何曉燕，孫楠，賈蕙，盧小泉

西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，蘭州 730070

儀器分析以分析化學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，借助各種相關(guān)檢測(cè)設(shè)備，利用光、電、磁等一系列手段研究物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)，對(duì)所測(cè)樣品進(jìn)行定性和定量分析[1,2]。儀器分析課是分析化學(xué)課程的重要組成部分，是我校化學(xué)和材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的必修課，由理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)組成。課程所涉及的儀器分析方法主要分為電化學(xué)分析法、色譜分析法、光譜分析法、熱分析法等四大類(lèi)方法，在大類(lèi)分析方法下又進(jìn)行了詳細(xì)的分類(lèi)，例如電化學(xué)分析法又分為電位分析法、伏安法、電導(dǎo)法等；色譜法又分為氣相色譜和液相色譜；光譜分析分為原子光譜、分子光譜等。

目前儀器分析課程各個(gè)板塊之間的知識(shí)體系相對(duì)獨(dú)立，講述模式按照儀器原理、儀器結(jié)構(gòu)、儀器使用以及數(shù)據(jù)處理的順序，其特點(diǎn)是教學(xué)內(nèi)容多、章節(jié)之間的關(guān)聯(lián)性弱、教學(xué)進(jìn)度快，在教學(xué)過(guò)程中教師往往是知識(shí)的傳授者，學(xué)生是知識(shí)的被動(dòng)接受者[3,4]。理論課既要介紹各種儀器的基本原理、結(jié)構(gòu)和主要部件，還要介紹各種儀器的操作條件。由于大部分內(nèi)容依靠圖片或者想象，學(xué)生對(duì)于這門(mén)課程感覺(jué)枯燥，學(xué)習(xí)吃力。大部分學(xué)生對(duì)知識(shí)的獲取基本依靠死記硬背，被動(dòng)接受，不能運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題[5-7]。加之現(xiàn)代儀器的高度集成化，使學(xué)生對(duì)分析儀器的認(rèn)識(shí)抽象化。因此，提高儀器分析課程教學(xué)水平，對(duì)培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、創(chuàng)新力強(qiáng)的化學(xué)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科生具有重要意義[8,9]。儀器分析實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)可以一定程度上彌補(bǔ)理論課教學(xué)的不足，但是分別在兩學(xué)期開(kāi)設(shè)，不利于知識(shí)的銜接。本文探討將學(xué)術(shù)論文分析及科研融入課程內(nèi)容、教學(xué)方法中的必要性和方法，通過(guò)改革與創(chuàng)新儀器分析教學(xué)方式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)及實(shí)踐能力，推動(dòng)儀器分析教學(xué)的發(fā)展。

1 將學(xué)術(shù)論文分析及科研融入課程內(nèi)容初探

1.1 探索一：儀器分析教學(xué)中引入科研文獻(xiàn)分析

在理論知識(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程中引入文獻(xiàn)的檢索與閱讀，可以加深學(xué)生對(duì)抽象難懂的書(shū)本知識(shí)的理解和所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用。如圖1所示，整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程是在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生提出問(wèn)題，引發(fā)大家思考，通過(guò)調(diào)研文獻(xiàn)并歸納判斷，然后與老師及同學(xué)進(jìn)行思考討論，在此基礎(chǔ)上深刻理解所學(xué)內(nèi)容，最后能夠完全掌握，以達(dá)到理論與實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)。

圖1 教學(xué)過(guò)程中引入科研文獻(xiàn)分析的流程

引導(dǎo)學(xué)生利用知網(wǎng)、萬(wàn)方等中文數(shù)據(jù)庫(kù)，以及ACS、Elsevier、Springer等可得到的外文數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)儀器的實(shí)用性進(jìn)行調(diào)研。通過(guò)調(diào)研可達(dá)到：1) 熟練掌握數(shù)據(jù)庫(kù)的使用方法和文獻(xiàn)檢索方法；2) 通過(guò)文獻(xiàn)深刻理解每種儀器的基本原理、主要結(jié)構(gòu)、操作方法和相關(guān)的數(shù)據(jù)處理以及不同儀器間的關(guān)聯(lián)和差異；3) 學(xué)習(xí)理論知識(shí)后，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用加以鞏固，充分理解理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用之間的關(guān)系；4) 鍛煉自身的文獻(xiàn)調(diào)研和文獻(xiàn)閱讀能力。

1.1.1 中文文獻(xiàn)檢索與閱讀實(shí)例

在學(xué)習(xí)完原子吸收光譜法的理論知識(shí)后，學(xué)生通過(guò)輸入關(guān)鍵詞“原子吸收光譜法”檢索到題為“原子吸收光譜法測(cè)定黃豆中鋅的含量”的文獻(xiàn)[10]。通過(guò)閱讀文獻(xiàn)，知道了微量元素的含量可以使用原子吸收光譜儀進(jìn)行測(cè)定，即通過(guò)元素的基態(tài)原子蒸氣對(duì)同種元素特征譜線的共振吸收來(lái)進(jìn)行定量分析，掌握了原子吸收分光光度計(jì)的工作原理，熟悉了實(shí)驗(yàn)的基本操作流程，明白了標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制及標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制方法。通過(guò)計(jì)算稱(chēng)取一定量的鋅粒，用鹽酸溶解、配制一系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，使用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定不同濃度鋅元素的吸光度值，以標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度為橫坐標(biāo)，各自的吸光度值為縱坐標(biāo)繪圖得到鋅的吸收工作曲線(圖2)[10]。然后對(duì)經(jīng)灰化法處理的黃豆樣品中鋅的吸光度值進(jìn)行測(cè)量，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線法求出相應(yīng)的鋅含量。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該方法具有好的準(zhǔn)確度和精密度，為其他樣品中鋅元素含量的測(cè)定奠定了基礎(chǔ)。由于該文獻(xiàn)采用火焰原子吸收光譜法，學(xué)生通過(guò)文獻(xiàn)研究還可以進(jìn)一步理解原子光譜儀器的重要部件原子化系統(tǒng)對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。

圖2 鋅的吸收工作曲線截圖[10]

1.1.2 英文文獻(xiàn)檢索與閱讀實(shí)例

在學(xué)習(xí)完電化學(xué)循環(huán)伏安法的相關(guān)內(nèi)容后，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)查閱。搜索到題為“Self-Assembled Microgels for Sensitive and Low-Fouling Detection of Streptomycin in Complex Media”的英文文獻(xiàn)[11]，學(xué)習(xí)了自組裝微凝膠用于復(fù)雜介質(zhì)中鏈霉素的超靈敏和低污染檢測(cè)。循環(huán)伏安法作為一種電化學(xué)研究方法經(jīng)常被使用，該文獻(xiàn)通過(guò)循環(huán)伏安曲線(圖3A)[11]表征了電極在逐步修飾過(guò)程中峰值電流的變化情況。相比于裸電極(曲線a)，氧化石墨烯修飾的電極(曲線b)顯示出非常低的峰值電流，這是由于氧化石墨烯和(Fe(CN)6)3?/4?溶液相互排斥，導(dǎo)致界面電子轉(zhuǎn)移受阻。然而，當(dāng)修飾上包含有鏈霉素抗體的混合自組裝微凝膠后(曲線c)，其峰值電流密度有所提高，這是由于鏈霉素抗體在整個(gè)體系環(huán)境中帶正電，對(duì)(Fe(CN)6)3?/4?具有靜電吸引作用，當(dāng)將免疫傳感器用鏈霉素孵育后(d)，其峰值電流密度有所降低，這是因?yàn)殒溍顾乜贵w與目標(biāo)物的特異性結(jié)合，阻礙了電子傳遞。通過(guò)對(duì)該文獻(xiàn)的閱讀，學(xué)生們學(xué)習(xí)和掌握了循環(huán)伏安法的原理和實(shí)驗(yàn)方法，即循環(huán)伏安圖是通過(guò)控制電極電勢(shì)以不同的速率，將對(duì)稱(chēng)的三角波掃描電壓加在固定面積的工作電極和參比電極之間，使電極上交替發(fā)生不同的氧化和還原反應(yīng)，記錄工作電極上得到的電流與施加電位的關(guān)系曲線。另外，對(duì)于電流和分析物濃度之間的關(guān)系，該文獻(xiàn)采用微分脈沖伏安法(DPV)，用所制備的電化學(xué)免疫傳感器在磷酸鹽緩沖溶液中檢測(cè)不同濃度的鏈霉素標(biāo)準(zhǔn)溶液。如圖3B所示，在0.05-100 ng·mL?1范圍內(nèi)(a)，DPV的峰電流響應(yīng)與不同濃度的鏈霉素標(biāo)準(zhǔn)溶液的對(duì)數(shù)值呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系(R2= 0.997) (b)，為檢測(cè)鏈霉素的含量提供了一種良好的方法。閱讀該篇文獻(xiàn)可以拓寬學(xué)生的視野，了解該方法在科研及實(shí)際生活中的運(yùn)用。

圖3 電極逐步修飾過(guò)程中的循環(huán)伏安曲線(A)和電流與分析物濃度的關(guān)系截圖(B)

1.2 探索二：由科研課題學(xué)習(xí)儀器分析知識(shí)

儀器分析理論知識(shí)枯燥、抽象難懂、章節(jié)之間獨(dú)立不連貫，學(xué)生很難做到融會(huì)貫通；此外，一些大型儀器價(jià)格昂貴，采購(gòu)數(shù)量有限，加之學(xué)生不規(guī)范操作導(dǎo)致維護(hù)成本較高，通常這些大型儀器所涉及到的實(shí)驗(yàn)均由教師演示學(xué)生集體觀摩，不利于學(xué)生能力的提升[12]。因此，由科研課題學(xué)習(xí)儀器分析知識(shí)的探索勢(shì)在必行。

1.2.1 教學(xué)任務(wù)安排

以原子吸收光譜法的學(xué)習(xí)為例，教師講述原子吸收光譜法的基本原理、基本儀器裝置、光譜定量分析方法之后，要求學(xué)生掌握[13]：

(1) 原子吸收光譜分析法是基于元素的基態(tài)原子蒸氣對(duì)同種元素特征譜線的共振吸收來(lái)進(jìn)行定量分析的方法；

(2) 原子吸收光譜儀主要由銳線光源、原子化系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和電源同步調(diào)制系統(tǒng)五部分組成；

(3) 原子吸收光譜分析法在實(shí)際工作中干擾效應(yīng)嚴(yán)重；

(4) 原子吸收光譜定量分析方法有標(biāo)準(zhǔn)曲線法和標(biāo)準(zhǔn)加入法。

為了更加熟練地掌握這部分內(nèi)容，計(jì)劃由科研課題介入，明確具體任務(wù)如下：

任務(wù)一：認(rèn)識(shí)原子吸收分光光度計(jì)及其基本操作；

任務(wù)二：工作曲線法和標(biāo)準(zhǔn)加入法定量；

任務(wù)三：原子吸收法應(yīng)用(火焰法測(cè)定水中微量Cu)；

任務(wù)四：原子吸收分光光度計(jì)日常維護(hù)與保養(yǎng)。

1.2.2 具體實(shí)驗(yàn)示例

教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)水凝膠對(duì)Cu2+吸附的課題，讓學(xué)生自己動(dòng)手，深刻理解原子吸收分光光度計(jì)的工作原理。

該研究由學(xué)生感興趣的水凝膠入手。水凝膠近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)，它是一種由親水性高分子鏈通過(guò)化學(xué)或物理交聯(lián)形成的具有三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的典型軟、濕材料[14]。水凝膠由于其親水性、溶脹性和吸附性等特點(diǎn)在污水處理領(lǐng)域日益受到關(guān)注。重金屬?gòu)U水造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和公眾健康問(wèn)題，Cu(II)被認(rèn)為是許多工業(yè)廢水中最常見(jiàn)的重金屬污染物之一，來(lái)源于印刷電路、油漆、銅拋光、電鍍、采礦、冶煉、石油提煉、金屬清洗、化肥、電池等，含銅廢水的排放不僅會(huì)對(duì)水環(huán)境造成嚴(yán)重污染，還會(huì)對(duì)肝臟和心臟造成損害，甚至導(dǎo)致癌癥。世界衛(wèi)生組織和美國(guó)環(huán)境保護(hù)局規(guī)定，飲用水中的銅濃度分別不應(yīng)該超過(guò)1.5和1.3 mg·L?1[15]。重金屬?gòu)U水的處理方法有吸附法、化學(xué)沉淀法、離子交換法、溶劑萃取法、膜過(guò)濾法等[16]。其中吸附法[17]是重金屬?gòu)U水處理中應(yīng)用最廣泛、最簡(jiǎn)單的方法之一，其關(guān)鍵是吸附材料的選擇。目前可用于吸附水中Cu(II)的吸附劑材料[18]主要有無(wú)機(jī)吸附劑、有機(jī)吸附劑和天然改性吸附劑等，水凝膠因其吸附優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注。水凝膠的吸附機(jī)理是吸附質(zhì)與水凝膠的活性螯合官能團(tuán)相互作用的結(jié)果，為了提高對(duì)重金屬離子的吸附能力，水凝膠吸附劑通常是與各種金屬螯合官能團(tuán)共聚或接枝，與重金屬形成配位鍵。

玉米是研究較多的一種生物質(zhì)基吸附劑[19,20]原料，果膠[21]、海藻酸鈉[22]是一類(lèi)多糖類(lèi)生物材料，可以與多種二價(jià)陽(yáng)離子或小分子交聯(lián)劑發(fā)生交聯(lián)作用形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠，在環(huán)境治理技術(shù)方面有廣泛的應(yīng)用，是近年來(lái)研究較多的重金屬離子吸附材料。

基于以上材料的優(yōu)點(diǎn)，以海藻酸鈉與鈣離子進(jìn)行離子交聯(lián)形成凝膠珠作為包埋材料，再加入膨化玉米粉以及果膠，制備一種新型多孔膨化玉米復(fù)合水凝膠作為重金屬離子吸附材料，以提高其對(duì)水體中重金屬離子的吸附作用。學(xué)生制備完材料后首先會(huì)想到怎樣去考查它的吸附性能，這就涉及到了怎樣測(cè)定未知物中銅離子的濃度。所以首先進(jìn)行Cu2+溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制(圖4)，即配制一系列Cu2+的標(biāo)準(zhǔn)溶液，使用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)其吸光度，繪制出Cu2+溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線。在研究生的帶領(lǐng)下，學(xué)生可直接操作原子吸收分光光度計(jì)。在此期間進(jìn)一步了解原理、儀器結(jié)構(gòu)及操作等要點(diǎn)。

圖4 Cu2+溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線

在水凝膠對(duì)不同pH廢水中的Cu2+進(jìn)行吸附后，利用原子吸收分光光度計(jì)對(duì)廢水中剩余的重金屬含量進(jìn)行檢測(cè)。具體做法是：測(cè)出Cu2+的吸光度，并根據(jù)Cu2+的標(biāo)準(zhǔn)曲線求出Cu2+的濃度，計(jì)算水凝膠在不同pH下對(duì)Cu2+的吸附量。由表1可看出，當(dāng)pH = 5時(shí)水凝膠對(duì)Cu2+的吸附量最大。

表1 不同pH下以膨化玉米粉為原料的復(fù)合凝膠對(duì)Cu2+的吸附量

在pH = 5的條件下，以水凝膠對(duì)Cu2+進(jìn)行不同時(shí)間的吸附，水凝膠變?yōu)樗{(lán)色，溶液藍(lán)色變淺。將8種吸附后的溶液稀釋后進(jìn)行原子吸收光譜測(cè)試，得到其吸光度。根據(jù)吸光度求出不同吸附時(shí)間下水凝膠對(duì)Cu2+的吸附量，做出不同吸附時(shí)間下水凝膠對(duì)Cu2+的吸附曲線。由表2可見(jiàn)，隨著吸附時(shí)間的增長(zhǎng)，復(fù)合凝膠對(duì)Cu2+的吸附量逐漸增加，但總體變化較小。這說(shuō)明復(fù)合凝膠放入Cu2+溶液時(shí)，凝膠上的吸附位點(diǎn)就迅速被Cu2+占滿，后期隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，吸附效果增加不多。故復(fù)合凝膠能對(duì)Cu2+進(jìn)行快速吸附。

表2 不同吸附時(shí)間下以膨化玉米粉為原料的復(fù)合凝膠對(duì)Cu2+的吸附量

配制pH = 5的不同濃度的Cu2+溶液，用水凝膠對(duì)其進(jìn)行吸附，將吸附后的溶液稀釋后，采用原子吸收光譜測(cè)定Cu2+吸光度。根據(jù)吸光度求出不同Cu2+濃度下水凝膠對(duì)Cu2+的吸附量，做出不同Cu2+濃度下水凝膠對(duì)Cu2+的吸附曲線(圖5)。由圖5可以看出，隨著Cu2+溶液濃度的增大，吸附量逐漸增大，當(dāng)Cu2+溶液濃度達(dá)到600 mg·L?1時(shí)，吸附量達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖5 不同Cu2+濃度下以膨化玉米粉為原料的復(fù)合凝膠對(duì)Cu2+的吸附曲線

本實(shí)驗(yàn)利用原子吸收分光光度計(jì)對(duì)Cu2+進(jìn)行含量檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)需要消耗的成本較低、干擾少、精密度高，檢測(cè)結(jié)果較為精確，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析方法的結(jié)果大致相同。通過(guò)完成本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生將理論知識(shí)與科研實(shí)踐聯(lián)系起來(lái)，在鞏固理論知識(shí)的同時(shí)，也可以更好地理解掌握原子吸收分光光度計(jì)的原理和使用。通過(guò)由科研課題學(xué)習(xí)儀器分析知識(shí)，解決了大多數(shù)學(xué)生對(duì)知識(shí)的獲取基本依靠死記硬背、處于被動(dòng)接受，不能運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的現(xiàn)狀，一定程度上彌補(bǔ)理論課教學(xué)的不足。

2 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了現(xiàn)有儀器分析教學(xué)的現(xiàn)狀，分析了其不足之處，探討了將文獻(xiàn)分析及科研實(shí)踐融入教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)評(píng)估中的必要性和方法，通過(guò)革新儀器分析的教學(xué)方式，期望提高學(xué)生的學(xué)習(xí)及實(shí)踐能力，推動(dòng)儀器分析教學(xué)的發(fā)展。在教師的引導(dǎo)下學(xué)生一方面調(diào)研大量文獻(xiàn)，找到與儀器分析課程接軌的部分，以明確儀器分析課程在實(shí)際中的應(yīng)用；另一方面，結(jié)合科研課題，總結(jié)出以往實(shí)驗(yàn)方法存在的短板，討論并設(shè)計(jì)具有可行性的方案，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，最終確定出對(duì)目標(biāo)物合適的檢測(cè)方法。這種科研實(shí)驗(yàn)使學(xué)生受益匪淺：第一，學(xué)生帶著問(wèn)題去尋求答案，變被動(dòng)為主動(dòng)，提高了學(xué)習(xí)效率。第二，學(xué)生在科研實(shí)踐中驗(yàn)證了理論知識(shí)的正確性，調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)的興趣，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解。第三，通過(guò)遇到問(wèn)題、思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程培養(yǎng)學(xué)生優(yōu)良的科研實(shí)踐能力。第四，使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)和科研實(shí)踐有一個(gè)宏觀的把握，樹(shù)立尊重自然、愛(ài)護(hù)自然的理念。