探索科研成果孵化教学成果的本科化学实验教学改革——以溶出伏安法检测重金属离子为例

＊张代雄 向庆 郭晓刚 王崇均 吴四维 古兴兴

（1.重庆工商大学环境与资源学院 重庆 400067 2.贵州师范大学材料与建筑工程学院 贵州 550001 3.长江师范学院化学化工学院 重庆 408100）

1.实验教学设计

近年来，随着我国综合国力的不断提高，国内高校学术平台和资源不断充实，各高校在各个学科领域的科研学术水平也取得明显进步。在此时代背景下，构建学术成果与教学成果转换之间的桥梁，鼓励高校教师利用学术成果孵化教学成果、固化课程内容，为本科/研究生教育和人才培养提供高水平师资和教学内容，拓展学生的专业前沿学术视野，成为越来越多的高校教育工作者的共识[1-3]。通过这类措施，从学校层面来说，教师的科研成果可以服务于本校的更多学生的教学培养，而不仅仅是参与学科排名；从学生层面来说，更多的学生可以受益于教师在学科前沿领域取得的成果；从教师本人层面来说，可以同时在科研和教学两个方面体现自身的价值，并进入科研与教学相互辉映的良性发展通道。遵循此思路，作者基于自身学术成果，在重庆工商大学环境与资源学院的化学专业实验教学改革中做出了一些尝试，并取得了较好的改革效果。

汞膜电极溶出伏安法检测重金属离子是我院应用化学专业开设的《化学综合实验》的一个实验教学项目。通过本实验课程项目教学可完成对学生电化学与分析化学基础知识和技能的培养与考核，具有良好的理论性和实践性。学生学习课程中通过对电化学工作站的使用，可以为后续专业课程的学习与应用奠定基础，掌握电化学工作站及溶出伏安法的基本概念、基本原理和基本方法，还能在电分析化学研究领域中得到应用。但与此同时，该实验课程的内容设计上也存在一些问题，主要集中在以下三个方面：（1）测试精度不高，重现性差，测试峰电流信号与重金属离子标准溶液的线性相关性差，难以进行数据处理和分析[4]；（2）单次测试时间偏长，每个样品大概需要十几分钟测试，学生难以在实验教学课时内完成标准曲线数据的测试；（3）测试采用汞膜电极法，涉及汞和硝酸汞等剧毒化学品的使用，学生人身安全和环境安全都面临潜在隐患。

针对上述问题，作者基于近年从事溶出伏安法检测重金属离子的研究成果以及对相关领域研究最新进展的认识，提出了以铋膜电极替代汞膜电极来改革溶出伏安法检测重金属离子实验教学的思路[5-6]。众所周知，铋膜电极是近年来溶出伏安法检测重金属离子的研究热点，相对于20世纪广泛使用的汞膜电极，具有环保、安全、灵敏等诸多优点。作者在该实验项目教学改革中，以自身在铋膜电极检测重金属离子取得的学术研究成果为基础，以探索调制电化学测试程序为手段，大幅缩短了测试时间，提高了检测重现性和精确度。改革后的实验教学中学生实验操作可控性高，增强了学生实验的积极性，取得了良好的实验效果。

在教学改革具体的设计思路上，本文采用玻碳电极为工作电极，以铋盐作为制备铋膜的前驱体，选择阳极方波溶出伏安法作为实验测试程序，在负电位预富集阶段将铋离子同步还原成金属铋膜，从而提高对待测重金属离子阳极溶出氧化峰电流信号的响应，实现对待测重金属离子的高灵敏度和高重现性检测。

2.实验过程

(1)预处理工作电极

每次测试前，将直径为3mm的玻碳电极在丝绒抛光布上画“8”字形打磨，至表面成镜面效果，抛光粉末为0.05μm的Al2O3。打磨完毕后，用蒸馏水多次冲洗玻碳电极表面，晾干待用。

(2)配制试液

以0.1mol·L-1的乙酸和0.1mol·L-1的乙酸钠配置pH值为4.5的乙酸-乙酸钠缓冲溶液A。在缓冲溶液A中加入适量提前溶解的硝酸铋溶液，得到含800μg·L-1的Bi3+的缓冲溶液B。在缓冲溶液B同时加入相同量的Pb2+标准溶液和Cd2+标准溶液，得到Cd2+和Pb2+质量浓度均为20μg·L-1、40μg·L-1、60μg·L-1、80μg·L-1、100μg·L-1的五组标准溶液各100ml，用于测试、制备标准曲线。

(3)阳极方波溶出伏安法测试Cd2+和Pb2+

使用辰华电化学工作站进行测试，采用三电极体系：以上述磨好的玻碳电极为工作电极，以Ag/AgCl电极为参比电极，铂电极为对电极。取上述含Cd2+和Pb2+的待测标准溶液为电解液，开启搅拌并固定搅拌速度，以阳极方波溶出伏安法进行测试：在-1.2V电位下保持120s，实现Bi3+、Cd2+和Pb2+的预富集；随后停止搅拌，在-1.2V时保持静置10s；接着进行阳极溶出伏安扫描，电位扫描范围为-1.2～0.3V，记录电极表面Cd2+和Pb2+的溶出伏安曲线。方波溶出伏安法的参数为：频率25Hz，电位阶跃5mV，振幅25mV。每次测量后，将电极在0.3V恒定电位下搅拌60s，以清洗工作电极表面。最后，待标准曲线后测试完，以同样的方法测试未知样品溶液。

(4)实验结果分析

对于Cd2+和Pb2+质量浓度均为100μg·L-1的标准溶液利用铋膜电极法测试溶出伏安曲线，如图1a所示。在-0.19V左右出现的峰是Bi3+的氧化峰，而与待测离子空白溶液测试结果对比可发现，在-0.86V、-0.60V左右分别出现了Cd2+、Pb2+的溶出氧化峰，其峰型尖锐、基线平直、两峰分离度高，说明具有优异的定性检测性能。图1b是三次重复测试的结果，从图中可以看出重复测试所得曲线几乎完全重合，表明多次测量具有极高的稳定性。综上所述，本文采用的铋膜电极在检测Cd2+和Pb2+时具有灵敏度高、重现性好、可检测性强的优点，解决了教学改革前所采用的汞膜电极溶出伏安法检测重金属离子存在的种种问题。

图1 利用铋膜电极测试的溶出伏安曲线，Pb2+和Cd2+质量浓度均为100μg·L-1（a）与空白对比（b）三次重复测试

图2a是铋膜电极溶出伏安法测试五组Cd2+和Pb2+标准溶液所得的溶出伏安曲线，Cd2+和Pb2+质量浓度均为20μg·L-1、40μg·L-1、60μg·L-1、80μg·L-1、100μg·L-1。由该图可看出，Cd2+和Pb2+的氧化峰电流均随质量浓度的增加而增加。图2b是将Cd2+和Pb2+的峰电流值与质量浓度分别进行线性拟合得到的曲线，对应的线性拟合方程分别如下：

图2 （a）不同质量浓度Cd2+和Pb2+在铋膜电极上的溶出伏安曲线（b）Cd2+和Pb2+的峰电流值与质量浓度的线性关系图

ICd=1.38CCd-4.14，R2=0.9982

IPb=1.59CPb-4.21，R2=0.9973

其中，I是Cd2+和Pb2+时的氧化峰电流（μA）；C是Cd2+和Pb2+的质量浓度（μg·L-1）；R2是峰电流-质量浓度拟合线性方程的线性相关系数。

对于Pb2+和Pb2+而言，其峰电流值与质量浓度线性拟合方程的线性相关系数分别为0.9982和0.9973。结果表明，本文采用的铋膜电极溶出伏安法在检测Cd2+和Pb2+时电流响应信号与质量浓度之间的线性相关性高，能够满足定量检测的要求。

3.教学效果

针对本文开篇提出的现有汞膜电极溶出伏安法测试重金属离子实验教学中存在的三个技术性问题，在本文探索采用的铋膜电极-阳极方波溶出伏安法测试Cd2+和Pb2+的实验教学过程中，得到较好的解决。首先，课程改革后的实验检测具有优异的重现性，多次重复测量时，Cd2+和Pb2+的阳极氧化峰的峰型、位置和峰高几乎一致，表明了良好的重现性；而采用本法测得标准曲线中，Cd2+和Pb2+的质量浓度和峰电流之间具有良好的线性相关性，线性相关系数分别为0.9982和0.9973。其次，单次测试时间由之前的约15min大幅缩减为约5min：测试约3min，清洗1min，磨样约1min，能够保证绝大多数学生在规定实验教学课时内完成标准曲线数据的测试。另外，不同高校可以基于自身教学课时的安排，设计引导学生考察预富集电压、富集时间等因素对峰电流信号响应的影响，在本实验教学改革的内容延伸中，这类教学内容的设计也都有可靠的实验效果，从而可进一步提高教学效果、促进学生创新探索兴趣。同时，各高校在契合教师自身学术研究方向的前提下，还可以结合铋膜电极最新研究进展，进一步开展“第二课堂”实验教学，特别是采取“小班教学”的方式，给予师生双方充足有效的沟通交流空间，将本项目从验证性的实验教学，转化为探索前沿领域的创新实验课程，这在本科教学和研究生教学中都存在探索开展的可行性[6-15]。最后，新实验项目以铋膜电极法取代了之前使用的汞膜电极法，杜绝了汞和硝酸汞等剧毒化学品的使用。此外，除工作电极汞膜电极需更换为玻碳电极以外，汞膜电极法所使用的其它设备、配件、耗材都得到重新使用，以较低的成本完成了该实验教学项目的改革。

传统的汞膜电极溶出伏安法检测重金属离子本科实验教学，一方面属于一个开设多年的经典实验，但另一方面也存在内容与理念相对陈旧的问题。其教学内容缺乏相关研究领域最新研究前沿的扩展和引导，更像是一个验证性的实验，很难引起学生进一步深入开展创新性研究的学习兴趣。本文尝试以作者自己学术成果孵化的铋膜电极溶出伏安法检测重金属离子的实验教学改革，既在技术层面完成了学术成果向教学成果的转换，又在本科实验教学中进一步介绍相关研究背景和优秀成果，激励学生对该理论知识背后前沿进展的强烈兴趣，引导学生思维扩展，开展大学生创新实验设计，从而提升了学生对溶出伏安法的学习层次。

4.结语

本文介绍了作者以自己在溶出伏安法检测领域取得的研究成果为基础，将铋膜电极溶出伏安法检测重金属离子这一研究内容设计融入到本科实验教学中，为本校今后持续开展的应用化学专业实验教学项目，较好地完成了教学改革的预期目标。总结本实验教学改革收获，作者认为，在科研成果孵化教学成果的实验教学过程中，一方面要高度重视实验技术细节的打磨，从前沿的学术成果到稳定可行的实验技术方案的转换往往需要全方位、细致、反复的不断测试和调整，并且要结合本校实验室平台资源的客观实际，才能打造出高品质的实验课程教学项目；另一方面也要善于扩展学生的学术前沿视野，可以尝试把知识的传授设计成科研经历的分享，把科研面临的问题作为一个故事讲好、讲生动，从而激励学生开展创新性实验的兴趣。最后，教师在参与本类教学改革时，还应秉持开源节流的初心，在课程的设计上应充分利用本校现有平台资源，避免因实验项目改革大量更新仪器材料造成的资源浪费。