比較學習法在儀器分析實驗教學中的應用

曹海燕 石文兵

摘要：本文通過綜合性實驗能夠讓學生全面掌握納米材料的表征手段，更好地掌握共振光散射法和紫外分光光度法的操作和用途，形成材料性質(zhì)決定檢測手段的概念，了解如何將比較法應用于儀器分析實驗學習中，并且有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性思維，將為社會輸送更多的復合型人才。

關鍵詞：儀器分析實驗；鉛離子；紫外可見分光光度法；共振光散射；比較學習法

中圖分類號：G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）16-0277-02

紫外可見分光光度法和共振光散射法（RLS）同屬于分子光譜技術，是儀器分析中重要的兩種分析方法，被廣泛應用于生物傳感、納米醫(yī)學和環(huán)境污染物檢測。在儀器分析實驗課程學習中要求學生必須學習和掌握紫外吸收和共振光散射分析方法的基本原理，熟悉有關分析儀器的結構（如儀器組成、重要部件）及簡單工作過程，掌握典型樣品測試的分析條件，了解儀器分析方法的特點、應用范圍和局限性。并且要了解儀器分析方法的最新研究成果和分析前沿領域的發(fā)展狀況和趨勢?；诖?，我們設計基于鉛離子對銀納米尺寸的影響，通過紫外吸收光譜和共振光散射光譜檢測鉛離子濃度作為學生的綜合性實驗，利用比較法學習讓學生掌握這兩種分析方法的各自優(yōu)缺點，讓學生從實驗學習過程中學會科學探究的思維方法，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

一、試劑與儀器

1.試劑。所用的化學品和試劑除做特別的說明外均為分析純。硝酸鉛、硼氫化鈉、二硫化碳（CS2）、二乙醇胺（DEA）、硝酸銀、檸檬酸鈉。①10mM鉛離子標準儲備液：準確稱取0.3312g硝酸鉛置于100ml燒杯中，用超純水溶解后，轉(zhuǎn)移到100ml容量瓶中，以超純水稀釋至刻度，搖勻。②10μM鉛離子標準儲備液：吸取0.1ml上述硝酸鉛儲備液于100ml容量瓶中，以超純水釋至刻度，搖勻。

2.儀器。日立F-4500熒光儀、PHS-3D精密度pH計、U-4100光度計、馬爾文粒度儀（馬爾文，英國）、ZEISS LIBRA 200電子顯微鏡、日立S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡、超聲波清洗機。

二、實驗部分

1.銀納米顆粒的合成：①1mM DEA和1mM CS2混合溶液超聲20min，獲得二硫代氨基甲酸鹽（DTC）溶液；②將1ml 0.02 M AgNO3、0.2ml 1mM 檸檬酸鈉及1.5ml DTC充分混合后，用超純水稀釋到50ml，攪拌5min；③將10mg NaBH4快速加入到上述溶液中，在室溫下攪拌30min；④將所得反應溶液用水稀釋至250ml，獲得8.64mg L-1（以Ag計量）的Ag NPs在4℃下保存。

2.納米材料的表征。通過馬爾文粒度儀測定銀納米顆粒在加入鉛離子前后的動態(tài)光散射（DLS）說明銀納米在加入鉛離子前后其表面的zeta電勢和粒徑分布的變化情況，為實驗測定機理的研究提供了證據(jù)。利用ZEISS LIBRA 200電子顯微鏡和S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡分別在200 KV和20 KV下捕獲投射電子顯微鏡對加入鉛離子前后銀納米顆粒成像。

3.實驗條件的選擇。①儀器測定設置條件：RLS的光譜在燈電壓700 V的F-4500光譜儀上測定。對于所有的同步掃描，設定激發(fā)和發(fā)射單色器的掃描范圍都為300-750nm，Δλ=0 nm，掃描速度為1200nm min-1，以及激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度都為2.5nm。所用的空白溶液不含Pb2+。在375nm下絕對RLS強度ΔIRLS（ΔIRLS = I0-I1，I0為空白溶液的RLS的強度，I1為Pb2+樣品溶液的RLS的強度）為縱坐標，Pb2+濃度為橫縱坐標繪制校準曲線。②pH的選擇：于一組10ml比色管中分別加入10μM鉛離子標準儲備液1.0ml和0.75ml DTC-Ag NPs（8.64 mg L-1 Ag）溶液，加入超純水至刻度，然后分別用鹽酸和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH為3，4，5，6，7，8，9和10后搖勻，并于熒光分光光度計和紫外可見分光光度計上測出相應的共振光散射的強度和紫外吸收強度，考察pH對銀納米顆粒測定鉛離子靈敏度的影響，從而根據(jù)實驗結果確定最佳實驗pH。

4.共振光散射法測定Pb2+的步驟。①分別加入0.1，0.3，0.5，0.7，1.0ml 10μM鉛離子標準儲備液于10ml比色管中，用超純水定容制成一系列不同濃度的工作標準溶液。②將0.75ml DTC-Ag NPs（8.64mg L-1 Ag）溶液分別加入到上訴各濃度的鉛離子標準溶液中，充分混合后測定RLS光譜。

5.紫外-分光光度法測定Pb2+的步驟。①分別加入0.1，0.3，0.5，0.7，1.0ml 10 μM鉛離子標準儲備液于10ml比色管中，用超純水定容制成一系列不同濃度的工作標準溶液。②將2ml DTC-Ag NPs（8.64mg L-1 Ag）溶液分別加入到上訴各濃度的鉛離子標準溶液中，充分混合后測定紫外吸收光譜。

6.樣品測定。將自來水和河水作為檢測樣品。自來水和河水分別來自實驗室的自來水管和三峽庫區(qū)長江段河水。所有的環(huán)境水樣取來后經(jīng)過孔徑為0.45μm濾膜過濾后，用于鉛離子的分析。先將0.75ml DTC-Ag NPs（8.64mg L-1 Ag）溶液轉(zhuǎn)移到10ml的比色管中，再加入一定體積的過濾后的環(huán)境樣品溶液，最后稀釋到10ml充分混合后測定RLS光譜。超純水替代水樣作為空白實驗。根據(jù)共振光散射的標準曲線計算出水環(huán)境中鉛離子的濃度。對于回收實驗，將一定濃度的Pb2+加入到環(huán)境水樣中。通過計算測定回收的Pb2+濃度與加入濃度的Pb2+的比值作為回收率。每個水樣平行測定三次。

7.比較兩種不同方法的測定結果。通過這個綜合性實驗學生可以學會納米材料的合成，并了解其表征手段（動態(tài)光散射、掃描電鏡和透射電鏡），并且通過比較實驗結果，我們會發(fā)現(xiàn)共振光散射相比于紫外可見吸收更為靈敏。但是紫外吸收光譜相比于共振光散射有一個優(yōu)勢就是可以通過肉眼根據(jù)溶液顏色的變化情況直接估測待測物的濃度，更為簡單和經(jīng)濟。但是對于環(huán)境水樣中Pb2+濃度的檢測都適用。并且能夠通過調(diào)控納米材料表面的修飾官能團提高待測物的選擇性。

三、小結

在儀器分析實驗教學中，我們通過設計綜合性實驗，利用比較法進行水環(huán)境樣品中鉛離子的測定。學生可以通過對比實驗中涉及到的兩種不同的檢測方法，認識并掌握紫外分光光度法和共振光散射法各種的優(yōu)缺點，通過不同的表征手段對實驗原理進行探究可以加深學生對其理解的程度。紫外可見吸收光譜法對于測定待測物更為簡單和經(jīng)濟，但是靈敏度不夠。共振光散射則大大提高了測定目標物的靈敏度，實驗效果較為理想。這樣的綜合性實驗有利于學生發(fā)散思維的開拓，培養(yǎng)了更好的創(chuàng)造力和實踐能力。

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