“自主設計實驗”教學模式在儀器分析實驗中的應用
——ICP-OES 檢測茶水中的金屬含量

高敏莉，何博銳，董佳欣，費澄瑩，傅舒帆，丁佳欣，顧思奕，李瀚洋，李嘉媛，丁祖旺，丁敬康，衡幸睿，丁飛，陳朗星，朱義州，王京,＊

1 南開大學化學學院，天津 300071

2 化學國家級實驗教學示范中心(南開大學)，天津 300071

3 天津大學化工學院，天津 300072

在雙一流建設的大背景下，培養創新型人才是人才培養的重要內容，采用基于科教融合的探索式教學模式對培養創新型和應用型人才具有重要戰略意義。傳統的儀器分析實驗教學內容大多是圍繞理論課教材，實驗內容比較陳舊，且大多為驗證性實驗，側重于實驗內容與理論知識的銜接，與實際生產生活脫節，導致學生對實驗課程很難產生學習興趣和主動性[1,2]。自主設計實驗是啟發學生從日常生活或科研熱點中發現問題，理論聯系實際，根據現有的實驗條件，從實驗方案設計、實施，到分析處理數據結果都由學生自主完成的實驗教學模式。實施過程以學生為主體，注重培養學生的創造性、靈活性和實踐能力，提高學生的學習主動性、獨立思考能力和創新意識[3-5]。

中國人自古就有喝茶的習慣，至今已經有四五千年的歷史，茶葉中含有豐富的營養物質以及多種人體所必需的微量元素，然而在茶葉的種植過程中由于大氣沉降、土壤污染等原因，茶葉中一些重金屬的含量可能超標。重金屬元素會隨著浸泡析出，并通過飲用被人體攝入，若攝入量超過一定限度可能會引發重金屬中毒，危害人體健康。國家標準規定了生活飲用水中各重金屬元素的限量值：鉛 ≤ 0.01 mg·L-1，銅 ≤ 1 mg·L-1，鉻 ≤ 0.05 mg·L-1，鎘 ≤ 0.0005 mg·L-1，鐵 ≤ 0.3 mg·L-1[6]。因此，模擬日常生活泡茶習慣，通過科學的方法研究不同浸泡時間、浸泡次數和茶葉種類對重金屬浸出量的影響值得研究與探索，進而對如何選擇最佳泡茶方式提供參考性意見和理論指導。

隨著現代儀器分析技術的不斷發展，用于檢測茶水中金屬離子含量的方法也多種多樣，如電感耦合等離子體發射光譜法(inductively coupled plasma optical emission spectrometer，ICP-OES)、原子吸收光譜法、氫化物發生-原子熒光光譜法、電感耦合等離子體質譜法等。其中ICP-OES由于具有靈敏度高、干擾小、線性寬、可同時測定多種金屬元素的特點被更廣泛應用于此類檢測研究工作。本實驗基于南開大學化學學院儀器分析實驗課程學習和農業部的標準——《茶葉中鉻、鎘、汞、砷及氟化物限量》[7]，在教師的輔助指導下設計并完成實驗——ICP-OES檢測茶水中的金屬含量。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

實驗儀器：ICP-OES光譜儀(美國Thermo ICAP 7400)，萬分之一電子天平，容量瓶，移液槍，燒杯，一次性濾膜及注射器。

實驗試劑：硝酸(優級純)，超純水(Millipore，電阻率18.2 MΩ·cm)，Ca、Mg、Na、Cd、Cr、Fe、Cu、Mn、Ni、Zn、Pb、Sn標準溶液(國標(北京)檢驗認證有限公司)。茶葉樣品包括龍井(浙江)，肉桂茶(廣東)，子竹茶(四川)，富硒茶(湖北)，鐵觀音(福建安溪縣)，毛峰(安徽黃山)，金駿眉(福建武夷山)，碧螺春(江蘇)。

1.2 儀器檢測條件

射頻功率1150 W，冷卻氣流量12 L·min-1，輔助氣流量0.5 L·min-1，霧化器流量0.5 L·min-1，泵速50 r·min-1，短波積分時間15 s，長波積分時間5 s，積分次數為3次，Ca、Mg、Na采用垂直觀測方式，Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Sn、Zn、Pb、Cd采用水平的觀測方式。

1.3 標準曲線的線性方程和檢出限

依據表1中標準曲線濃度配制Cd、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Sn、Zn、Ca、Mg、Na的系列混合標準溶液，其中硝酸體積含量為5%。將配制好的標準溶液引入光譜儀，進行三次重復測定，以各元素標準溶液的濃度為橫坐標，以發射的譜線強度為縱坐標繪制校準曲線。其標準曲線線性回歸方程及相關系數見表1，線性要求均達到0.999以上，符合檢測要求。

表1 各元素標準曲線表

對空白溶液進行11次測定，以3倍標準偏差計算檢出限(limit of detection，LOD)，與文獻[8-11]報道檢出限基本一致(表2)，說明儀器參數設置合適，可以用于檢測分析。

表2 檢出限對照表

1.4 樣品制備

1.4.1 不同種類的茶水樣品

分別準確稱取約3.000 g龍井、肉桂茶、子竹茶、富硒茶、鐵觀音、毛峰和金駿眉于7個燒杯中，加入100.0 mL 100 °C的超純水浸泡30 min，過濾后待檢測。

1.4.2 不同浸泡時間的茶水樣品

分別準確稱取約3.000 g碧螺春茶葉于7個燒杯，加入100.0 mL 100 °C的超純水分別浸泡1、3、5、10、30、50 min，過濾后待檢測。

1.4.3 不同浸泡次數的茶水樣品

準確稱取3.000 g鐵觀音茶葉于燒杯中，加入100.0 mL 100 °C的超純水浸泡30 min后過濾，濾液待檢測。隨后茶渣中再次加入100.0 mL 100 °C超純水進行第二次浸泡，30 min后過濾，濾液待檢測。再加入100.0 mL 100 °C超純水浸泡第三次，30 min后過濾，濾液待檢測。

2 實驗結果與討論

2.1 不同種類茶水中金屬含量

使用ICP-OES對不同種類茶水樣品進行定量檢測，數據結果列于表3，其中Cd、Cr、Pb、Sn的含量均很低，符合國家標準對生活飲用水中各重金屬元素的限量要求[6]。分析發現，金駿眉和毛峰中Cu含量較高，肉桂茶和金駿眉含Fe量較多，子竹茶和毛峰含Ni量較多，鐵觀音含Zn和Mg量較少，肉桂茶和鐵觀音中含Mn較少，金駿眉含Na量較多，Ca含量均一(圖1)。

表3 不同種類茶水中金屬元素含量(μg·mL-1)

圖1 不同種類茶水中的金屬含量

查閱相關研究文獻[12-19]，不同種類茶葉固體中的金屬含量列于表4，與實驗值基本吻合。綜上，金駿眉不失為缺鐵人群和普通人群的優先選擇。

表4 茶葉固體中的金屬含量(mg·kg-1) [12-19]

2.2 浸泡時間對金屬溶出量的影響

使用ICP-OES對不同浸泡時間的茶水樣品進行定量檢測，數據結果列于表5。分析發現，Cd、Cr、Pb、Sn元素幾乎不存在，其他元素濃度在浸泡10 min時達到一個小高峰，30 min后趨勢變平緩。其中Mn和Mg的含量隨浸泡時間的增加上升幅度較大，Ca和Na的含量高但增幅較小，Cu、Fe、Ni和Zn的含量低增幅也小(圖2)。綜上，建議泡茶時間在10-30 min為佳。

表5 不同浸泡時間的金屬溶出量(μg·mL-1)

圖2 不同浸泡時間的金屬溶出量

2.3 浸泡次數對金屬溶出量的影響

使用ICP-OES對不同浸泡次數的茶水樣品進行定量檢測，數據結果列于表6。分析發現，浸泡次數對于茶葉中Mn、Ca、Mg、Na的影響較大，第一次浸泡浸出的Mn、Ca、Mg、Na最多，此后浸出量逐漸下降，到第三次后Fe等人體必需微量元素已經低于檢出限，其余元素含量變化也趨于平緩。綜上，建議泡茶次數不要超過三次(圖3)。

表6 不同浸泡次數的金屬溶出量(μg·mL-1)

圖3 浸泡次數對金屬溶出量的影響

3 自主設計實驗教學

自主設計實驗已納入南開大學化學學院儀器分析實驗教學計劃，結合儀器分析實驗的規定實驗項目，對各類儀器有了初步了解后，根據自身興趣設計實驗內容，組成10-12人實驗小組，在授課教師的指導下完成實驗。

自主設計實驗由前期調研論證、中期實驗操作、后期總結匯報三部分組成，具體實驗教學方法見圖4。前期通過理論學習和文獻調研完成選題和實驗方案初擬，同授課教師集中討論后，確定實驗目的、實驗原理、實驗試劑和儀器、實驗步驟和注意事項。實驗操作過程由樣品前處理和儀器檢測兩部分組成，授課教師除了協助學生順利完成實驗和規范實驗操作，還對儀器工作原理、儀器參數設定、標準曲線范圍、檢出限計算等相關知識要點進行提煉和擴展。后期學生完成數據處理、實驗結果討論和實驗報告書寫，授課教師對工作進行系統梳理，總結工作特色和不足，完成實驗成績的評定。

圖4 “自主實驗設計”教學方法

4 結語

本實驗利用ICP-OES檢測茶水中的金屬含量，將實驗教學與生活實際相結合，為泡茶方式提供理論依據和指導建議，可增強學生的實驗能力與科研興趣。學生在實驗過程中進一步加強學習儀器工作原理、儀器基本操作、標準曲線定量分析方法和檢出限的測量計算。本實驗樣品制備簡單，實驗安全，無危險化學試劑，實驗成本低廉，實驗操作中樣品前處理約耗時1.5 h，樣品檢測2 h，能確保4 h內完成實驗，符合實驗教學的課時要求，可作為常規的ICP-OES實驗教學項目。

自主設計實驗旨在拓展大學生儀器分析實驗理論學習的實際應用價值，將所學到的理論知識不斷鞏固并靈活地運用于復雜問題的處理上，不僅訓練了學生的思考能力和實驗能力，同時也鍛煉了學生對知識的應用能力，讓學生意識到生活中處處有化學，增強對化學專業的認同感和榮譽感，更好地應用所學知識指導生活。自主設計實驗改變了傳統的教學方式，將教學重點由“教”向“學”轉化，充分體現學生在學習過程中的主體地位，增強學生的科研能力和嚴謹的科學意識，培養新時代的創新型和應用型人才。