化學工程專業火焰原子吸收實驗教學改革

周 智，粟一峰，熊遠福，，周 南

(1.湖南農業大學 理學院，湖南 長沙 410128；2.湖南農業大學 資源與環境學院，湖南 長沙 410128)

原子吸收有火焰原子吸收及石墨爐原子吸收兩種。廣泛用于痕量元素的檢測。是目前在環境污染治理方面的經典設備，對于重金屬的測定具有重要意義[1-2]。該儀器具價格低廉、靈敏度高、測試數據穩定等特點，是多數高校實驗室配備的儀器。原子吸收的教學部分是培養學生實踐能力、分析問題能力不可或缺的環節。而當前，雖然學校在該儀器的主要教學方式是課堂教授與實際操作相結合的方式，但是存在過于強調理論，課堂知識灌輸多，而實際操作較少的缺點。大多數學生限于按儀器操作規程逐步進行，缺乏對突發問題的分析處理能力。

針對教學環節中的問題，本文將土壤中重金屬鎘的檢測引入到教學環節中，土壤鎘污染治理是環境污染治理的研究熱點，鎘在土壤中的遷移性很強，通過作物吸收后進入食物鏈，在人體內累積，對人的健康產生危害[3]。因為學院經常會有土壤鎘濃度的研究性檢測，故試樣的獲取容易，能夠為教學提供便利。以下從兩個方面展開教學：一是標準曲線建立不規范操作；二是制備好的試樣經過長時間靜置后的數據差異。

1 儀器原理及目的要求

1.1 儀器原理

檢測目標元素的基態原子產生共振輻射，通過吸收程度的差異，對樣品中元素的濃度進行定量分析[4]。

1.2 目的要求

(1)掌握標準曲線的繪制，理解“零點”的實際意義；

(2)掌握樣品預處理的方法；

(3)學會分析測試過程中出現的問題。

2 儀器與樣品準備

2.1 鎘標準溶液配制

用硝酸(上海沃凱 AR)，去離子水配制濃度為0.2 mg/L、0.5 mg/L、0.8 mg/L、1.1 mg/L、1.4 mg/L梯度的鎘溶液(CdCl2·2.5H2O 上海沃凱 AR)，標準曲線繪制時使用。

2.2 儀器

原子吸收光譜儀(北京普析 A3)，鎘空心陰極燈(北京普析)，電子天平(梅特勒托利多 AL204)， 鎘污染土壤取自湖南農業大學校園紅壤，CdCl2·2.5H2O用去離子水溶解后，加入到土壤中，污染濃度為76.2mg/kg，穩定3周。天平稱取2g后至于50mL離心管中。按Tessier五步法提取進行提取[5]。樣品提前兩周制備，靜置至課程教學時使用。

3 實驗步驟

3.1 標準曲線繪制

開機后按操作規程設置好儀器參數后先不取"零點"作為標曲的參數點，得出擬合曲線的R2=0.9756后，對Tessier提取法第二步提取樣品振蕩后進行檢測，記錄數據后，選取“零點”作為標曲的參數點，得出擬合曲線的R2=0.9973后，對同一組樣品再次進行測試，記錄數據。兩次測量后所得數據如表1(1#、2#、3#為平行樣)。

表1 不同標曲繪制條件下原子吸收檢測鎘的結果

3.2 試樣靜置檢測

基于前一步檢測后，在R2=0.9973的擬合值檢測Tessier提取法第一步提取樣品未經振蕩后檢測，記錄數據，再經振蕩后檢測，記錄數據。兩次檢測后數據如表2(4#、5#、6#為平行樣)。

表2 靜置兩周樣品直接檢測與振蕩后檢測結果

4 組織學生進行討論

實驗測試結束后，組織學生對以下幾方面進行討論并按照所涉及到的內容進行考核：

4.1 零點

由于原子吸收光譜儀集中了光學、機械、電子以及計算機等領域的技術，要合理正確的使用好該儀器并不容易，李昌厚[6]根據多年儀器使用經驗，總結了影響原子吸收光譜儀的因素多達36個以上。其中包括數據處理。通常，原子吸收有兩個零點：“儀器零點”與“空白零點”。“空白零點"即本實驗的“零點”也稱作“分析零點”，是空白溶液對儀器進行的設置。主要的目的是為了對儀器確定測試的基線水平，如果情況理想的條件下，”零點“標準溶液不含有分析物質，吸收為零。但是，配置空白溶液與制備其它濃度標準試樣溶液相同條件下，所以空白樣含有制備其它標準試樣溶液的全部試劑，比如說本實驗采用的硝酸。這些試劑不可避免的含有痕量分析成分，從而原子吸收會對空白樣品產生相應的一個吸收值，對于靈敏度高的儀器，該吸收值在后續的檢測中為了不影響測試結果的精確度，應予以扣除。在實際的分析檢測過程中，“空白零點”必須要重新設置，否則會引起分析結果的誤差，如本實驗過程中所產生的誤差，另外，也應注意到，有些采用原子吸收進行分析的實驗中直接采用"去離子水"作為空白標準樣品的做法是不正確的。

4.2 標準曲線

采用標準曲線進行定量是很多儀器采用的一種相對分析方法，即實驗過程中稱為校正曲線。原子吸收光譜分析也采用此方法。這是因為，一般來說，待檢測的目標元素的含量，不能直接通過對信號的分析而得出元素的含量，需要借助數學方法，計算出信號與元素含量之間的關系，標準曲線即基于此原理而建立起來的，一般據朗伯-比爾定律校正，按下式計算：

A=KC

式中：A——待測元素吸光度；

C——待測元素的濃度。

在樣品進行檢測前，配制一系列不同濃度的標準溶液，按低到高依次測定，獲得吸光度，根據公式，算出K值，繪制吸光度-濃度曲線。

校準曲線的質量直接影響校準效果和樣品測定結果的準確度。據待測元素濃度，掌握標準溶液濃度范圍非常重要。結合數理統計的相關知識，按照最小二乘法的原理，盡可能讓實驗檢測樣品濃度分布于校準曲線周圍，所獲得結果的偏差最小。從另外一個角度來看，按照數據的可靠度出發，校準曲線的中間部分的準確度要高于兩端。如本次實驗中的兩個實驗，實際樣品的濃度位于0～0.2 mg/L、1.1～1.4 mg/L的濃度范圍，處于曲線兩端的范圍，其精度與準確度可能要差于0.5～1.1 mg/L的范圍。再者，原子吸收的分析過程是動態的，其檢測值如前所述，影響因素很多，這些可能的影響因素可能會引起標準曲線的移動。在實際實驗中，可以提前將標準樣品的濃度配置的較寬，檢測過程中如果遇到樣品濃度超出標準曲線范圍的，可及時進行新的標準樣品增補，并且將原來的與后續補充的標準樣品進行曲線合并，當然，這里還需要補充的是，在同一次開機條件下進行，以避免開關機過程中，儀器本身器件的不穩定產生影響，保證試樣檢測的準確度。

4.3 離心管對Cd離子的吸附

金惠玉等[8]研究了玻璃容器與塑料容器對不同金屬離子的吸附，由于本實驗的離心管為聚乙烯材料，根據研究，金屬離子濃度在塑料容器中，初期(約1～8天)，吸附變化明顯，溶液濃度變化快，隨著時間的延長，大約第8天開始，鎘離子的吸附速度逐漸變慢，趨于平衡。本次實驗，由于制備的樣品提前兩周，超過8天，達到吸附平衡，測試濃度降低，原因在于靜置過程中，鎘離子在離心管壁發生了吸附效應。振蕩過程，有助于鎘離子進行解吸，因此振蕩后的檢測濃度大于振蕩前的濃度。影響吸附的因素有：酸度、濃度、溫度。其中，酸度和濃度不能改變，因此，在實際的實驗過程中，通常將制備好的樣品冷藏，因為容器內壁上發生的金屬離子吸附為吸熱反應[9-10]。

5 結束語

隨著原子吸收光譜儀在實際的科研中應用越來越廣泛，該儀器在教學中也日益重要，通過實驗課程內容的優化與改進，得出教學過程中的一些啟示：

首先，將實際生活中的熱點話題與儀器使用結合起來，本實驗中所檢測的土壤污染中鎘元素與日常息息相關，選擇該元素相關的研究作為教學內容，易于引發學生積極性，激發主觀能動性，能夠使學生對實驗的內容進行進一步探索和思考，提高學生獨立思考問題的能力。

其次，把經典的科學研究方法引入到教學中來，以科研促教學，達到學習和研究共同發展的目的，能夠節省學校資源，有益于改善之前的按部就班，千遍一律的教學方式，提高了課程的生動性。使學生在興趣的推動下，深入學習理論知識，掌握儀器操作規范，加深印象。但是實驗室的規章制度，尤其是“安全第一”的理念絕對不能忽視。