開放式化學(xué)實驗教學(xué)中研究型實驗的探索

宋紅杰，郭彩紅，熊 慶

(四川大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，四川 成都 610065)

開放式化學(xué)實驗教學(xué)中研究型實驗的探索

宋紅杰，郭彩紅，熊 慶

(四川大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，四川 成都 610065)

將教師的科學(xué)研究與化學(xué)實驗教學(xué)相結(jié)合，探索了一個由科研課題設(shè)計轉(zhuǎn)化成的研究型化學(xué)實驗項目——納米金共振光散射法測定河水中砷含量。該實驗項目現(xiàn)象穩(wěn)定、重復(fù)性好，達(dá)到教學(xué)實驗要求；該實驗還涵蓋較多供學(xué)生自行探索的可開放研究課題——納米金不同制備方法、納米金尺寸與光學(xué)特性關(guān)系和修飾分子類型與檢測對象。因此，該實驗項目可用于開放式化學(xué)實驗教學(xué)。該實驗?zāi)軌驇椭鷮W(xué)生掌握紫外可見吸收光譜儀、熒光光譜儀的工作原理及操作技能，有利于學(xué)生了解金納米材料的制備方法及表征技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力、科學(xué)素養(yǎng)和研究探索能力。

研究型實驗;開放式化學(xué)實驗教學(xué);納米金;共振光散射;砷(Ⅲ)離子

目前，開放式實驗教學(xué)成為高校本科實驗教學(xué)改革的一個重要方向[1-3]。為開展開放式實驗教學(xué)，四川大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中心在創(chuàng)新實驗室的建立、管理制度的完善、綜合實驗平臺的建設(shè)和創(chuàng)新實驗實踐教學(xué)等方面做了大量工作。但是，目前開放式化學(xué)實驗教學(xué)還面臨著優(yōu)質(zhì)開放性實驗教學(xué)項目嚴(yán)重不足的問題，探索綜合性、設(shè)計性和研究性實驗項目對提高開放式實驗教學(xué)質(zhì)量來說意義重大。

研究型化學(xué)實驗以研究為主線，以學(xué)生自主性、探索性學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)[4]。開設(shè)研究型實驗教學(xué)項目，為學(xué)生提供一個研究探索、自主學(xué)習(xí)的平臺，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，同時提高學(xué)生的綜合素質(zhì)[5-6]。本文選取部分前沿性較強、具有可行性的科研成果轉(zhuǎn)化為可開放的研究型實驗教學(xué)項目，供學(xué)生自主選擇，在相關(guān)開放性實驗室獨立完成實驗，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、獨立分析問題和解決問題能力，培養(yǎng)具有一定科研素養(yǎng)的高素質(zhì)人才。

1 本實驗項目設(shè)計的背景與意義

光散射是指一束光通過介質(zhì)時，在入射光方向以外的各個方向觀察到的一種光輻射現(xiàn)象。將光散射現(xiàn)象應(yīng)用于分析化學(xué)，并建立成熟的光散射光譜分析技術(shù)是近年來分析化學(xué)領(lǐng)域重要研究方向之一。納米材料的發(fā)展極大地豐富了光散射光譜分析技術(shù)的研究。近年來，基于納米材料的光散射光譜分析新方法被陸續(xù)報道，然而，在高?；瘜W(xué)實驗教學(xué)中幾乎沒有涉及該部分研究內(nèi)容的實驗項目。本實驗項目把常規(guī)基礎(chǔ)實驗涉及較少的科學(xué)前沿知識融合到開放性實驗教學(xué)當(dāng)中，旨在開拓學(xué)生們的視野，訓(xùn)練他們的科研思維，增加實驗過程的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性，使得整個實驗過程充滿科學(xué)探究的樂趣。

有毒重金屬在環(huán)境中難以被微生物降解，通過生物富集作用在動、植物體內(nèi)積累，再通過食物鏈進(jìn)入人體體內(nèi)，從而對人體造成傷害，嚴(yán)重危害人體健康。因此，重金屬污染是關(guān)系到人類健康和生命的重大環(huán)境問題，發(fā)展簡單、靈敏、精確的檢測方法，實現(xiàn)對環(huán)境中有毒重金屬的高效測定具有重要意義。砷的污染來源包括礦石的開采、冶煉或以砷化合物做原料的工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的廢水、廢氣、廢渣。我國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) GB 3838—2002 中規(guī)定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 類地表水砷含量要小于 0.05 mg/L，Ⅳ、Ⅴ類地表水砷含量要小于0.1 mg/L。在實驗教學(xué)中開設(shè)河水中砷含量的檢測的教學(xué)實驗貼近學(xué)生生活，有助于培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保理念。砷的測定方法主要有二乙基二硫化甲酸銀分光光度法、鋅-硫酸系統(tǒng)新銀鹽分光光度法、砷斑法、原子熒光法、氫化物發(fā)生原子吸收法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法。前3種方法操作煩瑣耗時，原子熒光和氫化物發(fā)生原子吸收法需要對樣品進(jìn)行前處理，消耗大量強酸，與我們提出的綠色、環(huán)保化實驗教學(xué)理念不符，且ICP-MS 儀器昂貴運行成本高。光散射光譜分析方法具有方法簡單、分析時間短、重現(xiàn)性好、儀器運行成本低等優(yōu)點，因此，我們通過對科研課題的轉(zhuǎn)化，設(shè)計了基于光散射光譜分析方法測定河水中砷含量的教學(xué)實驗。本實驗以河水中砷含量為分析對象，貼近學(xué)生生活，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時，該實驗項目有利于增強學(xué)生對環(huán)境問題的緊迫感，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)心環(huán)境意識，實施素質(zhì)教育。

2 實驗設(shè)計2.1 實驗?zāi)康?/p>

1)學(xué)習(xí)納米金的綠色制備方法。

2)了解共振光散射光譜法分析原理及其在重金屬離子檢測方面的應(yīng)用。

3)激發(fā)學(xué)生對環(huán)境問題的關(guān)注，并針對不同環(huán)境污染物開展更多研究工作。

2.2 實驗原理

透明介質(zhì)中的光散射是由于介質(zhì)中存在不均勻性而造成的，液體或氣體中的微粒導(dǎo)致光散射的產(chǎn)生。根據(jù)微粒的尺寸大小(d)和入射光波長(λ)之間的關(guān)系，可將光散射分為瑞利(Rayleigh)散射(d≤0.05λ) 、丁鐸爾(Tyndall)散射(λ>d>0.05λ) 和米氏(Mie)散射(d>λ)。單色光作用于透明介質(zhì)時，通常發(fā)生彈性散射和非彈性散射兩種散射。前者光頻不變，散射光波長等于入射光波長，即瑞利散射的散射強度與入射波長的四次方成反比(稱為瑞利散射定律)；后者散射光波長比入射光波長短或長，即拉曼散射。當(dāng)瑞利散射位于或接近于微粒的分子吸收帶時，電子吸收電磁波頻率與散射頻率相同，電子因共振作用而強烈吸收光的能量，并發(fā)生再次散射，其散射強度不再遵守瑞利散射定律并且急劇增強，通常較單一瑞利散射提高幾個數(shù)量級，此現(xiàn)象稱為共振瑞利散射(RRS)，或稱共振光散射(RLS)[7]。在普通的熒光分光光度計上選擇合適的激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度，以相等的激發(fā)和發(fā)射波長(Δλ=0)同時掃描激發(fā)和發(fā)射單色器所得的同步光譜即為共振光散射光譜[8]。散射光譜屬于同步光譜，由于共振光散射是源于等波長入射光激發(fā)散射微粒產(chǎn)生，因此散射粒子可看成是能發(fā)射出與激發(fā)光波長相等的新發(fā)光體，故而共振光散射信號屬于同步發(fā)光[9]。根據(jù)同步發(fā)光方程[10]:

ISL=KcbEex(λex)Eem(λex+Δλ)

(1)

式中，Eex是在給定激發(fā)光波長處(λex=λem-Δλ)的激發(fā)函數(shù)，Eem是在對應(yīng)的發(fā)射波長處(λem=λex+Δλ)的發(fā)射函數(shù)，K是與儀器條件有關(guān)的常數(shù)，b是液池厚度。當(dāng)Δλ=0時，即得共振強度為：

ISL=KcbEex(λex)Eem(λex)

(2)

由式(2)可知在儀器條件一定時，共振光散射強度與散射微粒的濃度c成正比，據(jù)此可以用于透明介質(zhì)中微粒的定量測定。

納米金經(jīng)谷胱甘肽修飾后在緩沖溶液中有較好的分散性，大約在320 nm、570 nm處有較小的共振光散射峰，當(dāng)As3+溶液加入谷胱甘肽修飾的納米金溶液中后，由于As3+離子與谷胱甘肽分子的螯合作用引起納米金的團(tuán)聚，導(dǎo)致該體系共振光散射強度增強，增強的共振光散射強度(ΔI)與As3+濃度存在線性關(guān)系，基于此建立納米金共振光譜法測定河水中砷含量的方法。

2.3 實驗試劑與儀器

2.3.1 實驗試劑

氯金酸(HAuCl4·4H2O) 購于Sigma-Aldrich公司；檸檬酸鈉(Na3C6H5O7)、無機砷標(biāo)準(zhǔn)溶液購于上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；谷胱甘肽(GSH)購于北京萊寶生物科技有限公司；鹽酸、硝酸、醋酸、醋酸鈉、磷酸二氫鈉和磷酸氫二鈉購于成都科龍化學(xué)試劑有限公司。

2.3.2 實驗儀器

集熱式恒溫磁力攪拌器(DF-101S，鞏義予華)、水浴恒溫振蕩器(SHZ-A, 上虞艾科)、離心機(H1850，湘儀)、紫外分光光度計(U-2910，Hitachi)、透射電鏡(G2 F20 S-TWIN，Tecnai)、熒光光譜儀(F-7000，Hitachi)。

2.4 實驗內(nèi)容

2.4.1 納米金的合成與修飾

納米金的制備根據(jù)文獻(xiàn)報道[11-12]的方法并加以改進(jìn)。所有玻璃儀器均使用王水(硝酸/鹽酸=1∶3)充分浸潤后，用超純水沖洗干凈后在烘箱中烘干備用。取50 mL 1 mM的HAuCl4溶液于三口燒瓶中，在三口燒瓶的3個口上分別接上塞子和冷凝管，將三口燒瓶置于集熱式磁力攪拌器上加熱回流氯金酸溶液。待溶液沸騰后，迅速加入5 mL 38.8 mM的檸檬酸鈉溶液，繼續(xù)加熱回流反應(yīng)30 min，待溶液的顏色不再發(fā)生變化時，停止加熱，仍繼續(xù)攪拌，直到溶液的溫度降為室溫。將所制得的納米金溶液用10 000 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行離心洗滌除去多余的離子，重新分散于100 mL水溶液中，通過改變氯金酸和檸檬酸鈉的比例，可合成不同尺寸的納米金顆粒。

將制備的納米金溶液加入谷胱甘肽溶液(納米金與谷胱甘肽的摩爾比為1∶200)，置于恒溫?fù)u床內(nèi)搖動反應(yīng)2 h，靜置12 h后離心(轉(zhuǎn)速9 000 r/min)去掉上層清夜，加入超純水將管底沉淀溶解，重復(fù)離心幾次，將沉淀重新溶解即得到谷胱甘肽修飾的納米金，避光4 °C保存?zhèn)溆?。谷胱甘肽分子通過Au—S鍵鍵合在納米金表面[13]，谷胱甘肽既是穩(wěn)定劑又是分散劑，修飾后的納米金可在水中穩(wěn)定分散。

2.4.2 納米金的表征

紫外可見吸收光譜(UV-vis)：不同尺寸的納米金溶液在U-2910(Hitachi)型紫外可見分光光度計上進(jìn)行測定，得到最大吸收波長。

高分辨透射電鏡(HRTEM)表征：將納米金溶液滴于銅網(wǎng)碳支持膜上，并置于紅外燈下烘干，然后在Tecnai G2F20 S-TWIN(FEI)型場發(fā)射透射電子顯微鏡上進(jìn)行表征，操作電壓200 kV，得到所制備納米金的尺寸和分散性。

2.4.3 共振光散射光譜法(RLS)測定As3+

1)共振光散射實驗測定方法。

在 10 mL比色管中首先依次加入1 mL不同濃度的As3+標(biāo)準(zhǔn)溶液、1 mL緩沖溶液(0.1 M)和1 mL谷胱甘肽修飾的納米金溶液(20 nM)，用超純水定容至5 mL。然后，置于恒溫?fù)u床內(nèi)室溫條件下震蕩反應(yīng)1 min。在熒光分光光度計上設(shè)置激發(fā)波長與發(fā)射波長相等(λex=λem)，進(jìn)行掃描(狹縫寬度為3 nm)，可以得到共振瑞利散射光譜圖，記錄體系共振光散射強度。

2)緩沖溶液體系和pH 值的選擇。

改變實驗步驟1)中所加緩沖溶液的種類，對比加入等濃度(0.1 M)的檸檬酸鈉-鹽酸、醋酸-醋酸鈉和磷酸鹽緩沖溶液，在同一pH值下測定體系共振光散射強度，考察對緩沖溶液種類對測定的影響，選出最后測定所用的緩沖溶液種類。然后，改變所加入緩沖溶液的pH 值，測定同一體系在不同pH值條件下共振光散射強度，考察pH 值對檢測的影響，確定體系合適的pH 值。

3)優(yōu)化震蕩反應(yīng)時間。

在 7個10 mL比色管中分別依次加入1 mL相同濃度的As3+標(biāo)準(zhǔn)溶液、1 mL緩沖溶液(0.1 M)和1 mL谷胱甘肽修飾的納米金溶液(20 nM)，其中緩沖溶液種類及pH 值為實驗步驟2)選定的結(jié)果，最后用超純水定容至5 mL。然后，置于恒溫?fù)u床內(nèi)室溫條件下分別震蕩反應(yīng)在0.5，1，1.5，2.0，2.5，3.0，5 min，每個反應(yīng)結(jié)束后立刻在熒光儀上進(jìn)行光散射光譜檢測，考察震蕩反應(yīng)時間對共振光散射強度的影響，從而確定合適的反應(yīng)時間。

4)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

改變實驗步驟1)中所提到As3+溶液分別為一系列不同濃度(0，0.2，0.4，1，2，5和10 μM)的As3+標(biāo)溶液1.00 mL，緩沖溶液種類及pH 值為實驗步驟2)中選定結(jié)果，震蕩反應(yīng)時間如實驗步驟3)中選定的結(jié)果。其他操作內(nèi)容如步驟1)所述，測定不同As3+濃度條件下該體系的共振散射光強度。分別以增強的共振光散射光譜強度ΔI和As3+濃度為縱、橫坐標(biāo)作圖，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線、線性方程和相關(guān)系數(shù)。

5)方法選擇性的考察。

通常水樣中含有眾多金屬離子，因此，檢測選擇性也是評價該方法分析特性的一個重要指標(biāo)。如實驗步驟4)，在優(yōu)化的實驗條件下，在光散射實驗反應(yīng)體系中加入過量金屬離子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Pb2+、Cr3+、Cd2+等離子，然后再在相同的測試條件下進(jìn)行光散射光譜檢測，考察共存離子對光散射強度和As3+檢測分析特性的影響，從而對該方法選擇性進(jìn)行評價。

6)河水樣中砷含量的測定。

本實驗河水樣品取自四川大學(xué)江安校區(qū)江安河。按照河水水樣采集規(guī)則[14]，設(shè)一條中泓垂線，在這條垂線一半水深處取樣，置于干燥干凈的2 000 mL燒杯中。攪拌均勻后分取樣品100 mL，8 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心10 min以除去水中的懸浮物、沉淀、藻類及其他微生物。取上層清液1 mL置于10 mL比色管中，后續(xù)實驗操作如實驗步驟1)所述，測定試樣體系的共振光散射強度，從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出和計算試樣中砷的含量。

3 結(jié)束語

本實驗應(yīng)用多種理論知識和實驗操作技術(shù)，使學(xué)生了解納米金制備與表征和光學(xué)特性，在設(shè)計該實驗時，特別注意聯(lián)系科研前沿和學(xué)生的日常生活，而且本實驗項目有較大的開放空間(探索納米金綠色制備、納米金尺寸與光學(xué)特性關(guān)系和檢測對象)，可以讓學(xué)生參與其中進(jìn)行設(shè)計，大大增強教學(xué)實驗的趣味性，引起學(xué)生對科學(xué)研究的興趣及對環(huán)境污染問題的關(guān)注。因此，本實驗可作為一個開放性實驗項目或科研訓(xùn)練實驗項目應(yīng)用到本科生的化學(xué)實驗教學(xué)中。該項目以學(xué)生為主體，以興趣為驅(qū)動，以問題為導(dǎo)向，激發(fā)學(xué)生探究實驗內(nèi)容的好奇心，發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性與創(chuàng)造性，開展協(xié)同探究，為培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)創(chuàng)新人才打下堅實基礎(chǔ)。

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ExplorationonResearchTypeExperimentinOpeningChemistryExperimentalTeaching

SONG Hongjie, GUO Caihong, XIONG Qing

(College of Chemistry, Sichuan University, Chengdu, 610065，China)

Combined the scientific research of teacher with chemical experimental teaching, a research type chemistry teaching experiment-the detection of As3+in river water by resonance light scattering based on gold nanoparticles, was explored and designed.This item was transformed from research subjects.This experiment could satisfy the requirements of the stability and reproducibility in teaching experiment, meanwhile, there are many opening research topics including different preparation methods of gold nanoparticles, the correlativity between the size and optical characteristic of gold nanoparticles, and other target analytes dependence on modification molecular encapsulated on gold nanoparticles, therefore, this experiment could be used in opening chemistry experimental teaching.Through this proposed experiment, the students could understand and grasp the working principle and operation skill of UV-vis spectrometer and spectrofluorimeter, meanwhile, they also could understand the preparation methods and fluorescence characterization techniques of gold nanoparticles, and develop their comprehensive ability, relevant scientific literacy and research ability.

research type experiment; opening chemistry experimental teaching; gold nanoparticles; resonance light scattering; Arsenic (Ⅲ) ion(As3+)

2016-06-05；修改日期:2016-06-20

國家自然科學(xué)基金(21405107)；四川大學(xué)實驗技術(shù)立項(2015-35)

宋紅杰(1981-)，女，博士，實驗師，主要從事分析化學(xué)實驗教學(xué)工作和基于納米材料的發(fā)光分析方面的研究。

熊慶，高級實驗師，主要從事分析化學(xué)實驗教學(xué)工作和分子光譜分析方面的研究,xiongqing46@scu.edu.cn

G642.0;O6-32

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.034