环境工程仪器分析教学方法及其内容改革探索

（南京工程学院 江苏·南京 211167）

0 前言

仪器分析是一门综合性学科，被广泛应用于物质的微量或者痕量分析，具有分析速度快、灵敏度高的特点。根据物质的物理或者物理化学性质的变化特点，对物质进行超微量或痕量定性或者定量分析，具有分析速度快、不破坏物质性质、样品需要量少和分析效率高的特点，被广泛应用于现代环境分析监测中。以紫外-可见吸收光谱为例，其分析是依据某些有机物质的外层价电子在基态和激发态之间跃迁需要的特定能量，在外界提供的可见光或紫外光能量，满足价电子从基态向激发态跃迁时，就会在波长处于400-800nm之间可见光区域或者200-400nm紫外光区域产生特定吸收，用光电倍增管可以科学测量光吸收产生的电流，然后将光信号转换为数字信号，通过朗伯比尔定律，可以将有机物质的浓度和对光的吸收程度吸光度建立正比例关系。环境工程的研究方向主要包含水、气、固、渣四个方面内容，在针对水、大气、土壤、固体废弃物的指标分析检测中，绝大多数会采用仪器分析方法，如水和土壤中重金属离子种类和浓度的分析与监测，需要采用原子吸收光谱法（简称AAS），大气中有毒有害有机物的种类鉴别及其有关浓度的分析监测，需要借助于气相色谱仪器（简称GC）来完成分析与监测任务，因此，在环境工程专业中，除了常规的化学分析方法用来对物质的一些物理或者物理化学指标进行常量分析，如酸度、碱度、COD、N、SP的分析与监测，对于物质中痕量组分的种类鉴定和含量的测定，必须借助于仪器分析得以实现和顺利完成。仪器分析常使用大型仪器来完成分析检测，要求学生除了掌握扎实的理论基础外，还应该注重对学生三个有关方面能力培养与科学素养：（1）学生的科学操作和维护大型仪器能力；（2）对分析数据的正确采集科学处理能力；（3）数据代表意义的识别能力和应用；在教学过程中，从以下三个方面进行教学改革。

1 创新理论教学

（1）按照仪器分析依据的原理，将仪器分析课程内容进行科学系统化分类阐述，使得梳理后的教学内容更加系统，清晰化，提高了教学的层次性和目的性，改善了教学效果。

但是这个公式不适用于红外光谱，由于红外光谱主要是由于分子中两个原子之间振动从基态向激发态跃迁产生的光谱，简称为振-转光谱，需要的能量较低，0.05～1 eV，这个振动可以把它理想化为简谐振动，因此红外光谱的只能定性分析，定量分析很难。

原子吸收光谱是金属原子的外层价电子从基态向激发态跃迁产生的，需要的能量较高，也可以采用紫外可见的朗伯比尔定律进行定性分析。

对于特定的有机物在10mg/L浓度下，在紫外可见区域，有固定的最大吸收波长，依据这个可以对有机物进行定性分析；每一个金属原子，在其浓度为10mg/L时，在共振发射线作用下，金属原子蒸汽对特征波长的谱线有选择性吸收，依据这个可以作为选定金属的定性分析依据。

（2）用简谐振动原理来推导红外波数计算公式，使得学生容易掌握和理解。红外光谱研究的是多个不同原子构成的分子中，由于不同原子之间的振动能级，吸收特定波长的能量，从基态向激发态跃迁而形成吸收光谱，属于分子振动光谱。相对于紫外可见吸收光谱和原子吸收光谱，红外光谱中，这种振动能级跃迁需要的能量比较低，波长处于2.5-25 m之间，跃迁能量0.05～1 eV，能量为紫外光谱中价电子能级跃迁能量的二十分之一左右，因此红外光谱分析中，采用的光源是迈克尔逊干涉光源；现被广泛使用的傅里叶变换红外光谱仪，借助于改进的迈克尔逊干涉仪，极大程度提高了分析速度和灵敏度。迈克尔逊干涉仪基本作用原理如下，来自于能斯特灯光源的发射光线，位于设定一个凹面镜的焦点，光线经过凹面镜反射后，得到一束平行光线，然后平行光线照射到分束器上，由于分速器与入射光夹角为45°，分束器作用让50%的入射光线穿透分束器，照射到一个水平放置的动镜上，余下50%入射光线经过反射，照射到垂直放置的定镜上，然后经过定镜和动镜的光线被反射后穿过分束器，通过不断连续调节动镜和分束器的距离，可以得到从定镜和动镜的两束强度相同、频率相同、波长相同的两束干涉光。当两束光的光程差为波长的奇数倍时，呈现黑暗的条纹，当两束光的光程差为波长的偶数倍时，呈现明亮的条纹。当以干涉的光线照射到待测样品时，当给的光电子能量恰好与待测物质振动能级从基态向激发态跃迁能量相等时，发生耦合振动，通过仪器检测能捕捉到这些信息。

由于红外光谱分析是基于分子中相互连接两个原子振动能级引起的，这种原子之间振动可以认为为简谐振动，用深入浅出方法进行讲授难以理解内容，在讲授红外光谱波数计算公式时，针对这部分最核心内容，利用简谐振动的周期计算公式进行如下推导，让学生更容易接受这个公式。

（3）采用高中学习的电场中阴阳定向移动原理和放电原理，阐述空心阴极灯，使得学生更加容易掌握空心阴极灯原理。原子吸收属于原子外层电子能级，从基态向激发态跃迁需要吸收的能量较高，属于原子谱线，是线状光谱；红外光谱和紫外可利用高压放电引起电荷在直流电场中定向荷移动规律讲授空心阴极灯原理，提高了教学效果。钨棒构成阳极和一个圆柱形空心阴极，分别接入300-500V直流电源；空心阴极由待测元素纯金属或合金构成，空心阴极灯内填充氩气。空心阴极灯发挥作用包括如下过程：（1）在直流电场作用下，在正负电极之间开始放电，电子从阴极内壁射出，经电场加速后向阳极运动；（2）电子在由阴极射向阳极过程中，与氩气原子碰撞使其电离成为氩离子。（3）带正电荷氩离子在电场加速下，以很快速度轰击阴极表面，使阴极内壁待测元素原子溅射出来，在阴极腔内形成待测元素原子蒸气云。（4）蒸气云中待测元素的原子再与电子、氩原子、氩离子发生碰撞而被激发，从而发射出所需频率光，产生待测元素特征发射谱线。

2 将书本学习知识用于实验数据处理与分析

3 根据这门课程特点，对教学效果的评价进行了系统的改革，取得了良好的效果

仪器分析课程基础理论深奥，各自有特点，讲课过程中，需要同学们边听课边记笔记，不定期收集笔记进行打分考核，最后考核方式为：期末考试占据70%、笔记占据15%，作业占据10%，课堂与考勤占据5%。课程考核中，两个班级取得良好考核效果，卷面总评成绩分别为74分和77分，卷面成绩优秀率10%、卷面成绩不及格率8%。教学效果得到很大程度提高。

4 结论

仪器分析作为环境工程专业基础课程，具有很强专业性和应用性，改进教学方法、革新教学内容将理论与实践紧密结合，提高学生分析和解决问题能力；辅助以检查笔记，更加客观反映了学生的学习实际情况，发挥一定的督促作用，为该课程的改革提供一些新思路。