开放式化学实验教学中研究型实验的探索

宋红杰，郭彩红，熊 庆

(四川大学 化学学院，四川 成都 610065)

开放式化学实验教学中研究型实验的探索

宋红杰，郭彩红，熊 庆

(四川大学 化学学院，四川 成都 610065)

将教师的科学研究与化学实验教学相结合，探索了一个由科研课题设计转化成的研究型化学实验项目——纳米金共振光散射法测定河水中砷含量。该实验项目现象稳定、重复性好，达到教学实验要求；该实验还涵盖较多供学生自行探索的可开放研究课题——纳米金不同制备方法、纳米金尺寸与光学特性关系和修饰分子类型与检测对象。因此，该实验项目可用于开放式化学实验教学。该实验能够帮助学生掌握紫外可见吸收光谱仪、荧光光谱仪的工作原理及操作技能，有利于学生了解金纳米材料的制备方法及表征技术，培养学生的综合能力、科学素养和研究探索能力。

研究型实验;开放式化学实验教学;纳米金;共振光散射;砷(Ⅲ)离子

目前，开放式实验教学成为高校本科实验教学改革的一个重要方向[1-3]。为开展开放式实验教学，四川大学化学实验教学中心在创新实验室的建立、管理制度的完善、综合实验平台的建设和创新实验实践教学等方面做了大量工作。但是，目前开放式化学实验教学还面临着优质开放性实验教学项目严重不足的问题，探索综合性、设计性和研究性实验项目对提高开放式实验教学质量来说意义重大。

研究型化学实验以研究为主线，以学生自主性、探索性学习为基础[4]。开设研究型实验教学项目，为学生提供一个研究探索、自主学习的平台，激发学生学习化学的兴趣，培养学生的创新意识，同时提高学生的综合素质[5-6]。本文选取部分前沿性较强、具有可行性的科研成果转化为可开放的研究型实验教学项目，供学生自主选择，在相关开放性实验室独立完成实验，从而提高学生的创新能力、独立分析问题和解决问题能力，培养具有一定科研素养的高素质人才。

1 本实验项目设计的背景与意义

光散射是指一束光通过介质时，在入射光方向以外的各个方向观察到的一种光辐射现象。将光散射现象应用于分析化学，并建立成熟的光散射光谱分析技术是近年来分析化学领域重要研究方向之一。纳米材料的发展极大地丰富了光散射光谱分析技术的研究。近年来，基于纳米材料的光散射光谱分析新方法被陆续报道，然而，在高校化学实验教学中几乎没有涉及该部分研究内容的实验项目。本实验项目把常规基础实验涉及较少的科学前沿知识融合到开放性实验教学当中，旨在开拓学生们的视野，训练他们的科研思维，增加实验过程的创新性和挑战性，使得整个实验过程充满科学探究的乐趣。

有毒重金属在环境中难以被微生物降解，通过生物富集作用在动、植物体内积累，再通过食物链进入人体体内，从而对人体造成伤害，严重危害人体健康。因此，重金属污染是关系到人类健康和生命的重大环境问题，发展简单、灵敏、精确的检测方法，实现对环境中有毒重金属的高效测定具有重要意义。砷的污染来源包括矿石的开采、冶炼或以砷化合物做原料的工业生产过程产生的废水、废气、废渣。我国地表水环境质量标准 GB 3838—2002 中规定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 类地表水砷含量要小于 0.05 mg/L，Ⅳ、Ⅴ类地表水砷含量要小于0.1 mg/L。在实验教学中开设河水中砷含量的检测的教学实验贴近学生生活，有助于培养学生的环保理念。砷的测定方法主要有二乙基二硫化甲酸银分光光度法、锌-硫酸系统新银盐分光光度法、砷斑法、原子荧光法、氢化物发生原子吸收法、电感耦合等离子体质谱法。前3种方法操作烦琐耗时，原子荧光和氢化物发生原子吸收法需要对样品进行前处理，消耗大量强酸，与我们提出的绿色、环保化实验教学理念不符，且ICP-MS 仪器昂贵运行成本高。光散射光谱分析方法具有方法简单、分析时间短、重现性好、仪器运行成本低等优点，因此，我们通过对科研课题的转化，设计了基于光散射光谱分析方法测定河水中砷含量的教学实验。本实验以河水中砷含量为分析对象，贴近学生生活，激发学生学习兴趣，同时，该实验项目有利于增强学生对环境问题的紧迫感，培养学生关心环境意识，实施素质教育。

2 实验设计2.1 实验目的

1)学习纳米金的绿色制备方法。

2)了解共振光散射光谱法分析原理及其在重金属离子检测方面的应用。

3)激发学生对环境问题的关注，并针对不同环境污染物开展更多研究工作。

2.2 实验原理

透明介质中的光散射是由于介质中存在不均匀性而造成的，液体或气体中的微粒导致光散射的产生。根据微粒的尺寸大小(d)和入射光波长(λ)之间的关系，可将光散射分为瑞利(Rayleigh)散射(d≤0.05λ) 、丁铎尔(Tyndall)散射(λ>d>0.05λ) 和米氏(Mie)散射(d>λ)。单色光作用于透明介质时，通常发生弹性散射和非弹性散射两种散射。前者光频不变，散射光波长等于入射光波长，即瑞利散射的散射强度与入射波长的四次方成反比(称为瑞利散射定律)；后者散射光波长比入射光波长短或长，即拉曼散射。当瑞利散射位于或接近于微粒的分子吸收带时，电子吸收电磁波频率与散射频率相同，电子因共振作用而强烈吸收光的能量，并发生再次散射，其散射强度不再遵守瑞利散射定律并且急剧增强，通常较单一瑞利散射提高几个数量级，此现象称为共振瑞利散射(RRS)，或称共振光散射(RLS)[7]。在普通的荧光分光光度计上选择合适的激发和发射狭缝宽度，以相等的激发和发射波长(Δλ=0)同时扫描激发和发射单色器所得的同步光谱即为共振光散射光谱[8]。散射光谱属于同步光谱，由于共振光散射是源于等波长入射光激发散射微粒产生，因此散射粒子可看成是能发射出与激发光波长相等的新发光体，故而共振光散射信号属于同步发光[9]。根据同步发光方程[10]:

ISL=KcbEex(λex)Eem(λex+Δλ)

(1)

式中，Eex是在给定激发光波长处(λex=λem-Δλ)的激发函数，Eem是在对应的发射波长处(λem=λex+Δλ)的发射函数，K是与仪器条件有关的常数，b是液池厚度。当Δλ=0时，即得共振强度为：

ISL=KcbEex(λex)Eem(λex)

(2)

由式(2)可知在仪器条件一定时，共振光散射强度与散射微粒的浓度c成正比，据此可以用于透明介质中微粒的定量测定。

纳米金经谷胱甘肽修饰后在缓冲溶液中有较好的分散性，大约在320 nm、570 nm处有较小的共振光散射峰，当As3+溶液加入谷胱甘肽修饰的纳米金溶液中后，由于As3+离子与谷胱甘肽分子的螯合作用引起纳米金的团聚，导致该体系共振光散射强度增强，增强的共振光散射强度(ΔI)与As3+浓度存在线性关系，基于此建立纳米金共振光谱法测定河水中砷含量的方法。

2.3 实验试剂与仪器

2.3.1 实验试剂

氯金酸(HAuCl4·4H2O) 购于Sigma-Aldrich公司；柠檬酸钠(Na3C6H5O7)、无机砷标准溶液购于上海国药集团化学试剂有限公司；谷胱甘肽(GSH)购于北京莱宝生物科技有限公司；盐酸、硝酸、醋酸、醋酸钠、磷酸二氢钠和磷酸氢二钠购于成都科龙化学试剂有限公司。

2.3.2 实验仪器

集热式恒温磁力搅拌器(DF-101S，巩义予华)、水浴恒温振荡器(SHZ-A, 上虞艾科)、离心机(H1850，湘仪)、紫外分光光度计(U-2910，Hitachi)、透射电镜(G2 F20 S-TWIN，Tecnai)、荧光光谱仪(F-7000，Hitachi)。

2.4 实验内容

2.4.1 纳米金的合成与修饰

纳米金的制备根据文献报道[11-12]的方法并加以改进。所有玻璃仪器均使用王水(硝酸/盐酸=1∶3)充分浸润后，用超纯水冲洗干净后在烘箱中烘干备用。取50 mL 1 mM的HAuCl4溶液于三口烧瓶中，在三口烧瓶的3个口上分别接上塞子和冷凝管，将三口烧瓶置于集热式磁力搅拌器上加热回流氯金酸溶液。待溶液沸腾后，迅速加入5 mL 38.8 mM的柠檬酸钠溶液，继续加热回流反应30 min，待溶液的颜色不再发生变化时，停止加热，仍继续搅拌，直到溶液的温度降为室温。将所制得的纳米金溶液用10 000 r/min的转速进行离心洗涤除去多余的离子，重新分散于100 mL水溶液中，通过改变氯金酸和柠檬酸钠的比例，可合成不同尺寸的纳米金颗粒。

将制备的纳米金溶液加入谷胱甘肽溶液(纳米金与谷胱甘肽的摩尔比为1∶200)，置于恒温摇床内摇动反应2 h，静置12 h后离心(转速9 000 r/min)去掉上层清夜，加入超纯水将管底沉淀溶解，重复离心几次，将沉淀重新溶解即得到谷胱甘肽修饰的纳米金，避光4 °C保存备用。谷胱甘肽分子通过Au—S键键合在纳米金表面[13]，谷胱甘肽既是稳定剂又是分散剂，修饰后的纳米金可在水中稳定分散。

2.4.2 纳米金的表征

紫外可见吸收光谱(UV-vis)：不同尺寸的纳米金溶液在U-2910(Hitachi)型紫外可见分光光度计上进行测定，得到最大吸收波长。

高分辨透射电镜(HRTEM)表征：将纳米金溶液滴于铜网碳支持膜上，并置于红外灯下烘干，然后在Tecnai G2F20 S-TWIN(FEI)型场发射透射电子显微镜上进行表征，操作电压200 kV，得到所制备纳米金的尺寸和分散性。

2.4.3 共振光散射光谱法(RLS)测定As3+

1)共振光散射实验测定方法。

在 10 mL比色管中首先依次加入1 mL不同浓度的As3+标准溶液、1 mL缓冲溶液(0.1 M)和1 mL谷胱甘肽修饰的纳米金溶液(20 nM)，用超纯水定容至5 mL。然后，置于恒温摇床内室温条件下震荡反应1 min。在荧光分光光度计上设置激发波长与发射波长相等(λex=λem)，进行扫描(狭缝宽度为3 nm)，可以得到共振瑞利散射光谱图，记录体系共振光散射强度。

2)缓冲溶液体系和pH 值的选择。

改变实验步骤1)中所加缓冲溶液的种类，对比加入等浓度(0.1 M)的柠檬酸钠-盐酸、醋酸-醋酸钠和磷酸盐缓冲溶液，在同一pH值下测定体系共振光散射强度，考察对缓冲溶液种类对测定的影响，选出最后测定所用的缓冲溶液种类。然后，改变所加入缓冲溶液的pH 值，测定同一体系在不同pH值条件下共振光散射强度，考察pH 值对检测的影响，确定体系合适的pH 值。

3)优化震荡反应时间。

在 7个10 mL比色管中分别依次加入1 mL相同浓度的As3+标准溶液、1 mL缓冲溶液(0.1 M)和1 mL谷胱甘肽修饰的纳米金溶液(20 nM)，其中缓冲溶液种类及pH 值为实验步骤2)选定的结果，最后用超纯水定容至5 mL。然后，置于恒温摇床内室温条件下分别震荡反应在0.5，1，1.5，2.0，2.5，3.0，5 min，每个反应结束后立刻在荧光仪上进行光散射光谱检测，考察震荡反应时间对共振光散射强度的影响，从而确定合适的反应时间。

4)绘制标准曲线。

改变实验步骤1)中所提到As3+溶液分别为一系列不同浓度(0，0.2，0.4，1，2，5和10 μM)的As3+标溶液1.00 mL，缓冲溶液种类及pH 值为实验步骤2)中选定结果，震荡反应时间如实验步骤3)中选定的结果。其他操作内容如步骤1)所述，测定不同As3+浓度条件下该体系的共振散射光强度。分别以增强的共振光散射光谱强度ΔI和As3+浓度为纵、横坐标作图，得到标准曲线、线性方程和相关系数。

5)方法选择性的考察。

通常水样中含有众多金属离子，因此，检测选择性也是评价该方法分析特性的一个重要指标。如实验步骤4)，在优化的实验条件下，在光散射实验反应体系中加入过量金属离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Pb2+、Cr3+、Cd2+等离子，然后再在相同的测试条件下进行光散射光谱检测，考察共存离子对光散射强度和As3+检测分析特性的影响，从而对该方法选择性进行评价。

6)河水样中砷含量的测定。

本实验河水样品取自四川大学江安校区江安河。按照河水水样采集规则[14]，设一条中泓垂线，在这条垂线一半水深处取样，置于干燥干净的2 000 mL烧杯中。搅拌均匀后分取样品100 mL，8 000 r/min的转速下离心10 min以除去水中的悬浮物、沉淀、藻类及其他微生物。取上层清液1 mL置于10 mL比色管中，后续实验操作如实验步骤1)所述，测定试样体系的共振光散射强度，从标准曲线上查出和计算试样中砷的含量。

3 结束语

本实验应用多种理论知识和实验操作技术，使学生了解纳米金制备与表征和光学特性，在设计该实验时，特别注意联系科研前沿和学生的日常生活，而且本实验项目有较大的开放空间(探索纳米金绿色制备、纳米金尺寸与光学特性关系和检测对象)，可以让学生参与其中进行设计，大大增强教学实验的趣味性，引起学生对科学研究的兴趣及对环境污染问题的关注。因此，本实验可作为一个开放性实验项目或科研训练实验项目应用到本科生的化学实验教学中。该项目以学生为主体，以兴趣为驱动，以问题为导向，激发学生探究实验内容的好奇心，发挥学生自主学习的积极性与创造性，开展协同探究，为培养高素质专业创新人才打下坚实基础。

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ExplorationonResearchTypeExperimentinOpeningChemistryExperimentalTeaching

SONG Hongjie, GUO Caihong, XIONG Qing

(College of Chemistry, Sichuan University, Chengdu, 610065，China)

Combined the scientific research of teacher with chemical experimental teaching, a research type chemistry teaching experiment-the detection of As3+in river water by resonance light scattering based on gold nanoparticles, was explored and designed.This item was transformed from research subjects.This experiment could satisfy the requirements of the stability and reproducibility in teaching experiment, meanwhile, there are many opening research topics including different preparation methods of gold nanoparticles, the correlativity between the size and optical characteristic of gold nanoparticles, and other target analytes dependence on modification molecular encapsulated on gold nanoparticles, therefore, this experiment could be used in opening chemistry experimental teaching.Through this proposed experiment, the students could understand and grasp the working principle and operation skill of UV-vis spectrometer and spectrofluorimeter, meanwhile, they also could understand the preparation methods and fluorescence characterization techniques of gold nanoparticles, and develop their comprehensive ability, relevant scientific literacy and research ability.

research type experiment; opening chemistry experimental teaching; gold nanoparticles; resonance light scattering; Arsenic (Ⅲ) ion(As3+)

2016-06-05；修改日期:2016-06-20

国家自然科学基金(21405107)；四川大学实验技术立项(2015-35)

宋红杰(1981-)，女，博士，实验师，主要从事分析化学实验教学工作和基于纳米材料的发光分析方面的研究。

熊庆，高级实验师，主要从事分析化学实验教学工作和分子光谱分析方面的研究,xiongqing46@scu.edu.cn

G642.0;O6-32

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.034