環境工程儀器分析教學方法及其內容改革探索

（南京工程學院 江蘇·南京 211167）

0 前言

儀器分析是一門綜合性學科，被廣泛應用于物質的微量或者痕量分析，具有分析速度快、靈敏度高的特點。根據物質的物理或者物理化學性質的變化特點，對物質進行超微量或痕量定性或者定量分析，具有分析速度快、不破壞物質性質、樣品需要量少和分析效率高的特點，被廣泛應用于現代環境分析監測中。以紫外-可見吸收光譜為例，其分析是依據某些有機物質的外層價電子在基態和激發態之間躍遷需要的特定能量，在外界提供的可見光或紫外光能量，滿足價電子從基態向激發態躍遷時，就會在波長處于400-800nm之間可見光區域或者200-400nm紫外光區域產生特定吸收，用光電倍增管可以科學測量光吸收產生的電流，然后將光信號轉換為數字信號，通過朗伯比爾定律，可以將有機物質的濃度和對光的吸收程度吸光度建立正比例關系。環境工程的研究方向主要包含水、氣、固、渣四個方面內容，在針對水、大氣、土壤、固體廢棄物的指標分析檢測中，絕大多數會采用儀器分析方法，如水和土壤中重金屬離子種類和濃度的分析與監測，需要采用原子吸收光譜法（簡稱AAS），大氣中有毒有害有機物的種類鑒別及其有關濃度的分析監測，需要借助于氣相色譜儀器（簡稱GC）來完成分析與監測任務，因此，在環境工程專業中，除了常規的化學分析方法用來對物質的一些物理或者物理化學指標進行常量分析，如酸度、堿度、COD、N、SP的分析與監測，對于物質中痕量組分的種類鑒定和含量的測定，必須借助于儀器分析得以實現和順利完成。儀器分析常使用大型儀器來完成分析檢測，要求學生除了掌握扎實的理論基礎外，還應該注重對學生三個有關方面能力培養與科學素養：（1）學生的科學操作和維護大型儀器能力；（2）對分析數據的正確采集科學處理能力；（3）數據代表意義的識別能力和應用；在教學過程中，從以下三個方面進行教學改革。

1 創新理論教學

（1）按照儀器分析依據的原理，將儀器分析課程內容進行科學系統化分類闡述，使得梳理后的教學內容更加系統，清晰化，提高了教學的層次性和目的性，改善了教學效果。

但是這個公式不適用于紅外光譜，由于紅外光譜主要是由于分子中兩個原子之間振動從基態向激發態躍遷產生的光譜，簡稱為振-轉光譜，需要的能量較低，0.05～1 eV，這個振動可以把它理想化為簡諧振動，因此紅外光譜的只能定性分析，定量分析很難。

原子吸收光譜是金屬原子的外層價電子從基態向激發態躍遷產生的，需要的能量較高，也可以采用紫外可見的朗伯比爾定律進行定性分析。

對于特定的有機物在10mg/L濃度下，在紫外可見區域，有固定的最大吸收波長，依據這個可以對有機物進行定性分析；每一個金屬原子，在其濃度為10mg/L時，在共振發射線作用下，金屬原子蒸汽對特征波長的譜線有選擇性吸收，依據這個可以作為選定金屬的定性分析依據。

（2）用簡諧振動原理來推導紅外波數計算公式，使得學生容易掌握和理解。紅外光譜研究的是多個不同原子構成的分子中，由于不同原子之間的振動能級，吸收特定波長的能量，從基態向激發態躍遷而形成吸收光譜，屬于分子振動光譜。相對于紫外可見吸收光譜和原子吸收光譜，紅外光譜中，這種振動能級躍遷需要的能量比較低，波長處于2.5-25 m之間，躍遷能量0.05～1 eV，能量為紫外光譜中價電子能級躍遷能量的二十分之一左右，因此紅外光譜分析中，采用的光源是邁克爾遜干涉光源；現被廣泛使用的傅里葉變換紅外光譜儀，借助于改進的邁克爾遜干涉儀，極大程度提高了分析速度和靈敏度。邁克爾遜干涉儀基本作用原理如下，來自于能斯特燈光源的發射光線，位于設定一個凹面鏡的焦點，光線經過凹面鏡反射后，得到一束平行光線，然后平行光線照射到分束器上，由于分速器與入射光夾角為45°，分束器作用讓50%的入射光線穿透分束器，照射到一個水平放置的動鏡上，余下50%入射光線經過反射，照射到垂直放置的定鏡上，然后經過定鏡和動鏡的光線被反射后穿過分束器，通過不斷連續調節動鏡和分束器的距離，可以得到從定鏡和動鏡的兩束強度相同、頻率相同、波長相同的兩束干涉光。當兩束光的光程差為波長的奇數倍時，呈現黑暗的條紋，當兩束光的光程差為波長的偶數倍時，呈現明亮的條紋。當以干涉的光線照射到待測樣品時，當給的光電子能量恰好與待測物質振動能級從基態向激發態躍遷能量相等時，發生耦合振動，通過儀器檢測能捕捉到這些信息。

由于紅外光譜分析是基于分子中相互連接兩個原子振動能級引起的，這種原子之間振動可以認為為簡諧振動，用深入淺出方法進行講授難以理解內容，在講授紅外光譜波數計算公式時，針對這部分最核心內容，利用簡諧振動的周期計算公式進行如下推導，讓學生更容易接受這個公式。

（3）采用高中學習的電場中陰陽定向移動原理和放電原理，闡述空心陰極燈，使得學生更加容易掌握空心陰極燈原理。原子吸收屬于原子外層電子能級，從基態向激發態躍遷需要吸收的能量較高，屬于原子譜線，是線狀光譜；紅外光譜和紫外可利用高壓放電引起電荷在直流電場中定向荷移動規律講授空心陰極燈原理，提高了教學效果。鎢棒構成陽極和一個圓柱形空心陰極，分別接入300-500V直流電源；空心陰極由待測元素純金屬或合金構成，空心陰極燈內填充氬氣。空心陰極燈發揮作用包括如下過程：（1）在直流電場作用下，在正負電極之間開始放電，電子從陰極內壁射出，經電場加速后向陽極運動；（2）電子在由陰極射向陽極過程中，與氬氣原子碰撞使其電離成為氬離子。（3）帶正電荷氬離子在電場加速下，以很快速度轟擊陰極表面，使陰極內壁待測元素原子濺射出來，在陰極腔內形成待測元素原子蒸氣云。（4）蒸氣云中待測元素的原子再與電子、氬原子、氬離子發生碰撞而被激發，從而發射出所需頻率光，產生待測元素特征發射譜線。

2 將書本學習知識用于實驗數據處理與分析

3 根據這門課程特點，對教學效果的評價進行了系統的改革，取得了良好的效果

儀器分析課程基礎理論深奧，各自有特點，講課過程中，需要同學們邊聽課邊記筆記，不定期收集筆記進行打分考核，最后考核方式為：期末考試占據70%、筆記占據15%，作業占據10%，課堂與考勤占據5%。課程考核中，兩個班級取得良好考核效果，卷面總評成績分別為74分和77分，卷面成績優秀率10%、卷面成績不及格率8%。教學效果得到很大程度提高。

4 結論

儀器分析作為環境工程專業基礎課程，具有很強專業性和應用性，改進教學方法、革新教學內容將理論與實踐緊密結合，提高學生分析和解決問題能力；輔助以檢查筆記，更加客觀反映了學生的學習實際情況，發揮一定的督促作用，為該課程的改革提供一些新思路。