大型精密仪器在本科生教学中的应用*

李 娅，李金声，常耀明 (第四军医大学航空航天医学院卫生与卫生勤务学教研室， 西安 710032; 通讯作者)

随着国家教育部“211工程”等建设项目的推进，许多高校都购置了一批先进的大型贵重精密仪器，相继搭建了大型仪器共享平台，极大地促进了学科建设和科研事业的发展。这些大型仪器在满足科研工作需要的同时，如何发挥其在本科实验教学中的作用，是我们一线教师需要积极思考和探索实践的重要课题［1］。为了充分发挥大型精密仪器的效用，我们积极探索将其与本科实验教学相结合的途径，开发了针对我教研室现拥有的原子吸收分光光度计的本科基础教学实验。近年来，分析技术的不断提高，微量元素的检测方法已经不简单的使用原始的电化学分析方法，原子吸收作为一种具有很高灵敏度的分析精密仪器已经成为现代元素分析实验室的常规仪器。本文从利用原子吸收分光光度计开设本科基础实验的教学实践经验出发，阐述了大型精密仪器用于本科生实验教学的重要性与必要性，介绍了实验教学的开展情况。

1 现代分析仪器实验教学的指导思想

在学生学习了一定量的理论知识的基础上为他们创造一个理论与实际应用相结合的平台，让他们了解这些仪器在实际生产、科学研究中的运用。扩大学生的视野，有的放矢地向他们教授大型仪器的基本原理、基本结构，使他们一开始就接触到理论是如何转变为实际应用的。例如，通过学习，学生知道理论上的基本原理是如何在实际的仪器上通过哪些结构组成实现哪些功能，或能测定哪些物理量、化学量等，使他们由“知”转化为“用”，学会自主的、有目的学习方法和科学思维方式，培养其自觉地不断吸纳新知识的能力，创新能力。反过来，学生的创新工作又加速了新思路、新思想、新技术、新方法在实验教学中的应用，进而不断地改进、提高了教学水平，加快了实验室建设的步伐，并能对教师的科研测试工作给予启迪［2］。

2 大型精密仪器用于本科实验教学的意义

2.1 大型精密仪器在教学中应用现状 近年来，随着国家教育部对高校科研条件建设的重点投入，各高校在科研条件及科研能力上取得了长足的发展，购置的大批精密贵重仪器在提高高校科研水平方面发挥着重要作用。然而，这类仪器普遍因价格昂贵、结构复杂、维修成本较高等因素而对本科生开放较少，有些仪器是指导教师操作而学生旁观，有些是实验课上多人共用，有些是只听其名却未见其形，有些则甚至闻所未闻。学生实验技能的培养就只能靠有限的基础实验来实现，而这些实验多是验证型的且仪器设备相对比较落后，这不仅不利于学生触及学科前沿和先进检测技术，不利于学生创新精神、实践能力、综合素质的培养与提高，甚至会严重扼杀了学生探索新知识、学习新技术的积极性。

2.2 大型精密仪器在本科实验教学中的重要性我们有必要充分利用实验室现有的优质仪器资源，开设一些面向本科生的特色实验，探索行之有效的实施手段，让学生有更多的机会接触、学习先进仪器，从而提高其科研的兴趣与动力。通过近距离的学习，学生从对仪器的感性认识上升到利用仪器解决实际问题的理性思考，这对学生下一步进行毕业论文研究、提高科研能力及将来走上就业岗位是一个非常重要的预演，更重要的是能够让学生克服对贵重仪器的畏惧心理，能够增强学生探索新知识的自信心与原动力，否则仅仅因为价格、课外科研时间紧张等因素将大型精密仪器与本科教学割裂开来，那么仪器就不能物尽其用，这在于高校培养目标来说是有失偏颇的。

2.3 原子吸收分光光度计在本科实验教学的应用基于上述考虑，我们针对科室现有的原子吸收分光光度计单独设立一个实验项目，作为航空航天营养与食品卫生学的实验内容在本科室营养课教学的第一章第七节“无机盐及微量元素”理论课授课完成后进行，让学生学习了有关微量元素的章节后直接体验元素的检测方法，对理论课学习有很大的帮助。经教员的系统讲解与引导启发，学生能够充分了解原子吸收分光光度计的工作原理与实操技术，能够真正将所学理论知识与实际应用紧密结合，调动学生学习的积极性，实现知识的系统性的关联与完善，因此，必能印象深刻从而迅速掌握。通过渐进式的学习，这也是我教研室实施“一体化、多层次、开放式”的创新化学实验教学体系的具体体现，因此，本实验的开设无疑对加快高校拔尖创新人才培养进程具有积极的推动作用。

3 原子吸收的原理概述

3.1 原子的结构和原子能级 原子的半径约为10－10m数量级，有原子核和核外电子组成。原子核是原子的中心体，带正电荷，其数值为最小电量的整数倍，倍数大小与周期表中的原子序数Z是一致的。在没有受到外界扰动的情况下，原子处于基态。处于基态的原子是稳定的。

3.2 原子吸收光谱的特性 在通常在情况下，原子处于能量最低的基态。基态原子受到加热、吸收辐射、或与其他粒子进行非弹性碰撞而吸收能量，跃迁到较高的能量状态，这个过程称为激发。每一种原子都有其自身所特有的结构与能级，原子能级是量化的。当光源辐射通过原子蒸汽，原子就要选择性地从辐射中吸收能量。当辐射频率与原子中的电子由基态跃迁到第一激发态所需要的能量相匹配时，原子发生共振吸收，产生该原子特征的原子吸收光谱。

4 微量元素分析实验中的污染问题

4.1 储存空间的污染 由于灰尘上吸附有多种污染物质，尤其是微量元素。灰尘中本身就含有Ca、Fe、Mn等元素，再加上城市中的空气本身就受到一定程度的污染，所以会对试验结果造成很大误差。有效的办法是使用超净工作台，还可以对实验室的空气进行过滤。

4.2 取样器械的污染 在生物材料的取样中，常会用到手术刀、镊子、剪刀、注射器等，大多数是不锈钢制品，不锈钢含有Cr和Mn元素，含量一般为10－1g数量级，而生物样品中的Cr和Mn元素只有10－9g数量级，巨大的浓度差形成了严重的污染危险。取样器械的污染除了可以改变器械的原材料，采用石英或Ti合金等;还可以适当的清洗和浸泡，一般采用1∶1的硝酸和1∶1的盐酸交替浸泡这些取样器械从而降低空白控制污染。目前，大多数实验室采用后者减低污染。

4.3 容器的污染 是指样品在贮存过程中由于容器表面的污染或容器本身的杂质成分被溶解，或浸出而造成的污染。玻璃和塑料是最常用的容器，它们几乎含有所有的待测元素。液体放于容器中，会浸提出各种元素。有效的解决方法也是冲洗和浸泡。

4.4 试剂引入的污染 分析全血时，必须加入抗凝剂，一般采用肝素作为抗凝剂，但肝素中常含有钡、钙、锰、硒等元素，有些元素的含量比血液中的含量高。消化样品用的硝酸和高氯酸中也常含有一定的金属杂质。所以，在实际的分析工作中必须根据目的，选择试剂的纯度，不达标的试剂会影响实验的效果。

5 空白测定在痕量分析中的作用

5.1 通过空白测定确定测定方法的检出下限 在实际分析中，定量测定的方法的检出下限既与空白值的大小有关，又与其波动范围有关。理想的空白值应小而恒定，这样才有助于改善测定方法的检出限。在痕量分析中，试样的测定值经常与空白值处于同一数量级，试样中待测成分的真实含量多由试样测定值减去平行进行的空白值而得，如果空白值变化较大，用这种方法得到的结果必然带有较大的不确定性。空白值变化越大，测定结果越不准确。通常要求空白值不超过待测成分含量的1/10。

5.2 了解玷污情况 从某种程度上讲，因为空白值除来源于试剂所含的杂质外，主要为环境所玷污。由于玷污是随机的，很难预测和估计，故空白必须与试样一起处理，以同一种方法测定。有几种途径已成功用来降低空白，内标法可显著降低仪器噪声产生的空白;以同一批洗净的器皿盛装含量在同一水平的样品或标准溶液可减少因器皿不洁而引入的空白玷污。如果空白来源于杂质，此时可以10倍试样测定的试剂量进行空白测定，所得出的结果除以10就是所要求的试剂空白。

6 微量元素检测实验开设情况

6.1 实验仪器及测量参数 实验仪器:原子吸收分光光度计(日本日立Z－2000)。测量参数:灯电流:4.5 mA;波长:213.9 nm;狭缝宽度:1.3 nm;乙炔流量:2.0 L/min;空气流量:15 L/min。

6.2 实验样品及试剂 锌元素标准溶液(国家标准物质网);硝酸溶液(优级纯);去离子水;自来水。

6.3 实验教学运行情况 迄今为止，已有7届将近700名本科学生完成了自来水中锌元素的检测实验，这对学生今后独立进行样品分析、迅速进入科研状态是一个很好的实验训练。目前，每年约有100名大四年级本科生需完成此实验。本次实验课我们安排每6位同学为一组进行。实验课分两个学时进行，第一学时为理论课，通过PPT和仪器进行理论讲解;第二学时为上机课，学生在老师的指导下动手进行实验操作。首先学生学习如何配置元素的标准曲线，绘制标准曲线方程;然后进行空白实验与样品测定;最后计算结果分析数据。让学生了解任何一个标准物质的数据获得与其测定条件紧密相关，而标准数据应根据实验条件的改进以及人们认知水平的提高不断进行修正或更新，让学生知其然更知其所以然。

通过以往几届本科生实验的开设，数百名学生从实验中获益，其技能得到多方位的训练，能力得到多层次的提升。实践证明，利用原子吸收分光光度计开设本科教学实验不但没有影响大型精密仪器在科研测试方面的正常运转，而且培养了一部分对科研实验感兴趣的学生;在此基础上，学校制定了本科生导师制度使部分本科生早期接触科研，学生在导师的指导下完成实验工作后撰写1－2篇中文论文，使学员能够具备一定的实验创新能力，对科研产生浓厚的兴趣，对有意愿在毕业的后从事科学研究工作的学员得到很大的帮助，在无形中提高了大型精密仪器的使用效率。

［1］尹招琴，朱维斌，李文军.提高大型仪器使用效率培养学生创新能力［J］.实验室研究与探索，2009，28(1):160 －162.

［2］宁满侠，常慧.仪器分析实验教学的实践与体会［J］.东莞理工学院学报，2007，14(2):106 －108.