DNA介導(dǎo)熒光銅納米簇的合成及表征
——推薦一個(gè)研究型綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)

李俊彬，李承麟，駱嘉琪，陳惠，卿志和

長(zhǎng)沙理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114

1 引言

2021年5月28日，習(xí)近平總書(shū)記在中國(guó)科學(xué)院第二十次院士大會(huì)、中國(guó)工程院第十五次院士大會(huì)、中國(guó)科協(xié)第十次全國(guó)代表大會(huì)上強(qiáng)調(diào)：“當(dāng)今世界的競(jìng)爭(zhēng)說(shuō)到底是人才競(jìng)爭(zhēng)、教育競(jìng)爭(zhēng)。要更加重視人才自主培養(yǎng)，更加重視科學(xué)精神、創(chuàng)新能力、批判性思維的培養(yǎng)培育[1]?！备咝Ｊ侨瞬排囵B(yǎng)的主要陣地，而化學(xué)實(shí)驗(yàn)課是高校化學(xué)類(lèi)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程中的重要課程，對(duì)強(qiáng)化學(xué)生專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和提升學(xué)生專(zhuān)業(yè)技能具有重要作用。目前，在高?；A(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在著與社會(huì)和國(guó)家實(shí)際需求相脫節(jié)、缺乏前沿科研成果的融入等問(wèn)題，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣不濃，實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及作業(yè)草草應(yīng)付。為了進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)高素質(zhì)的科研人才，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上要體現(xiàn)新穎性，要將一些化學(xué)實(shí)驗(yàn)的新方法、新原理、新物質(zhì)、新功能引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，全面提高實(shí)驗(yàn)的新穎性、實(shí)用性和趣味性，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更多地貼近實(shí)際生活、貼近科學(xué)前沿，對(duì)接學(xué)生未來(lái)就業(yè)和發(fā)展需要。通過(guò)緊緊圍繞以學(xué)生為中心，以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，采用研究性教學(xué)模式，將前沿的科研成果引入到高校綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，多方位培養(yǎng)化學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題、分析問(wèn)題的能力，以及提升他們綜合運(yùn)用知識(shí)的能力[2,3]。

目前，金屬納米材料因其具有特異的光學(xué)、催化性能，在化學(xué)化工、生物醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域備受關(guān)注，而納米材料的合成則是該前沿領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)[4]。DNA分子由于具有良好的納米線(xiàn)性幾何結(jié)構(gòu)以及與金屬離子的高結(jié)合作用，在還原劑存在下，DNA分子可作為模板介導(dǎo)和穩(wěn)定金屬納米材料的合成[5]。此外，以DNA為模板合成金屬納米材料還具有低成本、重現(xiàn)性好、反應(yīng)速度快的特點(diǎn)，為生化分析與生物傳感等提供了有效工具[6]。在上述前提下，將科研中DNA介導(dǎo)熒光銅納米簇的合成設(shè)計(jì)成研究型綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生了解并掌握光學(xué)納米材料設(shè)計(jì)與制備的相關(guān)知識(shí)，訓(xùn)練學(xué)生的化學(xué)、生物交叉創(chuàng)新思維，感受納米科技的魅力所在。具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容包括：通過(guò)設(shè)計(jì)不同的DNA序列，在含有還原劑的緩沖液中，將銅離子還原生成銅納米簇；通過(guò)熒光分光光度計(jì)檢測(cè)銅納米簇的熒光性能，考察不同環(huán)境下銅納米簇的合成效果。學(xué)生在納米材料合成和熒光分析實(shí)驗(yàn)中，不僅可以掌握熒光光譜儀的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理及其測(cè)試的基本操作流程，而且鍛煉了學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、分析和處理數(shù)據(jù)的能力，能夠培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、批判性思維，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

1) 掌握以DNA為模板介導(dǎo)熒光銅納米簇合成的原理和方法，加深對(duì)功能納米材料制備及其性質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

2) 掌握熒光光譜儀的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理及其測(cè)試的基本操作流程。

3) 提升化學(xué)化工相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科生方案設(shè)計(jì)、開(kāi)展實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理能力。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

2.2.1 熒光及熒光納米材料

熒光是物質(zhì)吸收光照或其他電磁輻射后發(fā)出的光。當(dāng)光照射到熒光物質(zhì)時(shí)，光的能量使原子核周?chē)囊恍╇娮佑稍瓉?lái)的軌道躍遷到能量更高的軌道，即從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。當(dāng)電子由激發(fā)態(tài)恢復(fù)到基態(tài)時(shí)，能量會(huì)以光的形式釋放，產(chǎn)生熒光。

而納米微粒因其具有小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和介電限域效應(yīng)的基本特征，導(dǎo)致納米材料在熔點(diǎn)、蒸氣壓、光學(xué)性質(zhì)、化學(xué)活性、磁性、超導(dǎo)及塑性形變等方面，顯示出特殊的物理和化學(xué)性能，為熒光納米材料的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。如，二硫化鉬量子點(diǎn)、金納米簇、銅納米簇、石墨相氮化碳及其納米復(fù)合材料等熒光納米材料[7]。

熒光分光光度法是根據(jù)物質(zhì)的熒光譜線(xiàn)位置及其強(qiáng)度進(jìn)行物質(zhì)鑒定和含量測(cè)定的方法。由于不同的物質(zhì)其組成與結(jié)構(gòu)不同，所吸收光的波長(zhǎng)也不同，將未知物的激發(fā)光譜和熒光光譜圖的形狀、位置與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的光譜圖進(jìn)行比較，即可對(duì)其進(jìn)行定性分析。

2.2.2 DNA介導(dǎo)的熒光銅納米簇

DNA作為模板分子在功能納米材料的制備中，展現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢(shì)。2013年，卿志和等發(fā)現(xiàn)聚胸腺嘧啶寡核苷酸(poly(T))能夠特異性介導(dǎo)熒光銅納米簇的合成[8,9]。如圖1所示，室溫下，在含有還原劑抗壞血酸鈉的MOPS緩沖液(pH在7.5-8.5之間為較佳范圍)中，poly(T)上的T堿基N3與銅離子的選擇性配位結(jié)合，在還原劑作用下生成銅原子，再以種子生長(zhǎng)方式高效穩(wěn)定地合成熒光銅納米簇，并且該納米材料具有優(yōu)良的熒光性質(zhì)，在340 nm左右具有最大的吸收，而在625 nm左右具有最大發(fā)射。此外，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，熒光銅納米簇的熒光量子產(chǎn)率與其尺寸成正相關(guān)[10]。

圖1 DNA介導(dǎo)的熒光銅納米簇合成的原理

2.3 試劑或材料

本實(shí)驗(yàn)使用的所有試劑或材料的純度及制造商信息見(jiàn)表1及表2。

表1 實(shí)驗(yàn)使用的試劑或材料

表2 實(shí)驗(yàn)所使用的DNA序列信息

所有DNA序列放在-20 °C的冰箱中保存。

2.4 儀器和表征方法

本實(shí)驗(yàn)使用的所有儀器的型號(hào)及制造商信息見(jiàn)表3。

表3 實(shí)驗(yàn)使用的儀器

表征方法：熒光分光光度法、透射電子顯微鏡成像法。

2.5 實(shí)驗(yàn)步驟/方法

2.5.1 溶液的配制

DNA儲(chǔ)存液：將裝有DNA序列的離心管從冰箱中取出，靜置約30 s待試管外冰層融化后，放入離心機(jī)中，在4000 r·min-1的轉(zhuǎn)速下，離心2 min。離心結(jié)束后，緩慢取出并放在離心管架上，按照制造商在離心管壁上的標(biāo)簽提示，依次加入適量的超純水，將DNA溶解至10 μmol·L-1。

100 mmol·L-1抗壞血酸鈉溶液：使用電子分析天平稱(chēng)取198.1 mg抗壞血酸鈉，放入試劑管中，加入10 mL超純水溶解。

10 mmol·L-1CuSO4溶液：使用電子分析天平稱(chēng)取250.0 mg五水合硫酸銅，放入試劑管中，加入10 mL超純水溶解。從中取1 mL溶液，加入9 mL超純水稀釋?zhuān)瑐溆谩?/p>

MOPS緩沖液：使用電子分析天平分別稱(chēng)取209.0 mg MOPS和876.6 mg氯化鈉，放入試劑管中，加入100 mL超純水溶解，并用飽和NaOH溶液將其pH調(diào)至7.6。

以上溶液若非現(xiàn)配現(xiàn)用，須放在4 °C的冰箱中保存。

2.5.2 熒光分光光度計(jì)設(shè)置

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理和文獻(xiàn)[8,9]，本實(shí)驗(yàn)在使用熒光分光光度計(jì)時(shí)，激發(fā)波長(zhǎng)設(shè)定為340 nm，掃描范圍設(shè)定為500-660 nm，掃描速度為1200 nm·min-1，激發(fā)狹縫和發(fā)射狹縫分別設(shè)置為5 nm和10 nm，響應(yīng)時(shí)間設(shè)置為2 s。

2.5.3 DNA介導(dǎo)的熒光銅納米簇合成與篩選

取五支離心管置于離心管架上，做好標(biāo)記(T20、A20、C20、G20、R20)，向其各加入83 μL MOPS緩沖液后，分別加入5 μL 10 μmol·L-120個(gè)堿基長(zhǎng)度的不同的DNA (T20、A20、C20、G20、R20)。隨后在上述溶液中分別加入2 μL 100 mmol·L-1的抗壞血酸鈉溶液作為還原劑，混合均勻。繼續(xù)加入10 μL 10 mmol·L-1的CuSO4溶液，充分混勻，反應(yīng)5 min。在室溫下，使用熒光分光光度計(jì)測(cè)量熒光銅納米簇的熒光光譜，并確定熒光發(fā)射峰值。再用熒光時(shí)間掃描法，考察加入銅離子前1 min和后5 min，熒光銅納米簇合成的動(dòng)力學(xué)情況。

2.5.4 Poly(T)濃度對(duì)熒光銅納米簇合成的影響

取五支離心管置于離心管架上，做好標(biāo)記(0、0.05、0.10、0.30、0.50 μmol·L-1)，向其分別加入88、87.5、87、85、83 μL的MOPS緩沖液后，分別加入0、0.5、1、3、5 μL 10 μmol·L-1的T30儲(chǔ)存液。隨后在上述溶液中分別加入2 μL 100 mmol·L-1的抗壞血酸鈉溶液作為還原劑，混合均勻。繼續(xù)加入10 μL 10 mmol·L-1的CuSO4溶液，充分混勻，反應(yīng)5 min。在室溫下，使用熒光分光光度計(jì)測(cè)量熒光銅納米簇的熒光光譜。

2.5.5 銅離子濃度對(duì)熒光銅納米簇合成的影響

取四支離心管置于離心管架上，做好標(biāo)記(0、50、100、150 μmol·L-1)，向其分別加入93、88、83、78 μL的MOPS緩沖液后，分別加入5 μL 10 μmol·L-1的T30儲(chǔ)存液。隨后在上述溶液中分別加入2 μL 100 mmol·L-1的抗壞血酸鈉溶液作為還原劑，混合均勻。分別加入0、5、10、15 μL 10 mmol·L-1的CuSO4溶液，充分混勻，反應(yīng)5 min。在室溫下，使用熒光分光光度計(jì)測(cè)量熒光銅納米簇的熒光光譜。

2.5.6 Poly (T)長(zhǎng)度對(duì)熒光銅納米簇合成的影響

取五支離心管置于離心管架上，做好標(biāo)記(T6、T10、T15、T20、T30)，向其各加入83 μL MOPS緩沖液后，分別加入5 μL 10 μmol·L-1不同長(zhǎng)度的Poly(T) (T6、T10、T15、T20、T30)。隨后在上述溶液中分別加入2 μL 100 mmol·L-1的抗壞血酸鈉溶液作為還原劑，混合均勻。繼續(xù)加入10 μL 10 mmol·L-1的CuSO4溶液，充分混勻，反應(yīng)5 min。在室溫下，使用熒光分光光度計(jì)測(cè)量熒光銅納米簇的熒光光譜。

2.5.7 電鏡表征納米結(jié)構(gòu)

將8 μL不同長(zhǎng)度的poly(T)介導(dǎo)合成的熒光銅納米簇溶液分別滴在做好標(biāo)記的碳支持膜上，室溫干燥后，采用透射電子顯微鏡考察Poly(T)介導(dǎo)合成的銅納米簇的納米結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果與討論

3.1 熒光銅納米簇合成與篩選

本實(shí)驗(yàn)以五種20個(gè)堿基長(zhǎng)度的DNA序列為原料去篩選能夠作為模板穩(wěn)定合成熒光銅納米簇的DNA序列。通過(guò)圖2可觀察到，在相同的反應(yīng)條件下，只有存在T20的時(shí)候，反應(yīng)產(chǎn)物在625 nm處呈現(xiàn)明顯的熒光發(fā)射峰，這說(shuō)明T堿基上N3與銅離子的選擇性配位結(jié)合，在還原劑作用下生成銅原子，再以種子生長(zhǎng)方式高效穩(wěn)定地合成熒光銅納米簇。而A20、C20、G20、R20存在時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物并沒(méi)有出現(xiàn)熒光發(fā)射峰，則表明其不具備高效穩(wěn)定地合成熒光銅納米簇的能力。

圖2 不同DNA序列在加入銅離子反應(yīng)5 min后的熒光光譜圖

接著，通過(guò)時(shí)間掃描考察熒光信號(hào)變化，考察熒光銅納米簇合成的動(dòng)力學(xué)情況。通過(guò)圖3可觀察到，在未加入銅離子時(shí)，溶液的背景信號(hào)很低，在加入銅離子之后，T20上穩(wěn)定合成的熒光銅納米簇能被迅速檢測(cè)到，并且很快趨于平穩(wěn)，這說(shuō)明該熒光銅納米簇合成速度快且現(xiàn)象明顯。

圖3 不同DNA在加入銅離子前后的熒光強(qiáng)度變化的時(shí)間掃描圖

3.2 Poly(T)濃度對(duì)熒光銅納米簇合成的影響

在poly(T)被篩選為作為熒光銅納米簇合成的有效模板后，我們進(jìn)一步考察了poly(T)濃度對(duì)熒光銅納米簇合成的影響。通過(guò)圖4可觀察到，poly(T)的濃度在0-500 nmol·L-1之間時(shí)，隨著poly(T)的濃度的上升，合成的熒光銅納米簇?zé)晒鈴?qiáng)度增加，這表明隨著poly(T)濃度的增大，熒光銅納米簇的粒徑增大，量子產(chǎn)率升高。

圖4 Poly(T)濃度對(duì)熒光銅納米簇合成的影響

3.3 銅離子濃度對(duì)熒光銅納米簇合成的影響

為了進(jìn)一步探究poly(T)穩(wěn)定的熒光銅納米簇的合成影響因素，我們考察了銅離子濃度對(duì)熒光銅納米簇合成的影響。通過(guò)圖5可觀察到，在poly(T)濃度相同，銅離子的濃度在0-150 μmol·L-1之間時(shí)，隨著銅離子濃度的增大，合成的熒光銅納米簇?zé)晒鈴?qiáng)度增加，表明合成的熒光銅納米簇粒徑增大，量子產(chǎn)率升高。

圖5 銅離子濃度對(duì)熒光銅納米簇合成的影響

3.4 Poly(T)長(zhǎng)度對(duì)熒光銅納米簇合成的影響

通過(guò)設(shè)計(jì)不同poly(T)長(zhǎng)度的DNA序列，進(jìn)一步考察poly(T)長(zhǎng)度對(duì)熒光銅納米簇合成的影響。圖6可觀察到，隨著模板poly(T)的延長(zhǎng)，合成的熒光銅納米簇?zé)晒鈴?qiáng)度增加，這表明熒光銅納米簇的粒徑增大，量子產(chǎn)率升高。并且DNA中連續(xù)T堿基數(shù)少于15時(shí)，熒光發(fā)射峰并未出現(xiàn)，表明在實(shí)驗(yàn)條件下熒光銅納米簇的合成效率顯著下降或不能穩(wěn)定合成。

圖6 不同長(zhǎng)度poly(T)合成銅納米簇的熒光光譜圖

3.5 電鏡表征納米結(jié)構(gòu)

采用透射電子顯微鏡對(duì)poly(T)介導(dǎo)合成的銅納米簇進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。如圖7所示，poly(T)穩(wěn)定合成的銅納米簇具有明顯的納米顆粒結(jié)構(gòu)。隨著poly(T)長(zhǎng)度的增加，其穩(wěn)定合成的銅納米簇的尺寸也變大。T20介導(dǎo)合成的銅納米簇尺寸約為2 nm，T40介導(dǎo)合成的銅納米簇尺寸約為5 nm。電鏡成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了poly(T)介導(dǎo)合成的熒光銅納米簇是一種尺寸在數(shù)納米的材料，且不同長(zhǎng)度的poly(T)會(huì)介導(dǎo)合成不同尺寸的熒光銅納米簇。

圖7 T20 (A)、T40 (B)介導(dǎo)合成的熒光銅納米簇的透射電鏡圖

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)結(jié)合多學(xué)科前沿科學(xué)研究，綜合多種基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，全面培養(yǎng)學(xué)生的綜合科研能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣。具有如下特點(diǎn)：

(1) DNA介導(dǎo)熒光銅納米簇的合成屬于常溫反應(yīng)，所用試劑環(huán)境友好，安全性高，耗材價(jià)廉易得。銅納米簇合成快速，且反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)對(duì)納米簇的熒光性質(zhì)影響不大。整個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯且重現(xiàn)性好，符合本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。

(2) DNA介導(dǎo)熒光銅納米簇的合成受到多種因素影響，如DNA種類(lèi)、反應(yīng)物(包括DNA，銅離子)濃度、Poly(T)長(zhǎng)度等。因此，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)靈活，可探索不同實(shí)驗(yàn)條件下熒光銅納米簇的合成效果，分析影響規(guī)律，提升學(xué)生獨(dú)立思考能力。

(3) 本實(shí)驗(yàn)涉及簡(jiǎn)單的光譜數(shù)據(jù)處理，通過(guò)完整的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可提高學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力。此外，實(shí)驗(yàn)涉及移液槍、熒光分光光度計(jì)等儀器的使用，有利于拓展本科生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣。本實(shí)驗(yàn)所合成的銅納米簇還可進(jìn)一步應(yīng)用于化學(xué)測(cè)量學(xué)的前沿領(lǐng)域，對(duì)此感興趣的本科生可加入導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)參與科研項(xiàng)目研究。

5 思考題

(1) 熒光納米材料具有哪些應(yīng)用領(lǐng)域？

(2) DNA介導(dǎo)合成的熒光銅納米簇具有哪些不一樣的優(yōu)點(diǎn)？

(3) 考察銅離子濃度對(duì)熒光銅納米簇合成的影響時(shí)，進(jìn)一步加大銅離子濃度會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

6 教學(xué)運(yùn)行方式與教學(xué)方法

(1) 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)安排和教學(xué)運(yùn)行方式。

該實(shí)驗(yàn)從屬于大三學(xué)生的“綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程，關(guān)聯(lián)課程目標(biāo)包括：了解納米材料的制備方法和技術(shù)，學(xué)習(xí)材料性能的測(cè)試；培養(yǎng)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的基本能力；拓展學(xué)生的知識(shí)面，增強(qiáng)民族自豪感和自信心；將多學(xué)科知識(shí)融會(huì)貫通，深入學(xué)習(xí)，培養(yǎng)國(guó)家建設(shè)需要的專(zhuān)業(yè)型、創(chuàng)新型人才。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在化學(xué)化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專(zhuān)業(yè)大三學(xué)生的綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，作為選修項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)前期試行，取得良好效果。學(xué)生加深了對(duì)功能納米材料制備及材料性能測(cè)試的認(rèn)識(shí)；掌握了熒光光譜儀的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理及其測(cè)試的基本操作流程；提升了設(shè)計(jì)方案、開(kāi)展實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理能力。實(shí)驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)約為3.5小時(shí)(教學(xué)講解約0.5小時(shí)，實(shí)驗(yàn)教師可統(tǒng)一提供實(shí)驗(yàn)所需溶液，熒光銅納米簇合成與篩選約1.5小時(shí)，poly(T)濃度、銅離子濃度、poly(T)長(zhǎng)度對(duì)熒光銅納米簇的影響各約0.5小時(shí))。建議2-3人一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。一次實(shí)驗(yàn)課的學(xué)生人數(shù)為12-15人。

(2) 線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)方法。

提前錄制課程指導(dǎo)性短視頻，包括DNA試劑的取用、熒光分光光度計(jì)的操作流程等，上傳至網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，供學(xué)生線(xiàn)上預(yù)習(xí)，以直觀地了解實(shí)驗(yàn)用到的試劑、儀器設(shè)備及操作方法等。教師在通知學(xué)生做好預(yù)習(xí)的同時(shí)可提出問(wèn)題，如為什么需要用到緩沖溶液？引導(dǎo)學(xué)生思考并探索得出結(jié)論：核酸分子之間、核酸分子與其他物質(zhì)之間的作用往往受到外界環(huán)境因素的影響，例如溫度、pH、離子強(qiáng)度等。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，以小組為單位設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，考察幾種外界因素(溫度、pH、離子強(qiáng)度等)對(duì)銅納米簇?zé)晒獾挠绊憽W(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案可以預(yù)習(xí)報(bào)告的形式交教師查閱，經(jīng)得教師同意后，學(xué)生在完成基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，可對(duì)教師審閱后的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)施?，F(xiàn)場(chǎng)教學(xué)時(shí)，注意組內(nèi)學(xué)生分工合作，注意采用啟發(fā)式引導(dǎo)學(xué)生自主思考，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，同組得出的數(shù)據(jù)可與其他組進(jìn)行對(duì)比，求得測(cè)量結(jié)果(如熒光強(qiáng)度)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差并體現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理上。通過(guò)一批次學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生得出總的規(guī)律和實(shí)驗(yàn)結(jié)論，組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)匯報(bào)。考慮到熒光銅納米簇的尺寸很小(數(shù)納米)，同時(shí)電鏡操作難度大，電鏡的表征學(xué)生可以10人一組表征一種條件下的熒光銅納米簇，整個(gè)實(shí)驗(yàn)下來(lái)的電鏡數(shù)據(jù)合在一起供學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。有興趣的學(xué)生可進(jìn)一步參加導(dǎo)師的相關(guān)課題研究，并在課外開(kāi)放實(shí)驗(yàn)中繼續(xù)探索。

7 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)研究型綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)以DNA分子為模板合成熒光銅納米簇及采用熒光分光光度計(jì)等對(duì)熒光銅納米簇合成條件進(jìn)行篩選，并綜合分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論。作為實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，本實(shí)驗(yàn)緊跟前沿科學(xué)研究，交叉融合生物化學(xué)、分析化學(xué)、納米科學(xué)等多學(xué)科知識(shí)。完整的銅納米簇合成及熒光光譜測(cè)試等不僅提升了學(xué)生使用基本光譜分析儀器的能力，同時(shí)也加深了學(xué)生對(duì)熒光、銅納米簇相關(guān)原理的理解。此外，靈活的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案能進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的研究興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神、創(chuàng)新能力與批判性思維。更重要的是，本實(shí)驗(yàn)涉及的銅納米簇合成快速，現(xiàn)象明顯且重現(xiàn)性好；整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程安全性高，對(duì)環(huán)境友好；所用耗材價(jià)廉易得，總時(shí)長(zhǎng)約3.5小時(shí)，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各項(xiàng)要求，具有很好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)推廣價(jià)值。