原子吸收光譜石墨爐法測定鎘(II)離子濃度實驗設計與探索*

任海云，馮婷婷，韓毅麗，王秀文，裴曉麗，高首勤

(山西中醫藥大學中藥與食品工程學院，山西 榆次 030619)

面對“互聯網+”信息大爆炸時代，高等學校實驗教學模式必須結合我國當代社會發展需求以及科技前沿新動態主動出擊改革，才可能滿足當代00后學生群體的多元化學習需求[1]。儀器分析實驗是山西中醫藥大學中藥與食品工程學院針對中藥、藥學、藥物分析、食品、制藥、藥茶等專業特點而開設的必修實驗課程，旨在培養學生掌握現代化分析技術技能適應時代需求，成為創新型、應用型和復合型的高素質人才。然而現實中儀器分析實驗未能結合新時代學科發展需求，且大多數實驗內容為驗證性過于單一，嚴重制約了學生科研思維和創新性能力的提高。

針對這些問題，本文立足于社會發展需求和本學科特色，提煉并設計出一個儀器分析綜合實驗項目“原子吸收光譜石墨爐法測定試樣中隔濃度”，并在本科生儀器分析實驗教學中進行了實踐和探索[2-6]。通過本綜合實驗項目的成功實施，加深了學生對原子吸收光譜的理解，促進了學生理論知識與實踐技能的相互貫通，能夠理論聯系實際解決實際問題，激發了學生探索創新的積極性。

1 實驗設計

1.1 實驗意義及原理

來自于工業排放廢水的鎘對環境會造成一定的污染，是人體非必需元素，如果人體過度攝入鎘會引起鎘中毒，從而引發高血壓、心腦血管等疾病；破壞骨骼、肝和腎引發腎衰竭，嚴重危及人類生命健康。世界衛生組織已將鎘列為重點研究的食品污染物，國際癌癥研究機構(IARC)也將鎘歸類為人類致癌物，同期美國毒物和疾病登記署(ATSDR)將鎘列為第7位危害人體健康的物質，我國也將鎘列為實施排放總量控制的重點監控指標之一。

近年來測定鎘的方法常見的雙硫腙分光光度法、有原子吸收光譜法、電感耦合等離子體、原子熒光光譜法、原子發射光譜法以及原子吸收光譜法等。而在痕量金屬元素定量檢測方面石墨爐原子吸收光譜法呈明顯優勢，其原子化效率可達100%，測定鎘的靈敏度也大大提高，并且樣品基體的復雜性對測定影響不大。本文采用石墨爐原子吸收光譜法測定自選中藥鎘(II)離子含量。

原子吸收光譜儀主要由空心陰極燈、原子化器、單色器和檢測器組成，其基于被測元素氣態基態原子的特征吸收而進行元素定量的方法。當某一特征頻率輻射穿過一定厚度的原子蒸氣時，被測元素基態原子的外層電子將選則性地吸收該特征頻率的輻射，一定的測試條件下其吸光度與其濃度成正比，符合Lambert-Beer定律。根據這一關系本文引用標準曲線法測定樣品中某元素的含量。

1.2 教學過程設計

“原子吸收光譜石墨爐法測定試樣中隔濃度”綜合性探索實驗本文分五個階段進行，如下所示：

第一階段：課前線上互動[7-8]。首先課前教師根據原子吸收光譜法的教學內容發布問題前置單及預習任務，采用“問題式”任務引導學生預習，提高學生預習效率。要求學生觀看學習通平臺錄課視頻，觀看時長與學習次數并計入平時成績。通過錄課視頻了解石墨爐原子吸收法的基本原理，儀器操作步驟、實驗步驟及關鍵注意事項，并能夠找到合理解決前置單問題的方法，旨在提高學生自主學習，應用所學理論解決實際問題的能力。其次分小組準備原子吸收光譜法實驗的學習PPT，提出發現的問題及相應的解決方法。由此增強學生學習的目的性，提高自主學習效率。最后小組展開有關鎘污染調查，選擇被鎘污染的中藥材；

第二階段：課中翻轉課堂[9]。隨機抽選小組，由該小組內選出代表講解該組學習PPT，其他小組成員負責講解自己問題前置單的完成情況并回答其他小組同學提問。為了激勵學生積極參與提問環節，凡是參與提問給與一定的平時成績。接下來就是評分環節，按照評分細則給出相應得分；

表1 評分細則及加分表Table 1 Scoring rules and scoring table

第三階段：實驗展開并完成。學生首先對選擇的中藥材進行消化處理，在該過程完成對學生安全、綠色環保和創新意識等的培養；其次在標準曲線制備過程中，通過標液濃度大小的配制，濃度范圍大小的控制等，讓學生加深對標準曲線法的認識與理解；再次通過原子化條件優化實驗，讓學生充分體會原子化條件對原子化效率的影響，最終則會對測試結果產生嚴重偏差，增強學生嚴謹的科學思維方式；最后通過方法精密度回收實驗的測試，讓學生充分體會精密度與準確度的關系，在系統偏差不顯著時精密度好準確度才高，才可能在重復測定次數最少的情況下得到最好的結果。讓學生意識到精益求精嚴把數據關的重要性，幫助學生養成敢于質疑、勤于鉆研、勇于創新的科研精神，培養學生以嚴謹為要求、誠信為根本的做事情與做學問的科研態度；

第四階段：課后線上提交實驗報告[7-8]。學生利用相關數據處理軟件處理實驗數據并繪制相關圖表，要求學生參照期刊文獻的方式準備實驗報告，不僅鍛煉學生實驗數據處理能力、文字表達能力，而且還能增強學生嚴謹的科學思維與環保意識，同時有助于提高學生發現問題創新性解決問題的能力，從而達到培養綜合性高素質創新型人才的教學目標。

第五階段：活動評價。在整個實驗過程中，教師應以指導者和管理員的身份參與其中，幫助學生解決實驗困難，糾正錯誤操作，排除安全隱患，使學生順利地完成實驗，同時向學生強調規范實驗記錄的重要性，使得學生準確記錄驗數據，培養學生嚴謹的科學作風；本實驗面向中藥學與藥學專業的本科生進行了探索，安排了8學時，其中4學時包括中藥材樣品的消化與標液的配制。另4學時包括基于原子化條件的優化、含鎘標液及樣品的測試以及方法精密度的檢驗；實驗成績按照4階段進行了考核，其中課前線上學習任務的完成占20%、課堂翻轉占20%、課內實驗操作占30%和線上實驗報告占30%，按此比重加權得出最終實驗成績。

2 實驗過程

2.1 實驗試劑及儀器

硝酸(GR)，北京化工廠；鹽酸(AR)，北京化工廠；磷酸氫二銨(AR)，國藥化學試劑；二次蒸餾水。

TAS-990型原子吸收分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司；SKmL-3-4數顯型電熱板，北京中興偉業儀器有限公司；千分之一天平，上海舜宇恒平科學技術儀器設備有限責任公司；超聲清洗器，上海漢克儀器有限公司；離心機，常州市凱航儀器有限公司；0. 22 μm過濾器；容量瓶(10 mL)；移液槍(TopPette單道)，北京大龍。

2.2 樣品消化(以黨參為例)

取黨參粉碎，過2號篩，精確稱取藥粉0.2 g于25 mL單口燒瓶中，加入4 mL硝酸與1 mL鹽酸然后放在60 ℃水浴加熱，讓樣品完全消化。放涼，然后用加熱板加熱到150 ℃趕酸2 h，取出放涼。將剩余液體用二次蒸餾水洗入并定容至10 mL容量瓶中，即得樣品溶液。同法制備試劑空白。

2.3 標準溶液的制備

鎘(Cd)標準曲線的制備：精密吸取 1 mL鎘元素儲備液(1 000 μg·mL-1)，加 1% HNO3逐級稀釋至 50 ng·mL-1鎘標準溶液。吸取上述鎘標準溶液(50 ng·mL-1)0、0.25、0.5、0.75、1.0 和 1.5 mL于25 mL容量瓶中，并加入磷酸二氫銨溶液配置成 0、0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 ng·mL-1標準系列溶液，取 10 μL，注入石墨爐中，測定吸光度值(A)。根據吸光度值(A)與相應濃度(C)關系得出線性回歸方程。

2.4 原子化條件

測定波長228.8 nm，燈電流8 mA，狹縫寬度0.4 nm，冷卻時間30 s，背景校正采用氘燈校正，進樣量10 μL。儀器主要測量條件及石墨爐程序升溫(見表 2)。

表2 石墨爐程序升溫Table 2 Temperature programming of graphite furnace

3 結果與討論

3.1 灰化溫度與原子化溫度的選擇

選擇2 ng·mL-1鎘標準溶液考察灰化溫度與原子化溫度對鎘定量測定的影響。由圖1a可知灰化溫度會影響鎘吸光度的測定，當溫度達到750 ℃時，鎘吸光度達到最大，繼續升高溫度則導致其吸光度下降。所以本文選擇750 ℃作為灰化溫度。原子化溫度會嚴重影響原子化效率，鎘吸光度測定必然受到影響，由圖1b可知原子化溫度在1 650～1 750 ℃范圍內鎘吸光度值受溫度影響不大比較穩定，在1 700 ℃時鎘吸光度值最大。再繼續升高溫度，其吸光度值反而下降，最終選擇1 700 ℃作為原子化溫度。

圖1 灰化溫度對鎘吸光度的影響(a)和 原子化溫度(b)對鎘吸光度的影響Fig.1 Influence of ashing temperature(a)and atomization temperature (b) on absorbance of cadmium(II)

圖2 鎘標準曲線Fig.2 Standard curve of cadmium(II)

3.2 標準曲線及檢出限

在優化的原子化條件測定鎘標液吸光度，以鎘標準液吸光度A為縱坐標，其質量濃度C(ng·mL-1)為橫坐標得到標準曲線。在濃度0～3 ng·mL-1范圍內Cd標液濃度與吸光度呈現較好的線性關系，線性回歸方程為y=0.262 8x+0.007 1，相關系數為0.999 4。

3.3 方法精密度回收實驗

為了驗證方法的可行性，采用同一批黨參樣品，取6份，用優化后的實驗條件進行加標回收率的測定。回收率在95.8%～103.7%范圍內，說明該方法適用于測定黨參中的重金屬鎘(見表3)。同時，對黨參中鎘的含量進行測定(見表3)。

表3 方法精密度回收實驗Table 3 Method precision and recovery experiment

4 教學效果

通過在中藥學與藥學專業應用對原子吸收光譜石墨爐法測定試樣中隔濃度實驗的改革，取得良好的教學效果。學生課內外信息反饋，普遍發現學生不再應付差事地做實驗，學習興趣和熱情顯著提高，能夠對原子吸收光譜法的基本原理和應用以及這些方法之間的優缺點和適用范圍有清楚的認識。通過這個設計性實驗多數學生意識到利用原子吸收法對監測控制中藥重金屬的污染非常重要，對儀器分析方法的重要性有了新的認識，同時也讓學生意識到儀器分析對環境治理，中藥質量控制等方面起到關鍵性的作用。同時本實驗培養了學生的創新意識、提高了其綜合設計能力，對培養創新型、應用型和復合型高素質人才具有重要意義。

5 結 語

把基礎性驗證性實驗改革成設計探索性的綜合實驗，學生學習的積極性得到很好地激發，同時加深學生對原子吸收光譜的認識與理解。通過設計綜合性實驗的完成，我們發現學生的綜合設計能力、創新性的發現問題與解決問題的能力得到明顯提高，同時其環保意識也得到了增強。通過本實驗的順利改革與實施，也激勵我們教師進一步把這種實驗擴大范圍，努力惠及每一個專業的每一位學生，從而全面地提升儀器分析實驗的教學質量。