基于绿色化学理念的医药类院校仪器分析实验教学实践和探索

石云，次旦南卓，夏冬，李明梅

(1.江苏医药职业学院，江苏 盐城 224005；2. 西藏藏医药大学，西藏 拉萨 850000)

0 引言

目前，随着工业技术的不断发展，个别企业在追求经济效益的过程中忽略了社会效益，导致环境污染严重、耕地面积减少、自然资源约束趋紧，限制了人与自然的和谐发展。高校肩负着“为党育人、为国育才”的重要使命，学生在接受高等教育阶段，一方面要掌握扎实的专业知识、熟练的专业技能，以适应竞争激烈的就业形势，将来能立足岗位、服务社会；另一方面，在大学学习过程中，学生应不断提高自身的职业素养，形成正确的人生观、价值观和道德观。仪器分析是医药类院校开设的一门专业基础课，特别注重学生对分析仪器的应用能力、解决处理问题能力的培养，因此探索仪器分析实验课程改革，从教学设计、教学实施、教学评价等多个环节推行绿色化学理念仪器分析实验，对培养教师和学生的环保意识，深化“课程思政”建设，践行“绿水青山就是金山银山”的绿色发展理念具有重要意义[1]。

环境保护是我国现代化建设的一项战略任务，是我国的基本国策。随着现代科学技术的不断发展，它在改善人们生活质量，提高生活水平的同时，也面临着不能与人类和环境共同发展等问题。药品是一类特殊的商品，其质量关乎人们健康，甚至生命。随着药品种类的增多，给药品检测工作增加了一定的困难，仪器分析技术作为现代药学发展过程中重要的检测手段，通过测定物质的物理化学参数进行科学研究是生物、医药及相关专业学生必修的专业基础课，也是药品质量监控的重要手段。该课程经历了三次重要的变革、不断发展，课程内容体系日渐完备，蕴含了丰富的辩证唯物主义思想和思政元素。如何在仪器分析教学过程中在保质、保量的完成教学目标和技能训练的同时，巧妙的融入环境保护、可持续发展等理念值得教学工作者深入研究和探讨。

1 绿色化学理念

绿色化学(Green Chemistry) 又称为“环境友好化学”或“清洁化学”，其核心内容是希望利用最少的资源和能耗，从源头上减少甚至是消除对环境的污染，并且最大化的满足原子经济[2]。绿色化学的倡导者Anastas 和Waner 教授提出的十二条原则，内容涉及预防废弃物产生、原子经济性、使用温和反应条件、产物安全性、所用试剂安全性、能量效率设计、可再生材料的使用、简化操作步骤、减少试剂用量、易于降解、及时跟踪监控、减少潜在危险等方面[3]。这十二条原则对药学实验教育改革有着重要的指导意义[4]。药学作为化学专业的衍生学科，在药品的研制、生产、质量控制、运输、保存和使用等过程中，都离不开化学专业基础知识。绿色化学理念的提出将传统工业发展的“先污染再治理”“边治理边污染”转变为从源头上阻止发生环境污染的可能性。结合仪器分析实验教学的各个环节，从教学设计、教学实施和教学评价将绿色化学的理念渗透其中，减少对人类和环境有害的试剂的使用，增加可循环、可再生实验材料的使用，降低有害废弃物的产生，从根本上降低污染。

2 仪器分析实验绿色化改革的必要性

仪器分析是药学及相关专业必修的一门化学基础类课程，通过该课程学习，学生可以掌握现代分析仪器的理论知识和操作技能，为后续进行药物质量控制、药物评价奠定基础。该课程一般开设在第一学年，该阶段的学生刚步入大学校园，对大学生活充满憧憬和迷茫，他们接受新事物能力强、思维活跃。但尚未形成成熟的“三观”，易被周围学习、生活环境影响，该阶段是形成良好的实验操作习惯和职业素养的关键时期。在仪器分析的课程讲授过程除了传授专业理论知识和掌握必备的实验操作技能外，还应教育学生树立“安全第一、质量为重”的理念。在讲授过程中融入环保知识、绿色化学理念、营造良好的实验氛围，将有利于学生养成良好的实验习惯，规范实验操作，规避实验风险，理解药学专业特点及了解专业素养，从而逐步形成正确的人生观和价值观。

3 基于绿色化学理念的仪器分析实验教学改革路径

3.1 现代信息技术优化教学资源

2020 年初在全球范围内爆发了新型冠状病毒疫情，各大高校迅速做出应对措施，积极响应教育部“停课不停学、停课不停教”的号召，充分运用现代化教学手段，在疫情防控的背景下也给我们的教育教学工作提出了许多新的挑战和要求[5]。仪器分析作为一门实践性较强的课程，采用混合式教学的方式，在教学过程中结合MOOC、SPOC、智慧职教、雨课堂等平台，发布任务、上传教学资料，将实验过程中较难理解的原理、实验操作等部分以视频、动画的方式录制好上传平台上供学生学习，学生可以根据学习环境自由合理分配学习时间。在技能操作前掌握实验目的、原理等必备知识点，做到“有备而来”，发挥线上、线下混合式教学优势，达到事半功倍的效果。此外，可以将简单理论化学计算融入仪器分析实验教学工作，例如大连理工大学以气相色谱法分析醇系物实验为例，使用开源或者免费软件WebMO，尝试将理论化学计算与实验结合，引导学生从数据分析上理解实验原理[6]。

3.2 仿真操作助力绿色实验

随着人工智能、计算机技术的不断发展，虚拟仿真技术已经悄无声息的来到我们的教育教学过程中，并成为重要的组成部分[7]。通过仿真操作，不仅可以模拟出真实的实验操作环境、仪器图像等，甚至可以实现与电脑人物的对话、交流和互动，这不仅可以使学生真实、逼真的操作分析仪器，也可以弥补由于实验设备昂贵而导致的设备不足，防止学生由于操作错误而导致的设备损坏，使实验教学不再受到场地、人数等因素的限制，并且操作过程可控，利于学生反复操作，自主学习，有针对的训练操作技能。目前，结合药学专业开发出多种虚拟仿真实验操作平台，例如经典的东方仿真软件，3D 场景模拟实验环境的南京药育智能智慧教育云平台、上海梦之路虚拟仿真实验教学平台等。通过使用类似的虚拟仿真实训操作，学生可以不受时间、地点等限制，进行仪器分析实验的仿真操作，教师可以根据实时数据或后台反馈数据，有针对性的给予学生指导和帮助，打破了传统的教学模式，利于提高学生对分析仪器操作过程中简单问题的处理，提高了学生解决问题的综合能力。同时，可以减少试剂的使用和有害垃圾的产生，预防环境污染，助力仪器分析实验课教学。

3.3 源头实验设计引领绿色方向

仪器分析属于分析化学的范畴，是利用物质的物理或物理化学性质从而获得化合物的组成、含量、结构等信息的一种分析方法，它涉及物理、化学、数学等众多学科，是从微观角度探析药物本质的重要方法，是放大的人的五官，如何在利用好这双“眼睛”的同时，又能使其朝着环境友好的方向发展，设计好仪器分析实验是关键。在完成教学目标的前提下，应寻找绿色、安全、挥发性、毒性较小的药物和试剂，实现实验教学的绿色化。例如，红外光谱实验可选择设计利用红外光谱法，鉴别青蒿素结构，区别青蒿素和双氢蒿素实验。青蒿素和双氢蒿素是我国科学屠呦呦女士受到古代中医方剂著作《肘后备急方》的启发，经过不断实验，创造性的研制的抗疟新药，拯救了全球数百万人的生命，屠呦呦女士也因此获得2015 年诺贝尔生理学或医学奖，成为第一个获得该奖的中国人。选择开设此实验不仅可以减少污染，详细的介绍红外光谱法在药物分析中的应用，同时也可以对学生进行爱国主义教育，激发学生的民族自豪感。在开展经典液相色谱法中柱色谱实验时，可以选择用氧化铝为固定相，以95%乙醇为洗脱剂，分离有机染料甲基橙和亚甲基蓝混合液，对于分离收集的单一物质再联合紫外可见分光光度法进行含量检测，注重实验设计整体性的同时，减少了试剂的使用量。或者选用铁、钴、铜混合离子柱色谱分离实验，使用氧化铝为固定相，水为洗脱剂。这些实验项目待分离样品本身具有一定的颜色，在色谱柱中可形成明显的色谱带，便于学生直观的观察实验现象，理解色谱法的分离原理，同时使用的试剂易处理，安全、环保，符合绿色化学理念。在紫外可见分光光度计实验中，选择超声清洗仪代替含有强酸和重金属的铬酸洗液清洗比色皿，防止污染。

3.4 用量控制

仪器分析与化学分析方法相比，具有灵敏度高、检测限低的特点，可用于微量或痕量组分的分析，试剂用量较少。但天然药物中有效成分的提取通常使用大量的有机溶剂，造成污染，在提取过程中，应尽可能的避免有毒有害有机溶剂的使用，特别是卤代烃类溶剂的使用。水作为绿色、清洁性能源，符合绿色化学要求，在实验中应尽可能使用水为溶剂。在开展仪器分析实验教学时，可结合各类分析方法特点，设计实验方案，特别是针对试剂用量相对较大的方法，更应尽可能的考虑选择安全性高、污染性小的试剂。例如，在讲授紫外-可见分光光度法中的标准曲线法时，由于绘制标准曲线至少需要配制5 个标准溶液，试剂用量较大，此时，结合医药类院校专业特点，参考《中国药典》(2020版)中的药品检测方法，可选择维生素B12注射液含量的测定为实验项目，采用无毒、无害的水作为溶剂，选用体积较小的50 mL 容量瓶，配制系列标准溶液，绘制标准曲线，从溶剂类型角度减少试剂用量对环境的污染。对于高液液相色谱法的分析实验，应选择合适的色谱条件，不宜选择分析周期较长、组成成分特别复杂的混合组分，以防止大量流动相的使用，造成不必要的浪费，对于组分复杂的样品，可采取梯度洗脱的方式，缩短分析时间。紫外可见分光光度法测定枣皮中黄酮含量实验，可采用超声波提取法，不仅可以避免使用大量有机溶剂，并且省时、节能，从提取方法的角度减小有害试剂用量。

3.5 废弃物处理绿色化

按照废弃物类型、性质和状态进行分类收集处理。绿色化学倡导从源头上防范有害垃圾的产生，对于实验过程中产生的化学废弃物应做好分类处理和登记，不可随意丢弃有害、有毒垃圾。教师在上课期间，应渗透危险废弃物的安全防范知识，坚持遵循“减少产生、分类存放、集中处理”的原则，督促学生规范实验操作，并将是否处理得当作为实验操作考核的一部分。对于实验过程中产生的大量试剂，如可以通过简单的方法提纯，应尽可能循环使用，避免铺张浪费。例如高效液相实验中，如使用制备液相产生的废液，在充分了解其成分，判断实验的可行性后，可与有机化学实验课程结合，将仪器分析实验的废液作为蒸馏、精馏实验原料，通过简单的实验操作，进行纯化，在分别达到两门课程教学目标的同时，减少了有机溶剂的排放，提高试剂的循环使用，体现了绿色化学理念，同时也能够使学生意识到资源的循环使用也是社会持续发展的有效途径之一。

4 结语

总之，医药类院校分析仪器技术所研究的内容与其他专业有着相似之处，同时又具有一定的特殊性。药品作为一类特殊的商品，其质量与人的生命息息相关，药学专业所开设的实验在完成“传道授业解惑”的教学任务同时，应注重学生德育发展，倡导绿色化学理念，促进人类和社会的和谐发展，仪器分析技术作为药品检测的一项重要手段，如何在实验教学过程中渗透绿色化学理念，是值得所有药学人思考和探索的问题。大学生是社会进步的主力军，在其专业课启蒙阶段培养其良好的实验习惯和节能环保的思维模式，对其增强安全环保意识，培养良好的职业素养具有极其重要的意义。构建绿色校园、增强环保意识也是高校贯彻落实科学的发展观，推动节能环保型社会发展的一项重要举措。每一位仪器分析课程老师应身体力行的推进开展绿色化学实验，不断总结工作方法，提升工作效率，为绿水青山贡献自己的一份力量。本文从什么是绿色化学理念、仪器分析实验进行绿色化改革的必要性以及如何进行改革三个方面进行探讨，望为进一步深化仪器分析实验教学改革提供参考。