電位法基體效應(yīng)在氟離子選擇性電極分析中的影響

趙玲麗，張嘉捷，徐孝菲，習(xí)玲玲，委育秀，唐云湖，林旭鋒

浙江大學(xué)化學(xué)系，杭州 310012

電位分析法是本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中一項(xiàng)不可或缺的教學(xué)內(nèi)容，具有非常成熟的理論，并經(jīng)過了長期的基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用[1-4]。氟離子選擇電極是應(yīng)用最廣泛的離子選擇電極之一[5,6]，因此氟離子選擇性電極測定食品中的氟含量是眾多高校本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)[7-9]。該實(shí)驗(yàn)一方面讓學(xué)生掌握有關(guān)電位法和離子選擇性電極的基礎(chǔ)知識(shí)和操作，另一方面讓學(xué)生掌握標(biāo)準(zhǔn)曲線法和標(biāo)準(zhǔn)加入法等分析方法以及實(shí)際樣品的處理操作。

氟離子選擇性電極法具有選擇性好、快捷、靈敏、可靠等優(yōu)點(diǎn)，儀器設(shè)備也簡單易用。該方法測定氟含量具有很高的實(shí)用價(jià)值，被用于多個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)方法中對水質(zhì)(GB/T 7484-1987)、土壤(GB/T 22104-2008)及肥料(GB/T 32954-2016)等的氟含量進(jìn)行測定。同時(shí)，利用氟離子選擇性電極對氟離子進(jìn)行檢測的報(bào)道近幾年仍然層出不窮，包括對飲用水[10]、蔬菜[11]和漱口劑[12]等中的氟離子含量進(jìn)行檢測。

在實(shí)際樣品的測量過程中，樣本分析不可避免地會(huì)出現(xiàn)基體干擾，導(dǎo)致分析結(jié)果的偏差。在電位法測定氟離子濃度的實(shí)驗(yàn)中，不同樣品中基體的干擾程度并不一致，可以選擇采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法或標(biāo)準(zhǔn)加入法對氟含量進(jìn)行測定。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，授課教師通常會(huì)強(qiáng)調(diào)基體效應(yīng)對測定所帶來的影響，突出強(qiáng)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)曲線法用于對樣品中的氟進(jìn)行定量，具有操作簡單、分析快速的特點(diǎn)，但在復(fù)雜組分分析中不能消除基體干擾。為此，引入了標(biāo)準(zhǔn)加入法，該方法能有效地消除基體干擾，但操作較為復(fù)雜。然而，這一部分的理論知識(shí)在講授過程中缺乏實(shí)質(zhì)性的驗(yàn)證和理論上的探討，簡單地陳述結(jié)論往往讓多數(shù)學(xué)生對基體效應(yīng)的影響以及兩種定量分析方法仍然一知半解，實(shí)驗(yàn)后討論與思考也多述而不作。基于以上背景，本工作對基于氟離子選擇性電極的電位法基體效應(yīng)的影響展開了深入的實(shí)驗(yàn)探究，創(chuàng)新性地以梯度的方式摻雜乙醇或乙酸改變基體復(fù)雜程度，系統(tǒng)地探究其對檢測結(jié)果和工作曲線的影響。進(jìn)一步在不同基體中對定量方法包括標(biāo)準(zhǔn)曲線法和標(biāo)準(zhǔn)加入法(一次標(biāo)準(zhǔn)加入法和連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)加入法)進(jìn)行了研究比較。該探究實(shí)驗(yàn)是對實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的拓展和延伸，系統(tǒng)深入地解析基體效應(yīng)對測定的影響，將大大幫助學(xué)生理解和鞏固課堂知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析和解決問題的能力。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

FE28 pH計(jì)(梅特勒-托利多儀器有限公司)，PF-1C復(fù)合氟離子選擇性電極(上海越磁電子科技有限公司)，電子天平(梅特勒-托利多儀器有限公司)，電熱板。

紅茶茶葉，綠茶茶葉，氟化鈉(西隴化工股份有限公司)，無水乙醇(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，冰醋酸(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，氯化鈉(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，檸檬酸鈉(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，氫氧化鈉(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。除特殊說明外，實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。

1.2 溶液的配制

1.000 × 10-1mol·L-1氟標(biāo)準(zhǔn)溶液：精密稱取干燥至恒重的氟化鈉4.199 g，加水溶解后移入100 mL容量瓶中，殘液用水多次沖洗轉(zhuǎn)移，用水定容至刻度，混勻，冷藏備用。

總離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)緩沖溶液(Total ionic strength adjustment buffer，TISAB)：稱取58 g氯化鈉和10 g檸檬酸鈉溶于800 mL去離子水中，再加乙酸57 mL，用氫氧化鈉調(diào)節(jié)至pH為5.5，冷卻至室溫，轉(zhuǎn)入1000 mL容量瓶中，用水定容至刻度，搖勻。

標(biāo)準(zhǔn)系列溶液：在一只50 mL容量瓶中用移液管準(zhǔn)確移入1.000 × 10-1mol·L-1氟離子標(biāo)準(zhǔn)溶液5.00 mL，加入TISAB 5.00 mL，用蒸餾水稀釋至刻度，搖勻，即得1.000 × 10-2mol·L-1氟標(biāo)準(zhǔn)溶液；另取一只50 mL容量瓶，用移液管移入5.00 mL已配好的1.000 × 10-2mol·L-1溶液，加入TISAB 4.50 mL，用蒸餾水稀釋至刻度，搖勻，即得1.000 × 10-3mol·L-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液，用類似方法可得到1.000 × 10-4mol·L-1，1.000 × 10-5mol·L-1，1.000 × 10-6mol·L-1的氟標(biāo)準(zhǔn)溶液。

復(fù)雜基體(乙醇/乙酸)樣品溶液。不同乙醇比例的氟離子溶液：在50 mL容量瓶中用移液管準(zhǔn)確移取氟離子標(biāo)準(zhǔn)溶液、TISAB和無水乙醇，用蒸餾水定容，配制含1.000 × 10-2mol·L-1氟離子、10% TISAB和不同比例乙醇(0%、5%、10%、20%和30%)的溶液。用類似的方法配制含1.000 × 10-2mol·L-1氟離子、10% TISAB和不同比例乙酸(0%、5%、10%、20%和30%)的溶液。

復(fù)雜基體(乙醇/乙酸)標(biāo)準(zhǔn)系列溶液。含5%乙醇的氟離子標(biāo)準(zhǔn)系列溶液：在一只50 mL容量瓶中用移液管準(zhǔn)確移入1.000 × 10-1mol·L-1氟離子標(biāo)準(zhǔn)溶液5.00 mL，加入TISAB 5.00 mL和無水乙醇2.50 mL，用蒸餾水稀釋至刻度，搖勻，即得含5%乙醇的1.000 × 10-2mol·L-1氟標(biāo)準(zhǔn)溶液；另取一只50 mL容量瓶，用移液管移入5.00 mL已配好的上述溶液，加入TISAB 4.50 mL和無水乙醇2.25 mL，用蒸餾水稀釋至刻度，搖勻，即得含5%乙醇的1.000 × 10-3mol·L-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液，用類似方法可得到含5%乙醇的1.000 × 10-4mol·L-1，1.000 × 10-5mol·L-1，1.000 × 10-6mol·L-1的氟標(biāo)準(zhǔn)溶液。用類似的方法配制含10%、20%和30%乙醇的氟離子標(biāo)準(zhǔn)系列溶液，以及含0%、10%、20%和30%乙酸的氟離子標(biāo)準(zhǔn)系列溶液。

茶葉樣品溶液：取一只100 mL聚四氟乙烯燒杯，電子天平上稱取1.5 g茶葉，加入50 mL熱去離子水，于電熱板上加熱45 min，冷卻至室溫，常壓過濾。將茶葉濾液收集于50 mL容量瓶中，用少量去離子水洗滌茶葉，洗滌液收集于50 mL容量瓶內(nèi)，加入5.0 mL TISAB，用去離子水定容，搖勻，得到1X (一倍濃度)的茶葉樣品(茶葉提取液加水稀釋接近刻度線時(shí)，如泡沫太多，滴加幾滴乙醇消泡)。用同樣方法收集1.5 g茶葉泡得茶葉濾液于50 mL容量瓶內(nèi)，用去離子水定容，搖勻。分別移取上述茶濾液25.00 mL和12.5 mL于50 mL容量瓶中，加入5.0 mL TISAB，用水稀釋、定容，搖勻，得到0.5X(稀釋一倍濃度)和0.25X (稀釋兩倍濃度)的茶葉樣品。含10%乙醇的1X、0.5X及0.25X的茶葉樣品獲得時(shí)，在50 mL容量瓶中額外加入5 mL乙醇，再加水定容，其余處理方法同上。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

氟離子選擇性電極的準(zhǔn)備：將氟離子選擇性電極放在含10-3mol·L-1氟離子溶液中浸泡30 min左右，然后再用水清洗至電位值在360 mV以上，并保證測量值穩(wěn)定不變。

樣品的測定：將配好的溶液轉(zhuǎn)入潔凈干燥的塑料小燒杯中，對于同系列的溶液，用氟離子選擇性電極從低濃度到高濃度依次測定電位值；對于不同系列的溶液，兩次測定之間對氟離子選擇性電極進(jìn)行清洗，清洗至電位值在360 mV以上。

對于采用標(biāo)準(zhǔn)加入法測定的樣品，測得電位值后，加入高濃度、小體積的氟離子標(biāo)準(zhǔn)溶液，混合均勻，再次測定電位值。其中，標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度約為樣品溶液的50-100倍，標(biāo)準(zhǔn)溶液體積約為樣品溶液的1/50-1/100。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)樣品的測定

用氟離子選擇性電極測定標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的電位值，以電位值E為縱坐標(biāo)，氟離子濃度的負(fù)對數(shù)值-lgcF-為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。舍去了明顯偏離的最低濃度1.00 × 10-6mol·L-1對應(yīng)的點(diǎn)，以4個(gè)點(diǎn)擬合直線，得出標(biāo)準(zhǔn)曲線法的線性回歸方程為E= -5.61 × 10-2lgcF- + 1.94 × 10-2(相關(guān)系數(shù)R2= 0.999)。

為了對比標(biāo)準(zhǔn)曲線法和標(biāo)準(zhǔn)加入法在樣品測定中的差異，分別用幾種方法測試了三個(gè)已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品。其中，標(biāo)準(zhǔn)加入法分為一次標(biāo)準(zhǔn)加入法和連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)加入法，一次標(biāo)準(zhǔn)加入法，即向被測溶液中只加一次標(biāo)準(zhǔn)溶液；連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)加入法是在測量過程中連續(xù)多次向測量溶液中加入標(biāo)準(zhǔn)溶液。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。對于不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品，三種方法檢測的相對誤差均在10%以內(nèi)，其中標(biāo)準(zhǔn)曲線法的相對誤差最小，在±2%以內(nèi)；一次標(biāo)準(zhǔn)加入法的相對誤差在6%-9%之間，連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)加入法的相對誤差在-1% - -10%之間。一次標(biāo)準(zhǔn)加入法的相對誤差較標(biāo)準(zhǔn)曲線法的相對誤差更大，有一部分原因是標(biāo)準(zhǔn)加入法計(jì)算過程中忽略了所加入的高濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液對樣品體積的影響從而造成了誤差。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)加入法較一次標(biāo)準(zhǔn)加入法在測定準(zhǔn)確度上的優(yōu)勢不明顯，考慮到工作量，后續(xù)實(shí)驗(yàn)均采用一次標(biāo)準(zhǔn)加入法。除此之外，對于組成簡單的標(biāo)準(zhǔn)樣品，采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法定量無論是準(zhǔn)確度還是操作簡便度較標(biāo)準(zhǔn)加入法均表現(xiàn)更佳。

表1 氟離子標(biāo)準(zhǔn)樣品的檢測結(jié)果

2.2 復(fù)雜基體樣品的測定

為了對比標(biāo)準(zhǔn)曲線法和標(biāo)準(zhǔn)加入法在復(fù)雜基體樣品測定中的表現(xiàn)，分別用兩種方法測定了摻雜不同比例的乙醇和乙酸的復(fù)雜基體樣品。

按照1.2中的復(fù)雜基體樣品溶液的配制方法，向1.00 × 10-3mol·L-1的氟離子標(biāo)準(zhǔn)樣品中加入不同比例(0%、5%、10%、20%和30%)的乙醇以模擬復(fù)雜基體對測定的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。摻入乙醇會(huì)使標(biāo)準(zhǔn)曲線法的測定結(jié)果偏大。僅摻入5%的乙醇就能使標(biāo)準(zhǔn)曲線法的測定結(jié)果相對誤差達(dá)到32.0%。隨著乙醇比例逐漸增加，標(biāo)準(zhǔn)曲線法的測定結(jié)果相對誤差逐漸變大，最高在摻入30%的乙醇時(shí)達(dá)到357%。對比標(biāo)準(zhǔn)曲線法的測定結(jié)果，隨著乙醇比例逐漸增加，標(biāo)準(zhǔn)加入法的相對誤差始終保持穩(wěn)定，在-8% - 6%以內(nèi)。這一結(jié)果與2.1中標(biāo)準(zhǔn)氟離子樣品測定結(jié)果的準(zhǔn)確度沒有明顯差異。

表2 摻雜乙醇的復(fù)雜基體樣品的檢測結(jié)果

同時(shí)，還向1.00 × 10-3mol·L-1的氟離子標(biāo)準(zhǔn)樣品中加入不同比例(0%、5%、10%、20%和30%)的乙酸以模擬復(fù)雜基體對測定的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。摻入乙酸會(huì)使標(biāo)準(zhǔn)曲線法的測定結(jié)果偏小。僅摻入5%的乙酸就能使標(biāo)準(zhǔn)曲線法的測定結(jié)果相對誤差達(dá)到-22.8%。隨著乙酸比例逐漸增加，標(biāo)準(zhǔn)曲線法的測定結(jié)果相對誤差逐漸變大，最大在摻入30%的乙酸時(shí)達(dá)到-73.4%。對比標(biāo)準(zhǔn)曲線法的測定結(jié)果，隨著乙酸比例逐漸增加，相對誤差始終保持穩(wěn)定，在-1% - 3%以內(nèi)。這一結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)氟離子樣品測定結(jié)果的準(zhǔn)確度沒有明顯差異。

表3 摻雜乙酸的復(fù)雜基體樣品的pH及檢測結(jié)果

除此之外，還測定了含不同比例乙酸的樣品的pH，結(jié)果見表3。不含乙酸的樣品pH為5.54；摻入不同比例乙酸后，樣品的pH逐漸降低，摻入5%-30%的乙酸樣品的pH在2.5-3.5的范圍內(nèi)。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[13]，為了獲得準(zhǔn)確的定量結(jié)果，氟離子測定體系的pH應(yīng)保持在5-6之間。摻入5%及更高比例乙酸樣品的pH遠(yuǎn)低于該pH范圍，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)曲線法測定氟離子含量的準(zhǔn)確性較差，但是采用標(biāo)準(zhǔn)加入法仍能對氟離子含量進(jìn)行較準(zhǔn)確的測定。這一結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)加入法可以大大拓寬氟離子選擇性電極使用的pH范圍。

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)基體差異變大時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)曲線法測定的相對誤差逐漸變大，在復(fù)雜組分分析中不能消除基體干擾；標(biāo)準(zhǔn)加入法仍然保持較好的準(zhǔn)確度，能有效消除基體干擾。當(dāng)摻入乙醇時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)曲線法的測定結(jié)果偏大，且隨著乙醇濃度的增大而誤差增大，原因是乙醇的加入引起樣品溶液組成的變化，會(huì)在氟化鑭單晶膜中引起不對稱電位以及在參比電極中引起液接電位，從而產(chǎn)生更多負(fù)電位，進(jìn)一步通過氟離子選擇性電極使氟含量的測定結(jié)果偏大[14,15]。當(dāng)摻入乙酸時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)曲線法的測定結(jié)果偏小，且隨著乙酸濃度的增大而誤差增大，這一現(xiàn)象可解釋為當(dāng)pH過小時(shí)，F(xiàn)-易和H+結(jié)合形成HF和HF2+，在該體系中HF和HF2+的分布系數(shù)隨著溶液pH降低而逐漸升高[16]，使溶液中的游離態(tài)F-濃度降低引起檢測結(jié)果偏小[17]。

2.3 復(fù)雜基體樣品標(biāo)準(zhǔn)曲線的測定

為了進(jìn)一步評估基體效應(yīng)在電位法測定中的影響，展開了基體復(fù)雜程度對標(biāo)準(zhǔn)曲線影響的探究。

按照1.2中復(fù)雜基體標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的配制方法，首先配制了含0%、10%、20%和30%乙醇的氟離子標(biāo)準(zhǔn)系列溶液，用氟離子選擇性電極測定每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的電位值，結(jié)果如圖1A所示。以電位值E為縱坐標(biāo)，氟離子濃度的負(fù)對數(shù)值-lgcF-為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。舍去了明顯偏離的最低濃度1.00 × 10-6mol·L-1對應(yīng)的點(diǎn)，以4個(gè)點(diǎn)擬合直線(圖1B)，得出每個(gè)系列的線性回歸方程(表4)。由以上結(jié)果可得出結(jié)論：1) 含不同比例乙醇的5條標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)均為0.999，呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系；2) 相鄰標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率(除5%和10%間)均沒有顯著性差異(P＞ 0.05)，相鄰標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜截距(除5%和10%間)均有顯著性差異(P＜ 0.05)。

圖1 (A) 摻雜不同比例乙醇的氟離子標(biāo)準(zhǔn)系列溶液測定電位值；(B) 電位值與氟離子濃度的負(fù)對數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)曲線

表4 摻雜乙醇的復(fù)雜基體樣品的標(biāo)準(zhǔn)曲線

同樣地，對含0%、10%、20%和30%乙酸的氟離子標(biāo)準(zhǔn)系列溶液也進(jìn)行了測定，結(jié)果如圖2和表5所示。由該結(jié)果得出如下結(jié)論：1) 含不同比例乙酸的5條標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)均為0.999，呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系；2) 相鄰標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率(除5%和10%間)均沒有顯著性差異(P＞ 0.05)，相鄰標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜截距(除5%和10%間)均有顯著性差異(P＜ 0.05)。

圖2 (A) 摻雜不同比例乙酸的氟離子標(biāo)準(zhǔn)系列溶液測定電位值；(B) 電位值與氟離子濃度的負(fù)對數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)曲線

表5 摻雜乙酸的復(fù)雜基體樣品的標(biāo)準(zhǔn)曲線

綜合本小節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出摻雜不同比例乙醇或者乙酸的樣品測得的標(biāo)準(zhǔn)曲線線性良好，因不同摻雜比例導(dǎo)致的不同基體復(fù)雜程度總體上對標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率沒有帶來顯著性差異，但是在標(biāo)準(zhǔn)曲線的截距上引起了顯著性差異。推測原因是在電位分析法中斜率項(xiàng)僅受溫度影響，截距項(xiàng)受溶液組成包括離子強(qiáng)度、絡(luò)合效應(yīng)、水解效應(yīng)和pH等條件影響。因此，基體復(fù)雜程度的變化對標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率沒有明顯影響，而對截距有顯著影響。

2.4 實(shí)際樣品的測定

為了對比標(biāo)準(zhǔn)曲線法和標(biāo)準(zhǔn)加入法在實(shí)際樣品測定中的表現(xiàn)，分別用兩種方法對紅茶和綠茶樣品中氟離子含量進(jìn)行了測定，結(jié)果如表6所示。按照1.2中溶液配制方法分別配制1X (不稀釋)、0.5X(稀釋一倍)及0.25X (稀釋兩倍)的紅茶和綠茶樣品，并分別采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法和標(biāo)準(zhǔn)加入法測試茶葉提取液中的氟離子平均濃度，并對三次數(shù)據(jù)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)進(jìn)行計(jì)算。采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法對不同稀釋倍數(shù)(0.25X、0.5X及1X)的紅茶樣品測定濃度分別為5.37 × 10-5、1.15 × 10-4和2.15 × 10-4mol·L-1，濃度對稀釋倍數(shù)擬合直線方程為y= 3.13 × 10-4x+ 3.70 × 10-6，R2= 0.995。采用標(biāo)準(zhǔn)加入法對不同稀釋倍數(shù)(0.25X、0.5X及1X)的紅茶樣品測定濃度分別為4.88 × 10-5、1.11 × 10-4和2.32 × 10-4mol·L-1，濃度對稀釋倍數(shù)擬合直線方程為y= 2.44 × 10-4x- 1.17 × 10-5，R2= 0.999。采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法對不同稀釋倍數(shù)(0.25X、0.5X及1X)的綠茶樣品測定濃度分別為2.10 × 10-5、4.84 × 10-5和9.07 × 10-5mol·L-1，濃度對稀釋倍數(shù)擬合直線方程為y= 9.17 × 10-5x- 1.50 × 10-7，R2= 0.991。采用標(biāo)準(zhǔn)加入法對不同稀釋倍數(shù)(0.25X、0.5X及1X)的綠茶樣品測定濃度分別為2.08 × 10-5、4.53 × 10-5和8.80 × 10-5mol·L-1，濃度對稀釋倍數(shù)擬合直線方程為y= 8.90 × 10-5x- 5.50 × 10-7，R2= 0.998。根據(jù)擬合直線相關(guān)系數(shù)可以看出，無論是紅茶還是綠茶樣品，標(biāo)準(zhǔn)加入法測定結(jié)果相比標(biāo)準(zhǔn)曲線法都更符合氟離子濃度與稀釋倍數(shù)的正相關(guān)關(guān)系，可能的原因是茶葉實(shí)際樣品是一個(gè)含有多種物質(zhì)的復(fù)雜體系，基體干擾會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果的偏差，而標(biāo)準(zhǔn)加入法一定程度上能消除這種基體的干擾。對茶葉樣品進(jìn)行一定倍數(shù)的稀釋再進(jìn)行測定也能減輕復(fù)雜基體的干擾。綜合考慮基體干擾和操作簡便度，在本課程開設(shè)時(shí)，學(xué)生均對茶葉樣品稀釋一倍再進(jìn)行測定。

表6 紅茶和綠茶實(shí)際樣品的檢測結(jié)果

除此之外，為了探究復(fù)雜基體如乙醇的摻雜對茶葉實(shí)際樣品測定的干擾，我們還分別用兩種方法對摻雜10%乙醇的紅茶和綠茶樣品中的氟離子含量進(jìn)行了測定，結(jié)果如表6所示。摻入乙醇會(huì)使標(biāo)準(zhǔn)曲線法的測定結(jié)果偏大。摻入10%的乙醇使標(biāo)準(zhǔn)曲線法的測定不同稀釋倍數(shù)紅茶和綠茶樣品的結(jié)果與不摻雜的樣品相對誤差在42%-61%之間。標(biāo)準(zhǔn)加入法測定含10%乙醇的不同稀釋倍數(shù)紅茶和綠茶樣品的結(jié)果相對誤差與不摻雜的樣品對比始終保持穩(wěn)定，大都在10%以內(nèi)。這一結(jié)果與2.1中標(biāo)準(zhǔn)氟離子樣品測定結(jié)果及2.2中摻雜乙醇的復(fù)雜基體樣品的檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度也是一致的。

3 實(shí)驗(yàn)開展情況

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與安排

“氟離子選擇性電極測定不同茶葉中氟離子的含量”實(shí)驗(yàn)[10]是我系針對全校學(xué)生開設(shè)的普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)類課程中經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之一，在該實(shí)驗(yàn)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)及前述實(shí)驗(yàn)探究的基礎(chǔ)上，對該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案作進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化，即增加用標(biāo)準(zhǔn)曲線法和標(biāo)準(zhǔn)加入法分析復(fù)雜基體樣品的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以加深學(xué)生對電位法基體效應(yīng)的理解和認(rèn)識(shí)。

在普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中，可以根據(jù)課程的差異進(jìn)行不同層次的實(shí)驗(yàn)探究。具體的教學(xué)安排如下：對于課時(shí)數(shù)較少的課程，可以通過多配一瓶溶液(含5%乙醇或乙酸基體的1.00 × 10-3mol·L-1的氟離子標(biāo)準(zhǔn)溶液)，分別采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法和標(biāo)準(zhǔn)加入法測定該溶液，對比兩個(gè)方法的測定結(jié)果，充分了解基體效應(yīng)對測定的影響。對于課時(shí)數(shù)較多的課程，每個(gè)班級自主選擇乙醇或者乙酸中的一種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)班級人數(shù)分為6-8人的4個(gè)小組，每個(gè)小組實(shí)驗(yàn)條件一致。向1.00 × 10-3mol·L-1的氟離子標(biāo)準(zhǔn)樣品中加入不同比例(0%、5%、10%、20%和30%)的乙醇或乙酸以模擬復(fù)雜基體對測定的影響。4個(gè)小組配制的樣品比例分別為5%、10%、20%和30%，而不含乙醇或乙酸的樣品即比例為0%的樣品均會(huì)配制。各小組分別采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法和標(biāo)準(zhǔn)加入法分析兩份不同比例的樣品，對比兩份不同比例樣品測定結(jié)果的差異，并在全班進(jìn)行數(shù)據(jù)共享進(jìn)行組間對比和分析，深入討論基體效應(yīng)對測定的影響。

3.2 教學(xué)效果

“氟離子選擇性電極測定不同茶葉中氟離子的含量”實(shí)驗(yàn)的“基體效應(yīng)探究”補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)已在本系普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)類課程多個(gè)學(xué)期和多位老師的班級中進(jìn)行實(shí)踐，均取得了良好的教學(xué)效果。

學(xué)生代表反饋“茶水實(shí)際樣品的基體組成較為簡單，采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法和標(biāo)準(zhǔn)加入法測試結(jié)果差異不大，不利于我們理解兩種分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)。但是人為地?fù)饺胍掖紭悠纺M復(fù)雜基體，測試結(jié)果立刻有了明顯區(qū)別，標(biāo)準(zhǔn)加入法雖然操作復(fù)雜一些，但確實(shí)能有效地消除基體干擾。”教師代表反饋“該補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)合理的設(shè)計(jì)讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對基體效應(yīng)的影響以及兩種定量分析方法的特點(diǎn)有了清晰直觀的認(rèn)識(shí)，從實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的討論與思考也可以看出學(xué)生相比開展補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)前更融會(huì)貫通地理解了這部分知識(shí)?！?/p>

綜上所述，將“基體效應(yīng)探究”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容引入到本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，大大幫助學(xué)生理解和鞏固理論知識(shí)，更好地實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，促進(jìn)學(xué)生提高協(xié)作能力，鍛煉思辨思維，成長為具備綜合素質(zhì)的人才。

4 結(jié)語

本文闡述了基體效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的授課難度和研究的必要性，驗(yàn)證了在乙酸、乙醇等基體下茶葉樣品中氟含量檢測面臨的基體效應(yīng)，對比了不同定量分析方法對基體效應(yīng)的消除效果。本文對比了標(biāo)準(zhǔn)曲線法、一次標(biāo)準(zhǔn)加入法和連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)加入法幾種檢測方法測定標(biāo)準(zhǔn)溶液中氟含量，以上方法均具有較高的準(zhǔn)確度，標(biāo)準(zhǔn)曲線法較標(biāo)準(zhǔn)加入法具有更高的操作簡便度。此外，通過向試樣中梯度地?fù)诫s乙醇和乙酸，對復(fù)雜基體樣品中的氟含量進(jìn)行測定，分別計(jì)算了復(fù)雜基體樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品所得到的數(shù)據(jù)的平均值和相對誤差等統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)，對比兩種定量分析方法測定不同基體樣品的差異，探究基體效應(yīng)在不同定量方法間的影響程度。結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)曲線法測定產(chǎn)生了較大誤差，并且誤差隨著摻雜物質(zhì)含量增加而逐漸變大，在復(fù)雜組分分析中不能消除基體干擾；標(biāo)準(zhǔn)加入法仍然保持較好的準(zhǔn)確度，能有效消除基體干擾，實(shí)驗(yàn)誤差較小，穩(wěn)定性更高。通過對復(fù)雜基體樣品標(biāo)準(zhǔn)曲線的測定，進(jìn)一步探究了基體效應(yīng)在電位法測定中的影響：基體效應(yīng)對標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率沒有顯著影響，而對標(biāo)準(zhǔn)曲線的截距有顯著影響。最后，對比和評估了標(biāo)準(zhǔn)曲線法和標(biāo)準(zhǔn)加入法在實(shí)際茶葉樣品測定氟含量的表現(xiàn)。

本文的工作是實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的拓展和延伸，讓學(xué)生對電位法基體效應(yīng)和不同分析方法的知識(shí)有了更深刻的認(rèn)識(shí)，在教學(xué)中進(jìn)行實(shí)踐，讓學(xué)生自主選擇模擬不同的復(fù)雜基體(分組摻入不同濃度的乙醇或乙酸)，進(jìn)行結(jié)果比較和討論，成功使得學(xué)生融會(huì)貫通地理解專業(yè)知識(shí)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生自覺鉆研實(shí)驗(yàn)的積極性，激發(fā)了學(xué)生開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的想象力。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，拓展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方案可以開發(fā)為學(xué)生探究性實(shí)驗(yàn)的思路，尤其是這類多層次的拓展實(shí)驗(yàn)。學(xué)生的問題來自實(shí)際，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論，這種創(chuàng)造性的拓展探究加強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)理論研究和移植應(yīng)用的整合能力，也可以拓展到學(xué)生對選擇性電極相關(guān)理論的學(xué)習(xí)和分析方面。前期實(shí)踐后計(jì)劃在“浙江大學(xué)普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程”中進(jìn)行全面推廣，該課程是化學(xué)系面向全校開設(shè)的人時(shí)數(shù)最大的通識(shí)課，由國家級教學(xué)團(tuán)隊(duì)、長江學(xué)者、國家杰青、優(yōu)青等教師領(lǐng)銜開設(shè)，入選了浙江大學(xué)一流本科課程建設(shè)項(xiàng)目和校級思政示范課程。