趙瑞明，李嶺領(lǐng)，吳世逵，馬玉剛

(廣東石油化工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

核磁共振波譜儀應(yīng)用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

趙瑞明，李嶺領(lǐng)，吳世逵*，馬玉剛

(廣東石油化工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

通過設(shè)計(jì)綜合研究型實(shí)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)例介紹了核磁共振波譜在本科生綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中對(duì)核磁共振譜圖進(jìn)行解析。實(shí)踐證明，這些改革實(shí)踐能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)質(zhì)量，提高了學(xué)生的綜合運(yùn)用知識(shí)能力以及分析解決實(shí)際問題的能力，有利于應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

核磁共振譜儀；教學(xué)實(shí)驗(yàn)；研究性實(shí)驗(yàn)

核磁共振波譜儀(Nuclear Magnetic Resonance, NMR) 是鑒定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)和構(gòu)象的重要工具之一，廣泛應(yīng)用于化學(xué)、化工、醫(yī)藥、生物、醫(yī)學(xué)、材料等研究領(lǐng)域。是當(dāng)今各高校和科研單位的重要大型精密儀器設(shè)備，在科研工作中起著重要的作用，同時(shí)也是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑[1]。

目前各高校儀器分析課程涉及常見儀器，極少精密儀器。將NMR融入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，是實(shí)現(xiàn)當(dāng)前本科高校將現(xiàn)代分析測試儀器用于本科教學(xué)改革這一目標(biāo)的有效途徑。

廣東石油化工學(xué)院注重學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，每年會(huì)有大批學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，如 "挑戰(zhàn)杯"大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)校級(jí)培育計(jì)劃項(xiàng)目等學(xué)校科研創(chuàng)新項(xiàng)目。核磁共振波譜儀作為學(xué)校的優(yōu)質(zhì)資源，對(duì)學(xué)?？蒲屑敖虒W(xué)提供有利支撐。本文以設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)為例，展開對(duì)核磁共振實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐。通過改進(jìn)教學(xué)方法和管理機(jī)制，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，促進(jìn)具有創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。

1 研究性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是鞏固理論教學(xué)，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)向能力轉(zhuǎn)化的重要途徑, 是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。 研究性教學(xué)強(qiáng)調(diào)從學(xué)習(xí)生活與科研項(xiàng)目中選擇和確定研究課題[2]，結(jié)合自己的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，引入"探究教學(xué)模式"進(jìn)行了研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索與實(shí)踐，設(shè)計(jì)了綜合性研究型實(shí)驗(yàn)[3]-核磁共振法對(duì)合成產(chǎn)物表征。

運(yùn)用多媒體輔助教學(xué)手段，講解核磁實(shí)驗(yàn)室安全注意事項(xiàng)和核磁共振波譜儀結(jié)構(gòu)組成及工作原理，加強(qiáng)教學(xué)過程中的互動(dòng)環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)學(xué)生提問，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

實(shí)現(xiàn)小組化教學(xué)，合理分組每組8人，最大化利用儀器資源，為學(xué)生提供一個(gè)獨(dú)立操作平臺(tái)。核磁實(shí)驗(yàn)室儀器現(xiàn)場操作，具體講解樣品制備以及譜儀樣品測試操作流程。學(xué)生獨(dú)立合成測試樣品操作儀器并運(yùn)用譜圖處理軟件進(jìn)行簡單的譜圖處理(包括相位和基線校正、標(biāo)峰、積分)，分析化合物結(jié)構(gòu)，進(jìn)而有利于提高教學(xué)質(zhì)量以及學(xué)生的綜合素質(zhì)和科研能力。

1.1 主要實(shí)驗(yàn)試劑和原料

間苯三酚，HPLC(99%)，上海阿拉丁試劑有限公司；乙酰乙酸乙酯，AR，天津市大茂化學(xué)試劑廠；1，4-二氧六環(huán)，AR，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；濃硫酸，AR，衡陽市凱信化工試劑有限公司；乙酸乙酯，AR，廣東省光華科技股份有限公司；氘代二甲基亞砜，美國CIL 公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

Bruker AVANCE III HD 400超導(dǎo)核磁共振(NMR )波譜儀(配備BBFO 寬帶探頭) 。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及條件

合成路線如圖1所示。

圖1 DHMC合成路線

Fig.1 Synthetic route of DHMC

在“探究教學(xué)模式”下指導(dǎo)學(xué)生采用德國瑞士BrukerAvance-400光譜分析儀對(duì)合成實(shí)驗(yàn)中得到產(chǎn)物進(jìn)行表征得到1H NMR和13C NMR圖譜，氘代試劑DMSO-d6作溶劑，四甲基硅烷(TMS)為定標(biāo)樣。

試樣溶液的制備: 取10 mg合成得到的化合物5，7-二羥基-4-甲基香豆素(DHMC)與0.6 mL氘代二甲基亞砜中，轉(zhuǎn)移至5 mm核磁管中，備用。確保使用高品質(zhì)的樣品管。通過樣品制備，學(xué)會(huì)核磁測試常規(guī)的樣品制備方法，并掌握樣品管的選擇注意事項(xiàng)及氘代試劑的選擇標(biāo)準(zhǔn)，培養(yǎng)運(yùn)用所學(xué)的方法及理論解決實(shí)際問題的能力。

1.4 譜儀操作步驟

進(jìn)樣-鎖場-調(diào)諧-勻場-調(diào)節(jié)參數(shù)-采樣-數(shù)據(jù)處理-打印譜圖及參數(shù)。

1.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)化學(xué)位移與官能團(tuán)(基團(tuán))關(guān)系、信號(hào)峰的耦合裂分與相鄰官能團(tuán)質(zhì)子數(shù)關(guān)系、吸收峰積分面積與質(zhì)子數(shù)等，對(duì)核磁共振氫譜信號(hào)進(jìn)行一一歸屬。同時(shí)可以參考運(yùn)用模擬軟件CHEMDRAW輔助分析圖譜。

圖2 化合物DHMC(溶劑DMSO-d6)的1H NMR譜圖

Fig.2 1H NMR of DHMC(in DMSO-d6)

DHMC中共有5種不同化學(xué)位移的氫質(zhì)子，其各自歸屬見圖2。DHMC內(nèi)酯環(huán)甲基上的氫質(zhì)子位于低場，化學(xué)位移約2.56～2.35ppm；內(nèi)酯環(huán)上的氫質(zhì)子位于低場，對(duì)應(yīng)化學(xué)位移分別為6.24ppm，6.17ppm和5.75ppm；苯環(huán)上酚羥基位于高場，由于酚羥基核磁不穩(wěn)定，化學(xué)位移10.44ppm和10.29ppm。通過核磁氫譜可以看出，核磁氫譜譜圖中5，7-二羥基-4-甲基香豆素(DHMC)各個(gè)譜峰信號(hào)都有很好歸屬，說明該實(shí)驗(yàn)成功合成了產(chǎn)物5，7-二羥基-4-甲基香豆素(DHMC)。

在實(shí)際工作中，單憑一種波譜往往不能解決問題，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物，如果要確認(rèn)結(jié)構(gòu)，還需要其他核磁共振譜圖(碳譜、DEPT譜、COSY譜、HSQC譜、HMBC譜)和質(zhì)譜數(shù)據(jù)。

2 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

課程評(píng)價(jià)是檢驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要手段，不僅能夠檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，還可讓教師及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，改進(jìn)教學(xué)方法、提高教學(xué)質(zhì)量[4]。對(duì)有機(jī)合成產(chǎn)品分析、結(jié)構(gòu)表征的探究教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)了在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中現(xiàn)代儀器分析技術(shù)與有機(jī)合成的完美結(jié)合[5]。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，將教學(xué)考核過程分解為課堂提問、樣品處理及儀器基本操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)譜圖處理及實(shí)驗(yàn)討論總結(jié)等不同內(nèi)容，分別賦予不同比重的分值進(jìn)行量化打分，對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以克服傳統(tǒng)課程評(píng)價(jià)體系單純依靠實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分的弊端。

3 結(jié)論

將核磁共振波譜儀引入本科儀器分析教學(xué)，實(shí)驗(yàn)過程中互動(dòng)教學(xué)和小組化教學(xué)的開展，能夠在使學(xué)生掌握核磁共振波譜儀的構(gòu)造、基本概念和基本理論及使用方法的同時(shí)，加強(qiáng)了理論知識(shí)在實(shí)踐中的應(yīng)用，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能，培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)，以滿足社會(huì)對(duì)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的需求。

研究性實(shí)驗(yàn)的開展，激發(fā)了學(xué)生的科研興趣，活躍了學(xué)生的思維，能夠鍛煉學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，有助于高校創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。同時(shí)，對(duì)本科生的畢業(yè)論文實(shí)驗(yàn)及科研項(xiàng)目的開展具有積極的意義。

[1] 王奎武.核磁共振的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器管理的探索與實(shí)踐[J].科技文匯,2013，237：75-76.

[2] 陶呈安，王建方，朱 慧，等．染料敏化太陽能電池的研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)初探[J]．實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2013，16(2)：33-36．

[3] 陳連清，周忠強(qiáng)，羅冬冬，等.核磁共振法無損傷測定茶葉中咖啡因含量研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)初探[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2015，18(2)：31-34 .

[4] 王 聰，王遠(yuǎn)紅，王 義，等.核磁共振波譜儀引入儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016，33(7)：160-162.

[5] 趙華絨，秦敏銳，蔡黃菊，等.引入探索教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35(9)：165-168.

(本文文獻(xiàn)格式：趙瑞明，李嶺領(lǐng)，吳世逵，等.核磁共振波譜儀應(yīng)用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J].山東化工，2017，46(12)：181-182，187.)

Exploration of Using NMR Instruments in undergraduates Teaching Experiment

ZhaoRuiming，LiLingling，WuShikui*,MaYugong

(School of Chemical Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology, Maoming 525000, China)

The application of Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR) in undergraduates experiment teaching and analysis for nuclear magnetic resonance spectra were introduced through the integration research-oriented experiment. The teaching quality and students' were improved obviously as well as the ability of integrated use of knowledge and problems solving. It was beneficial to cultivate application-oriented talents and innovation- oriented talents.

NMR；teaching experiment；research-oriented experiment

2017-04-23

廣東省橡塑材料制備與加工工程技術(shù)研究開發(fā)中心開放基金(650808、650803)；廣東石油化工學(xué)院人才引進(jìn)項(xiàng)目(2016rc03)和青年創(chuàng)新人才培育項(xiàng)目(2016qn23)；2016大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)校級(jí)培育計(jì)劃項(xiàng)目(2016pyA003, 2016pyA010)

趙瑞明(1989—)，女，山東菏澤人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事儀器分析與管理；通信作者：吳世逵(1965—)，廣東人，教授，主要從事石油資源加工研究及教學(xué)管理。

G642.0

A

1008-021X(2017)12-0181-02