比较学习法在仪器分析实验教学中的应用

曹海燕 石文兵

摘要：本文通过综合性实验能够让学生全面掌握纳米材料的表征手段，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，形成材料性质决定检测手段的概念，了解如何将比较法应用于仪器分析实验学习中，并且有利于培养学生的创新性思维，将为社会输送更多的复合型人才。

关键词：仪器分析实验；铅离子；紫外可见分光光度法；共振光散射；比较学习法

中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）16-0277-02

紫外可见分光光度法和共振光散射法（RLS）同属于分子光谱技术，是仪器分析中重要的两种分析方法，被广泛应用于生物传感、纳米医学和环境污染物检测。在仪器分析实验课程学习中要求学生必须学习和掌握紫外吸收和共振光散射分析方法的基本原理，熟悉有关分析仪器的结构（如仪器组成、重要部件）及简单工作过程，掌握典型样品测试的分析条件，了解仪器分析方法的特点、应用范围和局限性。并且要了解仪器分析方法的最新研究成果和分析前沿领域的发展状况和趋势。基于此，我们设计基于铅离子对银纳米尺寸的影响，通过紫外吸收光谱和共振光散射光谱检测铅离子浓度作为学生的综合性实验，利用比较法学习让学生掌握这两种分析方法的各自优缺点，让学生从实验学习过程中学会科学探究的思维方法，培养学生的创新意识和创新能力。

一、试剂与仪器

1.试剂。所用的化学品和试剂除做特别的说明外均为分析纯。硝酸铅、硼氢化钠、二硫化碳（CS2）、二乙醇胺（DEA）、硝酸银、柠檬酸钠。①10mM铅离子标准储备液：准确称取0.3312g硝酸铅置于100ml烧杯中，用超纯水溶解后，转移到100ml容量瓶中，以超纯水稀释至刻度，摇匀。②10μM铅离子标准储备液：吸取0.1ml上述硝酸铅储备液于100ml容量瓶中，以超纯水释至刻度，摇匀。

2.仪器。日立F-4500荧光仪、PHS-3D精密度pH计、U-4100光度计、马尔文粒度仪（马尔文，英国）、ZEISS LIBRA 200电子显微镜、日立S-4800场发射扫描电子显微镜、超声波清洗机。

二、实验部分

1.银纳米颗粒的合成：①1mM DEA和1mM CS2混合溶液超声20min，获得二硫代氨基甲酸盐（DTC）溶液；②将1ml 0.02 M AgNO3、0.2ml 1mM 柠檬酸钠及1.5ml DTC充分混合后，用超纯水稀释到50ml，搅拌5min；③将10mg NaBH4快速加入到上述溶液中，在室温下搅拌30min；④将所得反应溶液用水稀释至250ml，获得8.64mg L-1（以Ag计量）的Ag NPs在4℃下保存。

2.纳米材料的表征。通过马尔文粒度仪测定银纳米颗粒在加入铅离子前后的动态光散射（DLS）说明银纳米在加入铅离子前后其表面的zeta电势和粒径分布的变化情况，为实验测定机理的研究提供了证据。利用ZEISS LIBRA 200电子显微镜和S-4800场发射扫描电子显微镜分别在200 KV和20 KV下捕获投射电子显微镜对加入铅离子前后银纳米颗粒成像。

3.实验条件的选择。①仪器测定设置条件：RLS的光谱在灯电压700 V的F-4500光譜仪上测定。对于所有的同步扫描，设定激发和发射单色器的扫描范围都为300-750nm，Δλ=0 nm，扫描速度为1200nm min-1，以及激发和发射狭缝宽度都为2.5nm。所用的空白溶液不含Pb2+。在375nm下绝对RLS强度ΔIRLS（ΔIRLS = I0-I1，I0为空白溶液的RLS的强度，I1为Pb2+样品溶液的RLS的强度）为纵坐标，Pb2+浓度为横纵坐标绘制校准曲线。②pH的选择：于一组10ml比色管中分别加入10μM铅离子标准储备液1.0ml和0.75ml DTC-Ag NPs（8.64 mg L-1 Ag）溶液，加入超纯水至刻度，然后分别用盐酸和氢氧化钠溶液调节pH为3，4，5，6，7，8，9和10后摇匀，并于荧光分光光度计和紫外可见分光光度计上测出相应的共振光散射的强度和紫外吸收强度，考察pH对银纳米颗粒测定铅离子灵敏度的影响，从而根据实验结果确定最佳实验pH。

4.共振光散射法测定Pb2+的步骤。①分别加入0.1，0.3，0.5，0.7，1.0ml 10μM铅离子标准储备液于10ml比色管中，用超纯水定容制成一系列不同浓度的工作标准溶液。②将0.75ml DTC-Ag NPs（8.64mg L-1 Ag）溶液分别加入到上诉各浓度的铅离子标准溶液中，充分混合后测定RLS光谱。

5.紫外-分光光度法测定Pb2+的步骤。①分别加入0.1，0.3，0.5，0.7，1.0ml 10 μM铅离子标准储备液于10ml比色管中，用超纯水定容制成一系列不同浓度的工作标准溶液。②将2ml DTC-Ag NPs（8.64mg L-1 Ag）溶液分别加入到上诉各浓度的铅离子标准溶液中，充分混合后测定紫外吸收光谱。

6.样品测定。将自来水和河水作为检测样品。自来水和河水分别来自实验室的自来水管和三峡库区长江段河水。所有的环境水样取来后经过孔径为0.45μm滤膜过滤后，用于铅离子的分析。先将0.75ml DTC-Ag NPs（8.64mg L-1 Ag）溶液转移到10ml的比色管中，再加入一定体积的过滤后的环境样品溶液，最后稀释到10ml充分混合后测定RLS光谱。超纯水替代水样作为空白实验。根据共振光散射的标准曲线计算出水环境中铅离子的浓度。对于回收实验，将一定浓度的Pb2+加入到环境水样中。通过计算测定回收的Pb2+浓度与加入浓度的Pb2+的比值作为回收率。每个水样平行测定三次。

7.比较两种不同方法的测定结果。通过这个综合性实验学生可以学会纳米材料的合成，并了解其表征手段（动态光散射、扫描电镜和透射电镜），并且通过比较实验结果，我们会发现共振光散射相比于紫外可见吸收更为灵敏。但是紫外吸收光谱相比于共振光散射有一个优势就是可以通过肉眼根据溶液颜色的变化情况直接估测待测物的浓度，更为简单和经济。但是对于环境水样中Pb2+浓度的检测都适用。并且能够通过调控纳米材料表面的修饰官能团提高待测物的选择性。

三、小结

在仪器分析实验教学中，我们通过设计综合性实验，利用比较法进行水环境样品中铅离子的测定。学生可以通过对比实验中涉及到的两种不同的检测方法，认识并掌握紫外分光光度法和共振光散射法各种的优缺点，通过不同的表征手段对实验原理进行探究可以加深学生对其理解的程度。紫外可见吸收光谱法对于测定待测物更为简单和经济，但是灵敏度不够。共振光散射则大大提高了测定目标物的灵敏度，实验效果较为理想。这样的综合性实验有利于学生发散思维的开拓，培养了更好的创造力和实践能力。

参考文献：

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