基于科教融合的化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與設(shè)計(jì)

曹江平，邸宏偉，趙文霞，張 萍，郭敏慧，丁 煒，屈娟娟

(寧夏師范學(xué)院 a. 化學(xué)化工學(xué)院; b. 六盤山資源工程技術(shù)研究中心， 寧夏 固原 756000)

0 引 言

化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)是一門教師引導(dǎo)、學(xué)生自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)課程，是在教育部《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見(jiàn)》中“增加綜合性與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)大學(xué)生了解多種學(xué)術(shù)觀點(diǎn)并開展討論，追蹤本學(xué)科領(lǐng)域最新進(jìn)展，提高自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立研究的能力。要讓大學(xué)生通過(guò)參與教師科學(xué)研究項(xiàng)目或自主確定選題開展研究等多種形式，進(jìn)行初步的探索性研究工作”的號(hào)召下，并為適應(yīng)社會(huì)對(duì)專業(yè)人才的實(shí)際需求，在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，學(xué)生掌握了基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法后，開設(shè)的綜合型、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)課程，旨在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力，分析、設(shè)計(jì)和解決問(wèn)題等綜合素質(zhì)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生“高分高能”的培養(yǎng)目標(biāo)和高等教育的育人功能[1-2]。本文結(jié)合化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐及自身科研課題，設(shè)計(jì)了題為“懸浮溶劑固化-分散液液微萃取/分光光度法測(cè)定枸杞中β-胡蘿卜素”的綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)新穎、成熟、安全、低耗，將教師啟發(fā)式教學(xué)和學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，強(qiáng)化了學(xué)生基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作和綜合運(yùn)用理論知識(shí)并提高綜合實(shí)驗(yàn)技能的作用，能激發(fā)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主動(dòng)性和積極性，有助于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1 設(shè)計(jì)的背景及意義

基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證性內(nèi)容較多，目的是加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和鍛煉基本實(shí)驗(yàn)技能，化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)是在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)完成后，為進(jìn)一步提高學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)積極性和主動(dòng)性開設(shè)的一門開放性實(shí)驗(yàn)課程。將學(xué)生由參與者變?yōu)閷?shí)驗(yàn)的主導(dǎo)者和設(shè)計(jì)者，有利于激發(fā)其主動(dòng)學(xué)習(xí)和探索的興趣[3-5]。

樣品前處理是分離與分析科學(xué)技術(shù)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，也是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及難點(diǎn)。近年來(lái)，分散液液微萃取技術(shù)(dispersive liquid-liquid microextraction，DLLME)作為一種典型的微型化的樣品前處理手段，逐漸成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[6-11]。隨著其發(fā)展成熟，研究者已在傳統(tǒng)操作模式的基礎(chǔ)上發(fā)展出基于低密度萃取劑的分散液液微萃取(LDS-DLLME)[12]、懸浮溶劑固化分散液液微萃取(DLLME-SFO)[10, 13]、超聲輔助表面活性劑強(qiáng)化乳化微萃取(UASEME)[14]、離子液體-分散液液微萃取(IL-DLLME)[15]、反相分散液液微萃取(RP-DLLME)[16]等諸多操作模式，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。作者長(zhǎng)期從事該技術(shù)的開發(fā)研究，積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)了該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1) 了解DLLME-SFO技術(shù)操作模式和影響因素，區(qū)別與傳統(tǒng)分散液相微萃取技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

(2) 熟悉DLLME-SFO的基本操作模式，熟練計(jì)算方法學(xué)評(píng)價(jià)的相應(yīng)技術(shù)參數(shù)，并用于分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(3) 熟悉Excel、Origin等數(shù)據(jù)處理及繪圖軟件的使用方法。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

β-胡蘿卜素(β-carotene)是類胡蘿卜素之一，廣泛分布于胡蘿卜等多種蔬菜中，有抗氧化、促進(jìn)新陳代謝、預(yù)防癌癥等重要的生理功能。進(jìn)入機(jī)體后，經(jīng)酶的作用轉(zhuǎn)變?yōu)榫S生素A，有補(bǔ)肝明目、增強(qiáng)機(jī)體免疫力等生理功效[17-18]。其反應(yīng)式為：

(1)

DLLME-SFO是在傳統(tǒng)DLLME的基礎(chǔ)上，以密度小于水、熔點(diǎn)低(10～30 ℃)、毒性小的溶劑做為萃取劑的一種新型DLLME技術(shù)。萃取、離心等操作步驟與傳統(tǒng)DLLME技術(shù)相同，完成萃取后，將萃取裝置置于冰浴等低溫環(huán)境中使萃取相固化，固-液相快速分離后，將固化的萃取相熔化進(jìn)行后續(xù)測(cè)定分析，其操作過(guò)程如圖1所示。十二醇與β-胡蘿卜素極性相近，應(yīng)用該技術(shù)，通過(guò)物理萃取即可實(shí)現(xiàn)枸杞樣品中微量至痕量β-胡蘿卜素的定量分析。

2.3 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器

2.3.1 實(shí)驗(yàn)材料和試劑

枸杞樣品購(gòu)自當(dāng)?shù)爻校鋬龈稍锖蠓鬯閭溆谩?/p>

圖1 懸浮溶劑固化-分散液液微萃取操作步驟

β-胡蘿卜素(分析標(biāo)準(zhǔn)品)，購(gòu)自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；十一醇、十二醇、甲醇、乙腈、丙酮、四氫呋喃均為色譜純；氫氧化鉀、氯化鈉、鹽酸、無(wú)水乙醇、抗壞血酸等其他試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備

UV-1750型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(日本島津公司)；DHG-9076A型電子恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)；PHS-3C型pH計(jì)(江蘇江分電分析儀器有限公司)；TDL80-2B型離心機(jī)(上海市安享科學(xué)儀器廠)；XMTD-204型數(shù)顯式電熱恒溫水浴鍋(昆山市儀器有限公司)；FA2204B型分析天平(上海精科天美科學(xué)儀器有限公司)；FW200A型高速萬(wàn)能粉碎機(jī)(北京科偉永興儀器有限公司)；KQ-5200E型超聲波清洗器(昆山市超聲波儀器有限公司)；UPDR-II-20L型超純組合高純水制取系統(tǒng)(四川優(yōu)普超純科技有限公司)。

2.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.4.1 皂化

枸杞樣品干燥后粉碎。準(zhǔn)確稱取1.0 g枸杞粉末加入50 mL燒瓶中，并依次加入10.0 mL無(wú)水乙醇、0.1 g抗壞血酸、2.0 mL氫氧化鉀溶液(1 g/mL)，混合均勻。沸水浴回流30 min后立即冷卻至室溫。5 000r/min離心3 min，取清液用蒸餾水定容到25 mL，用6 mol/L鹽酸調(diào)節(jié)pH=7待用。

2.4.2 DLLME-SFO/UV-Vis

取4 mL上述皂化液于10 mL錐底離心管中，加入5 mL二次蒸餾水混勻，并加入NaCl至飽和后，快速加入混勻的200 μL十二醇和200 μL乙腈溶液輕搖5 min后離心(5 000 r/min, 3 min)，完成后取出離心管迅速置于冰浴中5 min，用微量注射器吸出殘余皂化液后，室溫融化固化的萃取劑，用四氫呋喃溶解并定容至1 mL，在460 nm波長(zhǎng)下用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)分析含量。

2.4.3 DLLME-SFO條件優(yōu)化和定性定量方法

配置100 ng/mL工作液，取9 mL加入到10 mL尖底旋塞離心管中，按照2.4.2步驟萃取并分析，計(jì)算萃取率和富集倍數(shù)，并按照這2個(gè)指標(biāo)分別對(duì)實(shí)驗(yàn)的萃取劑種類及體積、分散劑種類及體積、溶液的pH、離子強(qiáng)度、萃取和凝固溫度和時(shí)間等DLLME萃取條件進(jìn)行優(yōu)化。外標(biāo)曲線法進(jìn)行定量分析，以樣品濃度為橫坐標(biāo)，吸收峰強(qiáng)度為縱坐標(biāo)作圖，進(jìn)行線性模擬，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程，用于計(jì)算未知樣品濃度。

2.4.4 樣品測(cè)定

按照步驟2.4.1～2.4.2方法進(jìn)行實(shí)際枸杞樣品分析，測(cè)定樣品在特征吸收波長(zhǎng)的吸光強(qiáng)度，帶入回歸曲線，計(jì)算樣品中β-胡蘿卜素的含量(μg/g)，計(jì)算方法為

Cβ-胡蘿卜素=Csed×1.0/(1.0×4/25)

(1)

式中，Csed為萃取完成后萃取劑中分析物濃度(μg/mL)。按照0.5 μg/g、1 μg/g進(jìn)行樣品加標(biāo)，并測(cè)定實(shí)際樣品加標(biāo)回收率，填寫于表1中。

表1 樣品測(cè)定結(jié)果、加標(biāo)回收率

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了題為“懸浮溶劑固化-分散液液微萃取/分光光度法測(cè)定枸杞中β-胡蘿卜素”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，首先對(duì)學(xué)生進(jìn)行了現(xiàn)代儀器分析中樣品前處理技術(shù)方面知識(shí)和技能教學(xué)，其次按照國(guó)標(biāo)方法進(jìn)行枸杞樣品的皂化，使學(xué)生掌握國(guó)標(biāo)的作用和地位以及應(yīng)用方法，又引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)了運(yùn)用新型樣品前處理方法DLLME-SFO對(duì)枸杞樣品中β-胡蘿卜素進(jìn)行萃取和富集，并結(jié)合紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定其含量的實(shí)驗(yàn)方法。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于學(xué)生創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)“引導(dǎo)—設(shè)計(jì)—探索—?jiǎng)?chuàng)新—引導(dǎo)”的模式，強(qiáng)化了學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ龠M(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和效果，提高了學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。