酸-水，流动相(B)甲醇；采用35%B 等度洗脱，运行时间7 min；流速0.2 ml/min，柱温：30 ℃，进样量：2 μl。质谱参数设置如下：离子源选择电喷雾离子源(ESI源)；毛细管电压：3.2 kV；脱溶剂气流量：650 L/h；锥孔气流量：60 L/h；离子源温度：120 ℃；脱溶剂气温度：350 ℃；检测方式：正离子；扫描范围m/z 100-3 200, 扫描速度：1 spectra/s。④讨论关键操作：包括血浆样品中药物成分的提取回收，液相、质谱仪器关键参数的设定，标准曲线的制备、二级质谱图解析等。⑤强调实验注意事项：如进入HPLC-Q-TOF-MS分析的样品需经过高速离心、微孔滤膜过滤后方可上机，否则引起仪器的堵塞；流动相注意应不含难挥发性盐类以防止污染离子源等。⑥强化实验过程中的安全意识：质谱室温度需控制在25 ℃以下，不得轻易调整空调温度，否则引起质谱仪损坏；质谱仪器属于大功率分析仪器，需要接入隔离电源柜和稳压电源等。

4.3 线上实操

HPLC-Q-TOF-MS虚拟仿真实验平台支持学生在自己的PC端随时操作，无空间限制。其具体实验过程包括实验准备、测试过程、数据处理过程、关机过程四部分。学生需要完成以上内容的实操和考核，在3D虚拟环境下分别完成血浆中两种药物成分秦皮苷和秦皮素的定性和定量的实验内容，具体涉及分析化学实验中的对照品溶液配制、溶液稀释与配制标准曲线、生物样品前处理、液相色谱操作与质谱图谱分析等。在考核界面中有实验介绍、实验步骤提示、信息提示和当前成绩显示，以协助学生顺利完成实验操作。实验考核过程中，如果学生发现操作有误，还可以返回撤销，直至成功完成实验内容。如果学生对当前实验成绩不满意，允许学生在限定时间内进行多次实验以获取最好成绩。

4.4 线上评价

HPLC-Q-TOF-MS虚拟仿真平台建立了一套操作过程性扣分的评价体系，评价记录学生在模拟考核中每一步操作的得失分情况，并可长期保存于后台供学生和教师回溯。在虚拟仿真实验教学过程中，线上体验环节在规定时间内可以多次反复进行，学生之间分数差异较小。其主要差距在于对实验的评价反思部分，通过反思可以使学生对实验内容的掌握情况得到提升。故实验反思是提升课堂效果的关键部分，由实验教师引导学生针对整个虚拟实验体验环节的重要问题展开强化，总结实验过程中学生存在的共性问题。在后续的学习过程中，教师还需要进一步激发学生的兴趣，并培养学生主动探究知识和解决问题的意识，逐步引导学生在实验课后对本实验相关领域进行全面学习、分析和探索。

HPLC-Q-TOF-MS药物定性定量虚拟仿真实验项目是新的尝试和探索，能够贴合药学类专业学生分析化学实验的实际需求。QQ线上调查问卷表明，所有学生都对虚拟仿真实验室显示出浓厚的兴趣，并表示对教学和学习有所帮助，能提升学习趣味性，加强了实验内容的记忆，最终给予该虚拟仿真操作系统很高的评价。总体而言，虚拟仿真实验以其独特的技术优势，极大程度上弥补了实验教学的不足，提高了教学效率与质量，培养了学生的学习兴趣和学习自主性，成为学生获取知识与技能的重要手段。实践过程中，教师还应坚持能虚不实、虚实结合的教育理念，努力以学生为中心提升实验教学水平。同时，此虚拟仿真实验项目完善了实验教学评价体系，对实现实验教学信息化建设、推进实验教学的改革与创新等具有重要意义。