突出核磁共振波谱仪应用的药学波谱课程 改革与实践

王耀楠 熊瑜 刘子涵 高岐 冯琦琦 张筱宜 王玉记

1.首都医科大学药学院，北京 100069；2.首都医科大学中心实验室，北京 100069；3.国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100160；4.首都医科大学附属北京潞河医院，北京 101100

药学是连接健康科学和化学科学的医学行业。药物小分子化学结构的鉴定、药物分子构效关系的研究等化学科学相关知识在药学人才培养中占有重要地位。药物分子是由不同的原子按照一定的规律排布连接而成，将自旋量子数不为零的原子置于外加磁场中，原子核的核磁矩会沿着磁场方向排布，此时使用外加的射频脉冲照射原子核，原子核会吸收射频脉冲的能量，从低能级跃迁至高能级，核磁矩方向会发生偏转[1]。当把外加的射频脉冲去掉时，原子核会从高能级弛豫到低能级，核磁矩会恢复至初始的方向，并将吸收的能量以发射电磁波的形式释放，这种现象称为核磁共振现象，发射出电磁波的频率与原子核在分子中的化学环境密切相关，通过解析核磁共振谱图即可得出与分子结构相关的信息，核磁共振谱仪已成为鉴定药物分子结构的必需设备。目前已有多所高校在本科生的实验教学中引入核磁共振谱仪[2-4]，培养学生使用大型科研仪器的能力。

以核磁共振谱仪为代表的大型仪器在人才培养中的作用日趋重要[5-9]。核磁共振原理相对来说比较复杂，学生在学习过程中对核磁共振原理的理解有一定困难。核磁共振现象是在实验过程中发现的，实验课程是学习核磁共振知识的有效方法。借助于波谱解析课程的教学改革项目，多所高校在关于核磁共振的教学上取得了一些效果[10-13]。还有高校意识到了综合素质对人才培养的重要性，开设了综合性的实验课程，但这些课程彼此之间关联性较弱，学生只是借助核磁共振谱仪完成了一项独立的课题[14-17]。为了便于学生掌握使用核磁共振技术解析分子结构的技能，首都医科大学药学专业在人才培养中设置了两种不同层次的课程供学生进行核磁共振谱仪等大型科研仪器设备的学习。本文将从课程的基本设置、具体实施、效果评价3 个方面探讨核磁共振谱仪对药学人才培养的意义。

1 层次递进的课程设置

首都医科大学药学专业在人才培养中设置了药物的波谱解析和药学专业实验课程。这两门课程在层次上是递进的关系，药物的波谱解析为药学专业课程，是学习核磁共振谱仪的基础，在本科三年级的第一学期开展；药学专业实验课程为扩展性的应用课程，在本科四年级第一学期开展。

1.1 药物的波谱解析

药物的波谱解析是药学专业的必修课程，与药学相关的中药或化学等专业也会开设此课程，其他开设这门课程的高等院校在教学活动中进行了各种教学改革，以提升教学效果[3,4]，首都医科大学药学院在总结并借鉴了各校优秀教学措施的基础上，以各种药物的分子结构为基础，开设有药学专业特色的波谱解析课程[10,13]。学生可以系统性的学习与分子结构相关的四大谱学知识，掌握解析分子结构的技能。课程分为理论和实验两部分，理论课和实验课各占54 学时，其中由于核磁共振部分的理论相对复杂，在学时分配上有所倚重，占总学时的三分之一。实验课程与理论课程紧密相连，学生在实验课程中可以通过真实的上机测试图谱，验证理论课学习的内容。

1.2 药学专业综合实验

药学专业实验是涵盖药物设计、合成、分析、评价等全流程的综合性实验课程，学生可以在这门课程中学习药物临床前研究的整个过程。整个实验课程的流程设计按照新药研发的步骤开展，学生需要在判定合成的化合物结构正确之后才可以进行分析以及评价部分的实验。通过化合物结构鉴定的过程，学生进一步巩固了核磁共振谱仪等大型分析仪器的操作，并且还掌握了图谱分析的相关知识。

2 注重实操的课程实施方案

药学是一门实验性较强的学科，对于波谱解析这种理论知识点繁多且抽象，知识点关联较少的课程，更需借助实验课程来加深对理论课内容的学习。

2.1 多测多练，夯实学习基础

在药物的波谱解析课程中，实验课程的设置与理论课程同步进行，每周均安排有实验课程与理论课程相匹配，学生分成4 组，每组人数不超过10 人，分别进行紫外光谱、红外光谱、核磁共振波谱及质谱的实验，每组均安排专门的教师进行带教实验，这种小班教学的模式使得每个同学都有上机测试谱图的机会，教师会详细介绍仪器的原理和参数，学生可以根据教师的讲解亲自上机测试。提供给学生测试的样品均为常用药物的原料药成分，在学习仪器操作技能的同时，还可以根据测试的药物图谱验证理论课学习的知识点。

为了增强学习效果，在实验时又将每组学生分为两个小组，小组内的同学在上机测试时互相交流，可加深对仪器参数的理解；由于组内同学所测化合物的结构相近，在谱图解析时互相讨论，还可加深对知识点的理解。以氨基酸衍生物为例，在小组内分配化合物时，教师会选择结构类似的缬氨酸和异亮氨酸的衍生物，以及苯丙氨酸和酪氨酸的衍生物进行配对结构分析，研究结构上的变化如何在谱图上体现。如图1 所示，左侧为缬氨酸苄酯的氢谱，右侧为异亮氨酸苄酯的氢谱，两个化合物结构上的差异在于异亮氨酸比缬氨酸多了一个亚甲基，其余部分的结构类似，在异亮氨酸的氢谱中可以明显看到在化学位移1.25 和1.41 处多了两个积分面积为1的信号峰，且由于两个化合物结构中甲基临位结构上的差异，在缬氨酸的氢谱中，化学位移0.95 和0.92的两个积分为3 的两重峰均为甲基信号峰，而在异亮氨酸的结构中，化学位移0.88 处积分为3 的甲基信号为两重峰，化学位移0.85 处积分为3 的甲基信号峰为三重峰。

图1 缬氨酸和异亮氨酸的核磁共振氢谱（局部）图

对于苯丙氨酸和酪氨酸来说，结构上的差异主要在结构中的苯环部分，从图2 可以看出，左侧酪氨酸苄酯的氢谱中，化学位移9.43 处的信号峰代表酚羟基的信号，同时在化学位移6.96 和6.68 处的两个二重峰的耦合常数均为8Hz，积分面积均为2，这些均是明显的苯环对位取代的信号峰，这些在右侧的苯丙氨酸苄酯中均未观察到。

图2 酪氨酸苄酯和苯丙氨酸苄酯的核磁共振氢谱（局部）图

通过以上简单的两个例子，同学们复习了理论课上学到的化学位移、耦合常数和积分面积3 个与氢谱相关的知识点。类似的结构相似化合物还有很多，学生在谱图解析时通过彼此讨论，互相比对，印证理论课上学到的知识点，这样就能激发学习核磁共振相关知识的兴趣，提升学习的效果。

2.2 自主上机，加强实际应用

为了让学生对所学知识融会贯通并对药物临床前研究的所有环节有所了解，药学院以自身的科研成果为基础，设计了涵盖药物设计、合成、分析、评价等全流程的综合性实验课程[18]。在这个实验课程中，学生需要从药物设计的原理出发，根据计算机药物辅助设计的计算结果，从氨基酸原料开始先导化合物的合成，并利用核磁共振、质谱、红外光谱等设备对合成的目标产物进行鉴定，确定合成的结果正确之后再进行药剂学方面的工作，制备纳米脂质体，最后选择合适的动物模型，对制备好的剂型进行生物活性评价。本课程在大四的第一学期开设，学生需要独立完成全部实验内容。在此之前，学生已经修完了药物化学、药物分析、药剂学以及药理学的专业课程，在完成实验的过程中，学生会综合用到学过的专业知识，核磁共振在这里是作为目标产物鉴定的主要工具，学生需要根据波谱解析课程中学习的知识，完成样品制备、上机测试以及谱图分析的全过程。

本实验课程用到的化合物之一，是多肽和小分子药物。作为北京市重点实验室的科研成果，合成路线成熟，学生们只需按照实验讲义的操作步骤即可顺利完成，但在处理完化学反应、完成纯化之后需对反应产物进行鉴定，就必须要用到核磁共振谱仪才能实现。前期在波谱解析课程中已经学习过样品的制备以及上机测试的内容，因此在这个综合实验课程中，教师只需从旁监督，协助学生即可完成实验。本实验的关键步骤是在最后一步的合环反应，合环前后的化合物的氢谱，见图3。

图3 方框中标出的化学位移1.39 和1.25 处，积分面积为3 的两个单峰，对应分子结构中利用丙酮和两个氮原子反应生成的五元环上连接的两个甲基，由于五元环与左侧的平面结构相连，连接的两个甲基处于环的不同平面，造成了化学位移上的差异。此外，从氢谱上还可以观察到更多的信息，如结构中的其他氢原子的信号，分别向低场和高场移动，需要对信号进行归属后再具体分析。在归属的过程中，仅依靠氢谱图提供的信息并不能对信号进行完全的指认，比如处在饱和六元环上的两个亚甲基上的氢原子，它们分别处在环上碳原子的平伏键和直立键，化学位移差异较大，对它们的精确归属需借助核磁共振二维谱的信息。这也能激发学生学习二维谱的兴趣。

图3 合环前的化合物与合环后的化合物的核磁共振氢谱（局部）图

3 以灵活运用为目标的教学效果评价

将学到的知识灵活运用，是学习的最终目标。教学效果评价的方式分为3 个层面。第1 个层面是以习题为主要形式，除了如磁矩、磁化矢量、弛豫等原理性的知识点以外，对于其他关于实际应用的知识点，如化学环境如何影响化学位移，连接方式如何影响信号峰的裂分和耦合等内容，以应用为目标进行考核。除了期末考试之外，在学期中间也安排有阶段性的考核，针对前期所讲授的内容进行教学效果评价。阶段性考核的形式以谱图解析的练习题为主，在解析图谱的过程中强化对知识点的理解并增强学生的解谱能力，注重对学习过程的考核，避免学生期末进行突击式的复习而忽视对知识的运用，督促其将学习的精力放在日常的课业中。

效果评价的第2 个层面，是以小组协作的方式开展，在平时的实验课程中，除了每个人自己测试并解析的图谱以外，每个小组会分配一个固定的未知化合物进行图谱测试，在4 次实验课结束后，这个未知化合物的全套图谱都将测试完成，最后1 次课程会以小组汇报演讲的形式解析未知化合物的结构，小组成员需要分工协作并互相讨论，确定化合物结构后再以演讲的形式介绍团队解析的结果。在这个过程中，小组内的每个成员都需要集思广益，为本组分配的化合物结构解析献言献策，除了核磁共振提供的信息之外，还需要借助质谱、红外等谱图提供的信息进行确认。最终的展示环节也是对同学们演讲能力的一个提升，切实践行全方位培养药学人才的育人理念。

效果评价的第3 个层面，是重点考察对知识的运用能力，依托于药学专业实验中对目标化合物鉴定的过程。由于此实验的定位是需要每个同学独立完成的综合性实验，实验过程紧凑且连续，需要根据合成目标化合物鉴定的结果开展后续实验，如果鉴定过程出现问题，势必会影响后续分析及评价的实验部分。核磁共振提供的信息对化合物的鉴定尤为重要，这就需要学生留意从样品制备到上机测试以及最终获取核磁共振谱图的所有细节，任何一个环节出现问题均会影响最终的实验结果。能够独立操作核磁共振谱仪进行谱图采集并进行谱图解析、鉴定合成的化合物，顺利完成最终实验的同学，也就完成了核磁共振相关知识运用能力的考核。

4 结语

药物的波谱解析和药学专业实验课程，在课程设置的层次上逐步递进，在教学内容的把控上将理论知识与上机操作置于同等重要的地位，在教学效果的评价上注重对学生知识运用能力的考核。药学专业的本科生在学习药物的波谱解析和药学专业实验课程后，对于核磁共振波谱仪等大型仪器均能够熟练操作，初步具备了未知化合物结构解析的能力。核磁共振谱仪在药学人才的培养中发挥了重要作用。