儀器分析的學習策略：文獻調研及參與科研

何曉燕，孫楠，賈蕙，盧小泉

西北師范大學化學化工學院，蘭州 730070

儀器分析以分析化學知識為基礎，借助各種相關檢測設備，利用光、電、磁等一系列手段研究物質的物理化學性質，對所測樣品進行定性和定量分析[1,2]。儀器分析課是分析化學課程的重要組成部分，是我校化學和材料科學與工程專業學生的必修課，由理論和實驗兩個教學環節組成。課程所涉及的儀器分析方法主要分為電化學分析法、色譜分析法、光譜分析法、熱分析法等四大類方法，在大類分析方法下又進行了詳細的分類，例如電化學分析法又分為電位分析法、伏安法、電導法等；色譜法又分為氣相色譜和液相色譜；光譜分析分為原子光譜、分子光譜等。

目前儀器分析課程各個板塊之間的知識體系相對獨立，講述模式按照儀器原理、儀器結構、儀器使用以及數據處理的順序，其特點是教學內容多、章節之間的關聯性弱、教學進度快，在教學過程中教師往往是知識的傳授者，學生是知識的被動接受者[3,4]。理論課既要介紹各種儀器的基本原理、結構和主要部件，還要介紹各種儀器的操作條件。由于大部分內容依靠圖片或者想象，學生對于這門課程感覺枯燥，學習吃力。大部分學生對知識的獲取基本依靠死記硬背，被動接受，不能運用所學的知識解決實際問題[5-7]。加之現代儀器的高度集成化，使學生對分析儀器的認識抽象化。因此，提高儀器分析課程教學水平，對培養基礎扎實、創新力強的化學及相關專業本科生具有重要意義[8,9]。儀器分析實驗的開設可以一定程度上彌補理論課教學的不足，但是分別在兩學期開設，不利于知識的銜接。本文探討將學術論文分析及科研融入課程內容、教學方法中的必要性和方法，通過改革與創新儀器分析教學方式，提高學生的學習及實踐能力，推動儀器分析教學的發展。

1 將學術論文分析及科研融入課程內容初探

1.1 探索一：儀器分析教學中引入科研文獻分析

在理論知識的學習過程中引入文獻的檢索與閱讀，可以加深學生對抽象難懂的書本知識的理解和所學知識的應用。如圖1所示，整個學習過程是在教師的引導下，學生提出問題，引發大家思考，通過調研文獻并歸納判斷，然后與老師及同學進行思考討論，在此基礎上深刻理解所學內容，最后能夠完全掌握，以達到理論與實際相結合的教學目標。

圖1 教學過程中引入科研文獻分析的流程

引導學生利用知網、萬方等中文數據庫，以及ACS、Elsevier、Springer等可得到的外文數據庫對儀器的實用性進行調研。通過調研可達到：1) 熟練掌握數據庫的使用方法和文獻檢索方法；2) 通過文獻深刻理解每種儀器的基本原理、主要結構、操作方法和相關的數據處理以及不同儀器間的關聯和差異；3) 學習理論知識后，通過實際應用加以鞏固，充分理解理論知識和實際應用之間的關系；4) 鍛煉自身的文獻調研和文獻閱讀能力。

1.1.1 中文文獻檢索與閱讀實例

在學習完原子吸收光譜法的理論知識后，學生通過輸入關鍵詞“原子吸收光譜法”檢索到題為“原子吸收光譜法測定黃豆中鋅的含量”的文獻[10]。通過閱讀文獻，知道了微量元素的含量可以使用原子吸收光譜儀進行測定，即通過元素的基態原子蒸氣對同種元素特征譜線的共振吸收來進行定量分析，掌握了原子吸收分光光度計的工作原理，熟悉了實驗的基本操作流程，明白了標準溶液的配制及標準曲線的繪制方法。通過計算稱取一定量的鋅粒，用鹽酸溶解、配制一系列標準溶液，使用原子吸收分光光度計測定不同濃度鋅元素的吸光度值，以標準溶液的濃度為橫坐標，各自的吸光度值為縱坐標繪圖得到鋅的吸收工作曲線(圖2)[10]。然后對經灰化法處理的黃豆樣品中鋅的吸光度值進行測量，利用標準曲線法求出相應的鋅含量。對實驗結果進行分析，發現該方法具有好的準確度和精密度，為其他樣品中鋅元素含量的測定奠定了基礎。由于該文獻采用火焰原子吸收光譜法，學生通過文獻研究還可以進一步理解原子光譜儀器的重要部件原子化系統對測量準確度的影響。

圖2 鋅的吸收工作曲線截圖[10]

1.1.2 英文文獻檢索與閱讀實例

在學習完電化學循環伏安法的相關內容后，引導學生進行相關文獻查閱。搜索到題為“Self-Assembled Microgels for Sensitive and Low-Fouling Detection of Streptomycin in Complex Media”的英文文獻[11]，學習了自組裝微凝膠用于復雜介質中鏈霉素的超靈敏和低污染檢測。循環伏安法作為一種電化學研究方法經常被使用，該文獻通過循環伏安曲線(圖3A)[11]表征了電極在逐步修飾過程中峰值電流的變化情況。相比于裸電極(曲線a)，氧化石墨烯修飾的電極(曲線b)顯示出非常低的峰值電流，這是由于氧化石墨烯和(Fe(CN)6)3?/4?溶液相互排斥，導致界面電子轉移受阻。然而，當修飾上包含有鏈霉素抗體的混合自組裝微凝膠后(曲線c)，其峰值電流密度有所提高，這是由于鏈霉素抗體在整個體系環境中帶正電，對(Fe(CN)6)3?/4?具有靜電吸引作用，當將免疫傳感器用鏈霉素孵育后(d)，其峰值電流密度有所降低，這是因為鏈霉素抗體與目標物的特異性結合，阻礙了電子傳遞。通過對該文獻的閱讀，學生們學習和掌握了循環伏安法的原理和實驗方法，即循環伏安圖是通過控制電極電勢以不同的速率，將對稱的三角波掃描電壓加在固定面積的工作電極和參比電極之間，使電極上交替發生不同的氧化和還原反應，記錄工作電極上得到的電流與施加電位的關系曲線。另外，對于電流和分析物濃度之間的關系，該文獻采用微分脈沖伏安法(DPV)，用所制備的電化學免疫傳感器在磷酸鹽緩沖溶液中檢測不同濃度的鏈霉素標準溶液。如圖3B所示，在0.05-100 ng·mL?1范圍內(a)，DPV的峰電流響應與不同濃度的鏈霉素標準溶液的對數值呈現良好的線性關系(R2= 0.997) (b)，為檢測鏈霉素的含量提供了一種良好的方法。閱讀該篇文獻可以拓寬學生的視野，了解該方法在科研及實際生活中的運用。

圖3 電極逐步修飾過程中的循環伏安曲線(A)和電流與分析物濃度的關系截圖(B)

1.2 探索二：由科研課題學習儀器分析知識

儀器分析理論知識枯燥、抽象難懂、章節之間獨立不連貫，學生很難做到融會貫通；此外，一些大型儀器價格昂貴，采購數量有限，加之學生不規范操作導致維護成本較高，通常這些大型儀器所涉及到的實驗均由教師演示學生集體觀摩，不利于學生能力的提升[12]。因此，由科研課題學習儀器分析知識的探索勢在必行。

1.2.1 教學任務安排

以原子吸收光譜法的學習為例，教師講述原子吸收光譜法的基本原理、基本儀器裝置、光譜定量分析方法之后，要求學生掌握[13]：

(1) 原子吸收光譜分析法是基于元素的基態原子蒸氣對同種元素特征譜線的共振吸收來進行定量分析的方法；

(2) 原子吸收光譜儀主要由銳線光源、原子化系統、分光系統、檢測系統和電源同步調制系統五部分組成；

(3) 原子吸收光譜分析法在實際工作中干擾效應嚴重；

(4) 原子吸收光譜定量分析方法有標準曲線法和標準加入法。

為了更加熟練地掌握這部分內容，計劃由科研課題介入，明確具體任務如下：

任務一：認識原子吸收分光光度計及其基本操作；

任務二：工作曲線法和標準加入法定量；

任務三：原子吸收法應用(火焰法測定水中微量Cu)；

任務四：原子吸收分光光度計日常維護與保養。

1.2.2 具體實驗示例

教學過程中，通過水凝膠對Cu2+吸附的課題，讓學生自己動手，深刻理解原子吸收分光光度計的工作原理。

該研究由學生感興趣的水凝膠入手。水凝膠近年來成為研究熱點，它是一種由親水性高分子鏈通過化學或物理交聯形成的具有三維空間網狀結構的典型軟、濕材料[14]。水凝膠由于其親水性、溶脹性和吸附性等特點在污水處理領域日益受到關注。重金屬廢水造成了嚴重的環境污染和公眾健康問題，Cu(II)被認為是許多工業廢水中最常見的重金屬污染物之一，來源于印刷電路、油漆、銅拋光、電鍍、采礦、冶煉、石油提煉、金屬清洗、化肥、電池等，含銅廢水的排放不僅會對水環境造成嚴重污染，還會對肝臟和心臟造成損害，甚至導致癌癥。世界衛生組織和美國環境保護局規定，飲用水中的銅濃度分別不應該超過1.5和1.3 mg·L?1[15]。重金屬廢水的處理方法有吸附法、化學沉淀法、離子交換法、溶劑萃取法、膜過濾法等[16]。其中吸附法[17]是重金屬廢水處理中應用最廣泛、最簡單的方法之一，其關鍵是吸附材料的選擇。目前可用于吸附水中Cu(II)的吸附劑材料[18]主要有無機吸附劑、有機吸附劑和天然改性吸附劑等，水凝膠因其吸附優勢備受關注。水凝膠的吸附機理是吸附質與水凝膠的活性螯合官能團相互作用的結果，為了提高對重金屬離子的吸附能力，水凝膠吸附劑通常是與各種金屬螯合官能團共聚或接枝，與重金屬形成配位鍵。

玉米是研究較多的一種生物質基吸附劑[19,20]原料，果膠[21]、海藻酸鈉[22]是一類多糖類生物材料，可以與多種二價陽離子或小分子交聯劑發生交聯作用形成三維網絡結構的水凝膠，在環境治理技術方面有廣泛的應用，是近年來研究較多的重金屬離子吸附材料。

基于以上材料的優點，以海藻酸鈉與鈣離子進行離子交聯形成凝膠珠作為包埋材料，再加入膨化玉米粉以及果膠，制備一種新型多孔膨化玉米復合水凝膠作為重金屬離子吸附材料，以提高其對水體中重金屬離子的吸附作用。學生制備完材料后首先會想到怎樣去考查它的吸附性能，這就涉及到了怎樣測定未知物中銅離子的濃度。所以首先進行Cu2+溶液標準曲線的繪制(圖4)，即配制一系列Cu2+的標準溶液，使用原子吸收分光光度計測其吸光度，繪制出Cu2+溶液的標準曲線。在研究生的帶領下，學生可直接操作原子吸收分光光度計。在此期間進一步了解原理、儀器結構及操作等要點。

圖4 Cu2+溶液的標準曲線

在水凝膠對不同pH廢水中的Cu2+進行吸附后，利用原子吸收分光光度計對廢水中剩余的重金屬含量進行檢測。具體做法是：測出Cu2+的吸光度，并根據Cu2+的標準曲線求出Cu2+的濃度，計算水凝膠在不同pH下對Cu2+的吸附量。由表1可看出，當pH = 5時水凝膠對Cu2+的吸附量最大。

表1 不同pH下以膨化玉米粉為原料的復合凝膠對Cu2+的吸附量

在pH = 5的條件下，以水凝膠對Cu2+進行不同時間的吸附，水凝膠變為藍色，溶液藍色變淺。將8種吸附后的溶液稀釋后進行原子吸收光譜測試，得到其吸光度。根據吸光度求出不同吸附時間下水凝膠對Cu2+的吸附量，做出不同吸附時間下水凝膠對Cu2+的吸附曲線。由表2可見，隨著吸附時間的增長，復合凝膠對Cu2+的吸附量逐漸增加，但總體變化較小。這說明復合凝膠放入Cu2+溶液時，凝膠上的吸附位點就迅速被Cu2+占滿，后期隨著時間的增長，吸附效果增加不多。故復合凝膠能對Cu2+進行快速吸附。

表2 不同吸附時間下以膨化玉米粉為原料的復合凝膠對Cu2+的吸附量

配制pH = 5的不同濃度的Cu2+溶液，用水凝膠對其進行吸附，將吸附后的溶液稀釋后，采用原子吸收光譜測定Cu2+吸光度。根據吸光度求出不同Cu2+濃度下水凝膠對Cu2+的吸附量，做出不同Cu2+濃度下水凝膠對Cu2+的吸附曲線(圖5)。由圖5可以看出，隨著Cu2+溶液濃度的增大，吸附量逐漸增大，當Cu2+溶液濃度達到600 mg·L?1時，吸附量達到平衡狀態。

圖5 不同Cu2+濃度下以膨化玉米粉為原料的復合凝膠對Cu2+的吸附曲線

本實驗利用原子吸收分光光度計對Cu2+進行含量檢測，檢測時需要消耗的成本較低、干擾少、精密度高，檢測結果較為精確，與國家標準分析方法的結果大致相同。通過完成本項實驗，學生將理論知識與科研實踐聯系起來，在鞏固理論知識的同時，也可以更好地理解掌握原子吸收分光光度計的原理和使用。通過由科研課題學習儀器分析知識，解決了大多數學生對知識的獲取基本依靠死記硬背、處于被動接受，不能運用所學的知識解決實際問題的現狀，一定程度上彌補理論課教學的不足。

2 結語

本文總結了現有儀器分析教學的現狀，分析了其不足之處，探討了將文獻分析及科研實踐融入教學內容、教學方法及教學評估中的必要性和方法，通過革新儀器分析的教學方式，期望提高學生的學習及實踐能力，推動儀器分析教學的發展。在教師的引導下學生一方面調研大量文獻，找到與儀器分析課程接軌的部分，以明確儀器分析課程在實際中的應用；另一方面，結合科研課題，總結出以往實驗方法存在的短板，討論并設計具有可行性的方案，通過實驗進行驗證，最終確定出對目標物合適的檢測方法。這種科研實驗使學生受益匪淺：第一，學生帶著問題去尋求答案，變被動為主動，提高了學習效率。第二，學生在科研實踐中驗證了理論知識的正確性，調動了學習的興趣，加深了對理論知識的理解。第三，通過遇到問題、思考問題、解決問題的過程培養學生優良的科研實踐能力。第四，使學生對理論知識和科研實踐有一個宏觀的把握，樹立尊重自然、愛護自然的理念。