綠色化學指導下的薄層色譜實驗教學改革

宋麗麗， 殷宏慶， 曹 穎， 王麗峰， 任曉亮

(天津中醫藥大學 中藥學院， 天津 301617)

0 引 言

綠色化學是一種環境友好，有利于可持續發展的化學。綠色化學常被稱為“環境友好化學”“環境無害化學”，其主要任務是在化學產品的設計、制造和應用過程中，利用化學技術和方法減少或消除有害物質的產生和擴散，其核心就是從源頭上消除污染、清潔環境[1]。在倡導綠水青山就是金山銀山的今天，發展綠色化學無疑是時代發展的必然趨勢。跟緊國家綠色發展工作步伐，節約資源保護環境，創造綠色、清潔、無污染的實驗環境，把“綠色化學”理念應用于實驗教學的過程中，實現實驗過程的綠色化，是實施教學改革的目標和追求[2]。

1 基礎化學實驗改革的必要性

基礎化學實驗是中醫藥高校中非常重要的專業實驗課程，旨在培養學生的專業實踐操作技能，激發學生學習的積極主動性。實驗是理論課程的重要補充，有利于學生更好地理解和應用教材中的理論知識，對學生創新意識和實踐動手能力的培養起著重要作用[3]。基礎化學實驗中的薄層色譜是藥典中一種常用的定性鑒別方法，主要被用于對中藥材及相關中藥制劑的定性定量分析[4]。但藥典中使用單一指標成分的定性、定量分析方法并不能全面反映其內在質量，在中藥質量控制等具有較高質量要求的情況下，存在鑒別指標少、重復性和穩定性較差、展開劑毒性大、結果不夠準確全面等缺點[5-6]。此外，由于有機化學實驗和分析化學實驗涉及的薄層實驗所用試劑種類多、消耗量大，容易產生大量廢液，回收處理難度大，且大多為有毒、易揮發性試劑，安全性低對環境污染較大，長時間接觸會對師生的健康產生嚴重危害[7]。而且學生環保意識薄弱，實驗中試劑任意取用，廢液隨意傾倒等不按規定處理的現象時有發生，一些實驗設計不合理也造成了不必要的浪費[8]。因此，有必要開展以綠色化學為導向的薄層色譜實驗改革，以改善傳統實驗的不足，期望在基礎化學實驗中逐漸滲透綠色化學的思想，培養學生的環境保護和可持續發展意識，把綠色思想扎根于學生的頭腦中，對學生綠色化學理念的形成，以及學生在未來從事藥學相關領域的工作及更高層次的研究中大有裨益[9]。

2 薄層色譜實驗改革方案

薄層色譜在中藥分析中的應用是大學基礎化學實驗課程中重要內容，與其他化學實驗相比用到的試劑種類多，在實驗操作過程中容易產生大量的有毒、有害廢棄物。并且傳統的以單一成分為指標的薄層色譜實驗，已無法滿足質量檢測的要求。因此在保證預期實驗效果的前提下，整合實驗教學內容，精選實驗項目，充分考慮實驗所用試劑、溶劑、催化劑及產物毒性以及整個實驗中產生“三廢”對環境的污染。優先選擇低毒、低能耗、用量小、污染小的實驗項目，重新設計污染小、更環保、更準確全面的實驗內容，是實施綠色化教學改革的主要方向[10-11]。因此從薄層色譜實驗入手，從綠色化學的教學理念出發，致力于尋找更為合適的實驗方案。

在傳統的薄層色譜實驗中，實驗內容大多選擇中藥黃連進行測定，我校薄層色譜實驗關于中藥內容的部分也是選用了黃連進行分析，色譜條件參考2015版藥典進行了調整，展開劑為乙酸乙酯∶氯仿∶甲醇∶氨水∶二乙胺(8∶2∶2∶1∶0.5)。實驗實施過程中，由于展開劑溶劑種類較多、且含有易致毒試劑-氯仿，學生配制溶液費時較長且由于展開劑中各種試劑揮發性質的不同，學生實驗操作動作慢，使得最終展開劑的比例出現了很大的差別，展開效果不理想。經過實驗條件的摸索，對展開劑進行優化，未發現更綠色更環保的條件更好地用于黃連中生物堿的鑒別。因此對實驗內容進行了更改，通過查閱大量文獻，以及參考相關實驗教材，且通過調研其他學校相關實驗項目，將原薄層色譜中中藥部分改為“中藥大黃的測定”[12-15]。2015版中國藥典(一部)對大黃的薄層色譜鑒別，其方法是采用硅膠法，展開劑為石油醚∶甲酸乙酯∶甲酸(15∶5∶1)，以大黃酸作為對照品進行鑒別。然而目前往往只用一種成分很難對中藥進行很好地鑒別，一般都會選擇2～3種含量較大的有效成分作為鑒別中藥真偽的指標。經查閱文獻可知大黃素和大黃酚在大黃藥材中含量較高且具有很好的消炎、抑菌、抗病毒作用[16]。因此同時采用大黃素和大黃酚兩種成分對大黃藥材進行薄層色譜實驗。為了得到更好的實驗效果，且保證實驗的重復性和穩定性良好，重點對展開劑進行了優化。本實驗首先參照藥典方法進行測定，但考慮到甲酸乙酯極易燃，其蒸氣與空氣可形成爆炸性混合物，遇明火、高熱或與氧化劑接觸，有引起燃燒爆炸的危險，故選擇了乙酸乙酯進行替代。實驗結果見圖1(a)，在該條件下，各組分遷移速度較快。由表1可見，a、b兩組分Rf值相近，在溶劑前沿位置發生了重合，難以實現分離。選用酸性稍弱的冰醋酸在同等比例下進行展開，由圖1(b)可見，同樣出現了斑點在薄層板上端過于集中的問題，效果不夠理想。推測由于展開劑中乙酸乙酯比例過大，導致各組分遷移速度過快。通過調整展開劑系統中各溶劑的比例，在石油醚∶乙酸乙酯∶冰醋酸(8∶1∶0.2)色譜條件下展開，由圖1(c)和表1中可見，樣品展開后各組分斑點較多、較圓且清晰，分離效果好，斑點無重合、拖尾現象，Rf值適當、重現性好，對大黃藥材具有很好的鑒別效果。在此基礎上，本著節約溶劑、綠色環保的原則，嘗試了僅以兩種溶劑進行展開，但圖1(d)結果表明，去除冰醋酸后拖尾嚴重，且組分大多都停留在原點附近未得到分離。對比多次實驗結果發現，以石油醚∶乙酸乙酯∶冰醋酸(8∶1∶0.2)為展開劑時，各組分分離效果較佳。

圖中:1為大黃酚對照品; 2為供試品溶液; 3為大黃素對照品

表1 大黃對照品及供試樣品在不同展開劑下的Rf值

因此最后選擇了石油醚∶乙酸乙酯∶冰醋酸(8∶1∶0.2)作為大黃藥材色譜實驗的展開劑。最終確定實驗條件如下：精密稱取大黃粉末500 mg置于10 mL容量瓶中，再加入少許95%乙醇(淹過藥材即可)，超聲15 min后，定容，搖勻，制成(500 mg /10 mL)供試品溶液。另取大黃酚、大黃素對照品，加乙醇制成每mL含50 mg的溶液，作為對照品溶液。用毛細管吸取對照品溶液和供試品溶液各2 μL，分別點于同一硅膠薄層板上，以石油醚∶乙酸乙酯∶冰醋酸(8∶1∶0.2)為展開劑，展開，取出，晾干，置紫外燈(365 nm)下檢視。

與傳統實驗方案相比，改進后的薄層色譜實驗更為綠色、安全，見表2。并且在實際教學中也收到了很好的教學效果。

表2 傳統方案與改進后實驗方案比較

該實驗的改進有以下幾點意義：

(1) 薄層色譜鑒別從單一指標到多指標的改進。目前薄層色譜鑒別實驗大多是以單一成分對中藥進行鑒別，如藥典中以單一成分鹽酸小檗堿進行鑒別的黃連，以大黃酸作為對照的大黃薄層鑒別，但對于中藥的鑒別僅僅只用一種指標是很難評價其真偽的。改進后，通過新增對照指標，提高了大黃藥材鑒別的檢測水平。

(2) 選擇無毒、低毒的展開劑進行實驗，保證了實驗操作的安全性。對比黃連薄層色譜實驗，無毒展開劑的應用，避免了長時間接觸易致毒試劑給師生健康帶來的影響。此外，新探索的展開劑試劑種類少、溶劑消耗少，從源頭上降低了試劑對環境造成的污染，符合綠色化學的思想。

(3) 實驗效果可顯著提高。該實驗方案色譜結果樣品分離效果好，斑點清晰，且重現性好，有助于學生對藥材進行定性觀察，也更加有利于學生掌握薄層色譜在中藥分析中的應用。

(4) 推動新標準的建立。本實驗探索的中藥大黃藥材薄層色譜多指標鑒別的新方法也可為藥典中大黃薄層鑒別的新標準建立提供參考。

3 結 語

將傳統基礎化學實驗和綠色化學相結合，探索更全面更準確且安全、污染小、可應用于實際教學的實驗方案，是教學改革的目標和方向。本實驗從綠色化學的角度出發，優化薄層色譜實驗內容，改進了傳統實驗存在的弊端，增加了中藥大黃藥材薄層鑒別的指標，選取了安全、污染小的實驗試劑，減少了試劑的消耗和廢棄物的排放。這一嘗試取得了很好的教學效果，能夠實現大黃藥材更加全面和準確的鑒別，同時證實了綠色化改革的可行性，也為豐富藥典中大黃藥材的鑒別提供了參考。