王 意， 鄧小娟， 劉 洋， 丁國生

（天津大學分析測試中心，天津300072）

0 引 言

自2017 年起，教育部積極推進新工科（Emerging Engineering Education，3E）建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，發(fā)布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》等一系列政策，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設［1-3］。儀器分析課程是材料、化工、制藥、環(huán)境工程等專業(yè)的基礎課程，具有理論要求高、多學科交叉、儀器類型多樣等特點，在培養(yǎng)學生工程實踐、科研創(chuàng)新、組織協(xié)調等綜合能力和掌握現(xiàn)代的研究手段與方法方面具有重要的作用。其中無機質譜技術是儀器分析的重要組成部分之一，電感耦合等離子體質譜（ICPMS）是以等離子體為高溫離子源的一種質譜型無機元素分析新技術。主要用于進行多種元素的同時測定，并可與其他色譜分離技術聯(lián)用，進行元素的形態(tài)、分布特性等分析。該技術的質譜圖簡單，具有靈敏度高、檢測線低、準確度高、線性范圍寬且能同時測定多種元素等優(yōu)點，可進行痕量和超痕量元素的半定量和定量分析，以及同位素測量，因此廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、食品安全、衛(wèi)生醫(yī)療、礦物材料和藥物醫(yī)學等各大領域［4-5］。圍繞新工科背景下培養(yǎng)符合時代要求的新型工科技術人才的要求，依托學校分析測試中心的硬件條件和師資力量，針對儀器分析課程特點及電感耦合等離子體技術發(fā)展現(xiàn)狀和前沿應用，對傳統(tǒng)儀器分析課程的實驗教學進行一些探索性的實踐工作，推動儀器分析課程的教育教學改革，以推進新工科背景下的人才培養(yǎng)，為學生日后的科研活動和從事相關行業(yè)工作奠定堅實的基礎。

1 高校儀器分析實驗課的機遇和挑戰(zhàn)

1.1 儀器分析課程教學現(xiàn)狀

儀器分析課程是化工、材料、制藥、環(huán)境等工科專業(yè)的核心課程，是工科院校培養(yǎng)學生實驗素養(yǎng)和科研能力的重要實踐教學環(huán)節(jié)，國內很多“雙一流”高校均開設了現(xiàn)代儀器分析課程，重點教授通用大型現(xiàn)代分析儀器設備的工作原理、儀器操作、樣品分析方法和儀器分析應用等內容，涉及了質譜、光譜、波譜、色譜、能譜、熱、微區(qū)形貌及表面等分析領域［6-8］。儀器分析屬于分析化學的一個重要分支，是在分析化學的基礎上發(fā)展起來的具有多學科交叉、創(chuàng)新性和前沿性非常強的一門學科。隨著計算機控制、采集和數(shù)據(jù)處理方法的快速發(fā)展，各種先進的儀器分析技術與計算機聯(lián)用，儀器分析逐步朝著智能化、微型化、個性化、大眾化和虛擬化方向發(fā)展［3］。

1.2 傳統(tǒng)教學方式面臨的挑戰(zhàn)

在新工科形勢下，只有不斷升華人才培養(yǎng)理念、改革教學方法和創(chuàng)新培養(yǎng)模式，才能做到有效應對現(xiàn)代社會的快速變化和未來不確定的變革與挑戰(zhàn)。這就對傳統(tǒng)儀器分析類課程的教學提出了新的要求。例如電感耦合等離子體質譜作為一種新型的無機質譜分析技術，在一些高校主要用于師生的科研實驗，未納入儀器分析的實驗課程。隨著科學技術的發(fā)展，電感耦合等離子體質譜的應用越來越廣泛，因此有必要更新實驗教學內容，將科研和實驗教學相結合，讓更多的學生在具體實際案例中掌握最新的儀器分析技能，以不斷提高學生科研能力和綜合素質，滿足新形勢下創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求。

1.2.1 以學院為教學平臺的儀器資源有限

儀器分析相關課程涉及內容繁多，學科交叉明顯，涵蓋儀器種類較多，包括光譜、色譜、質譜、波譜、能譜及微區(qū)分析和表面分析等高端大型儀器。傳統(tǒng)儀器分析課程的教學平臺多以院級分析測試平臺為主，隨著我國對高等教育投入的不斷深入，各大高校教學分析儀器的數(shù)量持續(xù)增加［9］，近年來中央高校改善基本辦學條件專項資金（修購專項）等經費也更多地支持教學儀器的投入，然而由于高端分析儀器，如掃描電子顯微鏡、核磁共振波譜、高分辨質譜儀等，儀器造價昂貴，維護成本高，對操作人員也有很高的要求，學院內平臺擁有的高端分析儀器數(shù)量相對還是偏少，且主要用于科研，無法滿足課程對大型儀器種類多而全的需求。

1.2.2 實踐比重少 影響教學成效

傳統(tǒng)儀器分析類課程的教學以課堂講授為主，教師在課件中整合儀器相關的知識、理論和應用簡介，通常分為分析原理、儀器結構、主要應用，除課堂教學外增加少量課時實地觀摩和演示等教學內容，主要以演示實驗（教師演示、學生觀摩）的形式開展，學生很少能直接使用和操作儀器設備，無法理論聯(lián)系實際，造成學生對構造復雜的大型分析儀器原理和構造難以理解，導致實驗教學效果差［10］。

1.2.3 考核方式單一

傳統(tǒng)的儀器分析類課程在考核時通常以單純的試卷考試作為唯一的考核方式，也有些高校的課程中增加對學生出勤、課堂表現(xiàn)等方面的考量，滿足了對學習過程、學習態(tài)度等方面的綜合評估。考核成績主要由常規(guī)考核和期末考核兩部分構成，其中常規(guī)考核依據(jù)學生的考勤、課堂互動、作業(yè)完成等情況，通常占總成績的20% ～30%；期末考核通常以考試方式進行，試卷內容包括課堂教學內容的各個部分，包括主觀題和客觀題，占總成績的70% ～80%。這種考核存在以下弊端：①常規(guī)考核缺乏可量化的數(shù)據(jù)和標準，不能作為學生水平的劃分依據(jù)，最終還是以試卷成績?yōu)橹饕?；②考核方式不能滿足儀器分析類課程的教學目的，僅能評價所學的基礎理論是否扎實，缺乏對知識分析和解決實際問題能力的測評，也無法真正提高學生對大型儀器的認知和實踐能力。

2 儀器分析實驗課探索

為響應新工科戰(zhàn)略發(fā)展的要求，我校分析測試中心（以下簡稱分析中心）作為校級的分析測試公共平臺，相對院級平臺來說實驗設備配置更完備、更合理，功能實驗室布局更科學，符合儀器分析實驗教學改革和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需要。以分析中心為儀器分析課程的教學平臺，可將校級交叉學科儀器分析平臺的優(yōu)勢和資源轉化為育人優(yōu)勢，充分利用儀器資源，大大改善教學條件和教學內容，能更好地激發(fā)學生的學習熱情、培養(yǎng)創(chuàng)新意識并鍛煉動手實踐的能力，為學生今后從事科研工作奠定良好基礎［11］。

2.1 課程設置及簡介

分析中心在我校材料學院和藥學院的相關專業(yè)開設儀器分析類課程。其中材料學院的儀器分析類課程自2000 年初設置，教授對象主要以研究生為主，由分析中心負責儀器管理的老師講授，全面介紹有關材料結構、組成、微觀形貌和物理性能等的現(xiàn)代分析測試技術，內容涵蓋透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X 射線衍射、核磁共振譜、有機質譜、電感耦合等離子體質譜、激光拉曼、物理性能分析、比表面及孔徑分析等儀器，重點培養(yǎng)學生掌握材料分析實驗的基本技能。隨著分析技術的不斷發(fā)展，課程越來越注重理論與實踐相結合，通過講授原理和結合各專業(yè)具體材料分析實例，使學生對材料的各種現(xiàn)代分析方法有較全面的認識，并逐年對實踐環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)的改革和完善，除了課堂講授還設置了8 個教學實驗，提高學生的綜合素質和運用現(xiàn)代儀器測試手段的能力。通過本課程的學習使學生掌握用于元素含量成分及組成分析、比表面積及孔徑分布分析、結構分析、表面微觀形態(tài)分析、物質相分析和電子顯微分析的方法和原理，儀器結構和基本操作步驟，了解各方法的特點、應用范圍及局限性。授課以“精而新”為原則，培養(yǎng)學生嚴謹細致、實事求是的科學作風，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才打下基礎。在藥學院開設藥物儀器分析課程，根據(jù)我校藥學院特點以英文教學，除研究生外也面向基礎扎實對大型儀器分析測試技術感興趣的本科生開放課程，課程總計32 學時，其中10 學時為課程面授，開設22 個學時的儀器分析實驗課，實踐課時約占總課時的70%，以分析中心作為教學的第二課堂，結合學生的個人興趣和課題方向劃分小組，讓學生直觀、近距離地了解并操作大型儀器，引導學生運用所學的基礎理論知識分析和解決實際科研問題。學生通過實踐對課堂所學的理論基礎知識進行驗證，加強了對理論基礎和專業(yè)知識的理解與消化，切實將儀器分析課程和學生的科研工作緊密結合，培養(yǎng)符合時代要求的新型工程技術人才。

2.2 實驗教學大綱

我校分析中心開設的儀器分析類課程的實驗教學部分，無機質譜元素分析實驗是重要的實驗教學環(huán)節(jié)之一。電感耦合等離子體質譜是20 世紀80 年代發(fā)展起來的無機元素和同位素分析測試技術，以獨特的接口技術將電感耦合等離子體的高溫電離特性與質譜的靈敏快速掃描的優(yōu)點相結合，形成了一種高靈敏度的分析技術，是以等離子體為離子源的質譜型元素分析方法。

2.2.1 實驗原理

電感耦合等離子體質譜儀由樣品引入系統(tǒng)、電感耦合等離子體（ICP）離子源、接口、離子聚焦系統(tǒng)、質量分析器和檢測器等構成，其他支持系統(tǒng)有真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、氣體控制系統(tǒng)、計算機控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。其工作原理是：樣品通過進樣系統(tǒng)被送進離子源中，在高溫炬管內蒸發(fā)、離解、原子化和電離，絕大多數(shù)金屬離子成為單價離子，這些離子高速通過雙錐接口進入質譜儀真空系統(tǒng)。離子通過接口后，在離子透鏡的電場作用下聚焦成離子束并進入質量分析器。離子進入質量分析器后，根據(jù)質量／電荷比的不同依次分開。最后由離子檢測器進行檢測，產生的信號經過放大后通過信號測定系統(tǒng)檢出，根據(jù)探測器的計數(shù)與濃度的比例關系，測得元素的含量或同位素比值。電感耦合等離子體質譜儀具有很低的檢出限（達ng／ml 或更低），基體效應小，譜線簡單，動態(tài)線性范圍寬，能同時測定許多元素和快速測定同位素比值。可用于潔凈水、天然水、土壤、沉積物、礦物、食品、石油、化工等環(huán)境樣品的金屬元素和部分非金屬元素的痕量分析，也適用于各類藥品中從痕量到微量的元素分析，尤其是痕量重金屬元素的測定［12-13］。

微波密閉消解采用微波源加熱，極性分子直接吸收微波熱，并不斷碰撞升溫，因而加熱效率高；由于體系密閉，反應產生的氣體使壓力升高，從而使沸點升高，可明顯提高反應速率，降低微波密閉消解時間；密閉體系確保了Hg、As 等易揮發(fā)元素不損失。微波消解過程用時少，消解完全，待測元素無損失，并有較低的空白值，所需試劑用量少，操作方便，對環(huán)境及操作人員的污染和危害小，在無機分析原子吸收、電感耦合等離子體光譜、電感耦合等離子體質譜的樣品前處理和高效液相色譜有機分析的樣品萃取中有普遍應用。

2.2.2 實驗目的

電感耦合等離子體質譜儀相關的實驗耗材及維護費用較高，且主要用于校內科研支撐和校外測試服務，傳統(tǒng)儀器分析課程的實驗部分中教師只讓學生觀摩演示，或開展簡單的樣品制備，儀器操作和分析均由老師來完成，學生很少能夠近距離接觸儀器并借助儀器開展儀器分析實驗和數(shù)據(jù)結果分析，因而導致課堂所學僅停留在理論層面，缺少動手實踐和自主研究的環(huán)節(jié)，并不能深刻理解檢測方法原理及掌握儀器的簡單操作［14］?；谏鲜銮闆r，本實驗目的主要有：

（1）了解電感耦合等離子體質譜儀的工作原理和儀器結構。

（2）掌握微波消解儀的基本原理和操作規(guī)程，以及利用微波消解技術對樣品進行前處理的基本方法。

（3）掌握電感耦合等離子體質譜儀的分析基本原理和操作步驟，利用微波消解-電感耦合等離子體質譜技術測定實際樣品中重金屬元素含量的基本方法，解決實際樣品元素分析的問題。

2.2.3 實驗內容

將學生劃分為4 ～6 人的小組開展實驗教學，首先進行安全教育，觀看違章案例，提高安全操作和環(huán)保意識，結合《中國藥典》［15］及相關方法標準中的試驗方法，依托現(xiàn)有實驗室的硬件條件和要求定制試驗方法，要求學生編寫實驗方案，在教師指導下完成樣品前處理和上機操作，強化操作細節(jié)，提升操作規(guī)范，并要求學生完成實驗記錄和出具結果報告，將整個實驗過程作為考核的一部分。

2.2.4 實驗流程

本實驗主要包括以下步驟：①微波消解樣品前處理。②電感耦合等離子體質譜測試準備工作：確認氣體、循環(huán)水、排風狀態(tài)，蠕動泵、樣品管、霧化室、矩管等安裝正確，儀器狀態(tài)為Standby狀態(tài)。③開機：打開計算機顯示器、打印機和計算機主機；開氬氣、循環(huán)水和排風；卡上蠕動泵管，檢查無誤后點擊點火圖標，儀器由Standby轉為Analysis 狀態(tài)。④ 調諧：確認儀器靈敏度、氧化物、雙電荷達到要求。⑤ 建立采集方法：選中要分析的元素及ISTD 內標元素，設置提取時間、穩(wěn)定時間、掃描方式和掃描次數(shù)。⑥采集數(shù)據(jù)：依次采集空白溶液、標準溶液和樣品溶液，采集數(shù)據(jù)時設置好樣品類型（空白、標樣或樣品）。⑦ 數(shù)據(jù)處理和分析。⑧關機：樣品采集完成后，沖洗儀器，關閉儀器等離子體，儀器由Analysis狀態(tài)轉換為Standby狀態(tài)。待儀器進入Standby狀態(tài)后關閉通風、循環(huán)水及氬氣開關。

地質災害防治工作具有技術性、專業(yè)性較強的特點，我們調查發(fā)現(xiàn)，各縣市區(qū)國土資源局地環(huán)股、地環(huán)站，特別是基層國土資源所的同志，具有相應專業(yè)技術的寥寥無幾，有的縣市區(qū)局一點小事都得依靠技術服務單位。此外，同時設有地環(huán)股和地環(huán)站的縣市職能劃分不清，工作互相推諉、扯皮。

注意記錄實驗條件：①稱樣量、微波消解條件（功率、溫度、時間）。② 儀器型號。③ 電感耦合等離子體質譜儀器狀態(tài)（載氣、工作氣體、流量蠕動泵提升速率等）。④內標元素。⑤調諧文件名稱、采集序列名稱和方法名稱。⑥實驗日期、操作人以及要詳細記錄數(shù)據(jù)分析軟件得出的待測元素標準曲線，線性方程和相關系數(shù)。記錄待測元素濃度，報告檢測結果，以μg／L的單位表示。

3 教學實例

3.1 儀器和試劑

Agilent 7700x 電感耦合等離子體質譜儀（ICPMS）（美國Agilent 公司）；MARS Xpress 微波消解儀（美國CEM 公司）；Mill-Q 超純水處理系統(tǒng)（美國Millipore 公司）；CP114 天平（美國奧豪斯公司）。

標準儲備液：10 mg／L 多元素校準標樣（Agilent 8500-6940），包括Ag、As、Ba、Be、Cd、Co、Cr、Cs、Cu 等元素；內標儲備液：100 mg／L 的Li、Sc、Ge、Rh、In、Tb、Lu、Bi 混合標準溶液（Agilent 5188-6525）；調諧液：1 μg／L的Li、Mg、Y、Ce、Tl、Co 混合標準溶液（Agilent 5185-5959）。硝酸（70%）BV-III 級，購于北京化學試劑研究所。實驗用超純水均由Mill-Q 超純水處理系統(tǒng)制得。

人參樣品（GBW10027）成分分析標準物質（12 g）購于國家標準物質研究中心。

3.2 試驗方法

3.2.1 質譜條件

通過調諧使儀器性能條件優(yōu)化，確保儀器靈敏度、氧化物、雙電荷、分辨率等指標滿足實驗要求。等離子體發(fā)射功率為1550 W，等離子體氣（Ar）流速15.0 L／min，載氣（Ar）流速1.0 L／min，碰撞氣體（He）流速5.5 mL／min，蠕動泵轉速0.1 r／s，霧化室溫度2 ℃，采樣深度8.0 mm。

3.2.2 標準溶液配制

3.2.3 微波消解樣品前處理

稱取干燥的標準人參樣品粉末0.2 g 3 份，置于聚四氟乙烯（PTFE）微波消解罐中，加入8 mL 硝酸混勻，安裝好消解蓋和外套，在微波消解儀中設定程序（見表1）進行消解，消解結束后待溫度降至60 ℃以下，在通風櫥內開啟消解罐，將消解液轉移至100 mL容量瓶內，超純水洗滌消解罐3 次，洗滌液合并至容量瓶中，用超純水稀釋至100 mL 定容。同時制備樣品空白溶液。

表1 微波消解樣品前處理程序

3.2.4 進樣分析

建立分析方法，選擇全定量模式，采用跳峰的掃描方式，重復測量次數(shù)3 次，選擇合適的內標，對樣品進行分析。

3.3 結果與討論

3.3.1 標準曲線和線性相關系數(shù)

在設定的測試條件下，各元素標準曲線的線性關系較好，線性相關系數(shù)在0.999 7 ～1.000 0，滿足測試需求。各元素的標準曲線回歸方程和相關系數(shù)見表2。

3.3.2 檢出限

按3.2.3 方法制備的空白溶液，連續(xù)平行測定11次，檢測信號與內標信號比的3 倍標準偏差對應的濃度值即為各元素的檢出限，如表2 中所示，檢出限范圍在0.040 1 ～0.532 1 μg／L之間，符合實驗要求。

3.3.3 實驗結果

采用上述建立的分析方法對人參標準樣品進行了分析測試，結果見表3。9 種元素的測試值均在標準值范圍內，其中75As 和107Ag 的標準值為參考值?？梢娫摲椒ǚ€(wěn)定可靠，可作為開展儀器分析課程實驗教學的案例及結果評價。

表2 元素的回歸方程、相關系數(shù)和檢出限

表3 人參樣品（GBW10027）的測試結果

3.3.4 教學效果

順應新工科建設和師生科研發(fā)展需求，改革了電感耦合等離子體質譜技術的實驗教學內容，增加實驗教學比重，并將微波消解等樣品前處理技術加入實踐環(huán)節(jié)，通過學生自主完成樣品制備、上機測試和結果分析，激發(fā)了學生的科研興趣。課程結束后，部分學生與儀器負責人做了更多深入了解，并計劃在后續(xù)科研中結合該技術參與具體項目研究。由此可見，電感耦合等離子體質譜技術的實驗教學改革有效促進了學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和綜合素質的提高。

4 結 語

新工科教育研究和實踐的諸多問題依舊在熱烈討論和積極探索中，儀器分析課程的教學改革作為新工科教育理念的落腳點值得我們去做更深入的剖析與探討。以“新工科”的要求為契機，微波消解-電感耦合等離子體質譜技術在儀器分析課的實驗教學已開設3年，在實驗教學模式改革創(chuàng)新和提升學生實踐技能方面取得了一定成效。未來將進一步加快儀器分析課程改革，更加注重前沿知識和學科交叉知識體系建設，依托校級分析測試平臺開展實踐創(chuàng)新實驗課程體系建設，不斷更新教學內容，順應時代發(fā)展，滿足卓越工程人才核心素養(yǎng)和能力培養(yǎng)的要求。