原子發(fā)射光譜法在本科教學(xué)中的探索與改進

王巖玲+程云環(huán)+王俊恩

摘 要：原子發(fā)射光譜法在測定物質(zhì)中元素組成和含量方面具有很廣泛的應(yīng)用。本文針對儀器分析的課程特點及教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，對原子發(fā)射光譜法的教學(xué)方法進行了探討和改進。經(jīng)過教學(xué)實踐，改進后的原子發(fā)射光譜法教學(xué)方法能有效地提高本科生的理解能力和實踐能力，同時也可以有效地提高大型儀器在本科教學(xué)中的使用效率。

關(guān)鍵詞：原子發(fā)射光譜法；理論教學(xué)；實驗教學(xué)；探索和改進

原子發(fā)射光譜法（Atomic Emission Spectroscopy，AES）是根據(jù)待測物質(zhì)的氣態(tài)原子或離子受激發(fā)后所發(fā)射的特征光譜的波長及其強度來測定物質(zhì)中元素組成和含量的分析方法。AES具有很多優(yōu)點：選擇型好，靈敏度高，分析速度快，能進行多元素同時測定，可用于70多種元素的分析。原子發(fā)射光譜法在地址、冶金、機械、環(huán)境、材料、能源、生命及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為現(xiàn)代儀器分析中的重要的方法之一。因此，為了適應(yīng)社會的需要，增強本科學(xué)生對分析科學(xué)儀器的操作能力，我們對AES的本科生教學(xué)進行了探索和改進。

一、 理論教學(xué)

1. 基本原理：“在通常情況下，物質(zhì)的原子處于最低能量的基態(tài)，當受到熱能、電能等的作用時，基態(tài)原子被激發(fā)到激發(fā)態(tài)，同時還可能電離并進一步被激發(fā)。處于各種激發(fā)態(tài)的原子或離子是很不穩(wěn)定的，在10-8s時間內(nèi)，按照光譜選擇定則，以光輻射形式釋放出能量，躍遷到較低能級或基態(tài)，就產(chǎn)生原子發(fā)射光譜?！边@是原子發(fā)射光譜法較完整的原理。對AES原理理解過程中容易出錯的有以下幾點：

（1） AES激發(fā)能是熱能或電能等，一定要與原子熒光光譜法（AFS）區(qū)分開來，AFS屬于光致發(fā)光，其激發(fā)能為輻射能。

（2） AES與原子吸收光譜法（AAS）的原理截然不同，一定要區(qū)分開來，AES屬于發(fā)射光譜法，研究的是原子發(fā)射出的光譜，AAS屬于吸收光譜法，研究的是原子對光輻射的吸收光譜。

（3） “同時還可能電離并進一步被激發(fā)”說明AES發(fā)射的譜線既可以是原子線還可以是離子線。而AAS的吸收線只能是原子線，離子線在分析的過程中屬于干擾效應(yīng)。

因此在教學(xué)過程中，不能只簡單的對AES的原理進行描述，而應(yīng)該讓學(xué)生在掌握AES的原理的基礎(chǔ)上，理解其與其它原子光譜法相同和不同的地方。

2. 儀器：AES所有的儀器通常包括激發(fā)光源、光譜儀及進行光譜分析的附屬設(shè)備。

（1） 激發(fā)光源：激發(fā)光源的作用是提供試樣蒸發(fā)、解離、原子化和激發(fā)所需要的能量，并產(chǎn)生輻射信號。常用的激發(fā)光源有化學(xué)火焰、電弧、電火花和電感耦合等離子體（ICP）等。對于不同類型的光源需要掌握其工作原理、優(yōu)缺點和應(yīng)用。但由于內(nèi)容較多，需要將其進行歸納總結(jié)。

ICP光源是利用高頻電感耦合的方法產(chǎn)生等離子體放電的一種裝置。由于它具有優(yōu)異的分析性能，靈敏度、選擇性、分析速度、準確度、自動化，即所謂3S+2A等方面有了長足的進步，是當前發(fā)射光譜分析中發(fā)展迅速、優(yōu)點突出的一種新型光源。因此，在教學(xué)中應(yīng)當舉一些實例讓學(xué)生了解其應(yīng)用，為今后工作打下基礎(chǔ)。如：程石等用ICP-AES法直接測定Cr20Ni80鎳鉻合金濺射靶材中主量元素Cr和次量元素Si、Mn、P、Cu、Fe、Ti、Ce。

（2） 分光系統(tǒng)：AES通常采用棱鏡和光柵兩種分光系統(tǒng)。隨著技術(shù)的不斷進步和完善，棱鏡已經(jīng)很少用，現(xiàn)在原子發(fā)射光譜儀大都采用光柵分光系統(tǒng)。光柵對于學(xué)生來說是一種陌生的儀器，可以將報廢過的光柵實物給同學(xué)們展示，通過現(xiàn)象講解機理，加深理解。

（3） 檢測系統(tǒng)：AES目前用的比較多的檢測方法有攝譜法和光電檢測法。對于理論教學(xué)，攝譜法更能直觀地體現(xiàn)出原子發(fā)射和檢測的過程，因此我們實驗操作使用的是攝譜法進行教學(xué)。即攝譜——顯影——定影——水洗——晾干等步驟。而光電檢測法跟其它大多光學(xué)儀器一樣，主要是利用光電效應(yīng)將不同波長的輻射能轉(zhuǎn)化成光電流的信號，其對應(yīng)的光源主要是ICP光源，ICP-AES儀器可以給學(xué)生們進行演示，講解它的特點和性能，由于運行成本較高，不太適合學(xué)生教學(xué)。電荷耦合器件（CCD）是一種新型固體多道光學(xué)檢測器件，它是在大規(guī)模硅集成電路工藝基礎(chǔ)上研制而成的模擬集成電路芯片，可極大地提高發(fā)射光譜分析的速度?？梢詫⒋藱z測器介紹給學(xué)生，為以后就業(yè)和科研打下基礎(chǔ)。

二、 實驗教學(xué)

1. 實驗講義：由于不同院校使用的AES儀器類型、規(guī)格型號、生產(chǎn)廠家等不盡相同，因此使用通用的教材會給學(xué)生的實驗預(yù)習(xí)和設(shè)計帶來不便，影響實驗教學(xué)的效果。針對這種情況，我們課程組討論編寫了近期所使用儀器類型和規(guī)格型號，并適合本院學(xué)生特色的講義。

2. 教學(xué)方式：傳統(tǒng)的實驗教學(xué)大都是教師“灌輸式”講解，實驗前學(xué)生只是機械的照著講義書寫預(yù)習(xí)報告，對于實驗內(nèi)容理解甚少，同樣AES實驗也存在這種情況，為了改善這種教學(xué)方式。預(yù)習(xí)時，理論原理與實驗操作過程相結(jié)合，在實驗課中，花一定的時間讓學(xué)生匯報實驗預(yù)習(xí)情況（可以輪流進行），指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計出合理的實驗步驟，并對實驗操作進行演示，讓學(xué)生掌握正確的實驗操作技能。

AES法教學(xué)的改進，理論知識的提高非常重要，所有的實踐必須以理論為前提，因此教學(xué)中，要系統(tǒng)條理地指導(dǎo)學(xué)生進行理論知識的學(xué)習(xí)，并且要舉例加深理解；同樣，實驗教學(xué)也非常重要，實驗的理論性、實用性和操作性更強，是目前各種科學(xué)研究不可缺少的分析手段，也是理論課的延續(xù)和實踐，因此，我們在教學(xué)中應(yīng)該理論和實驗相結(jié)合，滿足社會對高素質(zhì)應(yīng)用型人才的需要。

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作者簡介：

王巖玲，程云環(huán)，王俊恩 ，安徽省淮北市，淮北師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院。endprint