三維氮摻雜碳納米球的制備及其電化學(xué)傳感性能應(yīng)用
——推薦一個分析化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)

閆曉義，馬強(qiáng)，魏士剛，張志權(quán)，郭玉鵬

1吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院，長春 130012

2吉林大學(xué)國家級化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，長春 130012

隨著激烈的人才競爭以及專業(yè)教育向素質(zhì)教育的轉(zhuǎn)變，逐步培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的全面性、科研思維的創(chuàng)新性以及綜合實(shí)驗(yàn)的連續(xù)性成為化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革目標(biāo)。因此，開展綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的重要性不言而喻。大學(xué)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)一方面可以提升本科生對于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容綜合性和技能全面性的掌握能力，另一方面更為重要是能夠使本科生建立“合成-表征-應(yīng)用”的科研思維模式，逐步培養(yǎng)對于實(shí)驗(yàn)思路的自主創(chuàng)新能力[1,2]。

1 本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)背景和教育價(jià)值

本?；瘜W(xué)學(xué)院本科生通過一、二年級學(xué)習(xí)化學(xué)基礎(chǔ)理論課及實(shí)驗(yàn)課，掌握了無機(jī)、分析、有機(jī)及物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能，已初步具備開展科學(xué)研究的能力。但由于各專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程不同的考查重點(diǎn)及較弱的關(guān)聯(lián)緊密性等特點(diǎn)，學(xué)生并不能全面認(rèn)知自身實(shí)驗(yàn)技能的應(yīng)用方向，因此學(xué)生對于整體科學(xué)研究設(shè)計(jì)思路及統(tǒng)籌安排尚不清晰。綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程的目的在于融會貫通各專業(yè)理論知識及實(shí)驗(yàn)技能，在夯實(shí)基礎(chǔ)的同時(shí)循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生完成創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使學(xué)生從整體上把握實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路及規(guī)劃安排。隨著實(shí)驗(yàn)的逐步深化，新的科研實(shí)驗(yàn)問題也需要及時(shí)調(diào)整原有的研究方法和實(shí)驗(yàn)手段，從而進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的科學(xué)研究興趣和主觀能動性?；谝陨峡紤]，綜合實(shí)驗(yàn)課程面向三年級以上本科生，包括各專業(yè)拔尖及保研直博生，本文所講實(shí)驗(yàn)即是其中之一。

碳材料具有導(dǎo)電性強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高、比表面積大、化學(xué)穩(wěn)定性高、生物相容性良好等優(yōu)點(diǎn)，但其化學(xué)惰性限制了其在高性能器件領(lǐng)域的應(yīng)用。將雜原子引入碳材料能夠優(yōu)化調(diào)控整體結(jié)構(gòu)電子分布、實(shí)現(xiàn)表面功能化，是提升碳材料電催化性能的有效手段[3]。通過選擇和改變摻雜原子的種類和含量，可以有效地對碳材料進(jìn)行改性[4,5]。不同雜原子摻雜及雜原子間的協(xié)同作用會對碳材料催化性能的提升產(chǎn)生不同影響。與碳原子相比，氮原子在具備相似原子半徑的基礎(chǔ)上多了一個核外電子。當(dāng)?shù)訐诫s到碳基材料時(shí)，隨著鄰近碳原子電荷密度的改變，碳基材料的親水性、反應(yīng)性以及導(dǎo)電性亦隨之改變。在材料制備過程中，選擇不同的合成手段、不同的含氮前驅(qū)體能夠獲得多種氮摻雜碳基材料。

碳納米材料雖然一直活躍在科學(xué)研究領(lǐng)域，但本科生對其制備方法及應(yīng)用領(lǐng)域等方面尚不明確，因此本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合成了難度不是很高的氮摻雜碳納米材料，并以合成材料為基礎(chǔ)探討其在電化學(xué)傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用。此實(shí)驗(yàn)涉及材料合成、結(jié)構(gòu)表征、應(yīng)用分析等方面，將檢索文獻(xiàn)、實(shí)驗(yàn)操作、基礎(chǔ)表征、條件優(yōu)化及分析測試等科研環(huán)節(jié)納入其中，充分體現(xiàn)了綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值。第一，本實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬牙碚撜n知識與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，考查學(xué)生對所學(xué)知識的實(shí)際應(yīng)用能力，有效加深并歸納對所學(xué)知識的理解；第二，實(shí)驗(yàn)過程能夠融合各學(xué)科實(shí)驗(yàn)操作技能，加強(qiáng)學(xué)生各學(xué)科實(shí)驗(yàn)技能的關(guān)聯(lián)緊密性；第三，通過整體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、統(tǒng)籌安排、結(jié)果分析及撰寫報(bào)告等過程的鍛煉，學(xué)生能夠逐步建立完整的科學(xué)研究思維模式，充分發(fā)揮自身的自主創(chuàng)新意識和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路及組織安排

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

本實(shí)驗(yàn)以檢測生物小分子谷胱甘肽為目標(biāo)導(dǎo)向，設(shè)計(jì)合成氮摻雜碳納米材料為電極修飾材料，成功構(gòu)筑電化學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)谷胱甘肽的分析定量檢測。為培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力，現(xiàn)提供以下設(shè)計(jì)思路供學(xué)生自由探索：(1) 制備三維氮摻雜碳納米球材料時(shí)炭黑與三聚氰胺的比例是否會對材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響；(2) 在制備修飾電極過程中，滴涂量是否會影響電化學(xué)傳感體系的性能；(3) 不同實(shí)驗(yàn)條件(pH、掃描速度、富集時(shí)間)是否會對分析檢測產(chǎn)生影響；(4) 進(jìn)行體系抗干擾測試時(shí)，不同學(xué)生可選擇不同分子種類進(jìn)行測試分析。在進(jìn)行整個實(shí)驗(yàn)時(shí)按照“制備合成-結(jié)構(gòu)表征-分析應(yīng)用”的設(shè)計(jì)思路(如表1所示)，注重各學(xué)科實(shí)驗(yàn)技能綜合運(yùn)用，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力和自主創(chuàng)新意識。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與具體目標(biāo)、能力訓(xùn)練之間的關(guān)系

2.2 實(shí)驗(yàn)組織安排

此次綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)需要28學(xué)時(shí)完成，可以多人討論、分組進(jìn)行。詳細(xì)安排如下：

(1) 1-8學(xué)時(shí)：實(shí)驗(yàn)前安全教育，講述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將學(xué)生分組，3-5人/組；根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)初步完成三維氮摻雜碳納米球的合成。

(2) 9-14學(xué)時(shí)：理解常規(guī)表征方法的原理，對所制備材料進(jìn)行形貌與結(jié)構(gòu)表征。

(3) 15-18學(xué)時(shí)：了解化學(xué)修飾電極的制備方法，對電極進(jìn)行預(yù)處理。

(4) 19-28學(xué)時(shí)：掌握多種電化學(xué)技術(shù)及數(shù)據(jù)分析方法，完成電化學(xué)傳感器性能優(yōu)化及應(yīng)用測試，并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3 學(xué)生實(shí)驗(yàn)示例

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1) 了解氮原子在碳骨架中的基本構(gòu)型及氮摻雜碳基材料在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用；

(2) 掌握電化學(xué)分析的基本原理和電化學(xué)工作站的基本使用操作；

(3) 掌握掃描電子顯微鏡、電化學(xué)阻抗、X射線衍射等常規(guī)表征技術(shù)；

(4) 掌握一種快速、穩(wěn)定且高效檢測谷胱甘肽的分析方法；

(5) 熟悉使用Origin、Photoshop等數(shù)據(jù)處理、圖像編輯軟件。

3.2 實(shí)驗(yàn)原理

3.2.1 碳基材料中氮原子構(gòu)型

在碳骨架中，氮原子基本以下列四種構(gòu)型存在：吡咯氮(pyrrolic-N)、石墨氮(graphitic-N)、吡啶氮(pyridinic-N)和氧化吡啶氮(oxidied-N)[6](圖1)。其中，石墨氮中氮原子為sp3雜化，其位置相當(dāng)于取代了碳六元環(huán)中的一個碳原子；吡咯氮和吡啶氮的雜化類型均為sp2，分別位于五元環(huán)和六元環(huán)位[7]；氧化吡啶氮構(gòu)型是氮原子與一個氧原子和兩個碳原子相連。需要特別注意的是，在高溫條件下，吡咯氮極易轉(zhuǎn)變?yōu)槭瓦拎さ?。因此，氮原子?gòu)型的不同會對碳基材料的電子結(jié)構(gòu)和電荷分布產(chǎn)生重要影響，其自身催化和導(dǎo)電能力也將隨之改變。然而，目前科學(xué)家對于哪種構(gòu)型的催化能力最強(qiáng)有著不同看法。其中，有些科研人員認(rèn)為吡啶氮催化性能較高[8,9]，還有部分研究者認(rèn)為石墨氮擁有較強(qiáng)的催化活性[10,11]，與此同時(shí)也有研究人員認(rèn)為這兩種氮構(gòu)型的催化性能基本相同[12]。

圖1 碳基材料中氮原子的四種基本構(gòu)型

3.2.2 電化學(xué)傳感器

利用電化學(xué)和分析化學(xué)的基本原理，電化學(xué)傳感器是一種可以將分析物的化學(xué)或生物響應(yīng)信號(如濃度、離子活度等)轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀粶y量的電信號(如電流、電位等)的檢測裝置[13]。依據(jù)輸出信號的不同，電化學(xué)傳感器可分為電阻型傳感器、電流型傳感器以及電位型傳感器。電化學(xué)傳感器可由用于識別待測物響應(yīng)信號的信號接收器和將接收的檢測信號轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號的轉(zhuǎn)換器兩部分構(gòu)成，其示意圖如圖2所示。

圖2 電化學(xué)傳感器示意圖

谷胱甘肽(GSH)是一種生物體內(nèi)常見的小分子物質(zhì)，具有抗氧化和解毒的關(guān)鍵作用。谷胱甘肽在人體內(nèi)的含量變化通常與某些疾病相關(guān)，因此發(fā)展快速、高效且穩(wěn)定的GSH分析檢測方法具有重要意義[14]。目前有關(guān)GSH的檢測方法包括電泳法、光譜法、色譜法以及電化學(xué)法。其中，電化學(xué)法由于其操作簡便、響應(yīng)迅速及穩(wěn)定靈敏等特點(diǎn)受到了大量科研人員的廣泛關(guān)注。然而，由于GSH較高的過電位而無法在普通電級上進(jìn)行快速靈敏檢測，因此需要研發(fā)合適的電極材料用以構(gòu)筑電化學(xué)傳感器。本實(shí)驗(yàn)合成的三維氮摻雜碳納米球(3D-N-CB)材料作為一種電極修飾材料，其中摻雜的氮原子能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生電化學(xué)活性位點(diǎn)，改變碳骨架的電荷分布并且提升整體電子傳輸速率，有效降低GSH的過電位并提升電催化響應(yīng)信號。

3.3 實(shí)驗(yàn)用品

試劑：三聚氰胺從光復(fù)試劑有限公司購買。炭黑，磷酸氫二鈉(Na2HPO4)，磷酸二氫鉀(KH2PO4)，谷胱甘肽購于北京化工廠。本實(shí)驗(yàn)中用到的試劑和藥品都是分析純。合成及配制過程中用水均為超純水。0.1 mol·L?1的磷酸緩沖溶液(PBS)由Na2HPO4和KH2PO4配制。

儀器：管式爐(KSGD-6.3-16C，上海意豐)，掃描電子顯微鏡(SEM，F(xiàn)EI Nova Nano，US)，X射線衍射(XRD，D/Max2550 VB，CuKα射線，JPN)，拉曼光譜(Renishaw inVia, UK)，電化學(xué)工作站(上海辰華，920C)。

3.4 實(shí)驗(yàn)步驟

3.4.1 3D-N-CB的制備

首先，將150 mg炭黑(CB)和3 g三聚氰胺分散在20 mL乙醇/水(1 : 1，V:V)中，攪拌1.5 h后超聲處理20 min得到均勻分散液。然后，在60 °C下將上述分散液干燥可得固體粉末，充分研磨后置于管式爐中。在N2的氛圍下升溫至600 °C并保持2 h，隨后繼續(xù)升溫至900 °C保持2 h，設(shè)定加熱速率為3 °C·min?1。最后，將產(chǎn)物自然冷卻至室溫后，得到樣品3D-N-CB。此外，我們在相同條件下直接熱解炭黑得到對照樣品并記為CB-900。

3.4.2 修飾電極的制備

首先，分別使用粒徑大小為0.3和0.5 μm的Al2O3粉末對裸玻碳電極(GCE)進(jìn)行拋光處理，接下來依次使用1 : 1硝酸/水、乙醇和水超聲清洗GCE 1 min，用N2吹干待用。將樣品3D-N-CB用超純水配制成1 mg·mL?1的分散液，使用移液器取10 μL均勻滴涂在GCE表面，置于干燥器中得到3D-N-CB/GCE。作為對照試驗(yàn)，用同樣方法制備1 mg·mL?1CB-900的分散液，取10 μL均勻滴涂在GCE得到CB-900/GCE。

3.5 結(jié)果與討論

3.5.1 材料表征

運(yùn)用掃描電子顯微鏡對制備樣品3D-N-CB進(jìn)行微觀形貌表征。通過圖3可以清晰地看出，3D-N-CB呈現(xiàn)三維多層球狀結(jié)構(gòu)，納米球直徑尺寸大約為80 nm。該三維球狀結(jié)構(gòu)能夠提供更大的比表面積以及更多的化學(xué)活性位點(diǎn)，在碳基材料提升電子傳輸效率的基礎(chǔ)上為接下來GSH在電極表面的催化氧化過程提供幫助。

圖3 3D-N-CB的掃描電鏡圖

采用XRD和拉曼光譜對3D-N-CB和CB-900樣品結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征分析。如圖4a所示，兩種熱解所得樣品均在26°顯現(xiàn)出無定形碳衍射峰[15]，43.5°的弱衍生峰對應(yīng)于碳(101)晶面。與CB-900樣品相比，3D-N-CB在26°處衍射峰的強(qiáng)度更大表明其具有較高的石墨化程度。此外，通過拉曼光譜圖4b可以觀察到，樣品均表現(xiàn)出兩個吸收峰，1350 cm?1處的D帶以及1569 cm?1處的G帶。D帶和G帶的強(qiáng)度比值(ID/IG)表征了材料的石墨化和缺陷程度[16]。與CB-900相比，3D-N-CB具有較高的ID/IG值，說明N原子摻雜能夠誘導(dǎo)碳層產(chǎn)生更多的邊緣和結(jié)構(gòu)缺陷，與XRD檢測結(jié)果一致。

圖4 3D-N-CB和CB-900的XRD和拉曼表征圖

3.5.2 GSH在修飾電極上的電化學(xué)行為

圖5采用CV法探究了5 mmol·L?1GSH在GCE、CB-900/GCE以及3D-N-CB/GCE上的電化學(xué)行為。由圖5可清楚地看出，GCE對于5 mmol·L?1GSH產(chǎn)生的催化電流極低。與之相比，CB/GCE對GSH有一定的催化效果，其氧化峰電流明顯提高。值得注意的是，3D-N-CB/GCE能夠催化GSH產(chǎn)生更為顯著的氧化峰電流，其電流值約為CB-900/GCE的2倍，表明N摻雜到碳骨架中會顯著提高樣品對GSH的電催化活性。此外，我們可以注意到，CB-900/GCE和3D-N-CB/GCE所產(chǎn)生的背景電流很大，證實(shí)了碳材料能夠有效地提升修飾電極的比表面積，從而增大與待測物接觸面積和增多催化活性位點(diǎn)。

圖5 5 mmol·L?1 GSH在不同修飾電極上電化學(xué)行為

3.5.3 pH和掃描速度的影響

我們首先利用CV法探究了底液pH對催化過程的影響。由圖6a可知，隨著pH從6增加到9，GSH氧化峰電流先增加后降低，在pH為7.4時(shí)獲得最大的響應(yīng)電流。圖6b顯示了峰電位與pH的線性關(guān)系，隨著pH的增加峰電位(Epa)向負(fù)方向移動，表明該反應(yīng)催化氧化過程中有質(zhì)子參與[17]。其線性回歸方程可表示為Epa= ?0.04475 pH + 0.8778 (R2= 0.9957)。

此外，我們用CV法研究了掃描速度對GSH在3D-N-CB/GCE催化的影響，結(jié)果如圖6c所示。隨著掃描速度的增加，GSH氧化峰電流(Ipa)也不斷增加，其線性回歸方程可表示為Ipa= 0.7080v1/2+ 6.317(R2= 0.9907) (圖6d)。Ipa與v1/2成正比，表明GSH在3D-N-CB/GCE上的催化反應(yīng)是由擴(kuò)散過程控制的[18]。

圖6 pH和掃描速度對于GSH在3D-N-CB/GCE上催化過程的影響

3.5.4 3D-N-CB/GCE的傳感性能

為獲得最佳的測量電位，我們首先采用計(jì)時(shí)安培法研究了不同電壓對GSH測定的影響。如圖7所示，在完成GSH進(jìn)樣后，3D-N-CB/GCE能夠快速產(chǎn)生電化學(xué)響應(yīng)電流并在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。在0.55 V獲得最大響應(yīng)電流，因此確定0.55 V為最佳測量電位。

圖7 計(jì)時(shí)安培法探究測定電壓GSH催化電流的影響

在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下，采用計(jì)時(shí)安培法探究3D-N-CB/GCE的電化學(xué)傳感性能。由圖8a可知，3D-N-CB/GCE對GSH的催化響應(yīng)快速并在4 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，表明了3D-N-CB材料優(yōu)異的電催化性能。由圖8b可知，GSH濃度在0.04-470 μmol·L?1和470-13470 μmol·L?1范圍內(nèi)變化時(shí)，氧化電流響應(yīng)呈線性變化，線性回歸方程可分別表示為Ipa(μA) = 0.009950C(μmol·L?1) + 0.08016 (R2= 0.9947)和Ipa(μA) = 0.02060C(μmol·L?1) + 4.671 (R2= 0.9898)，檢出限為9 nmol·L?1(S/N= 3)。

圖8 (a) GSH在3D-N-CB/GCE上的計(jì)時(shí)安培曲線以及(b) 響應(yīng)電流與GSH濃度關(guān)系曲線

3.5.5 3D-N-CB/GCE的重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和選擇性

為考查3D-N-CB/GCE的重現(xiàn)性，我們用同一根修飾電極對GSH進(jìn)行10次平行測定，其電流的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)是3.65%，表明3D-N-CB/GCE具有優(yōu)異的重現(xiàn)性。此外，我們通過將修飾電極放置一周后測定電流值考查其穩(wěn)定性，結(jié)果表明3D-N-CB/GCE的電流響應(yīng)是其原始值的91%，說明3D-N-CB/GCE具有良好的穩(wěn)定性。最后，采用計(jì)時(shí)安培法考查了干擾物對GSH測定的影響。結(jié)果表明，10倍的和H2PO4?以及2倍濃度的葡萄糖、果糖、蛋氨酸、丙氨酸、L-脯氨酸和賴氨酸加入后，GSH的電流值基本保持不變，說明3D-N-CB/GCE具有令人滿意的抗干擾能力。

4 實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)及注意事項(xiàng)

通過本次綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們能夠逐步形成合成-表征-應(yīng)用的科研邏輯思維模式，有效提升學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作技能及獨(dú)立分析解決問題能力，從整體上把握實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路，現(xiàn)將該實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)及注意事項(xiàng)分析如下：

(1) 理論方面：① 如何使學(xué)生準(zhǔn)確理解電化學(xué)三電極體系的工作原理及各種分析測試方法；② 氮原子四種基本構(gòu)型及其催化性能介紹。

(2) 實(shí)驗(yàn)操作方面：① 對于玻碳電極的拋光處理需要仔細(xì)教學(xué)，否則極易損壞電極；② 由于大型儀器設(shè)備的價(jià)值較高，其使用教學(xué)需由專業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)；③ 如何選擇適合的底液緩沖溶液；④ 每次進(jìn)行電化學(xué)檢測前需要在底液中進(jìn)行一定時(shí)間的富集。

(3) 數(shù)據(jù)處理方面：① 難點(diǎn)在于不同表征手段數(shù)據(jù)的有效分析(SEM、XRD、拉曼光譜)，查詢對應(yīng)的特征峰；② 電化學(xué)數(shù)據(jù)方面需要根據(jù)不同分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

5 實(shí)際教學(xué)及效果分析

5.1 實(shí)際教學(xué)學(xué)時(shí)安排

實(shí)驗(yàn)實(shí)際教學(xué)學(xué)時(shí)安排與設(shè)計(jì)學(xué)時(shí)安排相比略有改動(共計(jì)28學(xué)時(shí))。其中安全教育用時(shí)2學(xué)時(shí)；搜集閱讀文獻(xiàn)及初步設(shè)計(jì)合成三維氮摻雜碳納米球用時(shí)8學(xué)時(shí)；運(yùn)用大型儀器對制備材料進(jìn)行表征4學(xué)時(shí)；構(gòu)筑修飾電極1學(xué)時(shí)；多種電化學(xué)手段測試分析共用時(shí)8學(xué)時(shí)(CV比較1學(xué)時(shí)、條件優(yōu)化2學(xué)時(shí)、線性分析3學(xué)時(shí)、其他測試2學(xué)時(shí))；數(shù)據(jù)分析處理及實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫用時(shí)5學(xué)時(shí)。

5.2 分層教學(xué)方法

在實(shí)際教學(xué)中，指導(dǎo)教師可以對不同年級及不同基礎(chǔ)層次的學(xué)生進(jìn)行分組輔導(dǎo)、因材施教。例如，對于大三年級學(xué)生，指導(dǎo)教師可給出詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案，按步驟手把手教學(xué)，使學(xué)生在充分理解實(shí)驗(yàn)整體思路的基礎(chǔ)上提高自身的實(shí)驗(yàn)技能；對于學(xué)科拔尖或者保研直博學(xué)生，指導(dǎo)教師可以在課題方向不變的基礎(chǔ)上讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)更為細(xì)化的實(shí)驗(yàn)方案，從而使學(xué)生在保持各自優(yōu)勢的同時(shí)互相促進(jìn)和提高，從各個方面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)能力。

關(guān)注學(xué)生水平差異，對動手能力和創(chuàng)新思維差異大的學(xué)生，提供針對性分組輔導(dǎo)，運(yùn)用分層教學(xué)因人而異，因材施教。對低年級學(xué)生手把手教學(xué)、中年級學(xué)生通過指導(dǎo)書和示教板自主實(shí)驗(yàn)、高年級學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的分層教學(xué)模式，使學(xué)生保持各自特長的同時(shí)又能相互促進(jìn)和提高，使學(xué)生個性化技能在通識化教育中得到全面提升。同時(shí)通過開展大量綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)來提高學(xué)生的綜合素質(zhì)能力，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和勇于開拓的創(chuàng)新意識。

5.3 教學(xué)效果分析

本實(shí)驗(yàn)已經(jīng)正式實(shí)施兩年，學(xué)生反響非常好，其教學(xué)效果可總結(jié)為以下幾個方面：

(1) 該實(shí)驗(yàn)涉及三維氮摻雜碳納米球的制備、結(jié)構(gòu)與形貌表征以及其在電化學(xué)傳感器方向的應(yīng)用，能夠讓本科生對科研工作有正確的認(rèn)識，初步建立“制備合成-結(jié)構(gòu)表征-分析應(yīng)用”的科研邏輯思維模式。

(2) 通過本實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，本科生的文獻(xiàn)查閱及自主學(xué)習(xí)能力顯著提高；此外，該實(shí)驗(yàn)從產(chǎn)物合成以及分析應(yīng)用等實(shí)驗(yàn)步驟都能顯著提升本科生的實(shí)驗(yàn)操作技能及分析解決實(shí)際問題的能力。

(3) 分組模式能夠有效促進(jìn)學(xué)生之間的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，多人討論的方式更能提升每個學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與度，博采眾長、全面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案；分層教學(xué)的特點(diǎn)能讓不同基礎(chǔ)的學(xué)生適應(yīng)實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度，逐步培養(yǎng)自身的自主創(chuàng)新能力。

(4) 實(shí)驗(yàn)中涉及管式爐、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀及拉曼光譜儀等大型設(shè)備儀器，能夠使學(xué)生產(chǎn)生濃厚學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)掌握多種大型儀器的使用，為以后畢業(yè)論文及科研工作打下良好的基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)介紹了一種新型谷胱甘肽的電分析檢測方法，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及材料制備、結(jié)構(gòu)表征以及測試分析，能夠從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、科研思維以及操作技能等方面激發(fā)學(xué)生的科研興趣，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和勇于開拓的創(chuàng)新意識，有利于培養(yǎng)化學(xué)及材料相關(guān)專業(yè)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。根據(jù)此綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)取得的教學(xué)效果，我們正在遴選和凝練新的綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)一步拓展學(xué)生的科研思路，提升學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題能力。