閆曉義，馬強，魏士剛，張志權，郭玉鵬

1吉林大學化學學院，長春 130012

2吉林大學國家級化學實驗教學示范中心，長春 130012

隨著激烈的人才競爭以及專業(yè)教育向素質教育的轉變，逐步培養(yǎng)學生實驗技能的全面性、科研思維的創(chuàng)新性以及綜合實驗的連續(xù)性成為化學實驗教學的改革目標。因此，開展綜合設計性實驗項目的重要性不言而喻。大學綜合化學實驗一方面可以提升本科生對于實驗內容綜合性和技能全面性的掌握能力，另一方面更為重要是能夠使本科生建立“合成-表征-應用”的科研思維模式，逐步培養(yǎng)對于實驗思路的自主創(chuàng)新能力[1,2]。

1 本實驗的教學背景和教育價值

本校化學學院本科生通過一、二年級學習化學基礎理論課及實驗課，掌握了無機、分析、有機及物理化學實驗技能，已初步具備開展科學研究的能力。但由于各專業(yè)實驗課程不同的考查重點及較弱的關聯緊密性等特點，學生并不能全面認知自身實驗技能的應用方向，因此學生對于整體科學研究設計思路及統(tǒng)籌安排尚不清晰。綜合設計實驗課程的目的在于融會貫通各專業(yè)理論知識及實驗技能，在夯實基礎的同時循序漸進地引導學生完成創(chuàng)新實驗設計，使學生從整體上把握實驗的設計思路及規(guī)劃安排。隨著實驗的逐步深化，新的科研實驗問題也需要及時調整原有的研究方法和實驗手段，從而進一步激發(fā)學生的科學研究興趣和主觀能動性?；谝陨峡紤]，綜合實驗課程面向三年級以上本科生，包括各專業(yè)拔尖及保研直博生，本文所講實驗即是其中之一。

碳材料具有導電性強、機械強度高、比表面積大、化學穩(wěn)定性高、生物相容性良好等優(yōu)點，但其化學惰性限制了其在高性能器件領域的應用。將雜原子引入碳材料能夠優(yōu)化調控整體結構電子分布、實現表面功能化，是提升碳材料電催化性能的有效手段[3]。通過選擇和改變摻雜原子的種類和含量，可以有效地對碳材料進行改性[4,5]。不同雜原子摻雜及雜原子間的協同作用會對碳材料催化性能的提升產生不同影響。與碳原子相比，氮原子在具備相似原子半徑的基礎上多了一個核外電子。當氮原子摻雜到碳基材料時，隨著鄰近碳原子電荷密度的改變，碳基材料的親水性、反應性以及導電性亦隨之改變。在材料制備過程中，選擇不同的合成手段、不同的含氮前驅體能夠獲得多種氮摻雜碳基材料。

碳納米材料雖然一直活躍在科學研究領域，但本科生對其制備方法及應用領域等方面尚不明確，因此本實驗設計合成了難度不是很高的氮摻雜碳納米材料，并以合成材料為基礎探討其在電化學傳感器領域的應用。此實驗涉及材料合成、結構表征、應用分析等方面，將檢索文獻、實驗操作、基礎表征、條件優(yōu)化及分析測試等科研環(huán)節(jié)納入其中，充分體現了綜合實驗的教學價值。第一，本實驗能夠把理論課知識與實驗相結合，考查學生對所學知識的實際應用能力，有效加深并歸納對所學知識的理解；第二，實驗過程能夠融合各學科實驗操作技能，加強學生各學科實驗技能的關聯緊密性；第三，通過整體實驗設計、統(tǒng)籌安排、結果分析及撰寫報告等過程的鍛煉，學生能夠逐步建立完整的科學研究思維模式，充分發(fā)揮自身的自主創(chuàng)新意識和團隊協作精神。

2 實驗設計思路及組織安排

2.1 實驗設計思路

本實驗以檢測生物小分子谷胱甘肽為目標導向，設計合成氮摻雜碳納米材料為電極修飾材料，成功構筑電化學傳感器實現谷胱甘肽的分析定量檢測。為培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新能力，現提供以下設計思路供學生自由探索：(1) 制備三維氮摻雜碳納米球材料時炭黑與三聚氰胺的比例是否會對材料結構產生影響；(2) 在制備修飾電極過程中，滴涂量是否會影響電化學傳感體系的性能；(3) 不同實驗條件(pH、掃描速度、富集時間)是否會對分析檢測產生影響；(4) 進行體系抗干擾測試時，不同學生可選擇不同分子種類進行測試分析。在進行整個實驗時按照“制備合成-結構表征-分析應用”的設計思路(如表1所示)，注重各學科實驗技能綜合運用，培養(yǎng)學生的實際應用能力和自主創(chuàng)新意識。

表1 實驗設計環(huán)節(jié)與具體目標、能力訓練之間的關系

2.2 實驗組織安排

此次綜合化學實驗需要28學時完成，可以多人討論、分組進行。詳細安排如下：

(1) 1-8學時：實驗前安全教育，講述實驗內容，將學生分組，3-5人/組；根據實驗設計初步完成三維氮摻雜碳納米球的合成。

(2) 9-14學時：理解常規(guī)表征方法的原理，對所制備材料進行形貌與結構表征。

(3) 15-18學時：了解化學修飾電極的制備方法，對電極進行預處理。

(4) 19-28學時：掌握多種電化學技術及數據分析方法，完成電化學傳感器性能優(yōu)化及應用測試，并撰寫實驗報告。

3 學生實驗示例

3.1 實驗目的

(1) 了解氮原子在碳骨架中的基本構型及氮摻雜碳基材料在電化學傳感器中的應用；

(2) 掌握電化學分析的基本原理和電化學工作站的基本使用操作；

(3) 掌握掃描電子顯微鏡、電化學阻抗、X射線衍射等常規(guī)表征技術；

(4) 掌握一種快速、穩(wěn)定且高效檢測谷胱甘肽的分析方法；

(5) 熟悉使用Origin、Photoshop等數據處理、圖像編輯軟件。

3.2 實驗原理

3.2.1 碳基材料中氮原子構型

在碳骨架中，氮原子基本以下列四種構型存在：吡咯氮(pyrrolic-N)、石墨氮(graphitic-N)、吡啶氮(pyridinic-N)和氧化吡啶氮(oxidied-N)[6](圖1)。其中，石墨氮中氮原子為sp3雜化，其位置相當于取代了碳六元環(huán)中的一個碳原子；吡咯氮和吡啶氮的雜化類型均為sp2，分別位于五元環(huán)和六元環(huán)位[7]；氧化吡啶氮構型是氮原子與一個氧原子和兩個碳原子相連。需要特別注意的是，在高溫條件下，吡咯氮極易轉變?yōu)槭瓦拎さＲ虼?，氮原子構型的不同會對碳基材料的電子結構和電荷分布產生重要影響，其自身催化和導電能力也將隨之改變。然而，目前科學家對于哪種構型的催化能力最強有著不同看法。其中，有些科研人員認為吡啶氮催化性能較高[8,9]，還有部分研究者認為石墨氮擁有較強的催化活性[10,11]，與此同時也有研究人員認為這兩種氮構型的催化性能基本相同[12]。

圖1 碳基材料中氮原子的四種基本構型

3.2.2 電化學傳感器

利用電化學和分析化學的基本原理，電化學傳感器是一種可以將分析物的化學或生物響應信號(如濃度、離子活度等)轉變?yōu)榭杀粶y量的電信號(如電流、電位等)的檢測裝置[13]。依據輸出信號的不同，電化學傳感器可分為電阻型傳感器、電流型傳感器以及電位型傳感器。電化學傳感器可由用于識別待測物響應信號的信號接收器和將接收的檢測信號轉化為電學信號的轉換器兩部分構成，其示意圖如圖2所示。

圖2 電化學傳感器示意圖

谷胱甘肽(GSH)是一種生物體內常見的小分子物質，具有抗氧化和解毒的關鍵作用。谷胱甘肽在人體內的含量變化通常與某些疾病相關，因此發(fā)展快速、高效且穩(wěn)定的GSH分析檢測方法具有重要意義[14]。目前有關GSH的檢測方法包括電泳法、光譜法、色譜法以及電化學法。其中，電化學法由于其操作簡便、響應迅速及穩(wěn)定靈敏等特點受到了大量科研人員的廣泛關注。然而，由于GSH較高的過電位而無法在普通電級上進行快速靈敏檢測，因此需要研發(fā)合適的電極材料用以構筑電化學傳感器。本實驗合成的三維氮摻雜碳納米球(3D-N-CB)材料作為一種電極修飾材料，其中摻雜的氮原子能夠誘導產生電化學活性位點，改變碳骨架的電荷分布并且提升整體電子傳輸速率，有效降低GSH的過電位并提升電催化響應信號。

3.3 實驗用品

試劑：三聚氰胺從光復試劑有限公司購買。炭黑，磷酸氫二鈉(Na2HPO4)，磷酸二氫鉀(KH2PO4)，谷胱甘肽購于北京化工廠。本實驗中用到的試劑和藥品都是分析純。合成及配制過程中用水均為超純水。0.1 mol·L?1的磷酸緩沖溶液(PBS)由Na2HPO4和KH2PO4配制。

儀器：管式爐(KSGD-6.3-16C，上海意豐)，掃描電子顯微鏡(SEM，FEI Nova Nano，US)，X射線衍射(XRD，D/Max2550 VB，CuKα射線，JPN)，拉曼光譜(Renishaw inVia, UK)，電化學工作站(上海辰華，920C)。

3.4 實驗步驟

3.4.1 3D-N-CB的制備

首先，將150 mg炭黑(CB)和3 g三聚氰胺分散在20 mL乙醇/水(1 : 1，V:V)中，攪拌1.5 h后超聲處理20 min得到均勻分散液。然后，在60 °C下將上述分散液干燥可得固體粉末，充分研磨后置于管式爐中。在N2的氛圍下升溫至600 °C并保持2 h，隨后繼續(xù)升溫至900 °C保持2 h，設定加熱速率為3 °C·min?1。最后，將產物自然冷卻至室溫后，得到樣品3D-N-CB。此外，我們在相同條件下直接熱解炭黑得到對照樣品并記為CB-900。

3.4.2 修飾電極的制備

首先，分別使用粒徑大小為0.3和0.5 μm的Al2O3粉末對裸玻碳電極(GCE)進行拋光處理，接下來依次使用1 : 1硝酸/水、乙醇和水超聲清洗GCE 1 min，用N2吹干待用。將樣品3D-N-CB用超純水配制成1 mg·mL?1的分散液，使用移液器取10 μL均勻滴涂在GCE表面，置于干燥器中得到3D-N-CB/GCE。作為對照試驗，用同樣方法制備1 mg·mL?1CB-900的分散液，取10 μL均勻滴涂在GCE得到CB-900/GCE。

3.5 結果與討論

3.5.1 材料表征

運用掃描電子顯微鏡對制備樣品3D-N-CB進行微觀形貌表征。通過圖3可以清晰地看出，3D-N-CB呈現三維多層球狀結構，納米球直徑尺寸大約為80 nm。該三維球狀結構能夠提供更大的比表面積以及更多的化學活性位點，在碳基材料提升電子傳輸效率的基礎上為接下來GSH在電極表面的催化氧化過程提供幫助。

圖3 3D-N-CB的掃描電鏡圖

采用XRD和拉曼光譜對3D-N-CB和CB-900樣品結構進行表征分析。如圖4a所示，兩種熱解所得樣品均在26°顯現出無定形碳衍射峰[15]，43.5°的弱衍生峰對應于碳(101)晶面。與CB-900樣品相比，3D-N-CB在26°處衍射峰的強度更大表明其具有較高的石墨化程度。此外，通過拉曼光譜圖4b可以觀察到，樣品均表現出兩個吸收峰，1350 cm?1處的D帶以及1569 cm?1處的G帶。D帶和G帶的強度比值(ID/IG)表征了材料的石墨化和缺陷程度[16]。與CB-900相比，3D-N-CB具有較高的ID/IG值，說明N原子摻雜能夠誘導碳層產生更多的邊緣和結構缺陷，與XRD檢測結果一致。

圖4 3D-N-CB和CB-900的XRD和拉曼表征圖

3.5.2 GSH在修飾電極上的電化學行為

圖5采用CV法探究了5 mmol·L?1GSH在GCE、CB-900/GCE以及3D-N-CB/GCE上的電化學行為。由圖5可清楚地看出，GCE對于5 mmol·L?1GSH產生的催化電流極低。與之相比，CB/GCE對GSH有一定的催化效果，其氧化峰電流明顯提高。值得注意的是，3D-N-CB/GCE能夠催化GSH產生更為顯著的氧化峰電流，其電流值約為CB-900/GCE的2倍，表明N摻雜到碳骨架中會顯著提高樣品對GSH的電催化活性。此外，我們可以注意到，CB-900/GCE和3D-N-CB/GCE所產生的背景電流很大，證實了碳材料能夠有效地提升修飾電極的比表面積，從而增大與待測物接觸面積和增多催化活性位點。

圖5 5 mmol·L?1 GSH在不同修飾電極上電化學行為

3.5.3 pH和掃描速度的影響

我們首先利用CV法探究了底液pH對催化過程的影響。由圖6a可知，隨著pH從6增加到9，GSH氧化峰電流先增加后降低，在pH為7.4時獲得最大的響應電流。圖6b顯示了峰電位與pH的線性關系，隨著pH的增加峰電位(Epa)向負方向移動，表明該反應催化氧化過程中有質子參與[17]。其線性回歸方程可表示為Epa= ?0.04475 pH + 0.8778 (R2= 0.9957)。

此外，我們用CV法研究了掃描速度對GSH在3D-N-CB/GCE催化的影響，結果如圖6c所示。隨著掃描速度的增加，GSH氧化峰電流(Ipa)也不斷增加，其線性回歸方程可表示為Ipa= 0.7080v1/2+ 6.317(R2= 0.9907) (圖6d)。Ipa與v1/2成正比，表明GSH在3D-N-CB/GCE上的催化反應是由擴散過程控制的[18]。

圖6 pH和掃描速度對于GSH在3D-N-CB/GCE上催化過程的影響

3.5.4 3D-N-CB/GCE的傳感性能

為獲得最佳的測量電位，我們首先采用計時安培法研究了不同電壓對GSH測定的影響。如圖7所示，在完成GSH進樣后，3D-N-CB/GCE能夠快速產生電化學響應電流并在短時間內達到穩(wěn)態(tài)。在0.55 V獲得最大響應電流，因此確定0.55 V為最佳測量電位。

圖7 計時安培法探究測定電壓GSH催化電流的影響

在最優(yōu)實驗條件下，采用計時安培法探究3D-N-CB/GCE的電化學傳感性能。由圖8a可知，3D-N-CB/GCE對GSH的催化響應快速并在4 s內達到穩(wěn)態(tài)，表明了3D-N-CB材料優(yōu)異的電催化性能。由圖8b可知，GSH濃度在0.04-470 μmol·L?1和470-13470 μmol·L?1范圍內變化時，氧化電流響應呈線性變化，線性回歸方程可分別表示為Ipa(μA) = 0.009950C(μmol·L?1) + 0.08016 (R2= 0.9947)和Ipa(μA) = 0.02060C(μmol·L?1) + 4.671 (R2= 0.9898)，檢出限為9 nmol·L?1(S/N= 3)。

圖8 (a) GSH在3D-N-CB/GCE上的計時安培曲線以及(b) 響應電流與GSH濃度關系曲線

3.5.5 3D-N-CB/GCE的重現性、穩(wěn)定性和選擇性

為考查3D-N-CB/GCE的重現性，我們用同一根修飾電極對GSH進行10次平行測定，其電流的相對標準偏差(RSD)是3.65%，表明3D-N-CB/GCE具有優(yōu)異的重現性。此外，我們通過將修飾電極放置一周后測定電流值考查其穩(wěn)定性，結果表明3D-N-CB/GCE的電流響應是其原始值的91%，說明3D-N-CB/GCE具有良好的穩(wěn)定性。最后，采用計時安培法考查了干擾物對GSH測定的影響。結果表明，10倍的和H2PO4?以及2倍濃度的葡萄糖、果糖、蛋氨酸、丙氨酸、L-脯氨酸和賴氨酸加入后，GSH的電流值基本保持不變，說明3D-N-CB/GCE具有令人滿意的抗干擾能力。

4 實驗難點及注意事項

通過本次綜合設計實驗，學生們能夠逐步形成合成-表征-應用的科研邏輯思維模式，有效提升學生的基礎實驗操作技能及獨立分析解決問題能力，從整體上把握實驗的設計思路，現將該實驗難點及注意事項分析如下：

(1) 理論方面：① 如何使學生準確理解電化學三電極體系的工作原理及各種分析測試方法；② 氮原子四種基本構型及其催化性能介紹。

(2) 實驗操作方面：① 對于玻碳電極的拋光處理需要仔細教學，否則極易損壞電極；② 由于大型儀器設備的價值較高，其使用教學需由專業(yè)人員進行培訓；③ 如何選擇適合的底液緩沖溶液；④ 每次進行電化學檢測前需要在底液中進行一定時間的富集。

(3) 數據處理方面：① 難點在于不同表征手段數據的有效分析(SEM、XRD、拉曼光譜)，查詢對應的特征峰；② 電化學數據方面需要根據不同分析方法進行數據分析。

5 實際教學及效果分析

5.1 實際教學學時安排

實驗實際教學學時安排與設計學時安排相比略有改動(共計28學時)。其中安全教育用時2學時；搜集閱讀文獻及初步設計合成三維氮摻雜碳納米球用時8學時；運用大型儀器對制備材料進行表征4學時；構筑修飾電極1學時；多種電化學手段測試分析共用時8學時(CV比較1學時、條件優(yōu)化2學時、線性分析3學時、其他測試2學時)；數據分析處理及實驗報告撰寫用時5學時。

5.2 分層教學方法

在實際教學中，指導教師可以對不同年級及不同基礎層次的學生進行分組輔導、因材施教。例如，對于大三年級學生，指導教師可給出詳細的實驗方案，按步驟手把手教學，使學生在充分理解實驗整體思路的基礎上提高自身的實驗技能；對于學科拔尖或者保研直博學生，指導教師可以在課題方向不變的基礎上讓學生自主設計更為細化的實驗方案，從而使學生在保持各自優(yōu)勢的同時互相促進和提高，從各個方面提升學生的綜合素質能力。

關注學生水平差異，對動手能力和創(chuàng)新思維差異大的學生，提供針對性分組輔導，運用分層教學因人而異，因材施教。對低年級學生手把手教學、中年級學生通過指導書和示教板自主實驗、高年級學生自行設計實驗項目的分層教學模式，使學生保持各自特長的同時又能相互促進和提高，使學生個性化技能在通識化教育中得到全面提升。同時通過開展大量綜合性設計性實驗來提高學生的綜合素質能力，充分調動學生學習的主動性和勇于開拓的創(chuàng)新意識。

5.3 教學效果分析

本實驗已經正式實施兩年，學生反響非常好，其教學效果可總結為以下幾個方面：

(1) 該實驗涉及三維氮摻雜碳納米球的制備、結構與形貌表征以及其在電化學傳感器方向的應用，能夠讓本科生對科研工作有正確的認識，初步建立“制備合成-結構表征-分析應用”的科研邏輯思維模式。

(2) 通過本實驗的訓練，本科生的文獻查閱及自主學習能力顯著提高；此外，該實驗從產物合成以及分析應用等實驗步驟都能顯著提升本科生的實驗操作技能及分析解決實際問題的能力。

(3) 分組模式能夠有效促進學生之間的團隊協作能力，多人討論的方式更能提升每個學生的實驗參與度，博采眾長、全面優(yōu)化實驗方案；分層教學的特點能讓不同基礎的學生適應實驗強度，逐步培養(yǎng)自身的自主創(chuàng)新能力。

(4) 實驗中涉及管式爐、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀及拉曼光譜儀等大型設備儀器，能夠使學生產生濃厚學習興趣的同時掌握多種大型儀器的使用，為以后畢業(yè)論文及科研工作打下良好的基礎。

6 結語

本實驗介紹了一種新型谷胱甘肽的電分析檢測方法，實驗內容涉及材料制備、結構表征以及測試分析，能夠從實驗設計、科研思維以及操作技能等方面激發(fā)學生的科研興趣，充分調動學生的學習主動性和勇于開拓的創(chuàng)新意識，有利于培養(yǎng)化學及材料相關專業(yè)學生的綜合應用能力。根據此綜合設計實驗取得的教學效果，我們正在遴選和凝練新的綜合創(chuàng)新實驗項目，進一步拓展學生的科研思路，提升學生的自主創(chuàng)新能力和解決實際問題能力。