谈毛细管电泳分离异构体实验的教与学

周　平　金姗霞（武汉大学化学与分子科学学院，武汉430072）

谈毛细管电泳分离异构体实验的教与学

周平金姗霞*
（武汉大学化学与分子科学学院，武汉430072）

以毛细管电泳分离异构体的实验教学为例，探讨了提高仪器分析实验教学效果的有效途径。

仪器分析；实验；教学；探索

www.dxhx.pku.edu.cn

随着科学技术的进步、社会经济的发展，仪器分析在科研、检测、生产及生活中的应用越来越普及。在分析化学课程的教学中，仪器分析部分的重要性愈显突出。仪器分析课堂教学侧重阐述各种仪器分析方法、技术的原理，并介绍相关仪器的构造及应用。仪器分析实验是理论教学的实践环节。实验在仪器分析教学中具有不可或缺的作用。以前经费有限，仪器设备昂贵，本科生在仪器分析实验中能接触的仪器少，稍好的设备仅供科研使用，学生无法亲自上机操作，只能走马观花，教学效果难以令人满意。近年来，国家经济实力增强，加大了对高等教育的投入，高校实验教学中心建设取得了很大进步，各种仪器设备日臻齐全，仪器分析实验已经成为本科生分析化学教学的重要组成部分。在新的形势下，如何才能根据课程特点做好仪器分析实验的教学呢？此前有一些教研论文讨论了仪器分析实验教学中存在的问题，并提出了相应的教改建议［1－4］，强调教学内容和教学手段改进的重要性。在此，以毛细管电泳分离异构体的实验为例，探讨提高本科生仪器分析实验教学效果的有效途径。

1　合理的实验设计

毛细管电泳分离异构体是仪器分析实验教材中第23个实验［5］，具体内容是利用毛细管区带电泳分离硝基苯酚异构体。经过近十年的教学实践及学生反馈，发现该实验的教学效果良好，其中一个重要原因在于该实验的实验设计。毛细管电泳是上世纪80年代发展起来的分离技术，其分离模式众多，应用领域非常广。毛细管电泳非常适合用于分离核酸，曾为人类基因组计划的提前完成做出了重要贡献［6］。分离异构体，尤其是对映体，是其另一有特色的应用领域。分离核酸时通常需采用激光诱导荧光检测，对仪器设备的要求较高。以异构体作为实验的分析对象是合理的选择，既能体现毛细管电泳的技术优势，又考虑到了实验对仪器设备的要求。按照教材的实验方案进行操作，以pH 7.0磷酸缓冲液为背景电解质进行区带电泳，邻、间、对位3种硝基苯酚异构体可在10分钟以内实现基线分离（图1），出峰先后顺序为间、邻、对位异构体。学生通过实验体验了毛细管电泳分离技术进样量少、分析速度快、分离效率高等特点，对其分离能力印象深刻。仪器设备是仪器分析实验教学必需的硬件，但是仅有设备是不够的，成功的实验课还需要合理的实验设计。实验设计方案如同电影的剧本，剧本不好，想拍出好电影就难；实验设计不合理，要获得理想的教学效果也难。针对不同的分析仪器，设计的实验应能展示该仪器有特色的应用领域，同时要方便学生在指定教学时间内完成实验过程。合理的实验设计是保证仪器分析实验课教学效果的一个重要前提，因此，教师应该格外重视和完善仪器分析实验设计，加强实验教材的建设，使其真正成为实验课程的核心教学材料。

图1　硝基苯酚异构体的毛细管电泳图（a）样品由甲醇配制；（b）样品由1:24（体积比）甲醇水溶液配制

2　专业的指导

在该实验的教学实践中，还能体会到实验指导教师对于提高教学效果的突出作用。在区带电泳分离模式中，电渗流是必须考虑的驱动力。虽然教材编写者在实验原理部分介绍了电渗的概念，但是还需要指导实验的教师特别强调电渗流对于电泳分离的重要性。在实验开始前的讲解中阐明电渗流产生的原因及在分离中的作用，在实验中分析中性分子硫脲的电泳结果，让学生感知电渗流的存在，并引导学生思考调控电渗流的方法。通过对学生的提问交流可以发现，即使经过相关章节的课堂教学，学生对电渗的概念还是比较模糊，对电渗流的作用更是没有认识。在教师有意识的指导下，学生在做完实验后均能很好地领悟电渗流的重要作用。教师在实验教学中的作用不仅体现在对重要理论知识点的准确把握，还表现在需根据实验现象对学生进行知识引领。譬如针对3种异构体浓度相同但出峰面积有明显差别的现象，学生有疑问，教师要引导学生去回顾紫外检测的定量基础——朗伯-比尔定律，并可借机解释毛细管电泳紫外检测器灵敏度偏低的缺点。细心的学生在实验中发现进样后出峰前电泳图的基线有波动，需要教师引导学生从样品配制方法及仪器检测原理中找出原因。由此可见，仪器分析实验指导教师不能仅仅指导学生操作仪器，而是要非常熟悉相关的理论教学内容，对该仪器分析方法的应用领域有全面的认识，准确把握设计实验的教学指导思想，借助实验现象现场启发教学，这样才能发挥实验课现场教学的优势，达到理想的教学效果。仪器分析实验课涉及的仪器种类较多，很难要求一个教师精准掌握每种仪器分析方法，聘用多个在相应领域有研究经验的教师分别指导对应的实验是最佳的方案。

3　把握好仪器操作的学习

仪器操作是仪器分析实验课的重要组成部分，是学生了解仪器构造的有效途径。在毛细管电泳实验中，尽管进口电泳仪具有可加压进样、可温控分离通道等优点，但是价格较贵，我们在实验教学中采用了国产仪器设备。国产电泳仪的高压电源、毛细管分离系统、紫外检测器、数据采集系统等模块分列，使学生对仪器构造一目了然。该仪器操作也比较简单，学生可在教学时间内掌握仪器操作，独立完成实验方案的内容。然而，不是所有仪器都能展示各部分的构造，需根据仪器特点来区别对待。以质谱仪为例，学生从外观上能看到进样系统、离子源、真空系统的一部分、数据采集及处理系统等，却无法看到质量分析器、检测器等核心器件，除非在实验开始前拆开仪器，但这显然是不现实的。教师在实验教学中对仪器的构造进行现场介绍后，须对学生进行仪器操作指导。不同仪器的操作难易程度差别明显，一些小型仪器如红外光谱、紫外光谱等学生能较快学会，但质谱、核磁等大型仪器操作较复杂。因此，对于仪器操作也应根据具体仪器的特点适度把握，以学生能独立操作完成实验教材指定的相关实验内容为标准。亲自动手操作仪器对于学生掌握仪器分析理论知识的价值是不言自明的，但教师无需对仪器的应用软件进行详细的讲授，毕竟实验教学有时间限制，学生也难在较短时间内吸收和掌握。而且，同样的仪器设备，不同生产厂家的应用软件由于知识产权保护的原因多不相同，学生在以后的学习和工作中遇到不同厂家的设备，还得重新学习。因此，学生在仪器分析实验课中，在具体仪器使用上以学会仪器的基本操作为目标，要在操作中认真领悟该仪器分析方法的特色和应用领域。对于确有对仪器操作感兴趣、希望掌握仪器各项使用功能的学生，可安排实验技术人员在课余时间进行专门培训。

4　互动式教学

互动式教学通过师生的平等交流探讨能激发学生学习的主动性和探索性，从而提高教学效果。课堂教学以讲授新知识为主且内容较多，教师对互动式教学较难掌控。由于年龄特点以及崇尚内敛的文化熏陶，学生主动参与的积极性也不高。课堂教学因而多采用讲授式教学。实验课也可以采用讲授式教学，对教师而言甚至更简单一些，但是通过教学实践发现，还是互动式教学的教学效果更好，实验课也适合采用互动式教学。学生在上实验课前已经通过课堂教学学习过毛细管电泳的相关理论知识，有了一定的基础，互动就好开展。近两年我们要求学生在上实验课前要预习相关课堂教学的内容，就是为了达到这个目的。为做好互动式教学，教师上实验课时要有意营造一种可轻松交流的氛围，譬如在讲解电渗现象时提问“假如在实验室的自来水管（塑料）两端加上直流高压会不会产生电渗流？”，学生讨论就很热烈。实验课上能方便地与学生近距离交流，教师要主动和学生建立平等的关系。在等待实验结果的间隙，可以和学生简单闲聊学习生活，拉近师生间的距离。学生在平等轻松的状态下才会主动就实验现象和理论问题与教师展开积极讨论。教师要把握和引导交流探讨的方向，调动学生动脑、动口和动手的积极性，使学生轻松学习和掌握上文所述的教学内容。

5　重视实验报告

实验报告是理科实验课教学的重要环节，对于仪器分析实验教学也是如此，要根据仪器分析实验课的特点来对待实验报告。在教学实践中我们体会到，应引导学生在写实验报告时重点分析实验结果，其次是影响实验结果的因素。对实验过程的描述则不宜过分强调，否则学生会将仪器操作的步骤包括软件的使用详细罗列，增加学生负担。在毛细管电泳实验完成后，要求学生在实验报告中分析电压、进样量、缓冲液pH等条件对实验的影响，但重点是解释3种异构体的出峰次序。正确解析实验结果需思考电泳淌度及电渗流淌度的大小和方向，尤其是须考虑3种异构体解离常数（pKa）的差异，绝大多数学生能找到这些原因。部分学生进一步思考3种异构体pKa值为什么存在差异，进而利用硝基的吸电子诱导效应、共轭效应等对酚羟基解离的影响进行分析。显然，学生通过实验深刻理解了毛细管区带电泳的分离原理以及化合物荷电性质在区带电泳分离中的突出作用，进而激发了他们运用相关有机化学知识解释实验现象的热情。对于学生而言，书写实验报告是一个结合实验现象复习领会理论知识和运用理论知识分析解决实际问题的过程；对于教师而言，从学生的实验报告能了解仪器分析课堂教学及实验教学的效果，洞悉教学中存在的问题，从而有针对性地改进理论及实验教学。因此，学生和教师都应该特别重视实验报告。学生认真书写实验报告、教师认真批改实验报告是提高仪器分析实验教学效果的有效手段。

从学生学习情况来看，每位学生均能自主操作仪器完成实验过程，少数学生在进样环节容易出现问题。由于实验采用虹吸进样，容易带入气泡至毛细管中引起断流，多由进样操作时毛细管倾斜所致，经指导后均能改正。学生对于异构体得以快速分离的实验结果很感兴趣，往往会在实验过程中讨论其分离机理。通过实验课教学，学生对于毛细管区带电泳分离技术的原理有了更清晰的认识，这也体现在他们的实验报告中。大多数学生能正确回答实验教材的思考问题：“为什么本实验要采用pH为7左右的缓冲液分离硝基苯酚异构体？用pH为2的缓冲溶液可以吗？”以及“若要得到流向正极的电渗流，应采取哪些措施？”。由于对上述环节的重视，该实验课的教学取得了较好的效果。我们从中体会到，仪器分析实验课的教学，对于教师而言不能停留在教学生操作仪器的层面，要利用实验过程深化学生对仪器分析方法、技术原理及重要知识点的理解；对于学生而言不只是直观了解仪器构造，要通过自主操作深刻体会各仪器分析方法的特色和应用领域。加强实验课教材的建设，调动有教学和科研经验的教师从事相关仪器分析实验的教学，尽可能由学生独立操作仪器完成实验，灵活运用互动式教学，重视实验报告的书写和批改，这些是提高仪器分析实验乃至仪器分析课堂教学效果的有效途径。

［1］李爱峰，孙爱玲，柳仁民.大学化学，2012，27（5），30.

［2］胡万群，张汉昌.大学化学，2011，26（5），30.

［3］周云，张连庆，林金明.大学化学，2010，25（6），48.

［4］张培敏，陈恒武，郭伟强，薛彩琴，蒋银土，邬建敏，张嘉捷，朱岩.大学化学，2007，22（2），10.

［5］武汉大学化学与分子科学学院实验中心.仪器分析实验.武汉:武汉大学出版社，2005.

［6］Dovichi，N.J.；Zhang，J.Angew.Chem.Int.Edit.2000，39（24），4463.

Discussion on Teaching and Learning of the Separation Experiment of lsomers by Capillary Electrophoresis

ZHOU PingJIN Shan-Xia*
（College of Chemistry and Molecular Science，Wuhan University，Wuhan 430072，P.R.China）

In the analytical chemistry curriculum of undergraduate education，the teaching of instrumental analysis laboratory course is getting more and more important.This paper，taking the experiment of capillary electrophoresis for isomers separation as an example，discussed the efficient approaches to improve the instrumental analysis laboratory teaching effectiveness.

Instrumental analysis；Experiment；Teaching；Discussion

O6；G64

10.3866/PKU.DXHX201510015

，Email:lock1_8@whu.edu.cn