综合性实验“红外光谱鉴别法在《中国药典》中的应用”的教学探索*

李 燕，曾紫微，严万莉，何 彬

(贵州医科大学，贵州 贵阳 550025)

大学生创新能力和实践能力的培养与提升一直是高校教育工作的重要任务之一[1]，实验教学是培养学生综合素质和创新能力的重要手段。而基础性实验阶段的主要任务是学习基础、操作简单实验[2]，但是学生的培养只停留在这个阶段，仅仅满足于在教师对实验教学的目的，为给学生提供更多自主创新的机会，提高学生的动手能力及创新意识，掌握解决实际科学实验中所遇到的问题，有必要建立一个系统性、综合性的实验。

综合性实验是指在学生具有一定基础知识和基本操作技能的基础上运用某一课程或多门课程的综合知识，对学生实验技能和实验方法进行综合训练的一种复合性实验[3-4]。综合性实验的设立使学生产生思考和探索的浓厚兴趣，有目的的查阅相关资料，独立操作仪器并且分析解决实验中所遇到的问题。

红外光谱是有机化合物的重要特征之一，其光谱比较复杂，但能与化合物的结构一一对应，具有高度的专属性和特征性，常用于物质的鉴别[5]。红外光谱法与其他鉴别方法相比，具有应用范围广，特征性强，突出整体性，仪器操作简单等优点[6]。所以我们设计了一个综合性实验，通过红外光谱鉴别法探索其在《中华人民共和国药典》(以下简称《中国药典》)中的应用[7]。实验所用到的仪器简便、安全，所设计知识与实验操作对应，给予足够的空间给学生自主学习、创新，并且培养学生在实验中分析及解决问题能力，着重培养学生综合性能力，体现了综合性学习本意。

1 实验设计

1.1 实验目的

(1)培养学生独立开展实验、分析实验结果的能力；

(2)掌握傅里叶变换红外光谱仪的原理及其操作；

(3)掌握红外光谱鉴别法在《中国药典》中的应用。

1.2 实验原理及方法

(1)原理

傅里叶变换红外光谱仪主要由三部分组成：光源、干涉仪和检测器。其中光源能发射出稳定、高强度、连续波长的红外光，经准直系统变为一束平行光束后进入干涉仪系统，经干涉仪调制后将复色光变为一束干涉光，干涉光通过样品后成为带有样品信息的干涉光到达检测器，检测器将干涉光信号变为电讯号，然后将它通过模/数转换器(A/D)送入计算机，由计算机进行傅里叶变换的快速转换，将这一干涉信号所带有的光谱信息转换成以波束为横坐标的红外光谱图[8]。按照《中华人民共和国药典》通则中的相关规定：除部分光学异构体及长链烷烃同系物外，几乎没有两个化合物具有相同的红外光谱，据此可以对化合物进行定性和结构分析。如果化合物种类或数量不相同，那么红外光谱肯定就会存在一定差异，所以我们就可以以此为依据进行定性分析。此外，化合物对红外辐射的吸收程度与其浓度的关系符合朗伯-比尔定律，这也是红外光谱法得以应用的重要依据之一。简单来说，红外光谱仪工作原理就是用一定频率的红外光聚焦照射被分析的样品时，如果分子中某个基团的振动频率与照射红外线频率相同便会产生共振，从而吸收一定频率的红外线，把分子吸收红外线的这种情况用仪器记录下来，便能得到全面反映样品成分特征的光谱，进而推测化合物的类型和结构。

(2)方法

①试样的制备：液膜法、压片法和ATR法。

②仪器：红外分光光度计

③环境要求：温度18～35 ℃，相对湿度(RH)<50%。

④仪器检查：打开红外光谱仪电源及工作站电脑，Labsolutions软件，仪器初始化，分束器，光源，激光，湿度四个参数指示灯显示绿色后，依次设置下列参数，测定模式：透过率；变迹函数：Happ-Genzel；光束：内部；检测器：标准；动镜速度：2.8；增益：自动；光阑：自动；光阑延迟：10 s；IR范围：中红外；光源：陶瓷光源；零填充：否。

⑤试样测定：扫描范围：4000～650 cm-1；分辨率： 2 cm-1；扫描次数：16次。

1.3 实验内容

液体试样的红外光谱鉴别采用液膜法，步骤如下：(1)空白制备：将干净的两片溴化钾窗片安装在液体池架上，得空白片；(2)取溴化钾窗片一片，安装到液体池架上，取供试品2～5滴均匀涂抹于溴化钾窗片上，用另一片溴化钾窗片覆盖，排除气泡，装好，即得供试品；(3)按上述红外光谱仪的标准操作，进行扫描测定，先扫空白片，再扫供试品；(4)分析：供试品的红外吸收光谱图应与对照的图谱(光谱集)或对照品的红外光谱图一致[9]。

固体试样的红外光谱鉴别采用压片法，步骤如下：(1)取 5～10 g溴化钾或氯化钾晶体，置干净的玻璃研钵中研细，置红外灯下干燥30 min以上;(2)空白制备：取干燥过的(溴化钾或氯化钾)细粉200～300 mg，置于玛瑙研钵中，充分研磨混匀，置于直径为13 mm的压片模具中，使铺展均匀，抽真空约2 min，加压至(0.8～1)×106kPa(>2 T/cm2)，保持压力2 min，撤去压力并放气后取出制成的供试片，目视检测，片子应呈透明状，其中样品分布应均匀，并无明显的颗粒状样品，即得空白片，立即测定；(3)供试品制备：将供试品混匀，采用四分法取供试品约1 g置于红外灯下干燥30 min以上，再次混匀并采用四分法取干燥过的供试品约0.2 g，置于玛瑙研钵中，充分研磨成细粉。然后，取研磨好的供试品约1～1.5 mg，置于另一玛瑙研钵中，加入干燥的溴化钾或氯化钾细粉约200～300 mg(与供试品的比约为200:1)作为分散剂，充分研磨混匀， 置于直径为13 mm的压片模具中，使铺展均匀，抽真空约2 min，加压至(0.8～1)×106kPa(>2 T/cm2)，保持压力2 min，撤去压力并放气后取出制成的供试片，目视检测，片子应呈透明状，其中样品分布应均匀，并无明显的颗粒状样品，即得供试品片，立即测定。亦可采用其他直径的压模制片，样品与分散剂的用量需相应调整以制得浓度合适的片子；(4)按上述红外光谱仪的标准操作，进行扫描测定，先扫空白片，再扫供试品；(5)分析：供试品的红外吸收光谱图应与对照的图谱(光谱集)或对照品的红外光谱图一致。

药包材试样的红外光谱鉴别采用ATR法，需安装ATR附件，将塑料或者橡胶试样切割成薄膜状，紧贴ATR的红外透光晶体面上，其余步骤与上述步骤一致[10]。

1.4 思考题

(1)不同样品或样品状态的扫描次数不同。

(2)固体试样中有些样品需要用氯化钾压片而有些样品需要用溴化钾压片。

(3)当检测出供试品的红外吸收光谱图与对照的图谱(光谱集)或对照品的红外吸收光谱图不一致。

2 实验的可行性

2.1 实验特点

红外光谱法具有特征性强、测定快速、不破坏试样、试样用量少、操作简便、能分析各种状态的试样、分析灵敏度较低、定量分析误差较大。产生红外吸收的条件只需要满足辐射后具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量，或分子振动有瞬间偶极距变化。当分子振动引起分子偶极矩变化时，就能形成稳定的交变电场，其频率与分子振动频率相同，可以和相同频率的红外辐射发生相互作用，使分子吸收红外辐射的能量跃迁到高能态，从而产生红外吸收光谱。红外光谱具有鲜明的特征性，其谱带的数目、位置、形状和强度都随化合物不同而各不相同。因此，红外光谱法是定性鉴定和结构分析的有力工具。对于已知化合物的鉴定，将试样的谱图与标准品测得的谱图比较，或者与文献上的标准谱图(如：《药品红外光谱图集》等)相比较就可以进行定性分析了。使用标准谱图比较时应当注意：试样的物态、结晶形状、溶剂、测定条件以及所用仪器类型均应与标准谱图相同。对于未知化合物或者新化合物的鉴定，鉴于红外光谱主要提供官能团的结构信息，对于复杂未知化合物，或者复杂新化合物，单靠红外光谱不能解决问题，需要与紫外光谱、质谱和核磁共振等分析手段互相配合，进行综合光谱解析，才能确定分子结构。

红外光谱法操作简单，关键环节在于样品的制备，常见的样品为液体样品和固体样品。对于液体样品，又分为纯液体样品和溶液样品两种。如有可能，尽量不用溶液，以免带入溶剂的吸收干扰。只有试样的吸收很强，液膜法无法制成很薄的吸收层，或为了要避免试样分子间相互缔合的影响，才采用溶液法测试。选用溶液测试时，应考虑溶解度，且在特征吸收带处溶剂无吸收或仅有非常弱的吸收，常用的溶剂为四氯化碳、二硫化碳、二氯甲烷、丙酮等。对于固体样品，采用压片法，采用KBr或KCl与样品混合压片处理，所用KBr或KCl一般采用光谱纯的，也可以采用分析纯的，关键在于没有杂质，如存在杂质的红外背景，可以通过马弗炉中高温干燥30 min，置于专用的干燥器中冷却，待用。制备固体样品之前，一定要通过干燥烘箱或红外灯充分干燥，并用干净的玛瑙研钵仔细研磨细，以便压片制备固体样品。对于特殊的供试品，如橡胶和塑料等药包材样品，需要通过刀片切割成均匀薄片，且具有较好的透过率，这样处理才有利于ATR全反射法的红外光谱测定。

本实验旨在锻炼学生综合性实验能力，在实验中运用所学知识发现问题、解决问题并且将实验知识延伸，探索《中国药典》中所有相关应用。本实验将从液膜法、压片法、ATR法这三种方法全面给学生讲解红外光谱鉴别法，并挑选每种方法的其中一种代表物进行操作讲解，接着让学生们发散思维找寻《中国药典》中药物适合的鉴别方法，这就引导学生从书本学习知识并且通过实验验证结果。

2.2 实验的可行性

2020年版《中华人民共和国药典》中收载了红外光谱鉴别法鉴别的许多品种，规定了红外光谱法作为药品检验方法之一。由于医药化工行业的原料(辅料)、成品的种类繁多，许多药品化学结构比较复杂或者相互之间的化学差异较小，常常不足以相互区分，而红外光谱法具有高度的专属性，是有机化合物领域定性分析时广泛应用的方法。在药品检验中，红外光谱法常与其它理化方法联合使用，作为有机药品的重要的鉴别方法。因此，红外光谱法作为经典的光谱鉴别法之一，在理论上和实践中均具有非常高的可行性。本实验所用到的仪器安全、操作简单，试剂材料耗费少，也配备专业的实验人员进行讲解。本实验将从书本理论知识通过学生亲手实验操作进行验证并应用于《中国药典》中，有效提升了自身的综合能力，达到了综合性实验素质教育的目的。

3 结 语

培养创新型高素质复合型药学人才，是适应新时代提出建设创新型国家的要求，也是医学院校相关专业教育教学的不懈追求。综合性实验一般是通过给定的实验主题和条件，学生能够自行涉及实验方案，并最终能够完成的实验。当前药学教育重视 专业基础理论教学课程，虽然，实验教学也有，但是，重视程度相对不足，往往是一些基础单元操作，实验课时相对较少，实验内容相对落后陈旧，与实际需求脱节比较大。然而，实验教学实际上是理论知识与实践要求的重要连接和纽带，也是激发学生学习兴趣的主要依托。目前的单元性实验的教学大多属于验证性和重复性，对学生创新型思维和应用型能力的培养并不突出，因此，开展综合设计性实验显得尤其迫切和必要了。药学专业的综合性实验设计可以有机地将基础理论知识和单元实验所学的各种实验技能和方法加以总结、分析、借鉴并最终形成一个完整的实验形式，这个过程也是一个开放式的情景沉浸式的实验，在老师的指导下，学生完成文献调研、实验设计、操作、分析报告等关键环节，也是一种综合性的创新性的实验训练。通过综合性实验的开设，我们给予学生一个培养综合性能力的实验平台，让学生在课本所学基础知识运用到实验中，并将实验中所学运用在《中国药典》中，探索《中国药典》中相关的知识。本实验让学生了解实验、接触实验并且亲自动手做实验，让学生感受科学实验就在我们身边，对于培养学生兴趣以及对学生未来选择都有着明显益处。这不仅让我们的教学有意义，更让综合性素质教育有所延伸。