培養創新能力的儀器教學探討
——以氫化物發生原子熒光法測量發汞為例

吳穎娟， 孫 慧， 王筱虹， 陳鎮新， 彭 燕， 羅定貴

（廣州大學環境科學與工程學院，廣州510006）

0 引 言

自“一流大學”“高水平大學”逐漸成為我國高等教育的關鍵詞，研究型實驗教學、研究型教學和研究型大學也依次成為高校教學研究的熱點，研究對學生能力的開發、對教學的促進和對大學發展的重要得到廣泛認同［1-6］。研究是孵化科學思想的溫床，而科學思想在本科階段的培育很大程度需要實驗教學去完成［2-4］。早在建院初期，我院就被學校定位為教學—研究型學院，2015 年我院環境科學與工程學科進入廣東省高水平大學建設學科群—區域水環境安全與水生態保護學科群，2016 年環境工程專業于華南地區第一個通過國際工程教育認證，此專業認證以產出導向（Outcome based education，OBE）為理念，進行人才培養體系的建設。即需要依照培養目標和畢業要求構建課程體系、確定教學內容、教學資源和教學方法。按“綜合性、研究型和國際化”建設高水平大學的目標，和“重視基礎、趨向前沿、反映現代、綜合交叉”的現代課程建設理念，學科建設需要把知識傳播、技能掌握與科學品德、科學思想和方法的培育相結合，使學科發展與社會經濟文化的發展相適應［5，7］。2019 年10 月，教育部公布了《關于一流本科課程建設的實施意見》，明確了課程建設的具體內容，開展研究型實驗教學不僅符合該文件的要求，而且激發了學生自主學習的興趣，優化和豐富教學內容，培養了學生的創新意識和能力［1，3］；同時對教師創新能力的激發也有促進作用。

環境監測是環境科學和環境工程兩個專業的必修課，我院環境監測實驗是獨立開設的實驗課程。“氫化物發生原子熒光法測量發汞”是我院環境監測實驗的經典項目，至今已開出15 年，其意義在于：①原子熒光光譜法是與原子吸收光譜法和發射光譜并行的三大光譜分析法，廣泛應用于食品、中藥、環境和地質樣品中微量元素的檢測［8-10］；②原子熒光光度計是原子熒光光譜法的具象儀器，其光路設計與原子吸收光度計有很好的對比效果，是理解熒光光譜和吸收光譜抽象概念的良好教具。在多年的教學實踐中，把教學、科研與學生能力的拓展緊密結合，通過精心的課前準備和大量的分析實踐，開發高溫高濕環境下原子熒光光度計的檢測條件［11］，有效地消除自動進樣系統引入的系統誤差［12］；在此基礎上，引導學生進行人群、地緣和飲食結構差異與發汞關系的分析，進行科學思維訓練，取得良好的教學效果。

1 好奇心激發

氫化物發生原子熒光光度計是比較大型的全自動精密儀器。教學過程包括儀器原理介紹、儀器方法選擇、儀器條件設置和檢測結果分析。因儀器自動化程度較高，傳統的實驗教學模式比較難適應儀器自身的前沿性和實用操作特點，如果學生缺乏學習的原動力，在有限的實驗課時內很難學會并準確操作儀器［13］。 心理學認為，人在渴求滿足一定的需要并設法追求這個目標時，這個目標對個人動機是一種激發，而激發力的大小取決于目標價值和期望概率的乘積。假如一個人追求的目標價值很大，估計能實現的概率也很高，那么這個目標激發動機的力量就越發強烈［14］。因此，在教學過程，沒有采取直接灌輸的方式，而是告訴學生，今天學習的儀器是我國自主研發并走在世界同類檢測設備前列的儀器。在這個實驗課里，利用這臺儀器，開發了一個減小儀器系統誤差的方法，顯著提高了儀器性能，希望同學們能在這個實驗課中和教師一起有新的發現。這種有所期待的導入點燃了學生對儀器的好奇和熱情，主動觀察儀器運行，提出各種問題，帶著真誠的態度完成實驗的每一個步驟，學習的積極性顯著提高。

2 檢測原理和方法

表1 所示為發汞檢測儀器的原理。由表中可知，一個穩定成熟的檢測方法需要同時確定前處理條件和還原劑濃度。由于實驗課時有限，把前處理條件、還原劑濃度和儀器參數作為探查指標，鼓勵有興趣的同學在實驗室教師的指導下參與課前試驗和儀器準備，讓實驗環節與科研對接。上課時，通報參與同學的名字，同學們會報以掌聲，參與的同學體驗到成就感。

表1 汞檢測儀器的原理

2.1 前處理條件

毛發樣品的前處理是在清洗樣品后，加入強氧化性酸消解。汞是易揮發元素，據硝酸（120 ℃）和高氯酸（130 ℃）的沸點，汞樣品的消解宜控制在140 ℃以下，耗時較長。為減少汞的損耗，有時需在消解罐加硝酸1.5 mL（0.1 g樣品），冷消化12 h，再加雙氧水0.5 mL微波消解，這在有限的實驗課時內很難完成。所以通常采取硫酸（338 ℃）＋高錳酸鉀常壓消解，兩種強氧化劑混合反應很激烈，需要嚴格控制高錳酸鉀的用量，保證實驗安全；此外，硫酸殘留對儀器檢測的熒光度有負面影響，導致樣品較難檢出［11］。經試驗，采用2 mL硝酸＋1 mL雙氧水，1.2 MPa 壓力，微波加熱2 min消解樣品，可大大縮減前處理時間，后續檢測可由5 人／組改為2 人／組，增加學生操作儀器的機會。

2.2 還原劑濃度

還原劑的作用是把離子態的汞原子還原為原子態的汞蒸氣，使之在特定光源照射下激發躍遷（見表1），氫化物發生-原子熒光法采用硼氫化鉀作還原劑。檢測正常人群的發汞，還原劑濃度為1.5% ～2.5%，以2.0%為好［11］，檢測特殊人群的發汞，如生活在汞礦附近地區、有中毒癥狀的病人等，還原劑濃度宜取高值。

3 儀器條件設置

氫化物發生-原子熒光光度計的運行參數由儀器參數和進樣參數兩部分組成。由于穩定性弱、測量重復性差，空白熒光強度高及線性不好是原子熒光光度計使用的常見問題［11，15］，產生的原因主要有空芯陰極燈不穩定或位置不當、氣路漏氣、通風不暢和外界光干擾等［15］；此外，參數設置對儀器的運行也有較大的影響［12］。儀器參數中，燈電流和負高壓對熒光度有較大影響，儀器運行時間過長（特別在空調環境），需通過負高壓較正過高的熒光度［11］；燈電流宜設為25 ～30 mA，負高壓宜設為300 ～350 V。

氫化物發生-原子熒光光度計有手動進樣和自動進樣兩種方式，手動進樣為人工進樣，參數無需設定；自動進樣為機器進樣，合理設定進樣參數可明顯減少儀器的系統誤差，顯著提高運行效率［12］。在教學過程，把此前開發并獲得發明專利的授權的方法應用到實驗教學中，通過對比儀器原方法和建立的新方法的參數設置及運行效果，讓學生在研究的氛圍中學習，分享教學—研究型學院優勢的學科資源。這種把科研展示作為實驗教學的環節，構建教學和科研良好互動的實驗教學模式進一步調動了學生學習的積極性［3-4，6］。

4 實驗數據分析

實驗數據分析是任何一項實驗項目的常規內容，提升到研究型教學層次，需要具備：①實驗項目的內容需具備研究型實驗的特質，②分析后的結論應具有參考價值，可為同類的實驗和研究提供參考的依據［2］。汞屬外源性內分泌物質，是具有較長生物半衰期的強蓄積性元素（半衰期為76 d），可影響人體的生殖和分泌功能以及甲狀腺體的發育，破壞人的神經系統、蛋白質和核酸。在聯合國環保專題會上，汞被劃入14 種（鉛、鎘、汞、銅、錫、釩、鉻、鉬、錳、鈷、鎳、銻、砷和硒）最危險的重金屬污染物，同時被我國、美國、歐盟、世界衛生組織和聯合國環境規劃署列為優先控制污染物；亞洲是人為源汞的高排放地區，排放量達1 000 t／a，占全球總排放量的50%；我國的工業體量大，汞排放量為500 ～700 t／a［16］。毛發具有排泄汞的功能，可反映身體環境汞暴露和內部組織長時期內汞的平均水平，毛發汞含量通常比血液等機體其他測量樣品的含量高，具有較好的檢測穩定性和靈敏度。因此，毛發、血液和尿液是世界衛生組織推薦的可用于人體毒物（汞、鉛、鎘、砷）評價的生物標記物，是關注毒物暴露、進行風險評估和風險管理的有效工具［17］。基于以上依據，“氫化物發生-原子熒光法測量發汞”具備研究型實驗特質。事實上，對這個實驗項目的研究型教學分為兩部分：

（1）側重于儀器—開發穩定成熟的檢測條件和方法［11-12］，研究結果不僅可指導儀器進行各種樣品的汞測定，同時適用于儀器可檢測的不同樣品的13 種元素的測定。近10 年來，人發微量元素的臨床研究在老年癡呆、糖尿病、心血管病、鼻咽癌和前列腺腫瘤方面取得新突破，應用人發微量元素檢測診斷，逐漸成為臨床研究和應用的一種新方向［18］。

（2）側重于檢測對象—發汞的指示意義，通過發汞的含量引導學生結合學院的學科方向：“有害元素微量地球化學”去發現和驗證科學問題，強化實驗的學科交叉和實際應用。比如，分析了400 例參與實驗同學的發汞含量，45%的同學發汞≤1.0 μg／g，30%的同學發汞在1.0 ～1.5 μg／g之間。建議中國居民發汞的正常值為1.5 μg／g，美國環保署建議的發汞參考值為1.0 μg／g［19］。吳世安等［20］認為人的發汞與每日汞攝入量相關，如果每日汞攝入量為0.12 μg，發汞值可達3 μg／g。顯然在檢測對象中，75%大學二年級學生的發汞值≤1.5 μg／g，提示18 ～20 歲健康青年的發汞值采用1.5 μg／g 的建議值比較合適；但仍有5% ～10%的同學發汞含量在7 ～10 μg／g之間，更有個別同學發汞的含量超過12 μg／g，而這些同學目前沒有出現健康異常。

我國裸土、水體、植被覆蓋土等主要自然源的汞釋放均比歐美同類地區明顯偏高，且我國西南地區約90萬km2（占國土面積約1／10）處于全球汞礦化帶，汞礦化帶等土壤汞相對集中區域的汞釋放是大氣汞重要的釋放源［16，21］，因此我國各地人群發汞的差別較大，且高于歐美同類地區人群［18-19］。此外我國沿海地區人群、汞暴露人員及其子女發汞的含量也高于普通人群，低于日本、西班牙沿海地區人群［22-24］。據報道使用化妝品組的孕產婦發汞含量大于不使用化妝品組的1.3倍，新生兒的發汞含量則大于不使用化妝品組的1.8倍［25］。因此，除了環境暴露可造成汞在人體蓄積外（發汞較高是表現之一），地緣、飲食結構、生活習慣和遺傳因素也可能對發汞含量產生影響［16，18-24］，需要比較長的個體監測和較大的樣品數作對比，才能判別某項環境因素造成的汞暴露風險。有學者呼吁采用與全國膳食調查相類似的方法開展全國性人發多元素系統調查，以便積累完整的基線數據，建立正常參考值范圍［25］。在實驗項目后續開課，以9 ～10 個活動環境、作息時間、飲食結構相似，且父母無職業汞暴露的同學為興趣小組，引導學生開展“地緣與飲食結構”的發汞實驗研究，優化并豐富實驗教學內容。

5 結 語

實踐證明，開展研究型儀器教學不僅培養了學生自主學習的興趣，也促進了學生和教師創新能力的雙向發展。實驗課后，很多同學申請參與教師的科研項目，或聯系教師指導面向本科生的各級“挑戰杯”大學生課外科技競賽及“國家級大學生創新訓練”項目。自2007 年起，我院學生數次在省級和國家級“挑戰杯”科技競賽中獲一等獎和特等獎，任課教師的科研和教研能力也大大提升。因此，研究型儀器教學促進了教研相長。