紫外光谱法本科毕业论文

仪器分析实验课程教学探讨论文

摘要: 分析仪器分析实验课程教学中存在的问题，探讨辅助教学手段在仪器分析实验教学中的运用，提出将仿真技术引入教学、合理运用微课、建设网络教学平台等对策。

关键词: 仪器分析实验;辅助教学手段;课程教学

仪器分析实验课程是化学类及相关专业开设的主要基础课程之一，课程内容主要包括电化学分析法、紫外可见吸收光谱法、红外吸收光谱法、色谱法、原子吸收光谱法、荧光光谱法等模块。通过这门课程的学习，学生可以加深对有关仪器分析方法基本原理的理解，掌握仪器的基本结构及使用方法，合理选择实验条件，正确处理实验数据和表达实验结果，为后续课程的学习及未来职业岗位的胜任奠定一定基础。

1仪器分析实验教学存在的主要问题

1．1硬件资源不足，学生缺乏实操训练

仪器分析实验所用大型仪器每台价格少则几千元，多则几万元，甚至几十万元。许多院校受到资金和场地的限制，无法配置课程所需的全部设备，或者仅有1～2台面向全体师生。因此，硬件资源的不足，导致仪器分析实验教学不能像基础实验那样，采用独立操作的方式，让每位学生都参与实验，只能靠教师演示或让学生做些辅助性的操作来完成教学任务。例如:在红外光谱实验中，学生可以进行的操作大多是固体样品的压片;在液相色谱实验中，学生的主要任务是配置溶液、用超声除去气体、用微孔滤膜过滤等。而仪器参数的设置、进样等涉及仪器操作的部分大多由教师演示，学生则少有动手操作仪器的机会。

1．2精密仪器的特殊性使学生使用受到限制

精密仪器的操作技术要求高，使用人员只有在熟悉仪器性能和熟练掌握操作规程的前提下，才能进行实际操作。一旦使用不当，不仅会造成仪器损坏，而且相对高昂的维护费用和相对较长的维护时间会给日常教学带来严重影响。因此，在仪器分析实验教学中，通常采用大循环方式组织教学。大多数任课教师为了保证设备处于良好的运行状态，避免或减少故障的发生，在课上只是亲自演示，不允许学生随意开启、关闭仪器，随意旋转仪器按钮，随意改变仪器工作参数。在这种情况下，学生只能走马观花地看演示，达不到理想的学习效果。

1．3注重培养操作能力，忽视介绍内部结构

仪器分析实验的教学目标为掌握实验原理，了解仪器构造、各部分功能，以及仪器的使用、维护和保养。多数学校在现有条件下，收获较为理想的教学效果也只是学生能在课程结束后掌握机械操作仪器的方法，而学生对仪器的内部结构和原理却了解甚少，也不懂常规维护和保养，能力自然不能得到充分锻炼。这对日后工作帮助显然不够，难以满足职业教育技能型人才培养的实际需求。

1．4辅助教学手段针对性不强

随着信息化时代的来临，在硬件资源不足的情况下，教师可以借助互联网上的教学视频来进行辅助教学，对学生掌握实验原理、仪器构造也能起到一定效果。但由于仪器设备型号不同，软件、硬件操作规程差别较大，学生观看互联网上的视频后，面对本校的实验设备可能还是无从下手。例如:利用百度搜索到的紫外可见分光光度计的教学视频多为721、722、752、UV756MC型号;气相色谱仪教学视频主要是GC120M、AGILENT6890N型;而液相色谱仪、原子吸收分光光度计、原子荧光光度计、气质联用仪等仪器的网络教学资源十分有限。针对以上问题，根据实际条件，选择、开发适合本校的辅助教学手段，用来弥补教学资源的不足，不失为一条可行之路。

2辅助教学手段在仪器分析实验教学中的运用

2．1将仿真技术引入教学

分析仪器仿真技术是利用计算机技术、网络技术、仿真技术和信息技术，在计算机上建立一套与真实分析仪器完全相同的虚拟分析系统［1］。它能够借助图像、动画来描述设备的特性，显示实体的真实动作，模仿真实操作过程。国内大型分析仪器仿真技术现已成熟，以由北京东方仿真软件技术有限公司开发的大型分析仪器仿真操作系统系列软件为例，它涵盖紫外分光计、红外分光计、气相色谱装置、原子吸收光谱、高效液相色谱、色质联用分析仪仿真等内容。该系统采用计算机虚拟仿真技术进行开发。软件具备机理模型，虚拟场景逼真度高，且以真实实验数据库作为支撑，能够自动模拟相应的实验现象，得到与真实实验相似的实验结果。操作方式灵活真实，仿真操作过程与真实仪器操作过程极其相似。学生可以通过仿真技术在计算机上建立的虚拟实验操作平台，完成对昂贵分析仪器设备的模拟操作，就如同在真实的分析仪器上操作。它不仅能够满足日常训练、常规考核以及技能大赛等需求，也为剖析仪器的内部结构、原理提供极大方便。仿真实训室的建立可利用校内现有计算机机房进行扩充，购买相应操作软件。这与添置设备相比，仿真技术投入少、消耗低、使用周期长、维护方便。大型分析仪器仿真软件的引入，与传统的教学方式相比，不仅能满足设备数量与学生数量之间巨大差距的矛盾，弥补办学硬件资源的不足，还可对设备的内部结构、实验原理等相关知识进行形象剖析和立体化讲解。仿真仪器的反复操作不仅不会增加实验成本，遇到操作不当、参数设置不正确时，也不会损坏仪器、出现安全问题，能够帮助学生尽快、全面掌握仪器设备的操作技能。

2．2合理运用微课

针对仪器分析实验硬件资源不足的问题，如何把有限的实训资源整合到传统教学环境里来，使其最大限度地发挥作用，需要教师认真对待。从技术角度来看，微课这种灵活、主题突出的新型教学模式就是一个有效的方法。微课是以教学视频为主要载体，反映教师在教学活动过程中针对某个知识点或教学环节开展教与学的各种教学资源有机组合。开发仪器分析实验相关微课，借助网络与视频技术，通过视频、图片、PPT等形式，可形象直观地将实训项目操作技能视觉化，供学生反复观看，更有利于学生理解与掌握专业技能［2］。它还能将课堂教学延伸到课外，学生能够在课前、课后利用电子设备浏览实训课教学内容，有针对性地学习。教学视频是微课的'核心组成部分，时长一般在5～8分钟，主题突出，经过后期制作的视频及配套辅助资源的总容量一般为几十兆字节，视频格式须是支持网络在线播放的流媒体格式(如rm，wmv，flv)等［3］。仪器分析实验的微课制作可采用“录像法”，把仪器部件、旋钮、操作方法、实训内容完整地展现出来。如对红外光谱实验中固体样品的压片过程、分光光度计的使用，均可全程录制。而对于大型设备，如气相色谱、高效液相色谱、原子吸收分光光度计等，一次完整的实验耗时较长，微课的制作可按动作节点把操作步骤碎片化成不同单元，针对碎片化后的知识点进行录制。步骤要连贯，不能轻易跳过。视频的后期制作中，加入关键词，以字幕的形式补充其不宜讲清楚的部分。以G5气相色谱仪的操作为例，可碎片化成以下几部分录制:一是仪器构造，主要介绍气路控制系统、仪器控制面板、进样器、色谱柱箱、检测器(包括控制电路)等;二是开机方法，介绍开机操作顺序及载气流量的调节;三是样品测定，主要介绍主菜单功能，设置温度、桥电流的方法，由于升温时间较长，过程省略;四是取样进样的操作;五是关机方法，介绍怎样返回至主菜单，设置桥电流，怎样关恒流源降温，最后关主机;六是软件操作部分，可使用“Camtasia”录屏软件，将软件操作过程完整录制下来。仪器操作的录制过程，既要有设备的整体画面，又要注重细节，让学生能够在整套设备中准确找到相关按键或旋钮，同时又能看清操作方法。

2．3建设网络教学平台

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》中提出，要“加强网络教学资源体系建设，开发网络学习课程，创新网络教学模式”。网络教学平台是实现教育教学方法创新，促进优质教育资源普及共享的重要途径和基础保障［4］。网络教学支持平台是指建立在互联网的基础之上，为网络教学提供全面支持服务的软件系统的总称，包括支持网络教学的硬件设施和支持网络教学的软件系统。网络教学平台主要有点播式教学平台和互动式网络教学平台。点播式教学平台能够实现教学资源的快速传递，学生可以随时点播音频、视频课件，查阅电子教案等教学内容。而互动式教学平台可使师生通过网络进行交流，教师也可利用教学平台对学生的学习情况进行跟踪，并根据学生的学习情况有选择性地发布课程内容。网络教学平台建设包括硬件建设和软件建设。硬件设施主要有全方位的校园宽带网、功能完善的网络多媒体教室、服务器、多媒体教学材料和软件的存储设备。软件方面主要是教学系统平台。教师可将仪器分析课程的课件、教案、专业资料、仪器使用的微课程上传至平台，供学生自主学习。学生可先通过网络平台观看仪器操作的微课程，熟悉仪器结构和操作要领，然后上机操作，这使得教学更具有针对性。目前国内许多院校或公司研制和开发了适合自身需要的网络教学平台产品，如北京师范大学研制的Vcalss、上海交通大学的Answer教学系统平台，都可以引进使用。

2．4其他辅助手段的使用

根据仪器分析实验课程的特点，教师也可选择简单易行的辅助手段，如:制作大型仪器操作流程图，并将其打印、压膜塑封后放在仪器旁边，学生在使用之前需仔细阅读，按照说明进行操作;针对现在高校大学生几乎都有智能手机的现状，在没有网络教学平台的情况下，教师也可将微课、视频通过微信发送给学生;也可通过易企秀软件，生成二维码，学生通过扫描二维码的方式在课后观看相关教学视频进行自学等。

3结束语

仪器分析实验课程是一门实践性很强的课程，对分析仪器的需求较高。在教学资源有限的情况下，我们应当积极探索辅助教学手段的运用，帮助学生深入、直观地理解和掌握所学知识，提高动手能力和独立操作能力，为学生独立调试、使用仪器打下良好基础，从而达到提高教学质量的目的。

作者:柳意 单位:锦州师范高等专科学校

参考文献:

［1］田文德，丁辉，姚飞．分析仪器的计算机仿真［J］．现代科学仪器，2001(3):41－49．

［2］胡海星，张春霞，张春燕．微课在高职实训教学中的应用研究［J］．长沙大学学报，2015(3):125－126．

［3］柳意．微课在环境工程技术专业实训中的应用［J］．哈尔滨职业技术学院学报，2016(2):42－44．

［4］徐旭松．ActRes互动式网络教学平台的开发与应用［J］．江苏理工学院学报，2015(4):82－86．

利用紫外光谱可以推导有机化合物的分子骨架中是否含有共轭结构体系，如C=C－C=C、C=C－C=O、苯环等。利用紫外光谱鉴定有机化合物远不如利用红外光谱有效，因为很多化合物在紫外没有吸收或者只有微弱的吸收，并且紫外光谱一般比较简单，特征性不强。利用紫外光谱可以用来检验一些具有大的共轭体系或发色官能团的化合物，可以作为其他鉴定方法的补充。（1）如果一个化合物在紫外区是透明的，则说明分子中不存在共轭体系，不含有醛基、酮基或溴和碘。可能是脂肪族碳氢化合物、胺、腈、醇等不含双键或环状共轭体系的化合物。（2）如果在210～250nm有强吸收，表示有K吸收带，则可能含有两个双键的共轭体系，如共轭二烯或α，β-不饱和酮等。同样在260，300，330nm处有高强度K吸收带，在表示有三个、四个和五个共轭体系存在。（3）如果在260～300nm有中强吸收（ε=200～1 000），则表示有B带吸收，体系中可能有苯环存在。如果苯环上有共轭的生色基团存在时，则ε可以大于10 000。（4）如果在250～300nm有弱吸收带（R吸收带），则可能含有简单的非共轭并含有n电子的生色基团，如羰基等。 朗伯-比尔定律是紫外-可见吸收光谱法进行定量分析的理论基础，它的数学表达式为: A = ε b c

药物分析（习惯上称为药品检验）是运用化学的、物理学的、生物学的以及微生物学的方法和技术来研究化学结构已经明确的合成药物或天然药物及其制剂质量的一门学科。它包括药物成品的化学检验，药物生产过程的质量控制，药物贮存过程的质量考察，临床药物分析，体内药物分析等等。药物分析是分析化学中的一个重要分支, 它随着药物化学的发展逐渐成为分析化学中相对独立的一门学科, 在药物的质量控制、新药研究、药物代谢、手性药物分析等方面均有广泛应用。随着生命科学、环境科学、新材料科学的发展, 生物学、信息科学、计算机技术的引入, 分析化学迅猛发展并已经进入分析科学这一崭新的领域, 药物分析也正发挥着越来越重要的作用, 在科研、生产和生活中无处不在, 尤其在新药研发以及药品生产等方面扮演着重要的角色。药品检验工作的基本程序：一、取样二、性状观测三、鉴别四、检查五、含量测定六、检验记录与报告常用的药物仪器分析方法： [色谱法] 离子交换法 超临界流体色谱法 毛细管色谱法 薄层色谱/扫描法 凝胶色谱法 多维色谱 [光谱法] 紫外可见分光光度法 原子吸收光谱法 荧光分光光度法 红外光谱法 近红外光谱 [其它] 生物芯片技术 体内药物分析 体外分析

§8—2 紫外和可见吸收光谱一,紫外光谱及其产生1,紫外光谱的产生物质分子吸收一定波长的紫外光时,电子发生跃迁所产生的吸收光谱称为紫外光谱.一般的紫外光谱仪是用来研究近紫外区吸收的.2,电子跃迁的类型与电子吸收光谱(紫外光谱)有关的电子跃迁,在有机化合物中有三种类型,即σ电子,π电子和未成键的n电子.电子跃迁的类型与能量关系见图8-2.电子跃迁类型,吸收能量波长范围,与有机物关系如下:可以看出,电子跃迁前后两个能级的能量差值ΔE越大,跃迁所需要的能量也越大,吸收光波的波长就越短.二,朗勃特—比尔定律和紫外光谱图1,Lambert-Beer定律当我们把一束单色光(I0)照射溶液时,一部分光(I)通过溶液,而另一部分光被溶液吸收了.这种吸收是与溶液中物质的浓度和液层的厚度成正比,这就是朗勃特—比尔定律.用数学式表式为::吸光度(吸收度);c:溶液的摩尔浓度(mol/L)L:液层的厚度;E:吸收系数(消光系数)若化合物的相对分子量已知,则用摩尔消光系数ε=E×M来表示吸收强度,上式可写成:2,紫外光谱的表示方法应用紫外光谱仪,使紫外光依次照射一定浓度的样品溶液,分别测得消光系数E或ε.以摩尔消光系数ε或Iogε为纵坐标.以波长(单位nm)为横坐标作图得紫外光谱吸收曲线,即紫外光谱图.如下图:在一般文献中,有机物的紫外吸收光谱的数据,多报导最大吸收峰的波长位置λmax 及摩尔消光系数ε.如:丙酮在环己烷溶液中的UV光谱数据为 对甲基苯乙酮的UV光谱数据为一般 ε> 5000为强吸收= 2000~5000为中吸收< 2000为弱吸收在紫外光谱图中常常见到有R,K,B,E等字样,这是表示不同的吸收带,分别称为R吸收带,K吸收带,B吸收带和E吸收带.R吸收带为 跃迁引起的吸收带,其特点是吸收强度弱.εmax 10000.共轭双键增加,λmax向长波方向移动,εmax也随之增加.B吸收带为苯的 跃迁引起的特征吸收带,为一宽峰,其波长在230~270nm之间,中心再254nm,ε约为204左右.E吸收带为把苯环看成乙烯键和共轭乙烯键 跃迁引起的吸收带.三,紫外光谱与有机化合物分子结构的关系一般紫外光谱是指200~400nm的近紫外区,只有π—π*及π π* 跃迁才有实际意义,即紫外光谱适用于分子中具有不饱和结构,特别是共轭结构的化合物.1,孤立重键的 跃迁发生在远紫外区如: λmax =162 εmax = 15000λmax =190 εmax = 18602,形成共轭结构或共轭链增长时,吸收向长波方向移动——即红移 见P192表8-1.例如:3,在π键上引入助色基(能与π键形成P-π共轭体系,使化合物颜色加深的基团)后,吸收带向红移动.例如:一些简单有机分子的紫外光谱见P193表8-2.四, 紫外光谱的应用1,杂质的检验紫外光谱灵敏度很高,容易检验出化合物中所含的微量杂质.例如,检查无醛乙醇中醛的限量,可在270~290nm范围内测其吸光度,如无醛存在,则没有吸收.2,结构分析根据化合物在近紫外区吸收带的位置,大致估计可能存在的官能团结构. 1)如小于200nm无吸收,则可能为饱和化合物.2)在200~400nm无吸收峰,大致可判定分子中无共轭双键.3)在200~400nm有吸收,则可能有苯环,共轭双键, 等.4)在250~300nm有中强吸收是苯环的特征.5)在260~300nm有强吸收,表示有3—5个共轭双键,如果化合物有颜色,则含五个以上的双键.3,分析确定或鉴定可能的结构1)鉴别单烯烃与共轭烯烃2)测定化合物的结构(辅助)有一化合物的分子式为C4H6O,其构造式可能有三十多种,如测得紫外光谱数据λmax =230nm (εmax > 5000),则可推测其结构必含有共轭体系,可把异构体范围缩小到共轭醛或共轭酮:至于究竟是哪一种,需要进一步用红外和核磁共振谱来测定.--------------------------------------------紫外—可见分光光度分析法一、基本要求掌握：本章要求掌握分光光度法的特点、基本原理、测定方法及计算方法；分子吸收光谱与电子跃迁类型，物质对光的选择吸收与吸收光谱曲线，摩尔吸收系数与吸收系数，吸光度与透光度，偏离朗伯-比尔定律的原因；掌握显色反应条件及光度测量条件的选择；掌握紫外—可见分光光度计的主要部件，各部件的作用及仪器原理，主要类型及特点；掌握差示分光光度法的原理、特点。理解：物质分子结构与紫外吸收光谱的关系，吸收波长位移与分子结构变化的关系；紫外—可见分光光度定量分析影响结果准确度的各种因素。了解：了解紫外—可见分光光度法测定灵敏度和选择性的途径；双波长分光光度法等其它分光光度法定量测定的方法；紫外—可见分光光度法在有机化合物的结构解析方面的作用及在其他方面的应用。二、基本概念与重点内容A概述1．紫外—可见分光光度法的特点灵敏度与准确度较高；选择性较好；设备简单、操作简便。2．分光光度法的发展过程目视比色法光电比色法分光光度法3．分子的紫外—可见吸收光谱分子的紫外—可见吸收光谱是基于物质分子吸收紫外辐射或可见光，其外层电子跃迁而成，又称分子的电子跃迁光谱。紫外—可见分光光度法是基于物质分子的紫外—可见吸收光谱而建立的一种定性、定量分析方法。4．光的基本性质5．物质对光的吸收及吸收光谱6．紫外—可见吸收光谱与电子跃迁类型7．生色团与助色团B光的吸收定律1．光吸收的基本定律（朗伯-比尔定律）2．吸光度与透光率、百分透光率之间的关系3．工作曲线的绘制与应用4．吸光系数、摩尔吸光系数和桑德尔灵敏度5．偏离朗伯-比尔定律的因素C紫外-可见分光光度计1．分光光度计的主要部件2．在紫外和可见光区进行测量时，分别选择何种光源3．单色器的主要元件光栅；棱镜4．分光光度计中的检测器类型早期：光电池；光电管；光电倍增管。5．紫外-可见分光光度计的类型及特点D显色测定试样的制备和光度测定条件的选择、1．显色反应及其影响因素2．测定读数误差和测定条件的选择5．入射波长的选择E分光光度定量测定方法与其他应用1．单组分的测定通常采用A-C标准曲线法定量测定。2.多组分的同时测定3．紫外可见吸收光谱在有机化合物结构解析中的作用了解共轭程度、空间效应、氢键等；可对饱和与不饱和化合物、异构体及构象进行判别。在有机化合物结构解析中，紫外可见吸收光谱没有红外吸收光谱提供的结构信息多。4．紫外—可见吸收光谱中有机物发色体系信息分析的一般规律--------------------------------------------3-1 紫外和可见光谱仪紫外和可见光谱仪的主要组成部分紫外及可见光谱仪的类型3-2 影响紫外光谱的因素紫外光谱吸收带的分类测试条件对紫外及可见吸收谱带的影响;3-3 有机化合物的紫外光谱 共轭烯烃的紫外吸收 共轭烯酮的紫外吸收 芳香化合物的紫外吸收 杂环化合物的紫外吸收3-4 无机化合物的紫外光谱电荷转移吸收带配位体场吸收带3-5 紫外-可见光谱的应用荧光光谱