化学工程专业火焰原子吸收实验教学改革

周 智，粟一峰，熊远福，，周 南

(1.湖南农业大学 理学院，湖南 长沙 410128；2.湖南农业大学 资源与环境学院，湖南 长沙 410128)

原子吸收有火焰原子吸收及石墨炉原子吸收两种。广泛用于痕量元素的检测。是目前在环境污染治理方面的经典设备，对于重金属的测定具有重要意义[1-2]。该仪器具价格低廉、灵敏度高、测试数据稳定等特点，是多数高校实验室配备的仪器。原子吸收的教学部分是培养学生实践能力、分析问题能力不可或缺的环节。而当前，虽然学校在该仪器的主要教学方式是课堂教授与实际操作相结合的方式，但是存在过于强调理论，课堂知识灌输多，而实际操作较少的缺点。大多数学生限于按仪器操作规程逐步进行，缺乏对突发问题的分析处理能力。

针对教学环节中的问题，本文将土壤中重金属镉的检测引入到教学环节中，土壤镉污染治理是环境污染治理的研究热点，镉在土壤中的迁移性很强，通过作物吸收后进入食物链，在人体内累积，对人的健康产生危害[3]。因为学院经常会有土壤镉浓度的研究性检测，故试样的获取容易，能够为教学提供便利。以下从两个方面展开教学：一是标准曲线建立不规范操作；二是制备好的试样经过长时间静置后的数据差异。

1 仪器原理及目的要求

1.1 仪器原理

检测目标元素的基态原子产生共振辐射，通过吸收程度的差异，对样品中元素的浓度进行定量分析[4]。

1.2 目的要求

(1)掌握标准曲线的绘制，理解“零点”的实际意义；

(2)掌握样品预处理的方法；

(3)学会分析测试过程中出现的问题。

2 仪器与样品准备

2.1 镉标准溶液配制

用硝酸(上海沃凯 AR)，去离子水配制浓度为0.2 mg/L、0.5 mg/L、0.8 mg/L、1.1 mg/L、1.4 mg/L梯度的镉溶液(CdCl2·2.5H2O 上海沃凯 AR)，标准曲线绘制时使用。

2.2 仪器

原子吸收光谱仪(北京普析 A3)，镉空心阴极灯(北京普析)，电子天平(梅特勒托利多 AL204)， 镉污染土壤取自湖南农业大学校园红壤，CdCl2·2.5H2O用去离子水溶解后，加入到土壤中，污染浓度为76.2mg/kg，稳定3周。天平称取2g后至于50mL离心管中。按Tessier五步法提取进行提取[5]。样品提前两周制备，静置至课程教学时使用。

3 实验步骤

3.1 标准曲线绘制

开机后按操作规程设置好仪器参数后先不取"零点"作为标曲的参数点，得出拟合曲线的R2=0.9756后，对Tessier提取法第二步提取样品振荡后进行检测，记录数据后，选取“零点”作为标曲的参数点，得出拟合曲线的R2=0.9973后，对同一组样品再次进行测试，记录数据。两次测量后所得数据如表1(1#、2#、3#为平行样)。

表1 不同标曲绘制条件下原子吸收检测镉的结果

3.2 试样静置检测

基于前一步检测后，在R2=0.9973的拟合值检测Tessier提取法第一步提取样品未经振荡后检测，记录数据，再经振荡后检测，记录数据。两次检测后数据如表2(4#、5#、6#为平行样)。

表2 静置两周样品直接检测与振荡后检测结果

4 组织学生进行讨论

实验测试结束后，组织学生对以下几方面进行讨论并按照所涉及到的内容进行考核：

4.1 零点

由于原子吸收光谱仪集中了光学、机械、电子以及计算机等领域的技术，要合理正确的使用好该仪器并不容易，李昌厚[6]根据多年仪器使用经验，总结了影响原子吸收光谱仪的因素多达36个以上。其中包括数据处理。通常，原子吸收有两个零点：“仪器零点”与“空白零点”。“空白零点"即本实验的“零点”也称作“分析零点”，是空白溶液对仪器进行的设置。主要的目的是为了对仪器确定测试的基线水平，如果情况理想的条件下，”零点“标准溶液不含有分析物质，吸收为零。但是，配置空白溶液与制备其它浓度标准试样溶液相同条件下，所以空白样含有制备其它标准试样溶液的全部试剂，比如说本实验采用的硝酸。这些试剂不可避免的含有痕量分析成分，从而原子吸收会对空白样品产生相应的一个吸收值，对于灵敏度高的仪器，该吸收值在后续的检测中为了不影响测试结果的精确度，应予以扣除。在实际的分析检测过程中，“空白零点”必须要重新设置，否则会引起分析结果的误差，如本实验过程中所产生的误差，另外，也应注意到，有些采用原子吸收进行分析的实验中直接采用"去离子水"作为空白标准样品的做法是不正确的。

4.2 标准曲线

采用标准曲线进行定量是很多仪器采用的一种相对分析方法，即实验过程中称为校正曲线。原子吸收光谱分析也采用此方法。这是因为，一般来说，待检测的目标元素的含量，不能直接通过对信号的分析而得出元素的含量，需要借助数学方法，计算出信号与元素含量之间的关系，标准曲线即基于此原理而建立起来的，一般据朗伯-比尔定律校正，按下式计算：

A=KC

式中：A——待测元素吸光度；

C——待测元素的浓度。

在样品进行检测前，配制一系列不同浓度的标准溶液，按低到高依次测定，获得吸光度，根据公式，算出K值，绘制吸光度-浓度曲线。

校准曲线的质量直接影响校准效果和样品测定结果的准确度。据待测元素浓度，掌握标准溶液浓度范围非常重要。结合数理统计的相关知识，按照最小二乘法的原理，尽可能让实验检测样品浓度分布于校准曲线周围，所获得结果的偏差最小。从另外一个角度来看，按照数据的可靠度出发，校准曲线的中间部分的准确度要高于两端。如本次实验中的两个实验，实际样品的浓度位于0～0.2 mg/L、1.1～1.4 mg/L的浓度范围，处于曲线两端的范围，其精度与准确度可能要差于0.5～1.1 mg/L的范围。再者，原子吸收的分析过程是动态的，其检测值如前所述，影响因素很多，这些可能的影响因素可能会引起标准曲线的移动。在实际实验中，可以提前将标准样品的浓度配置的较宽，检测过程中如果遇到样品浓度超出标准曲线范围的，可及时进行新的标准样品增补，并且将原来的与后续补充的标准样品进行曲线合并，当然，这里还需要补充的是，在同一次开机条件下进行，以避免开关机过程中，仪器本身器件的不稳定产生影响，保证试样检测的准确度。

4.3 离心管对Cd离子的吸附

金惠玉等[8]研究了玻璃容器与塑料容器对不同金属离子的吸附，由于本实验的离心管为聚乙烯材料，根据研究，金属离子浓度在塑料容器中，初期(约1～8天)，吸附变化明显，溶液浓度变化快，随着时间的延长，大约第8天开始，镉离子的吸附速度逐渐变慢，趋于平衡。本次实验，由于制备的样品提前两周，超过8天，达到吸附平衡，测试浓度降低，原因在于静置过程中，镉离子在离心管壁发生了吸附效应。振荡过程，有助于镉离子进行解吸，因此振荡后的检测浓度大于振荡前的浓度。影响吸附的因素有：酸度、浓度、温度。其中，酸度和浓度不能改变，因此，在实际的实验过程中，通常将制备好的样品冷藏，因为容器内壁上发生的金属离子吸附为吸热反应[9-10]。

5 结束语

随着原子吸收光谱仪在实际的科研中应用越来越广泛，该仪器在教学中也日益重要，通过实验课程内容的优化与改进，得出教学过程中的一些启示：

首先，将实际生活中的热点话题与仪器使用结合起来，本实验中所检测的土壤污染中镉元素与日常息息相关，选择该元素相关的研究作为教学内容，易于引发学生积极性，激发主观能动性，能够使学生对实验的内容进行进一步探索和思考，提高学生独立思考问题的能力。

其次，把经典的科学研究方法引入到教学中来，以科研促教学，达到学习和研究共同发展的目的，能够节省学校资源，有益于改善之前的按部就班，千遍一律的教学方式，提高了课程的生动性。使学生在兴趣的推动下，深入学习理论知识，掌握仪器操作规范，加深印象。但是实验室的规章制度，尤其是“安全第一”的理念绝对不能忽视。