基于創新能力培養的探索型分析科學實驗的設計

宋紅杰, 郭彩紅, 熊 慶, 鄧冬艷, 呂 弋

(四川大學 化學學院， 四川 成都 610065)

基于創新能力培養的探索型分析科學實驗的設計

宋紅杰, 郭彩紅, 熊 慶, 鄧冬艷, 呂 弋

(四川大學 化學學院， 四川 成都 610065)

為了滿足分析科學實驗教學和學生創新能力培養的需要，以科研課題為基礎設計了一項題為“基于氮化碳量子點化學發光法測定多巴胺”的探索型實驗，此實驗涉及多個基礎理論知識,實驗現象穩定、重復性好，適用于分析科學的實驗教學。相對于分析科學實驗課程中基礎性實驗來說，該實驗體現了多學科相互滲透與交叉，適合在學生完成基礎性實驗后開展，從而加強學生科學素養與創新意識的培養。同時，該實驗涵蓋較多可供學生自主設計與探索的實驗內容，可用于開放式實驗教學中，提高學生的創新、研究與實踐能力。

創新能力; 探索型實驗; 化學發光; 氮化碳量子點; 多巴胺

實驗教學作為高等教育中的重要實踐教學環節,是培養學生創新能力、實踐能力和綜合素質的重要教學手段[1-2]。為了更好地貫徹落實“四川大學創新創業教育改革行動計劃”(川大教〔2016〕1號),推動國家雙創示范基地建設,充分利用國家級、省級實驗教學示范中心和校級基礎實驗中心的有利條件,建設一批綜合性、設計型實驗課程和創新創業探索型實驗課程,提高學生實踐動手能力和創新創業能力,學校啟動了四川大學實驗課程教學改革項目。筆者積極參與了該教學改革項目,將科研工作與實驗教學相結合,在實驗教學內容與教學方式改革方面做了諸多嘗試。本文以科研課題為基礎設計了一項題為“基于氮化碳量子點化學發光法測定多巴胺”的探索型實驗,該實驗把部分具有創新性與實驗教學可行性的科研成果植入到化學實驗教學中,實驗內容涵蓋了多個學科的交叉與滲透,有利于培養學生的創新意識、探索精神和科學素養。

1 設計背景與意義

分析科學實驗是我校化學基礎教學中心針對化學專業基地班、拔尖實驗班和吳玉章學院學生開設的一門創新實驗課程。課程定位是在強化基本實驗技能的基礎上著重培養學生的研究和創新能力,提高學生的綜合素質,課程內容要按照基礎性—綜合設計性—研究探索性3個層次進行設計和推進。在課程實施和實驗教學改革的活動中,將實驗教學與科研工作相結合,嘗試設計了涉及學科前沿的綜合創新型教學實驗項目[3-4],并將科研的思維方法和技能融入到實驗教學中,注重實驗教學的探索性、研究性和設計性,顯著提高了學生學習主動性、研究能力、創新能力和綜合素質。

某一化學反應產生電子激發態產物,當其返回基態時發出光的現象稱為化學發光。基于這一現象進行分析的方法稱為化學發光法(chemiluminescence, CL),該方法在環境監測、藥物分析、生物分析等領域有廣泛的應用[5-7]。目前,我校分析科學實驗課程中涉及化學發光法的內容只有“流動注射化學發光法測定抗壞血酸”這一基礎性實驗項目。為滿足實驗教學及教改的需要,開發與設計基于化學發光法的綜合設計型和研究探索型實驗勢在必行。近年來,氮化碳量子點(g-CNQDs)作為一種新穎的類石墨烯二維納米材料由于其優異的性質引起了廣泛的關注和研究興趣[8-11]。然而,化學實驗教學中幾乎沒有涉及該部分研究內容的實驗項目。為此,我們將此部分研究內容植入到分析科學實驗的教學活動中,探究基于氮化碳量子點的化學發光分析法,并轉化為一個研究探索型教學實驗。該實驗將涉及科學前沿并具有潛在的應用價值,開拓了學生視野,增加實驗過程的探索性和挑戰性,使得整個教學過程充滿科學探究的樂趣。

2 實驗設計

2.1 實驗目的

(1)了解氮化碳量子點的制備方法及表征技術；

(2)掌握化學發光分析法原理；

(3)了解化學發光儀的結構和工作原理。

2.2 實驗原理

堿性條件下,氮化碳量子點與鐵氰化鉀K3[Fe(CN)6]溶液產生非常強的化學發光現象,其發光機理是:作為氧化劑向g-CNQDs注入空穴產生g-CNQDs·+,因此增加g-CNQDs的空穴并加速電子-空穴對湮滅,以化學發光的形式釋放能量。化學發光過程可以用下列反應過程進行描述[12]:

K3[Fe(CN)6] + g-CNQDs →

K4[Fe(CN)6] + g-CNQDs·+

(1)

g-CNQDs·++ e → g-CNQDs*

(2)

g-CNQDs* → g-CNQDs + hν (λmax= 550 nm)

(3)

由于多巴胺對K3[Fe(CN)6] 和g-CNQDs的反應有競爭作用,從而抑制該體系的化學發光,基于這一現象,構建基于氮化碳量子點的流動注射化學發光分析方法,并用于檢測多巴胺。

2.3 實驗試劑與儀器

2.3.1 實驗試劑與原料

三聚氰胺、鐵氰化鉀、乙二胺四乙酸二鈉(EDTA)、磷酸二氫鈉(NaH2PO4·2H2O)、磷酸氫二鈉(Na2HPO4·7H2O)、氫氧化鈉、鹽酸購于成都科龍化學試劑有限公司；多巴胺、人血清蛋白、尿酸、葡萄糖等購于北京萊寶生物科技有限公司；實驗用水來自優普超純水系統純化制得的超純水(電阻率為18.24 MΩ/cm)。

2.3.2 實驗儀器

箱式電阻爐(SX-12-10,中興偉業)、離心機(H1850,湘儀)、紫外分光光度計(U-2910,Hitachi)、透射電鏡(G2F20 S-TWIN,Tecnai)、熒光光譜儀(F-4600,Hitachi)、超微弱化學/生物發光檢測儀(RFL-1,瑞邁)。

2.4 實驗內容

2.4.1 g-CNQDs的制備

通過一步固相低溫熱解三聚氰胺和乙二胺四乙酸二鈉(EDTA)制備高熒光效率的氮化碳量子點。具體方法：0.25 g三聚氰胺與0.5 g EDTA混合研磨成均勻的粉末,將粉末放入氧化鋁坩堝中，然后置于電阻爐中，在350°C的條件下灼燒1 h,室溫冷卻;用大量超純水對產物進行多次離心洗滌(離心機轉速10 000 r/min),除去較大的顆粒物以及未反應完全的物質；將得到的g-CNQDs用100 mL超純水重新分散,避光4 ℃保存備用。

2.4.2 g-CNQDs尺寸與光譜特性的研究

g-CNQDs尺寸的表征:將g-CNQDs分散液稀釋后滴于銅網碳支持膜上,并置于紅外燈下烘干,然后在高分辨透射電子顯微鏡上進行表征,得到g-CNQDs的形貌及尺寸分布信息。

g-CNQDs的紫外可見吸收光譜(UV-vis)特性:利用紫外可見分光光度計上對g-CNQDs分散液在200～700 nm波長范圍內進行掃描,得到最大吸收波長。

g-CNQDs的熒光光譜(FL)特性:在熒光分光光度計上考察g-CNQDs尺寸與熒光光譜、熒光強度的關系,考察激發波長變化對g-CNQDs發射光譜的影響。研究表明g-CNQDs類似于碳納米點和石墨烯量子點,發光波長具有激發波長依賴性。

2.4.3 化學發光法測定多巴胺

(1) g-CNQDs-K3[Fe(CN)6]體系的化學發光 。在發光儀上采用靜態注射的方式考察g-CNQDs-K3[Fe(CN)6]體系的化學發光現象。向2 mL的石英比色池中加入100 μL g-CNQDs分散液,同時采集該溶液的基礎發光信號(積分參數:0.1 s；光電倍增管負高壓:-800 V),用微量注射器從探測器上端小孔口快速加入100 μL 含K3[Fe(CN)6]的0.1 mol/L PBS緩沖溶液(K3[Fe(CN)6]的濃度是5μmol/L),采集混合溶液體系的發光圖譜。在上述混合體系中用微量注射器加入100μL多巴胺溶液,采集抑制后的發光圖譜。初步研究表明混合溶液體系在加入多巴胺前后的發光強度差(ΔI)與多巴胺的濃度有一定的相關性,因此,g-CNQDs-K3[Fe(CN)6]化學發光體系可用于檢測多巴胺。

考察g-CNQDs和K3[Fe(CN)6]的濃度、緩沖溶液的種類和pH值對該體系化學發光強度和信噪比的影響,選擇用于測定多巴胺的化學發光體系中合適的g-CNQDs、K3[Fe(CN)6]的濃度和緩沖溶液pH值。

(2) 流動注射CL測定多巴胺及標準曲線的繪制。在發光儀上采用流動注射化學發光法測定多巴胺,含K3[Fe(CN)6]的PBS緩沖溶液、g-CNQDs分散液和多巴胺溶液通過3個流路載入,分別由主泵和副泵控制流速,通過六通閥控制進樣量,不同溶液在光窗上面的石英盤管里混合并產生化學發光,被光電倍增管采集并記錄發光圖譜。不斷改變儀器參數,獲得較好的測試條件。g-CNQDs、K3[Fe(CN)6]的濃度和緩沖溶液的pH值等實驗條件按照(1)中選定的結果執行。將多巴胺溶液進行替換,濃度從0增加到200 μmol/L,在相同的儀器條件下測定不同濃度時混合體系的化學發光強度,當多巴胺濃度為0時,混合體系的化學發光強度記為I0,某濃度條件下,混合體系的化學發光強度記為I,ΔI=I―I0,分別以ΔI和多巴胺濃度為縱、橫坐標作圖,得到標準曲線、線性方程和相關系數,并計算該方法的檢出限。

(3) 選擇性。在實際樣品的檢測中,來自樣品內的其他物質的干擾通常比較嚴重。因此,生物小分子探針除了要求高靈敏度外,選擇性也是一個重要指標。按照(2)所述的實驗方法,選取常見的生物小分子(包括人血清蛋白、尿酸、葡萄糖和一些氨基酸等)為干擾物質,加入到多巴胺溶液中,然后進行流動注射發光分析,考察g-CNQDs-K3[Fe(CN)6]化學發光體系檢測多巴胺的選擇性。

(4) 樣品測定。按照(2)所述的實驗方法,其中多巴胺溶液由實際樣品溶液(經處理后血清樣品或尿液)替換,測定體系的發光強度,根據標準曲線計算出樣品中多巴胺的含量(μmol/L),必要時進行加標回收實驗。

3 結語

本實驗教學首先對學生進行有關新型碳質材料制備與表征方面的知識與技能教學；其次根據這種新型發光材料,又設計了新型化學發光體系用于檢測多巴胺,有利于學生在分析方法上進行創新。該實驗已在本科化學創新實驗教學中順利實施并獲得好評。在教學實踐中,學生參與其中進行自主設計實驗內容,在探索氮化碳量子點制備方法、發光特性研究、探針設計和檢測對象方面做了諸多嘗試,激發了學生對科學研究的興趣,增強了教學實驗的趣味性,提高了化學實驗教學的質量,培養了學生的創新能力和綜合素質。

References)

[1] 楊期勇.新建本科院校化學實驗室建設的探索與實踐[J].實驗技術與管理,2012, 29(10):193-196.

[2] 李和平,龔波林,劉萬毅.深化實驗教學改革 強化技能型人才培養[J].實驗技術與管理, 2013, 30(2):159-161.

[3] 宋紅杰, 張立春, 呂弋. 大學化學綜合設計實驗教學的探索[J]. 實驗技術與管理, 2015, 32(7):197-201.

[4] 宋紅杰, 張立春, 呂弋. 研究型綜合化學教學實驗的探索[J]. 實驗室研究與探索, 2017, 36(2):173-176.

[5] Su Y Y, Xie Y N, Hou X D, et al. Recent advances in analytical applications of nanomaterials in liquid-phase chemiluminescence[J]. Applied spectroscopy reviews, 2014, 49(3):201-232.

[6] Siraj N, El-Zahab B, Hamdan S, et al. Fluorescence, Phosphorescence, and Chemiluminescence[J]. Analytical Chemistry, 2016, 88(1):170-202.

[7] Huang X Y, Ren J C. Nanomaterial-based chemiluminescence resonance energy transfer: A strategy to develop new analytical methods[J]. Trends in Analytical Chemistry, 2012, 40: 77-89.

[8] Tang Y R, Su Y Y, Yang N, et al. Carbon nitride quantum dots: a novel chemiluminescence system for selective detection of free chlorine in water[J]. Analytical Chemistry, 2014, 86(9):4528-4535.

[9] Barman S, Sadhukhan M. Facile bulk production of highly blue fluorescent graphitic carbon nitride quantum dots and their application as highly selective and sensitive sensors for the detection of mercuric and iodide ions in aqueous media[J]. Journal of Materials Chemistry, 2012, 22(41):21832-21837.

[10] Lu Y C, Chen J, Wang A J, et al. Facile synthesis of oxygen and sulfur co-doped graphitic carbon nitride fluorescent quantum dots and their application for mercury(II) detection and bioimaging[J]. Journal of Materials Chemistry C: Materials for optical and electronic devices, 2015, 3(1):73-78.

[11] Cui Q L, Xu J S, Wang X Y, et al. Phenyl-modified carbon nitride auantum dots with distinct photoluminescence behavior[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2016, 55(11):3672 -3676.

[12] Fan X Q, Feng Y, Su Y Y, et al. A green solid-phase method for preparation of carbon nitride quantumdots and their applications in chemiluminescent dopamine sensing[J]. RSC Advances, 2015, 5(68):55158-55164.

Design of exploratory and analytical scientific experiment based on cultivation of innovation ability

Song Hongjie, Guo Caihong, Xiong Qing, Deng Dongyan, Lü Yi

(College of Chemistry, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

In order to meet the needs of the analytical scientific experimental teaching and the cultivation of the students' innovation ability, an exploratory experiment named “Determination of dopamine by chemiluminescence method based on carbon nitride quantum dots” is designed on the basis of the research project. This experiment involves a lot of basic theoretical knowledge, the experiment phenomenon is stable and the repetition is good, which reflects the necessity and the feasibility for the experimental teaching. Compared with the fundamental experiments in the Analytical Scientific Experiment course, this experiment embodies the multi-disciplinary penetration and intersection, which is suitable for students to finish the basic experiments and is helpful to enhance the cultivation of the students' scientific literacy and innovation awareness. Meanwhile, this experiment covers many experimental contents for students to design and explore independently, which can be used in open experimental teaching to improve their innovation, research and practical ability.

innovation ability; exploratory experiment; chemiluminescence; carbon nitride quantum dots; dopamine

G642.0;G642.423

: A

: 1002-4956(2017)09-0020-03

2017-02-25修改日期:2017-04-05

國家自然科學基金項目(21405107，21505095)；四川大學實驗課程教學改革項目 (2016-41)

宋紅杰(1981—)，女，河南漯河，博士，實驗師，主要從事分析化學實驗教學工作和基于納米材料的發光分析方面的研究.

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.006