石墨爐原子吸收光譜法用于環(huán)境水樣中重金屬離子測定
——基體改進(jìn)劑

唐安娜，高榕志，王恪

南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院，分析科學(xué)研究中心，天津市生物傳感與分子識別重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，化學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，天津 300071

為了使學(xué)生對石墨爐原子吸收光譜法中常用到的基體改進(jìn)劑有更深入的理解，我們以測定環(huán)境水樣中重金屬離子為例，圍繞學(xué)習(xí)目標(biāo)，開展了一系列的教學(xué)活動。通過舉例、課程思政，使學(xué)生了解學(xué)習(xí)這一知識點(diǎn)的重要意義，激發(fā)學(xué)習(xí)積極性；采用提出問題、課下自主調(diào)研文獻(xiàn)、課上分組討論、歸納總結(jié)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)等方式，加深學(xué)生對知識點(diǎn)的理解和掌握；通過學(xué)生課堂展講和對思考題的回答情況，及時了解學(xué)生掌握程度，為之后的學(xué)生實(shí)驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步鞏固和加深學(xué)生對知識點(diǎn)的理解和掌握。

1 圍繞學(xué)習(xí)目標(biāo)，開展教學(xué)活動

以掌握石墨爐原子吸收光譜法測定環(huán)境水樣中重金屬離子的基體改進(jìn)劑選擇和消除干擾原理為學(xué)習(xí)目標(biāo)，開展一系列的教學(xué)活動。

2 通過課程思政，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

測定環(huán)境水樣中重金屬離子的意義？重金屬元素一般具有毒性大、易富集、難降解等特點(diǎn)。重金屬污染是水環(huán)境污染的主要問題之一，金屬冶煉、礦山開采、化工生產(chǎn)廢水、使用化肥農(nóng)藥和隨意傾倒生活垃圾等人為污染，以及地質(zhì)侵蝕、風(fēng)化作用等自然因素都能導(dǎo)致重金屬以各種形式進(jìn)入水環(huán)境。據(jù)世界衛(wèi)生組織出具的一份報告中顯示：世界上每年有300–400萬人死于和水污染有關(guān)的疾病，而造成這些疾病產(chǎn)生的主要原因就是因?yàn)樗械闹亟饘俪瑯?biāo)以及大量雜質(zhì)造成的。據(jù)了解，大部分重金屬如砷、鉛、鎘等并非人體所需元素，在通過飲水進(jìn)入人體后，在身體的某些器官累積，易造成慢性中毒。水環(huán)境中的重金屬污染已經(jīng)嚴(yán)重威脅到水生生物的生存和人類健康。因此，水環(huán)境中重金屬離子含量的監(jiān)測和控制成為關(guān)系到環(huán)境保護(hù)、人類健康的主要問題之一，探尋環(huán)境水樣中重金屬元素的快速、準(zhǔn)確檢測方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過環(huán)境水樣中重金屬離子污染的實(shí)例，引入思政元素，使學(xué)生認(rèn)識到保護(hù)賴以生存的環(huán)境人人有責(zé)，要學(xué)以致用，解決關(guān)乎人類生命健康的實(shí)際問題(如表1所示)。

表1 環(huán)境水樣中重金屬離子引發(fā)的危害及反思

3 采用多元學(xué)習(xí)模式，加深學(xué)生對知識的理解和掌握

3.1 提出問題

由于環(huán)境水樣基體復(fù)雜，準(zhǔn)確測定其中重金屬離子的含量，往往需要消除樣品中的基體干擾。消除基體干擾的方法，一般有以下幾種：加入保護(hù)劑、釋放劑、緩沖劑、基體改進(jìn)劑或通過化學(xué)分離等方式消除干擾(圖1)。為了測定痕量甚至超痕量元素，經(jīng)常采用石墨爐原子吸收光譜法。其中，加入基體改進(jìn)劑是消除石墨爐原子吸收基體干擾常用而有效的方法。但是學(xué)生對于基體改進(jìn)劑的了解還僅僅停留在教科書層面，經(jīng)常有學(xué)生問到相關(guān)問題。基于上述情況，為了使學(xué)生更深入地理解、掌握這部分內(nèi)容，我們首先提出問題：測定環(huán)境水樣中重金屬離子，選用的基體改進(jìn)劑及其作用機(jī)理是什么？

圖1 測定環(huán)境水樣中重金屬離子常用的方法及要解決的問題

3.2 文獻(xiàn)調(diào)研

將一個班20名同學(xué)分為5組，發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)生用兩周時間通過各種方式，如：利用中英文數(shù)據(jù)庫、去資料室查閱文獻(xiàn)、網(wǎng)上搜索等，調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)；每組同學(xué)將文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果列表對比并做成PPT課件。通過這種教學(xué)方式，使學(xué)生掌握采用不同數(shù)據(jù)庫來檢索文獻(xiàn)的方法；通過閱讀科研論文，加深學(xué)生對理論課中知識點(diǎn)的理解。

3.3 分組討論

完成文獻(xiàn)調(diào)研之后，我們對石墨爐原子吸收光譜法用于環(huán)境水樣中重金屬離子測定的基體改進(jìn)劑進(jìn)行課堂討論。采取的方式為：每組選一位學(xué)生進(jìn)行課堂展講，之后組與組之間展開討論，相互補(bǔ)充，取長補(bǔ)短。

3.4 歸納總結(jié)

我們對各組同學(xué)的討論結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)。在石墨爐原子吸收分析中，為了增加待測樣品溶液基體的揮發(fā)性，或提高待測易揮發(fā)元素的穩(wěn)定性，而在待測樣品溶液中加入某種化學(xué)試劑，用以消除或減小基體干擾，提高檢測靈敏度和重現(xiàn)性，這種化學(xué)試劑稱之為基體改進(jìn)劑。基體改進(jìn)劑降低干擾的機(jī)理如下：(1) 基體改進(jìn)劑與樣品基體作用，形成易揮發(fā)的化合物，使背景吸收降低。(2) 與樣品基體形成難解離的化合物，降低待測元素灰化損失。(3) 與待測元素結(jié)合形成易解離的化合物，從而避免待測元素與基體形成熱穩(wěn)定碳化物或被基體包埋，使凝相干擾降低。(4) 使待測元素形成熱穩(wěn)定的化合物或合金，減少待測元素的揮發(fā)，降低灰化損失。(5) 形成強(qiáng)還原性氛圍，對原子化過程起到改善作用。常用于環(huán)境水樣中重金屬離子測定的基體改進(jìn)劑種類包括：金屬/金屬-金屬(單一金屬[1–3]、金屬-金屬混合物[4–6])、金屬鹽(如：銨鹽[7–10]、磷酸鹽[11]、硝酸鹽[12–16]、氯化物[17])、金屬+金屬鹽[18]、有機(jī)改進(jìn)劑[7,19,20,21]等及其作用機(jī)理，如表2所示。

表2 GFAAS測定環(huán)境水樣中重金屬離子——基體改進(jìn)劑種類及作用機(jī)理

3.5 學(xué)生實(shí)驗(yàn)

理論課之后，安排有學(xué)生選修實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：采用石墨爐原子吸收光譜法測定海水中的Cd2+。鼓勵學(xué)生根據(jù)前期的文獻(xiàn)調(diào)研和思考，嘗試使用不同類型的基體改進(jìn)劑。學(xué)生通過親手實(shí)驗(yàn)，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對是否加入基體改進(jìn)劑以及加入不同改進(jìn)劑的結(jié)果進(jìn)行比較分析，選取最佳的基體改進(jìn)劑，最后完成實(shí)驗(yàn)報告。通過實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步加深學(xué)生對理論課知識的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生對知識的運(yùn)用能力。

4 學(xué)習(xí)效果評價

對于學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評價，通過課堂展講、課后習(xí)題回答情況及之后學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況反饋來完成。結(jié)果表明采用這種教學(xué)模式，學(xué)生能夠很好地理解和掌握這一知識點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期的學(xué)習(xí)效果。

5 結(jié)語

水環(huán)境中重金屬離子的監(jiān)測已經(jīng)成為關(guān)系到環(huán)境保護(hù)、人類健康的主要問題之一。石墨爐原子吸收光譜法是常用于水樣中重金屬離子測定的方法，實(shí)驗(yàn)中常用到基體改進(jìn)劑來消除基體干擾。采用多元教學(xué)模式，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，通過開展文獻(xiàn)調(diào)研、分組討論、歸納總結(jié)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)等方式，對基體改進(jìn)劑種類和作用機(jī)理進(jìn)行深入探討，不僅加深了學(xué)生對理論課中相關(guān)知識點(diǎn)的理解，同時也使學(xué)生切身感受到科研與日常生活密切相關(guān)，科研中會有很多的樂趣和發(fā)現(xiàn)。