科研成果转化无机化学创新型实验设计

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摘要：以科研课题为基础设计了“化学传感器法测定多种微量元素注射液II中铜（II）含量”的创新型实验，该实验现象稳定、重复性好、操作简单，且涵盖了较多知识点和供学生自行探索的实验内容。相比无机化学基础性实验，该实验涉及多个学科交叉，特别针对药学专业学生具有较强的专业性和趣味性。通过实验改革使无机化学实验教学质量和深度有明显提高，并提升了学生的创新能力、科学素养和研究能力。

关键词：科研成果；无机化学；创新；铜离子检测

无机化学实验是化学、化工、医学、药学、生物、材料等各专业本科生的第一门必修基础实验课程，所有相关专业学生通过无机化学实验课程的学习可全面系统且严格地接受实验技能方面的训练，为后续其他化学实验课程及专业实验课程打下良好基础，同时也为以后独立开展科学研究起到重要的实验技术能力支撑[1]。目前遵义医科大学无机化学实验沿用传统的实验内容，创新性不强，综合性不足，特别是针对药学专业学生设计的实验内容不够贴合其专业内容，因此近年来遵义医科大学一直鼓励教师开发设计新型的学生创新实验，提倡将个人科研工作相关领域中较为成熟的部分实验内容转化为学生创新实验，结合新技术、新材料、专业相关领域新发展，设计知识内容相互交叉渗透、系统性和创新性较强的无机化学创新实验[2−4]。通过实验项目的改革，对培养学生的创新意识、独立思考能力，以及动手操作能力具有较大的提高，并在很大程度上开阔了学生视野，提升了科学探究敏感度和实验科学水平[5]。无机化学作为药学专业最重要的化学基础课程之一，其中元素化合物的内容[6−7]较繁琐枯燥，相关实验也较少且内容陈旧，多数实验内容局限在验证各类化合物的化学性质，很难提升学生实验兴趣和适应创新型人才的培养。因此，学院针对目前无机化学实验中元素化合物实验中存在的问题进行改革，结合药学专业背景、无机化学教学实践以及接触的前沿热点领域，作者选取了自身科研项目中较为成熟的部分科研成果，设计开发创新型的无机化学实验。通过前期理论知识学习了解铜的化学性质，掌握碘量法[8]测定铜离子的原理及操作后，引入新的分析检测方法应用于药物中铜元素的检测，设计了题为“化学传感器法测定多种微量元素注射液II中铜（II）含量”的创新型实验。

1本实验设计依据

铜（II）是一些金属酶的组成成分，参与体内造血过程，催化血红蛋白合成，维持血液、中枢神经系统等生理功能。同时，铜还是人体健康不可缺少的特殊的微量元素之一。研究表明，Cu2+具有维持和修复与心血管相关的结缔组织的功能，Cu2+含量过高或过低都会带来不同程度的机体损伤，严重时会引发疾病[9−10]，因此研究快速准确检测的Cu2+的方法具有重要的意义。由于化学传感器具有灵敏度高、选择性强和操作简单等优点，已成功应用于Cu2+的检测。课题组前期通过罗丹明为母体合成一个高选择性识别Cu2+的传感器，基于此建立了准确、快速、灵敏检测Cu2+的比色法，因此，通过对科研课题的转化，设计了化学传感器法测定多种微量元素注射液II中铜（II）含量的教学实验。本实验以多种微量元素注射液II中铜为分析对象，贴近生活，符合专业方向，激发了学生学习无机化学的兴趣，同时，该实验项目有利于开拓学生的科学视野，增加实验过程的探索性和完整性，让学生在实验中培养出分析问题、解决问题的能力，激发学生的创新热情。此外，与其他铜（II）测定实验相比，本实验所用仪器简单、实验过程溶剂污染小、操作简便，对于新时期创新药学人才培养走绿色生态探索具有重要实践作用。

2创新型实验的设计

2.1实验目的

1）了解合成目标传感器化合物的合成方法，学习化合物的表征技术。2）熟悉化学传感器的工作原理，紫外−可见分光光度法的使用方法。3）掌握化学传感器法测定药品中Cu（II）离子的方法。4）激发学生科研兴趣，提升科研敏感度，培养创新型药学人才。

2.2实验原理

化学传感器是近年发展起来的一种新型微量和痕量分析技术。即通过特定的客体分子与主体分子选择性识别，将物理或者化学性能的改变转化为光学或者电学信号[11]。其中，光化学传感器因其选择性高、响应快速、成本低等优点，近年来被广泛研究，其原理是以待分析物对传感器单元光学性质的改变作为输出信号进行检测。通常可作为光化学传感器的分子，其光学性质可随所处环境的性质，如溶剂极性、温度、pH等改变而灵敏改变。采用光化学传感器分析技术对离子进行检测时，在光化学传感器[12−14]分子上通常含有孤对电子的杂原子（O、N、S等），其能够提供离子的结合位点，产生光信号对待测物进行特异性识别，光化学传感器示意图如图1所示。本实验利用课题组前期合成的以罗丹明为母核的目标化合物作为化学传感器分子[15]，该化合物中两个氮配位原子核芳环碳原子与Cu（II）进行配位，当目标化合物与铜离子结合后，会立即显示紫红色，并在固定的波长（557nm）有强烈的特征吸收峰，基于此设计了应用于临床药物−多种微量元素注射液II中铜（II）离子含量测定的实验方法。

2.3试剂与仪器

试剂：1.0×10−4mol·L−1标准CuSO4溶液；乙醇水（v:v=1:1）溶液；多种微量元素注射液II（四川美大康佳药业有限公司,Cu的标示量0.34mg/mL）；1.0×10−4mol·L−1不同金属离子、阴离子储备液。仪器：TU-1901紫外−可见分光光度计或722型分光光度计，容量瓶（10mL），移液管，烧杯。

2.4实验步骤

2.4.1化学传感器的制备。中间体化合物RBH按文献[16]中的方法制备,取0.6080g（1.33mmol）RBH于50mL圆底烧瓶中，加入10mL乙醇进行溶解，加入0.3000g（1.46mmol）9-蒽甲醛后再N2保护下加热回流3h,冷却，回流，用冷的乙醇溶液洗涤2~3次，真空干燥后用乙腈/DMF重结晶，得到黄色固体，即为目标化合物（传感器分子AR），合成路线如图2所示，表征数据参考文献[15]。N2.4.2目标化合物标准溶液的配制称取目标化合物（0.0610g），用乙醇水（体积比为1:1）溶解，转移至100mL容量瓶中，用乙醇水溶剂定容至100mL，得1.0×10−3mol·L−1的储备液。2.4.3Cu2+的选择性识别。分别取不同的金属离子、阴离子储备液1.0mL至不同的5mL容量瓶中，再分别加入目标化合物的标准溶液0.1mL，用乙醇水混合溶剂定容，室温下放置2h后测定紫外−可见吸收光谱。实验证明，目标化合物与Cu2+混合后，溶液颜色由无色变为紫红色，并在557nm处产生了1个吸收峰,其他离子混合后并没有颜色变化，证明目标化合物是一个对Cu2+具有高选择性的化学传感器分子。2.4.4标准溶液和待测溶液的配置。取10mL容量瓶7个，按表1所列的量，用吸量管量取对应试液分别加容量瓶中，加乙醇水至刻度，摇匀后分别得到系列标准溶液、空白溶液和待测溶液。此时目标化合物溶液浓度为2.0×10−5mol·L−1。2.4.5吸收光谱的测定可以根据自己学校实验室情况采用紫外可见。吸收光谱法也可以采用分光光度法。1）TU-1901紫外−可见吸收光谱测定最大波长λmax。取表1中的4号瓶，按TU-1901紫外−可见分光光度计的使用方法，以乙醇水溶液空白为参比溶液，测定吸收光谱图，找出最大波长λmax。2）722型分光光度计测定最大波长λmax。取表1中的4号瓶，按722型分光光度计的使用方法，选择波长从540~570nm范围内，以乙醇水溶液空白为参比溶液，每隔5nm测定一次吸光度，记录数据，找出最大吸收波长。2.4.6吸光度（A）的测定。根据表2中找到的最大吸收波长，并于最大吸收波长下，以1号为空白，分别测定表1中2~7号容量瓶的吸光度。记录读数，绘制标准曲线。2.4.7多种微量元素II中Cu（II）离子含量的确定根据所测得的7号容量瓶的吸光度，利用比较法和标准曲线法分别求出多种微量元素注射液II中Cu（II）离子含量。2.4.8可视化（目测法）检测Cu（II）离子。由于目标化合物与Cu2+结合后溶液颜色会产生紫红色的变化，因此可以建立比色法测定Cu2+。将试纸剪成长方形（1cm×5cm），放入含目标化合物的乙醇溶液中，一段时间后，将其取出晾干，再喷洒不同浓度的标准Cu（II）离子溶液，观察其颜色变化情况，再将待测多种微量元素注射液II喷于另一浸泡过的试纸上，与标准进行对比。

2.5实验数据记录与处理

1）测定最大波长,记录最大波长的数值；2）通过绘制标准曲线,测出并记录药品中Cu（II）离子的含量。

3结束语

本次实验教学项目是在开展了传统的碘量法测定铜含量的实验后设计的，通过课题组已发表的科研成果进行实验项目的转化，设计了检测微量铜离子的化学传感器方法，是对无机化学课程中关于“元素化合物”的补充，开拓了学生对铜元素的了解，并通过传感器的引入激发了学生的科学研究思维和学习热情。将科研成果转化成为创新型探索实验，已连续在4届本科生中开展，得到了学生广泛的欢迎和认同，实验效果良好。通过本实验，学生比较完整、系统地了解了化学传感器检测微量金属离子的原理及方法，培养了学生的动手能力和分析解决问题的能力。同时，本实验所用仪器简单、实验过程溶剂污染小、操作简便，对于新时期创新药学人才培养具有重要实践作用。此外，学生通过课外查找文献资料，研究和探索其他新型传感材料应用于微量金属离子的检测，具有较大的探索空间，切实提高了学生的科研创新能力。

作者:焦雪 李新民 吴庆 胡庆红 袁泽利 单位:遵义医科大学药学院 遵义医科大学国家级药学实验教学示范中心