突出核磁共振波譜儀應用的藥學波譜課程 改革與實踐

王耀楠 熊瑜 劉子涵 高岐 馮琦琦 張筱宜 王玉記

1.首都醫科大學藥學院，北京 100069；2.首都醫科大學中心實驗室，北京 100069；3.國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京 100160；4.首都醫科大學附屬北京潞河醫院，北京 101100

藥學是連接健康科學和化學科學的醫學行業。藥物小分子化學結構的鑒定、藥物分子構效關系的研究等化學科學相關知識在藥學人才培養中占有重要地位。藥物分子是由不同的原子按照一定的規律排布連接而成，將自旋量子數不為零的原子置于外加磁場中，原子核的核磁矩會沿著磁場方向排布，此時使用外加的射頻脈沖照射原子核，原子核會吸收射頻脈沖的能量，從低能級躍遷至高能級，核磁矩方向會發生偏轉[1]。當把外加的射頻脈沖去掉時，原子核會從高能級弛豫到低能級，核磁矩會恢復至初始的方向，并將吸收的能量以發射電磁波的形式釋放，這種現象稱為核磁共振現象，發射出電磁波的頻率與原子核在分子中的化學環境密切相關，通過解析核磁共振譜圖即可得出與分子結構相關的信息，核磁共振譜儀已成為鑒定藥物分子結構的必需設備。目前已有多所高校在本科生的實驗教學中引入核磁共振譜儀[2-4]，培養學生使用大型科研儀器的能力。

以核磁共振譜儀為代表的大型儀器在人才培養中的作用日趨重要[5-9]。核磁共振原理相對來說比較復雜，學生在學習過程中對核磁共振原理的理解有一定困難。核磁共振現象是在實驗過程中發現的，實驗課程是學習核磁共振知識的有效方法。借助于波譜解析課程的教學改革項目，多所高校在關于核磁共振的教學上取得了一些效果[10-13]。還有高校意識到了綜合素質對人才培養的重要性，開設了綜合性的實驗課程，但這些課程彼此之間關聯性較弱，學生只是借助核磁共振譜儀完成了一項獨立的課題[14-17]。為了便于學生掌握使用核磁共振技術解析分子結構的技能，首都醫科大學藥學專業在人才培養中設置了兩種不同層次的課程供學生進行核磁共振譜儀等大型科研儀器設備的學習。本文將從課程的基本設置、具體實施、效果評價3 個方面探討核磁共振譜儀對藥學人才培養的意義。

1 層次遞進的課程設置

首都醫科大學藥學專業在人才培養中設置了藥物的波譜解析和藥學專業實驗課程。這兩門課程在層次上是遞進的關系，藥物的波譜解析為藥學專業課程，是學習核磁共振譜儀的基礎，在本科三年級的第一學期開展；藥學專業實驗課程為擴展性的應用課程，在本科四年級第一學期開展。

1.1 藥物的波譜解析

藥物的波譜解析是藥學專業的必修課程，與藥學相關的中藥或化學等專業也會開設此課程，其他開設這門課程的高等院校在教學活動中進行了各種教學改革，以提升教學效果[3,4]，首都醫科大學藥學院在總結并借鑒了各校優秀教學措施的基礎上，以各種藥物的分子結構為基礎，開設有藥學專業特色的波譜解析課程[10,13]。學生可以系統性的學習與分子結構相關的四大譜學知識，掌握解析分子結構的技能。課程分為理論和實驗兩部分，理論課和實驗課各占54 學時，其中由于核磁共振部分的理論相對復雜，在學時分配上有所倚重，占總學時的三分之一。實驗課程與理論課程緊密相連，學生在實驗課程中可以通過真實的上機測試圖譜，驗證理論課學習的內容。

1.2 藥學專業綜合實驗

藥學專業實驗是涵蓋藥物設計、合成、分析、評價等全流程的綜合性實驗課程，學生可以在這門課程中學習藥物臨床前研究的整個過程。整個實驗課程的流程設計按照新藥研發的步驟開展，學生需要在判定合成的化合物結構正確之后才可以進行分析以及評價部分的實驗。通過化合物結構鑒定的過程，學生進一步鞏固了核磁共振譜儀等大型分析儀器的操作，并且還掌握了圖譜分析的相關知識。

2 注重實操的課程實施方案

藥學是一門實驗性較強的學科，對于波譜解析這種理論知識點繁多且抽象，知識點關聯較少的課程，更需借助實驗課程來加深對理論課內容的學習。

2.1 多測多練，夯實學習基礎

在藥物的波譜解析課程中，實驗課程的設置與理論課程同步進行，每周均安排有實驗課程與理論課程相匹配，學生分成4 組，每組人數不超過10 人，分別進行紫外光譜、紅外光譜、核磁共振波譜及質譜的實驗，每組均安排專門的教師進行帶教實驗，這種小班教學的模式使得每個同學都有上機測試譜圖的機會，教師會詳細介紹儀器的原理和參數，學生可以根據教師的講解親自上機測試。提供給學生測試的樣品均為常用藥物的原料藥成分，在學習儀器操作技能的同時，還可以根據測試的藥物圖譜驗證理論課學習的知識點。

為了增強學習效果，在實驗時又將每組學生分為兩個小組，小組內的同學在上機測試時互相交流，可加深對儀器參數的理解；由于組內同學所測化合物的結構相近，在譜圖解析時互相討論，還可加深對知識點的理解。以氨基酸衍生物為例，在小組內分配化合物時，教師會選擇結構類似的纈氨酸和異亮氨酸的衍生物，以及苯丙氨酸和酪氨酸的衍生物進行配對結構分析，研究結構上的變化如何在譜圖上體現。如圖1 所示，左側為纈氨酸芐酯的氫譜，右側為異亮氨酸芐酯的氫譜，兩個化合物結構上的差異在于異亮氨酸比纈氨酸多了一個亞甲基，其余部分的結構類似，在異亮氨酸的氫譜中可以明顯看到在化學位移1.25 和1.41 處多了兩個積分面積為1的信號峰，且由于兩個化合物結構中甲基臨位結構上的差異，在纈氨酸的氫譜中，化學位移0.95 和0.92的兩個積分為3 的兩重峰均為甲基信號峰，而在異亮氨酸的結構中，化學位移0.88 處積分為3 的甲基信號為兩重峰，化學位移0.85 處積分為3 的甲基信號峰為三重峰。

圖1 纈氨酸和異亮氨酸的核磁共振氫譜（局部）圖

對于苯丙氨酸和酪氨酸來說，結構上的差異主要在結構中的苯環部分，從圖2 可以看出，左側酪氨酸芐酯的氫譜中，化學位移9.43 處的信號峰代表酚羥基的信號，同時在化學位移6.96 和6.68 處的兩個二重峰的耦合常數均為8Hz，積分面積均為2，這些均是明顯的苯環對位取代的信號峰，這些在右側的苯丙氨酸芐酯中均未觀察到。

圖2 酪氨酸芐酯和苯丙氨酸芐酯的核磁共振氫譜（局部）圖

通過以上簡單的兩個例子，同學們復習了理論課上學到的化學位移、耦合常數和積分面積3 個與氫譜相關的知識點。類似的結構相似化合物還有很多，學生在譜圖解析時通過彼此討論，互相比對，印證理論課上學到的知識點，這樣就能激發學習核磁共振相關知識的興趣，提升學習的效果。

2.2 自主上機，加強實際應用

為了讓學生對所學知識融會貫通并對藥物臨床前研究的所有環節有所了解，藥學院以自身的科研成果為基礎，設計了涵蓋藥物設計、合成、分析、評價等全流程的綜合性實驗課程[18]。在這個實驗課程中，學生需要從藥物設計的原理出發，根據計算機藥物輔助設計的計算結果，從氨基酸原料開始先導化合物的合成，并利用核磁共振、質譜、紅外光譜等設備對合成的目標產物進行鑒定，確定合成的結果正確之后再進行藥劑學方面的工作，制備納米脂質體，最后選擇合適的動物模型，對制備好的劑型進行生物活性評價。本課程在大四的第一學期開設，學生需要獨立完成全部實驗內容。在此之前，學生已經修完了藥物化學、藥物分析、藥劑學以及藥理學的專業課程，在完成實驗的過程中，學生會綜合用到學過的專業知識，核磁共振在這里是作為目標產物鑒定的主要工具，學生需要根據波譜解析課程中學習的知識，完成樣品制備、上機測試以及譜圖分析的全過程。

本實驗課程用到的化合物之一，是多肽和小分子藥物。作為北京市重點實驗室的科研成果，合成路線成熟，學生們只需按照實驗講義的操作步驟即可順利完成，但在處理完化學反應、完成純化之后需對反應產物進行鑒定，就必須要用到核磁共振譜儀才能實現。前期在波譜解析課程中已經學習過樣品的制備以及上機測試的內容，因此在這個綜合實驗課程中，教師只需從旁監督，協助學生即可完成實驗。本實驗的關鍵步驟是在最后一步的合環反應，合環前后的化合物的氫譜，見圖3。

圖3 方框中標出的化學位移1.39 和1.25 處，積分面積為3 的兩個單峰，對應分子結構中利用丙酮和兩個氮原子反應生成的五元環上連接的兩個甲基，由于五元環與左側的平面結構相連，連接的兩個甲基處于環的不同平面，造成了化學位移上的差異。此外，從氫譜上還可以觀察到更多的信息，如結構中的其他氫原子的信號，分別向低場和高場移動，需要對信號進行歸屬后再具體分析。在歸屬的過程中，僅依靠氫譜圖提供的信息并不能對信號進行完全的指認，比如處在飽和六元環上的兩個亞甲基上的氫原子，它們分別處在環上碳原子的平伏鍵和直立鍵，化學位移差異較大，對它們的精確歸屬需借助核磁共振二維譜的信息。這也能激發學生學習二維譜的興趣。

圖3 合環前的化合物與合環后的化合物的核磁共振氫譜（局部）圖

3 以靈活運用為目標的教學效果評價

將學到的知識靈活運用，是學習的最終目標。教學效果評價的方式分為3 個層面。第1 個層面是以習題為主要形式，除了如磁矩、磁化矢量、弛豫等原理性的知識點以外，對于其他關于實際應用的知識點，如化學環境如何影響化學位移，連接方式如何影響信號峰的裂分和耦合等內容，以應用為目標進行考核。除了期末考試之外，在學期中間也安排有階段性的考核，針對前期所講授的內容進行教學效果評價。階段性考核的形式以譜圖解析的練習題為主，在解析圖譜的過程中強化對知識點的理解并增強學生的解譜能力，注重對學習過程的考核，避免學生期末進行突擊式的復習而忽視對知識的運用，督促其將學習的精力放在日常的課業中。

效果評價的第2 個層面，是以小組協作的方式開展，在平時的實驗課程中，除了每個人自己測試并解析的圖譜以外，每個小組會分配一個固定的未知化合物進行圖譜測試，在4 次實驗課結束后，這個未知化合物的全套圖譜都將測試完成，最后1 次課程會以小組匯報演講的形式解析未知化合物的結構，小組成員需要分工協作并互相討論，確定化合物結構后再以演講的形式介紹團隊解析的結果。在這個過程中，小組內的每個成員都需要集思廣益，為本組分配的化合物結構解析獻言獻策，除了核磁共振提供的信息之外，還需要借助質譜、紅外等譜圖提供的信息進行確認。最終的展示環節也是對同學們演講能力的一個提升，切實踐行全方位培養藥學人才的育人理念。

效果評價的第3 個層面，是重點考察對知識的運用能力，依托于藥學專業實驗中對目標化合物鑒定的過程。由于此實驗的定位是需要每個同學獨立完成的綜合性實驗，實驗過程緊湊且連續，需要根據合成目標化合物鑒定的結果開展后續實驗，如果鑒定過程出現問題，勢必會影響后續分析及評價的實驗部分。核磁共振提供的信息對化合物的鑒定尤為重要，這就需要學生留意從樣品制備到上機測試以及最終獲取核磁共振譜圖的所有細節，任何一個環節出現問題均會影響最終的實驗結果。能夠獨立操作核磁共振譜儀進行譜圖采集并進行譜圖解析、鑒定合成的化合物，順利完成最終實驗的同學，也就完成了核磁共振相關知識運用能力的考核。

4 結語

藥物的波譜解析和藥學專業實驗課程，在課程設置的層次上逐步遞進，在教學內容的把控上將理論知識與上機操作置于同等重要的地位，在教學效果的評價上注重對學生知識運用能力的考核。藥學專業的本科生在學習藥物的波譜解析和藥學專業實驗課程后，對于核磁共振波譜儀等大型儀器均能夠熟練操作，初步具備了未知化合物結構解析的能力。核磁共振譜儀在藥學人才的培養中發揮了重要作用。