药学结构分析论文

摘要：质谱技术是抗体药物分析最重要的技术手段之一。本文简述了抗体药物的发展和质谱技术的原理。对于质谱技术在抗体药物的分析中应用进行了归类整理，主要分为在一级结构和高级结构分析中的应用。今天小编为大家推荐《药学结构分析论文 (精选3篇)》，仅供参考，大家一起来看看吧。

药学结构分析论文 篇1：

Bruker D8 Venture型X—射线单晶衍射仪使用及维护

摘要：随着X-射线单晶结构分析的理论和实验技术手段的发展，X-射线单晶衍射仪广泛应用于化学、材料学、物理学、地质、环境、纳米材料、生物以及药学等领域。由于仪器本身价值及维修费用比较昂贵，科学使用、细致维护，对于确保仪器整体性能和运行质量以及降低维护成本等非常重要。本文根据作者近年来在D8 Venture型X-射线单晶衍射仪的管理使用和维护工作中的实际经验，对其在使用与维护方面需要注意的关键问题进行探讨。

关键词：X-射线单晶衍射仪;使用;维护

一、引言

衍射现象是指当光波遇到和其波长相差不多的障碍物后会偏离几何光学中直线传播定律的现象。在晶体中原子、分子及离子在空间周期性地排列，且排列间距与X-射线的波长处于同一量级，这个周期排列的原子结构可以成为X-射线衍射的“衍射光栅”，X-射线通过三维方向的“衍射光栅”，会在特定位置形成一个个亮斑，即衍射花样。自1912年劳埃(Laue)发现晶体的这一X-射线衍射效应后，为研究物质的内部构造提供了非常有利的条件。利用单晶对X-射线的衍射效应，反演测定物质内部构造，很快发展为一种分析手段即X-射线单晶结构分析技术。X-射线单晶结构分析为我们积累了大量键长、键角、构型、构象等十分有用的结构化学数据，随着X-射线单晶结构分析的理论和实验技术手段的发展，它在化学、材料学、物理学、地质、环境、纳米材料、生物以及药学等领域中已得到越来越广泛的应用。

笔者长期从事X-射线单晶衍射仪管理及X-射线单晶分析工作，本文将以所管理的Bruker D8 Venture型X-射线单晶衍射仪为例，与广大同行详细探讨X-射线单晶衍射的各个组成部件及使用时应注意的问题。

二、单晶衍射仪系统组成

D8 Venture型X-射线单晶衍射仪是德国Bruker公司研发的一款较新X射线单晶衍射仪，整个系统主要由旋转靶头、高压发生器、测角仪、探测器、控制/数据处理系统、水冷机及稳压电源几大部分组成。其中旋转靶头、高压发生器、测角仪、探测器和计算机工作站是衍射仪系统的主要核心部件，水冷机、稳压电源、空调、抽湿机等是不可缺少的辅助设备。另外，为测试低温环境下的晶体数据，为该仪器配备了一套由英国Oxford Cryosystems公司研发的Ni-Helix氦气超低温系统，该系统由压缩机、氮气发生器、控制器、低温喷头及水冷机组成。

三、单晶衍射仪的使用

1.准备与开机。在开启单晶衍射仪之前，首先启动仪器循环冷却系统，确保循环水制冷、循环功能正常工作，水压介于3.5—4Mpa之间。打开仪器侧面的总电源旋钮开关，然后开启仪器的开机开关，仪器开始进行自检，各部件依次运行。待仪器自检结束后，开动X-RAY ON开关，仪器左上角工作栏中出现灯丝标记，再次按下后，X-RAY指示灯亮，X-RAY正常启动。等待大约2小时的灯丝老化程序后，仪器电压和电流分别稳定在50kV和50mA条件下。此时，开启仪器工作电脑，依次开启Measurement Server和BIS Server软件，按照软件提示，完成仪器状态的初始化工作。

2.开启低温设备。打开低温设备循环冷却系统，确保循环水制冷、循环功能正常工作，水压介于3.5—4Mpa之间。开启液氮喷射腔真空泵。轻触氮气发生器前面板，打开氮气发生器电源，启动设备，注意此过程可能持续3—5分钟，开启过程中不要切断电源，尤其是在往内存卡中写入数据的过程中若切断电源极易损坏仪器内部SD内存卡。氮气发生器运行稳定后，打开温控设备开关电源，按下PROGRAM按钮，旋转右侧旋钮，设置合适的降温速率和目标温度，按下Start按钮，此时低温压缩机开始启动工作。待温度降至预设温度后，开始下一步实验。

3.上样和对心。打开桌面的APEX3软件，新建一个样品数据存储路径或者直接打开既有的样品数据存储路径。此时应保证X-ray工作电压为50kV，工作電流50mA，CMOS温度为-15℃。将APEX3软件调至Set Up-Center Crystal对心视频窗口，点击软件右侧Mount按钮，使探测器远离载晶台。挑选大小合适的晶体，粘在载晶工具上，打开仪器舱门，将载晶工具固定于载晶台上。关闭仪器舱门，点击窗口右侧Right按钮，使探测器靠近载晶台。再次打开仪器舱门，用载晶座调节工具，调整晶体的垂直和水平位置，使晶体位于LCD监视器中心位置，关闭仪器舱门。

晶体在安置之前，最好观察晶体是否稳定，简单的方法是挑出一个晶体，在空气中暴露若干小时，再观察它是否风化或分解。如果遇到不太稳定的晶体，尽量不暴露在空气中，应快速挑选与安置，最好将晶体密封在玻璃管中在低温条件下(110K左右)测试。品质好的晶体，应该是透明，没有裂痕，表面干净、有光泽。如果晶体由两个或多个微晶组成，就不能用收集衍射数据。在一些情况下，可以用解剖刀(或刮胡子刀片、注射器针头等)小心切除附在较大晶体上的小晶体，往往也可以解决问题。有时候，还需要将晶体切出合适的形状和大小。一般情况下，为避免晶体从不同角度收集数据的过程中因为形状导致的对X射线吸收的差异，尽量选择在三个方向尺寸相近的晶体，故在形状的选择上优先顺序为：球形→立方体→棱柱→片状→针状。原则上，在测试时整颗晶体都必须“沐浴”在X光束里，因为晶体大于X光束同样会造成吸收等方面的明显误差。同时晶体越小，晶体中的缺陷就少，质量就高。根据经验，本仪器所测试的晶体合适尺寸范围是：纯有机物为0.1—0.2mm，金属配合物和金属有机化合物为0.05—0.1 mm，而对于含有镧系、锕系等重金属元素的晶体最小尺寸可以低至0.01mm。

4.晶胞确定。打开Evaluate-Datemine Unit Cell窗口，点击右侧Collect按钮，打开扫参设置选项，选择合适的曝光时间，点击右下角Collect按钮，开始扫参收集衍射花样。等待3轮共36帧衍射花样收集结束后，根据衍射点曝光强度选择合适的信噪比(通常情况下无需更改默认参数，如果收集到的衍射点较弱，需要降低信噪比)，点击Harvest按钮，采集衍射点数据，为了定出更准确的晶胞参数，确保收集到的衍射点数目在500—1000个，最少要在100个以上，衍射点太少晶胞参数的可信度就会降低。点击Index，得到初始的晶胞参数。选择Bravais晶格类型，软件上从上到下对称性依次降低，吻合的晶格类型以绿色显示。这一步显示的Bravais晶格类型是由扫参的数据确定的，而真实的Bravais晶格类型由晶体结构的对称性确定的。因而在一些情况下，此处并不完全正确。Refine操作后，确定晶胞参数。

5.计算收集策略。点击Collect-Calculate Strategy，设置Resolution为0.77，点击Determine Strategy，程序会以单胞确定过程中所收集的衍射点情况给出探测器的距离，也可以视晶轴的大小自行设定。点击OK，程序会依据给定的参数，自动计算出最有效的晶体数据收集策略，完整度、分辨率及时间之间的关系以图表形式显示出来。然后点击Select scan parameters设置合适的帧角度和曝光时间。设置结束后点击OK，完成策略计算。

晶轴越长，在衍射花样中所显示的衍射点就越密集。因此，测试的晶体晶轴越长，需要将探测器的距离设置越远，从而保证衍射点分离开，但探测器的距离越长，在衍射花样中采集到的衍射点范围越小，为保证数据的完整度，计算策略中采集的轮数就会增加。在帧角度和曝光时间设置的过程中，程序会根据衍射点的情况给出避免衍射点重叠的帧角度最大值，一般在0.3°—2.0°之间，通常情况设置为0.5°。曝光时间是根据在确定单胞时衍射点的情况来计算的，此处给出的是粗略值，需要根据自己的判断设置。

6.数据收集。点击Run Experiment，在Setup Up Experiment窗口下，点击Append Strategy导入根据预实验确定的数据收集策略，点击Execute，开始数据收集。在数据收集环节，一般是采用预实验确定的收集策略收集数据，也可以根据对称性直接导入事先编辑好的半球(三斜晶系)、1/4球(单斜)或1/8(正交)策略进行数据的采集。在这一界面下，可根据需要灵活调整曝光时间，加入Crystal Video、generator等选项，从而进行测试过程中晶体录像、控制测试电压电流等。此外，在Exposure中通常选择Shutterless模式。

7.数据还原。在APEX 3程序中打开Reduce Data-Integrate Images界面，点击Find Runs导入数据，分辨率设为0.77■，点击Start Integration开始数据还原。点击Scale，在右侧Base栏中检查所默认的文件是否正确，若不是默认的*0m.raw文件，可通过右侧按钮重新选择。点击Next，选择合适的Absorption Type等参数，点击Refine，确认R-Values收敛，Mean Weight值升高至收敛。点击Next，查看Rint值，点击Finish，完成吸收校正。至此，在work文件夹中便会产生解析所需要的所有文件。

在数据还原时，界面跳转到积分反馈图表界面，注意左上角的CC值，如果过低，比如在0.2左右，则表明晶胞矩阵有严重问题，应当终止积分，查看问题。在吸收校正结束后，查看每一轮数据的Rint值，如果某一轮数据的Rint值特别大，则去除这一轮数据，点击Repeat Parameter Refinement重新进行。

四、X-射线单晶衍射仪各部件的维护

1.转靶的维护。与固定靶X光管不同，该设备采用微焦斑转靶模式，电子流在强电场力的作用下，高速撞击钼靶，产生超强的X-射线。与此对应的，所产生的热量也是极其大的。靶头通过高速旋转使得电子流所撞击的位置被分散开来，热量也被分散。最后通过旋转靶头内部的循环冷却水将热量转移出去。在高速旋转下，用于密封靶头内部循环水的水封会随着运行时间的增加逐渐老化，最终失去密封作用，从而在轴承处出现漏水现象。根据经验，一个水封使用寿命在2000个小时左右，为保证仪器正常运行，在使用时长达1500小时后，进行水封更换为宜。

高速旋转的靶头中另一个易损部件是碳刷。碳刷是整个X-光管的固定部分(固定轴)和转动部分(转靶)之间传递能量的装置，它是由纯碳加凝固剂制成，外型是方块，卡在金属支架上，里面有弹簧把它紧压在转轴上，靶头转动的时候，将电能通过换相器输送给线圈，由于其主要成分是碳，称为碳刷，它是易磨损的。应定期维护更换，并清理积碳。当碳刷出现以下几种情况时应进行更换：(1)损坏严重;(2)碳刷与滑环接触面不足70%;(3)磨损严重(不足原长的1/3)。

2.水冷系统的维护。X-射线单晶衍射仪较易出现故障的地方是循环水冷系统，循环水系统维护主要检查管路及水冷机水箱是否漏水，过滤器滤芯使用状况以及室外风机运行状况等。室外风机运行时间久了，散热片之间极易积累灰塵，造成水冷系统室外机过热保护停止运行，应及时清洗污垢。X-射线光管内冷却水管道较细，运行时间一长管道内容易结垢，导致循环冷却水流量变小，因此要求使用蒸馏水作为循环冷却水。

3.低温系统的维护。该低温系统需要更换的耗材部件为氧传感器和空气过滤器，平均寿命为2年。另外，测试舱内部的液氮喷出舱在关闭低温后由于空气中水蒸气的凝结，可能会出现堵塞现象，该堵塞只要等待一段时间内部温度升至0℃以上，便会自行融化疏通，无需特殊处理。

4.计算机系统的维护。计算机系统是进行数据采集、储存、转换、处理及对X-射线单晶衍射仪实现远程控制的操作平台。该X-射线单晶衍射仪系统的计算机工作站使用Win7操作系统，计算机工作站一般不需要关机，工作站工作时需要保证良好的工作环境，尤其要注意系统的散热，否则容易造成硬盘损坏。为有效防止病毒的感染，造成实验数据的丢失，特安装另一台数据电脑，测试数据自动发送到数据电脑上，可在数据电脑上进行数据的积分还原以及后续的解析等工作。单晶衍射仪收集的原始数据为图片格式，且一个样本的数据采集的图片多达上百帧，总大小在几个G的存储量。为方便课题组内不同人员的数据传输，通过组建课题组内网，将数据电脑存储盘以只读的方式接入课题组内网，使得课题组每位成员都能够利用自己的电脑远程访问数据电脑的存储盘，进行数据的拷贝和保存。这样既方便了测试，又能及时获得测试结果;同时可防止使用U盘频繁拷贝数据而造成病毒感染电脑，并有利于仪器室合理安排开放时间。

五、结语

X-射线单晶衍射仪是集光学、电学、机械传动、水冷却循环及计算机控制系统为一体的大型精密贵重仪器设备。我院目前使用的D8 Venture型X-射线单晶衍射仪从购置至今运行稳定，拥有良好的重现性。这主要源于我们对该仪器设备制定了一套符合仪器性能并行之有效的操作规程，该设备由专人管理、专人维护、开放共享。在日常使用过程中定期对管理员进行业务培训和知识更新，及时总结使用过程中的经验，充分掌握设备的结构性能，同时不断提高操作人员的操作水平。X-射线单晶衍射仪在使用过程中难免出现故障，在发生故障后，快速判断故障原因、及时确定故障部位以及正确排除故障是保证仪器良好运行的关键。规范的管理使用，积极的日常维护和保养是延长仪器使用寿命的保证，安全有效的长期运行是大型精密贵重仪器性价比的充分体现。

参考文献：

[1]陈小明，蔡继文.单晶结构分析原理与实践[M].北京：科学出版社，2003.

[2]李海燕，张勇，吴冰.Mercury型X单晶射线衍射仪的使用及维护[J].苏州大学学报，2011，27(4)：78-80.

[3]梁向晖，钟伟强，毛秋平.X-射线衍射仪的维护与使用[J].分析仪器，2015，(5)：89-91.

作者：盛道鹏 陈兰花

药学结构分析论文 篇2：

质谱技术在抗体药物分析中的应用

摘要：质谱技术是抗体药物分析最重要的技术手段之一。本文简述了抗体药物的发展和质谱技术的原理。对于质谱技术在抗体药物的分析中应用进行了归类整理，主要分为在一级结构和高级结构分析中的应用。

关键词：抗体药物 质谱 一级结构 高级结构

单克隆抗体药物的发展起源于1975年，Kohler 和Milstein 创立杂交瘤技术，为大量制备鼠源单克隆抗体提供了技术条件，开创了大规模制备单克隆抗体时代。抗体类药物是指含有抗体片段的蛋白类药物，所以在恶性肿瘤、自身免疫性疾病、心血管疾病、感染和器官移植排斥等重大疾病上得到了快速的发展，是当前生物药物领域增长最快的一类药物。[1]

1.抗体药物发展新趋势

在生物药物领域，抗体药物占据着越来越重要的地位，2015年全球销售排名前10 位的药物中有6 个为抗体药物，分别是humira、enbrel、remicade、rituxan、avastin和Herceptin。抗体药物按来源分类可以分为：鼠源单克隆抗体、人鼠嵌合抗体、人源化抗体和全人源抗体。目前，FDA 批准的单克隆抗体药物中，人源化单抗和全人源单抗数量已占据72%[2]

1.1抗体药物偶联物(ADC)

抗体药物偶联物(ADC)由单克隆抗体和小分子化合物两部分组成。通过抗体的靶向作用，ADC 的抗体部分和肿瘤细胞表面抗原特异性识别并结合，通过细胞内吞作用，将抗体和小分子化合物一起带进肿瘤细胞内部，释放出小分子化合物。[3]这样既可以降低小分子药物的毒性，同时具有靶向结合的作用。已经上市的两个ADC是Kadyla和Adcetris。

1.2双特异性抗体(BsAb)

双特异性抗体(BsAb)是含有两种特异性抗原结合位点的人工抗体，能在靶细胞和功能分子(细胞)之间架起桥梁，。由于基因工程的发展，目前双特异性抗体已经研发出多种类型[4]，主要类型有三功能双特异性抗体、IgG-scFv、三价双特异性分子、串联单链抗体(串联scFv)、DVD-Ig 等多种形式。

2.质谱技术

近年来质谱仪性能的显著改进主要基于开发出的两种离子化技术：一种是介质辅助的激光解吸/离子化[5]技术。另一种是电喷雾离子化[6]技术。由于这两种电离技术的出现，使原本只能检测小分支的质谱技术，可以运用于检测生物大分子。

在过去质谱技术主要运用于对一级结构和序列的表征，而现在质谱技术越来越多地运用于高级结构的分析，而高级结构对于抗体药物的生物活性至关重要。

3.质谱技术在抗体药物一级结构分析中的应用

3.1完整抗体药物精确分子量测定

当得到抗体药物时，可以直接通过高分辨率的MALDI-TOF或者ESI-MS进行分子量的检测。通过对于脱糖后分子量的检测，可以对于抗体药物进行初步定性分析，并将可以作为药物常规放行的分析方法[7]。对于脱糖前的抗体药物进行分析，可以得到抗体药物的糖基化类型的信息及糖基化水平的分布[8]，对于快速了解生产工艺与药物质量的关系具有十分重要的意义。

3.2药物抗体偶联比(DAR)

对于赖氨酸链接的抗体偶联药物，采用C4 色谱柱及联用的质谱对去糖基化样品进行分析，根据偶联不同数目药物分子的质量数增加判断偶联数目[9]。对于质谱测定的结果，不仅可以给出确切的药物抗体偶联比值，更能够给出链接不同个小分子药物的分布情况，及反应过程副产物空链接头的分布情况。[10]

3.3肽指纹图谱

蛋白被特异酶切微店的蛋白酶水解后得到的肽片段质量图谱。由于不同的抗体药物具有不同的氨基酸序列，蛋白质被酶水解后，产生的肽片段也各不相同，肽混合物的质量数医具有指纹特征。可以通过LC-ESI-MS进行肽片段的一级质量数的鉴定，也可以通过LC-ESI-MS/MS对于每个肽片段进行进一步确证，提高肽指纹图谱的准确性。

3.4翻译后修饰研究

蛋白质的翻译后修饰(PTM)对于抗体药物的生物学功能十分重要。常见的翻译后修饰有：磷酸化、脱酰胺、甲硫氨酸氧化、糖基化修饰、N 端焦谷氨酸环化，C 端赖氨酸切除等。质谱分析仪检测蛋白和肽片段的分子量偏差，可以实现高灵敏、高通量和高精确地鉴别蛋白质的翻译后修饰的种类。[11]

3.5 N端氨基酸序列检测

常规N端氨基酸检测用Edman 降解法进行检测，但是抗体药物有时候会出现N端环化的现象，在这种情况下用Edman 降解法需要先对抗体进行去封闭处理，而直接使用质谱可以直接测出N端的氨基酸序列，同时可以检测出N端环化的相对比例。[12]

4.质谱技术在抗体药物高级结构分析中的应用

4.1氢/氘交换质谱(HDX-MS)

常规的质谱只能获得蛋白的一级结构信息。氢/氘交换质谱(HDX-MS)可以进行蛋白质构象，溶液动力学和表位映射进行分析。在能够调查的蛋白质的高阶结构和动态结构技术中，HDX-MS已经证明适合单克隆抗体和单克隆抗体 - 抗原复合物的构象分析。

4.2离子淌度质谱法(IM-MS)。

离子淌度是根据蛋白的电荷和形状选择性分离的方法，可以区分相同分子量的蛋白和肽段，可用于检测蛋白的简单高级结构。

4.3高分辨率傅立叶变换离子回旋共振质谱(FTICR-MS)

高分辨率傅立叶变换离子回旋共振质谱(FTICR-MS)能够检测最高质量数的质谱仪器，并且有着很高的分辨率。FTICR-MS是目前被公认为是蛋白质组学研究的有力工具，特别是和完整的蛋白质鉴定和上/下調翻译后修饰(PTM)蛋白质的鉴定。

4.小结

随着抗体药物的不断发展，需要对于抗体药物的结构信息不断进行深入的分析，质谱技术也随着这一要求不断进步。在现阶段，由于生物质谱分析的成本很高，并且对于人员的要求比较高，所以使其应用受到了限制。当然随着技术的进步，可以预见质谱分析会越来越多地运用于抗体分析中，特别是在高级结构分析的领域，通过质谱分析，可以让我们更多获得高级结构的信息，这对于抗体药物的分析是极为重要的。

参考文献：

[1]王兰，朱磊，徐刚领，等.单克隆抗体类生物治疗药物研究进展[J].中国药学杂志，2014，49(23)：2058-2064.

[2]李壮林，姚雪静. 单克隆抗体药物研究进展[J].药物生物技术，2014，21(5)：456-461.

[3]Austin CD，Wen X，Gazzard L，et al. Oxidizing potential of endosomes and lyosomes limits intracellular cleavage of disulfidebased antibody-drug conjugates[J]. Proc Natl Acad Sci，2005，102(50)：17987-17992.

[4]Kontenrmann，R. Dual targeting strategies with bispecific antibodies[J]. Mabs，2012，4(2)：182-197.

[5]Vestal M L，Juhasz P. Delayed extraction matrix-assisted laser desorption time-of-flight mass spectrometry.[J].Rapid Commun Mass Spectrom，1995，9：1044-1050

[6]Tisato F，Bolzati C，Porchia M.Contribution of electrospray mass spectrometry for characterization，design，and development of nitride technetium and rhenium heterocomplexes as potential radiopharmaceuticals[J]. Mass Spectrometry Reviews，Published Online，2004，23(5)：309-332.

[7]李萌，于傳飞，王馨，等. 相对分子质量测定作为单抗药物常规放行分析方法的可行性商榷[J]. 药物分析杂志，2015，12：2076-2082.

[8]Zhu L，Guo Q，Guo H，et al.Versatile characterization of glycosylation modification in CTLA4-Ig fusion proteins by liquid chromatography-mass spectrometry. [J]. MAbs. 2014;6(6)：1474-1485.

[9]于传飞，李萌，郭玮，等. 一种抗体药物偶联物中药物抗体偶联比的测定[J]. 药学学报，2014，03：363-367.

[10]Wakankar A Chen Y，Gokarn Y，et al. Analytical methods for physicochemical characterization of antibody drug conjugates. [J]. MAbs. 2011;3(2)：161-172.

[11]Duan X T，Dai L P，Chen S C，et al. Nano-scale liquid chromatography/mass spectrometry and on-the-fly orthogonal array optimization for quantification of therapeutic monoclonal antibodies and the application in preclinical analysis. [J]. J Chromatogr A，2012，1251(17)：63-73.

[12]Stackhouse N，Miller AK，Gadgil HS. A high-throughput UPLC method for the characterization of chemical modifications in monoclonal antibody molecules. [J].J Pharm Sci. 2011;100(12)：5115-5125.

作者简介：高燕波(1990～)，女，研究方向为抗体药物研发。正在攻读上海交通大学生物工程专业硕士;Email：gaoyanbo_1990@163.com

作者：高燕波

药学结构分析论文 篇3：

“熔喷法非织造驻极体材料的制备”综合型应用物理实验设计

[摘 要]为了让应用物理专业学生更好地接受应用基础研究、应用开发研究和工程技术的初步训练，以大型熔喷生产设备微型化研究成果为基础，将熔喷法非织造驻极体材料的制备过程转化成本科近代物理实验的教学内容，设计了“熔喷法非织造驻极体材料的制备”综合型实验，实现了在近代物理实验教学过程中同时达到科学性、创新性和启发性的教学目标。

[关键词]综合型实验;实验教学;应用物理

[基金项目]2018年度杭州电子科技大学“大学物理实验A1”(sjkg201804)

[作者简介]徐娙梅(1965—)，女，浙江武义人，本科，杭州电子科技大学理学院高级实验师，主要从事物理实验教学研究;陈钢进(1961—)，男，浙江磐安人，理学博士，杭州电子科技大学理学院教授(通信作者)，主要从事驻极体及其相关现象研究。

一、引言

培养出专业基础扎实、科研能力强、综合素质高的创新型人才已经成为当前高等教育教学改革和可持续发展面临的一个现实而又迫切需要解决的问题[1]。提高本科教学基础阶段，特别是实践教学环节的教学水平，不但能够让学生更好掌握相应的专业基础知识、增强理论知识点的理解力，而且对提高學生的动手与操作水平、培养学生的科研与创新能力至关重要。近年来，将先进的科研方法与成果应用到本科实践性教学中，实现科研与教学的有机结合，已成为培养学生创新思维能力，提高本科实践性教学水平的有效途径[2，3]。

熔喷法非织造材料制备工艺是聚合物挤压法非织造工艺中的一种，我国于20世纪80年代中后期开始广泛应用，主要产品有过滤材料、医疗卫生用材料、环境保护材料、服装材料、擦拭材料、吸油材料、保暖材料、电池隔膜等。尤其是熔喷驻极体非织造材料不仅有低流阻、高效率、除尘灭菌等功能，而且对有致癌作用的亚微米级粒子有较强的捕获能力，是一种高科技产品[4]，在医疗设施洁净、制药工业和生物制品洁净、高新科技产业洁净及旅馆酒店、家庭和公共场所洁净及口罩等方面的应用上具有独特优势，已成为新一代环境净化的主导产品。

尽管熔喷设备体积庞大、生产工艺复杂、新产品开发所需成本高，但熔喷过程涉及的知识面广，技术发展快。将熔喷技术中的先进科研成果和产业化生产技术融合进教学过程，必将会给培养学生的创新思维能力带来很好的促进作用。

本文在前期开发的微型熔喷设备和驻极体新材料研究成果的基础上，将熔喷驻极体非织造材料的制备过程转化为本科近代物理实验的教学内容，设计并实施了“熔喷法非织造驻极体材料的制备”综合型实验。旨在通过采用教学与科研相结合的方式，将熔喷法非织造驻极体材料制备技术中的新方法、新思想引入教学，丰富充实教学内容，确保实验教学的前沿性和时代性，使学生在熟悉和掌握熔喷法非织造驻极体材料制备技术和生产工艺的同时，能够紧跟最新科技发展动态，提高创新思维能力、动手操作能力和解决实际问题的能力。

二、实验仪器与材料

实验仪器采用自行研发的微型熔喷试验机，基本结构和实验流程如图1所示，和大型生产线的配置基本相当，具有省时、省料、操作简单等优点，即可用于科学研究，进行新材料试验与配方研究，也可模拟产业化生产过程，进行工艺条件优化、配色等。用该设备展开科技实验教学，即可让学生了解企业大规模材料生产过程，亦可使学生掌握熔喷非织造材料的基本知识、制备材料的实验方法，引导学生分析非织造材料性能的影响因素等。

具体熔喷工艺过程为：将聚合物细颗粒导入罐体中，利用超静音空压机对压缩空气进行加热，并提供给罐体中的聚合物颗粒材料和喷头，将细颗粒熔融并挤压，使熔体从喷头的喷丝孔中挤出。当熔体挤出喷丝孔时，受到喷丝孔两侧与熔体喷出方向呈一定角度的高压热气流的喷吹，熔体被拉伸，形成超细长丝的纤维，同时受到外侧冷空气的冷却而固化，在气流作用下凝聚在滚筒接收器上，形成熔喷超细纤维自黏合形成布。通过自动控制系统完成接收滚筒在平面上的匀速左右往返运动和旋转，同时采用负压吸附纤维完成接收成网。

三、教学过程设计

整个实验过程包括从聚合物粒子，经熔喷过程制备获得聚合物非织造布，利用电晕极化装置对熔喷非织造布进行充电，形成驻极体。教学内容按熔喷非织造布的制备、材料形貌结构和微观结构分析、熔喷工艺条件的改变对材料微结构的影响、驻极体的形成四部分进行。该实验要求学生掌握熔喷法的基本原理，熟悉熔喷设备的操作流程，探索不同工艺条件下的材料制备工艺，了解驻极体形成的基本物理机制。

(一)熔喷非织造布的制备

开机预热，将准备好的原料倒入样品罐中，打开微型熔喷实验机的工控系统和压缩空气加热器，根据实验要求，通过计算机设定熔喷过程中的热风温度、热风压力、熔体温度、熔体流出速度以及纤维接收距离等工艺条件。设定好接收距离，再打开料桶加热器和热风，原料将在微型熔喷实验机的料桶中受热熔化形成熔体。等到料桶温度、熔体温度和热风温度达到实验要求时，再开启料桶压力，并打开滚筒装置，设定滚筒的转速和移动速度，在料桶压力的作用下熔体从直径 0.4mm的喷嘴口挤出，在喷嘴口周围的热空气的牵伸下，熔体拉长，并受到室温空气的冷却固化形成纤维，纤维再黏附到滚筒的表面后，利用自身的余热使纤维热熔黏合，随着滚筒的转动和左右往复移动中形成熔喷非织造布。

熔喷非织造布的制备是整个实验的核心内容。材料的性能取决于其结构，通过改变材料制备工艺如牵伸风温度、风量、压力、接收距离等条件，可以控制材料结构，通过添加不同助剂可以改变材料结构。要求学生掌握制备工艺和条件，在了解熔喷法非织造原理的同时，探索不同工艺条件对非织造布微结构的影响。

(二)材料形貌結构和微观结构分析

所获熔喷非织造布的晶相结构采用x射线衍射仪表征。通过对所获x射线衍射谱的分析，可获得熔喷非织造材料的晶型和结晶度。聚丙烯材料可以有5种晶型，分别为：α、β、γ、δ和拟六方晶型。通过与标准谱的比对，可获取熔喷非织造布的晶型。所谓结晶度就是结晶的程度，即结晶部分的重量或体积对全体重量或体积的百分数。采用特殊的分析方法，可获得熔喷非织造布的结晶度。具体结果如图2所示。

熔喷非织造布的形貌结构采用扫描电子显微镜分析。通过形貌分析，可获得不同工艺条件下获得的熔喷非织造布的纤维粗细、表面粗糙度等性质。如图2所示，当喷头温度为200℃时获得的非织造布纤维比220℃时获得的粗，而且叠加紧密程度稍差。

(三)熔喷非织造布驻极体性能的赋予

为赋予熔喷非织造布以驻极体特性，需要采用一定的手段将电荷注入非织造布的体内，这一过程称为注极(也称充电)。实验中采用了电晕注极方法。电晕放电是指在常压下气体介质在曲率半径很小的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励而出现大量带电离子。利用这一原理将这些带电离子沉积到电介质表面或近表面，甚至到达电介质内部形成空间电荷，这时电介质便通过电晕极化成为驻极体。注极后的PP熔喷非织造布驻极体电荷存储性能采用表面电位表征，表面电位采用补偿式非接触方法测量。

四、教学效果评价

本实验以大型熔喷生产设备微型化研究成果为基础，将熔喷法非织造驻极体材料的制备过程转化成本科近代物理实验的教学内容，教学效果主要体现在如下几个方面。

1.实现了综合学习物理基础知识的目的。在所设计的实验中包括熔喷非织造布的制备、材料形貌结构和微观结构分析、熔喷工艺条件的改变对材料微结构的影响、驻极体的形成等四部分内容，涉及材料的物理相变、晶相结构、介电性能等物理基础知识，实现了学生综合能力培养的目的。

2.突出了实验技能的培养。在本实验中提供给学生的四部分实验内容，另外还要求学生熟练使用计算机进行实验过程控制、实验数据采集、实验结果分析。对学生实验技能得到了综合的培养。

3.达到了培养拓展知识能力的目的。知识的积累是一个基于已有知识、吸收新的知识的不断拓展的过程。在本实验中，除要求学生完成规定的实验内容外，要求学生通过阅读科技文献、补充读物，对实验结果做出解释，以促进、培养学生学习新知识的兴趣和提高阅读专业文献的水平。

4.体现了科学研究属性。本实验源于教师的科学研究为基础，结合学生已掌握的物理学知识，要求学生通过改变实验条件，实现材料结构和性能的优化。体现了将基础知识运用于科学研究的特色。通过对材料性能的测试分析，学生可直接接触纳米材料、驻极体性能等先进的科学知识。让学生得到了从事研究工作的直接体验。

通过本实验，学生了解了熔喷法制备非织造材料的基本原理和方法，掌握了从固态颗粒、经液态、到固态纤维的新材料形成物理相变机制，体会了工艺条件的改变会对材料性能产生重大的影响，在较短的时间内，得到了科学研究的锻炼。与此同时，教师可及时地把科研工作的新内容补充到实验教学中，根据学生掌握的程度，鼓励有潜质、有兴趣的学生跟踪学科发展前沿，继续开展其他熔喷驻极体材料的制备以及性能分析，深入开展研究工作，为后续毕业论文选题奠定基础。

五、结语

将科研成果转化为实验教学内容，实现了科研与教学的结合，不仅丰富了实验教学内容，同时也增加了实验教学的深度，是培养学生创新意识、创新能力和提高教师教学水平的有效途径。通过这项教学改革，让学生在本科阶段就接触到学科前沿的研究内容和科学研究方法，并能在实验中经历一个完整的科研过程，可开阔学生视野，训练学生的创新思维，提高学生的科学素养和科研能力，培养学生严谨、求实的科学作风，为学生毕业以后从事教学和科研工作打下一个良好的基础。

参考文献

[1]葛金芳，解雪峰，吴繁荣，等.科研教学互动在培养创新型药学人才中的探索与实践[J].中国高等教育，2015(10)：28-29.

[2]扈旻，邓北星，马晓红，等.科研成果转化为实验教学内容的探索与实践[J].实验技术与管理，2012，29(10)：21-23.

[3]成协设，刘薇，王立金.开展创新性实验教学实现理论到创新的有效对接[J].实验室科学，2011，14(1)：200-202.

[4]何宏升，邓南平，范兰兰，等.熔喷非织造技术的研究及应用进展[J].纺织导报，2016(S1)：71-80.

A Comprehensive Experiment Design of Applied Physics on

"Preparation of Melt-blown Non-woven Electret Materials"

XU Xing-mei， PENG Hui-li， CHEN Gang-jin

(School of Science， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou， Zhejiang 310018， China)

Key words： comprehensive experiment; experiment teaching; applied physics

作者：徐娙梅 彭辉丽 陈钢进