＊王郁敏 马兆玲 陈华 王红强

（广西师范大学化学与药学学院 广西 541004）

前言

《光学分析法》是部分高校化学学科分析化学专业研究生的专业必修课程之一，本课程是分析化学学科方法学的重要组成部分，课程内容包括X射线衍射分析（单晶衍射法和多晶衍射法）、拉曼（Raman）光谱（拉曼光谱法原理、激光拉曼光谱仪基本构造和拉曼光谱的应用）、电子显微分析（电子光学基础、电子与固体物质的相互作用、透射电子显微（Transmission Electron Microscopy，TEM）分析及扫描电子显微（Scanning Electron Microscopy，SEM）分析、核磁共振波谱（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）法（基本原理核磁共振波谱法、仪器及样品制备及NMR谱与分子结构）、圆二色光谱（基本原理、仪器结构及圆二色光谱应用）、电子能谱法（X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）、紫外光电子能谱及俄歇电子能谱）。

《光学分析法》所用讲义通常为高校自编讲义，授课学时为54个学时，该课程要求学生在本科阶段所学基础光学分析法的基础上，掌握目前国际上科研工作中所涉及的先进光学分析方法，理解和掌握光学分析方法的原理，了解仪器的结构和组成，掌握分析方法的应用，教师定期组织讨论以提升学生语言表达、分析质疑、合作学习的能力，达到能将所学知识应用于自己科学研究中的目的。

然而，《光学分析法》课程理论涉及大量的物理、计算机知识，要求学生有一定的物理基础，这增加了分析化学专业的学生学习本课程的难度。此外，本课程教学大多采用还是传统的“保姆式教学”与“填鸭式教育”，课堂教学枯燥生硬，致使学生在学习过程中对知识点的掌握不到位，似懂非懂，不得精要，也丧失了对课程学习的兴趣。然而，当今社会经济发展迅速和科技创新日新月异，培养具有创新意识、创新精神和创新能力的人才成了新时代的要求，显然，传统的教学模式已不能适应[1-3]。2021年，中央人才工作会议提出“更加重视科学精神、创新能力、批判性思维的培养培育”的创新型人才培养的明确要求，作为培养创新及应用型人才的摇篮，高校的职能自19世纪以来已悄然发生了变化，不再是单一的教书育人，高校教师在传授知识的同时也参与科学研究[4]。因此，以科研促进教学，将科研与教学紧密结合，以提高教学效果和教学质量，能有效地保障创新型人才培养的质量，也是时代发展、高校发展、教师发展和学生发展的需要。

根据《光学分析法》课程的特点，基于广西师范大学化学与药学学院大型仪器平台，让学生走近科研实践创新，旨在培养在分析化学学科具有扎实专业基础知识且能够独立从事科研、德智体全面发展的高层次专业人才。下文拟从教师教学中科研论文讲授、学生自主学习科研论文研读和科研课题研究及仪器实操三方面入手，以期促进学生掌握了光学分析多个知识点，同时提高学生的科研实践创新能力。

1.教师教学之美国化学会期刊Analytical Chemistry上近年科研论文中所用“光学分析法”

期刊Analytical Chemistry创刊于1947年，由美国化学会（American Chemical Society）出版，一直致力于发表分析化学及其交叉支学科具有新颖性及原创性的科研论文，是国际公认的分析化学领域顶级期刊和被引用最多的学术期刊。因此，选取近年在Analytical Chemistry发表且用到“光学分析法”的科研论文，可让学生更好了解“光学分析法”在前沿分析化学科学研究中的应用。以下两个实例是2016年和2022年发表在Analytical Chemistry上的两篇科研论文。

(1)拉曼光谱法在科学研究中的应用

1928年，印度物理学家拉曼在研究纯苯液体的光散射现象时，发现散射光中除了有与入射光频率相同的瑞利散射光外，还有与入射光频率不同且强度极弱的分子特征谱线—拉曼散射。从此，拉曼光谱学得以发展。由于拉曼散射效应非常弱，拉曼光谱技术在推广应用过程中受到了严重的限制。但当拉曼染料标记在基底表面时，拉曼信号大大增强，这种效应被称为“表面增强拉曼散射效应”。现今，表面增强拉曼光谱技术已在食品分析、环境分析、生化分析及生物医学领域中得到了广泛的应用。

在该科研论文中，研究人员开发了一种新型表面等离子体耦合增强拉曼纳米探针方法用于超灵敏、单步霍乱毒素的检测[5]。神经节苷脂是一种亲和力很强的天然糖脂，能与霍乱毒素选择性地结合。基于此特性，研究人员设计合成了一种等离子体纳米粒子，该纳米粒子以拉曼染料标记的金纳米粒子为核、以磷脂双分子层为外壳，磷脂双分子层的修饰不仅使等离子体纳米颗粒表面上能负载多个霍乱毒素分子，而且赋予了这些颗粒很好的稳定性。将神经节苷脂插入这些等离子体纳米颗粒表面使该纳米粒子表面具有多个霍乱毒素特异性结合位点。当霍乱毒素不存在时，由于纳米探针均匀分散在溶液中并无相互作用，纳米探针仅能产生微弱的等离子体耦合增强拉曼信号。然而，当加入霍乱毒素时，纳米探针能够特异性的识别霍乱毒素并组装成交联聚集体，组装诱导了纳米颗粒之间的强烈的局部等离子体耦合效应。与此同时，表面增强拉曼散射信号显著增强，从而可以用于霍乱毒素浓度的定量检测。

(2)圆二色光谱法在科学研究中的应用

圆二色光谱法可用于具有光学活性化合物的测定及物质（如有机化合物、纳米材料）绝对构型的研究，光学活性物质对组成平面偏振光的左旋和右旋圆偏振光的摩尔吸光系数（ε）是不相等的，即εL≠εR，具有圆二色性。两种摩尔吸光系数之差Δε（Δε=εL-εR）是随入射偏振光的波长变化而变化的。如果以不同波长的平面偏振光的波长λ为横坐标，以吸收系数之差Δε为纵坐标作图，得到的图谱即是圆二色光谱（Circular Dichroism，简称CD）。圆二色光谱目前应用最为广泛的是生物大分子如蛋白质、多肽及核酸的构型研究，测定具有快速、简单、灵敏准确的特点。

以下实例是2022年发表在Analytical Chemistry的一篇科研论文，该论文利用圆二色光谱法对核酸的结构进行了分析[6]。圆二色光谱法可用于具有光学活性化合物的测定及物质（如有机化合物、纳米材料）绝对构型的研究，应用最为广泛的是生物大分子如蛋白质、多肽及核酸的构型研究，测定具有快速、简单、灵敏准确的特点。在该科研论文中，作者基于级联核酸放大反应设计了一种新型的生物传感方法用于碱性磷酸酶（ALP）活性的检测，ALP能水解底物L-抗坏血酸-2-磷酸三钠盐（AAP）产生抗坏血酸（AA），AA将氧化氢氧化钴（CoOOH）纳米片还原成钴离子，钴离子特异性识别D1核酸探针中特定的核酸序列，并不断对与之互补杂交的核酸探针H1进行切割，进而释放出可以引发核酸探针H2和H3进行催化发夹自组装反应（CHA）的引发链序列，不断地生成H2和H3双链杂交产物H2-H3并暴露出H2被封闭的G4链序列。为了验证实验原理的可行性，作者分别对H2、H2+H3、D1+H1+H2+H3、ALP+AAP+CoOOH+D1+H1+H2+H3的圆二色光谱进行了扫描。实验结果证实H2探针溶液的圆二色吸收光谱在265nm和241nm处分别有强度很弱的正向吸收和负向吸收峰，当ALP不存在时，所测得H2+H3和D1+H1+H2+H3溶液与H2探针溶液的圆二色吸收光谱几乎一致，但当加入ALP时，溶液的圆二色吸收光谱在265nm和241nm处的正向吸收和负向吸收峰强度大大增强，表明G4链序列被释放并折叠成了G4链结构。通过这两个实例的讲解，学生可加深对拉曼光谱和圆二色光谱相关知识点的理解，也可以提高其综合实践能力。

2.学生自主学习之所在研究课题组已发表科研论文所用“光学分析法”

《光学分析法》所涉及的大部分大型仪器，学生在本科学习阶段并未接触。因此，学生在课堂上听取教师讲授“光学分析法”相关仪器构造及原理后，课后应及时安排对学生对课题组已发表的科研论文进行研读，选取科研论文中所用的《光学分析法》，并自行准备课件对《光学分析法》在科学研究中的应用进行讲解，再由教师点评。

功能纳米材料在当前分析化学领域中的应用最为广泛，纳米材料是指在三维空间中至少有一维属于纳米尺度范围或者由它们作为基本单元构成的材料总称。纳米材料包括零维纳米材料，如富勒烯、纳米粒子、量子点；一维纳米材料，如纳米线、纳米管；二维纳米材料如石墨烯纳米片、氮化碳纳米片等；三维纳米材料如石墨等。纳米材料不同于传统宏观材料，其具有独特的物理、化学性质，如优越的电子性能、高的比表面积、易于掺杂及修饰等。随着纳米技术的高速发展及其与分析化学的不断交叉融合，科研工作者已开发出了一系列功能化纳米材料，已在诸多领域如生物传感、药物输送和癌症治疗等得到了广泛的应用。其中，“光学分析法”课程中学习的电子显微分析技术则可对功能纳米材料的形貌、尺寸大小进行表征，以证实功能纳米材料的成功合成。如利用透射电子显微分析技术对零维功能纳米材料-碳量子点的表征[7]：以在真空条件下，电子束经高压加速后，投射到碳量子点表面，碳量子点组织构成成分的密度不同而发生相应的电子散射，因此投射到荧光屏上的电子少而呈暗像，在透射电镜电子照片上则呈黑色。

此外，利用扫描电子显微分析技术对二维功能纳米材料-CoOOH纳米片的表征[6]：在真空条件下，用极细的电子束在CoOOH纳米片表面扫描，激发CoOOH纳米片表面放出二次电子，将产生的二次电子用特制的探测器收集，形成电信号运送到显像管，随后在荧光屏上显示CoOOH纳米片的表面形貌。以上的调研、学习、讲解过程，让学生对所学知识点得到了巩固加深，同时也能大大激发学生学习该门课程的兴趣。

3.学生自主学习之“光学分析法”应用于课题研究及仪器操作

除了对课题组已发表的科研论文进行了解学习之外，学生在学习课程的同时可参与导师的科研项目，通过与导师商讨，确定科研课题，这样学生可从被动学习转换为主动学习，学会用《光学分析法》所学知识来解决科研课题中所遇到的问题。广西师范大学化学与药学学院大型科学仪器开放管理平台拥有非常齐全的大型设备，如核磁共振谱仪、X射线光电子能谱仪、X射线粉末衍射仪等。学生通过参与科研课题及仪器操作，可熟练掌握《光学分析法》的理论知识、仪器构造和仪器操作技能，在此过程中培养了学生的科学创新思维，并对科研产生极其浓厚的兴趣。此外，在指导学生的过程中，导师与学生的科研思想也能发生碰撞，激发并促进更好的科研成果的创新。以下是一个典型的实践案例：金属离子对金属纳米簇荧光猝灭机理研究。据文献报导，金属离子能够淬灭零价金属纳米簇的荧光[8]，但鲜有文献报导其荧光猝灭机理。

学生在进行该课题研究时，通过课堂所学知识可知，高分辨透射电镜可对物质晶体结构进行表征，获取晶体学参数，X射线光电子能谱仪是一种表面分析技术，可用来表征固体材料表面元素种类及其化学状态。因此，可选用高分辨透射电镜、X射线光电子能谱仪对零价金属纳米簇在加入金属离子前后的晶格条纹和金属元素的价态进行分析。如果金属纳米簇的晶格条纹和金属元素的价态在加入金属离子后发生变化，则表明金属纳米簇在加入金属离子后，化学性质已经发生改变。反之，金属纳米簇的化学性质在加入金属离子后仍保持不变，金属离子导致金属纳米簇荧光信号的淬灭可能来源于金属离子诱导金属纳米簇聚集或光诱导电子转移等。

学生在以上科研课题的实践过程中，学会了针对不同问题，选用不同的分析方法，也准确掌握了高分辨透射电镜和X射线光电子能谱仪仪器构造及使用原理等，同时提高了对所学知识灵活运用的能力。

4.结论

《光学分析法》是部分高校面向分析化学专业研究生的一门重要的基础专业必修课程，也是是众多分析方法的重要组成部分，其涵盖化学、物理、计算机等多个学科知识，在分析化学专业及其他专业如无机化学、有机化学等的科学研究中具有极强的实用性。因此，结合当前前沿的分析化学科学研究，利用学校完善的大型仪器预约平台，让学生接触和实操大型科研仪器，为学生提供对应的科研训练，既能丰富《光学分析法》教学内容，也能改善传统的生硬的“填鸭式”课堂教学方式，使学生掌握扎实面广的分析化学基础理论和系统深入的专业知识，提高他们的创新思维和动手能力，达到国家和学校对科研型人才培养的素质要求，使其具有独立从事科学研究或独立担负专门技术工作的能力，为将来在分析化学研究领域内取得创造性成果打下坚实的基础。