石墨炉原子吸收光谱法用于环境水样中重金属离子测定——基体改进剂

唐安娜，高榕志，王恪

南开大学化学学院，分析科学研究中心，天津市生物传感与分子识别重点实验室，化学国家级实验教学示范中心，天津 300071

为了使学生对石墨炉原子吸收光谱法中常用到的基体改进剂有更深入的理解，我们以测定环境水样中重金属离子为例，围绕学习目标，开展了一系列的教学活动。通过举例、课程思政，使学生了解学习这一知识点的重要意义，激发学习积极性；采用提出问题、课下自主调研文献、课上分组讨论、归纳总结和学生实验等方式，加深学生对知识点的理解和掌握；通过学生课堂展讲和对思考题的回答情况，及时了解学生掌握程度，为之后的学生实验及实际应用打下坚实的基础。通过学生实验，进一步巩固和加深学生对知识点的理解和掌握。

1 围绕学习目标，开展教学活动

以掌握石墨炉原子吸收光谱法测定环境水样中重金属离子的基体改进剂选择和消除干扰原理为学习目标，开展一系列的教学活动。

2 通过课程思政，激发学生学习兴趣

测定环境水样中重金属离子的意义？重金属元素一般具有毒性大、易富集、难降解等特点。重金属污染是水环境污染的主要问题之一，金属冶炼、矿山开采、化工生产废水、使用化肥农药和随意倾倒生活垃圾等人为污染，以及地质侵蚀、风化作用等自然因素都能导致重金属以各种形式进入水环境。据世界卫生组织出具的一份报告中显示：世界上每年有300–400万人死于和水污染有关的疾病，而造成这些疾病产生的主要原因就是因为水中的重金属超标以及大量杂质造成的。据了解，大部分重金属如砷、铅、镉等并非人体所需元素，在通过饮水进入人体后，在身体的某些器官累积，易造成慢性中毒。水环境中的重金属污染已经严重威胁到水生生物的生存和人类健康。因此，水环境中重金属离子含量的监测和控制成为关系到环境保护、人类健康的主要问题之一，探寻环境水样中重金属元素的快速、准确检测方法具有重要的现实意义。通过环境水样中重金属离子污染的实例，引入思政元素，使学生认识到保护赖以生存的环境人人有责，要学以致用，解决关乎人类生命健康的实际问题(如表1所示)。

表1 环境水样中重金属离子引发的危害及反思

3 采用多元学习模式，加深学生对知识的理解和掌握

3.1 提出问题

由于环境水样基体复杂，准确测定其中重金属离子的含量，往往需要消除样品中的基体干扰。消除基体干扰的方法，一般有以下几种：加入保护剂、释放剂、缓冲剂、基体改进剂或通过化学分离等方式消除干扰(图1)。为了测定痕量甚至超痕量元素，经常采用石墨炉原子吸收光谱法。其中，加入基体改进剂是消除石墨炉原子吸收基体干扰常用而有效的方法。但是学生对于基体改进剂的了解还仅仅停留在教科书层面，经常有学生问到相关问题。基于上述情况，为了使学生更深入地理解、掌握这部分内容，我们首先提出问题：测定环境水样中重金属离子，选用的基体改进剂及其作用机理是什么？

图1 测定环境水样中重金属离子常用的方法及要解决的问题

3.2 文献调研

将一个班20名同学分为5组，发布学习任务。学生用两周时间通过各种方式，如：利用中英文数据库、去资料室查阅文献、网上搜索等，调研相关文献；每组同学将文献调研结果列表对比并做成PPT课件。通过这种教学方式，使学生掌握采用不同数据库来检索文献的方法；通过阅读科研论文，加深学生对理论课中知识点的理解。

3.3 分组讨论

完成文献调研之后，我们对石墨炉原子吸收光谱法用于环境水样中重金属离子测定的基体改进剂进行课堂讨论。采取的方式为：每组选一位学生进行课堂展讲，之后组与组之间展开讨论，相互补充，取长补短。

3.4 归纳总结

我们对各组同学的讨论结果进行归纳总结。在石墨炉原子吸收分析中，为了增加待测样品溶液基体的挥发性，或提高待测易挥发元素的稳定性，而在待测样品溶液中加入某种化学试剂，用以消除或减小基体干扰，提高检测灵敏度和重现性，这种化学试剂称之为基体改进剂。基体改进剂降低干扰的机理如下：(1) 基体改进剂与样品基体作用，形成易挥发的化合物，使背景吸收降低。(2) 与样品基体形成难解离的化合物，降低待测元素灰化损失。(3) 与待测元素结合形成易解离的化合物，从而避免待测元素与基体形成热稳定碳化物或被基体包埋，使凝相干扰降低。(4) 使待测元素形成热稳定的化合物或合金，减少待测元素的挥发，降低灰化损失。(5) 形成强还原性氛围，对原子化过程起到改善作用。常用于环境水样中重金属离子测定的基体改进剂种类包括：金属/金属-金属(单一金属[1–3]、金属-金属混合物[4–6])、金属盐(如：铵盐[7–10]、磷酸盐[11]、硝酸盐[12–16]、氯化物[17])、金属+金属盐[18]、有机改进剂[7,19,20,21]等及其作用机理，如表2所示。

表2 GFAAS测定环境水样中重金属离子——基体改进剂种类及作用机理

3.5 学生实验

理论课之后，安排有学生选修实验。实验内容为：采用石墨炉原子吸收光谱法测定海水中的Cd2+。鼓励学生根据前期的文献调研和思考，尝试使用不同类型的基体改进剂。学生通过亲手实验，处理实验数据，对是否加入基体改进剂以及加入不同改进剂的结果进行比较分析，选取最佳的基体改进剂，最后完成实验报告。通过实验，进一步加深学生对理论课知识的理解和掌握，培养学生对知识的运用能力。

4 学习效果评价

对于学生学习效果的评价，通过课堂展讲、课后习题回答情况及之后学生实验情况反馈来完成。结果表明采用这种教学模式，学生能够很好地理解和掌握这一知识点，达到了预期的学习效果。

5 结语

水环境中重金属离子的监测已经成为关系到环境保护、人类健康的主要问题之一。石墨炉原子吸收光谱法是常用于水样中重金属离子测定的方法，实验中常用到基体改进剂来消除基体干扰。采用多元教学模式，充分发挥学生学习主动性，通过开展文献调研、分组讨论、归纳总结和学生实验等方式，对基体改进剂种类和作用机理进行深入探讨，不仅加深了学生对理论课中相关知识点的理解，同时也使学生切身感受到科研与日常生活密切相关，科研中会有很多的乐趣和发现。