“自主设计实验”教学模式在仪器分析实验中的应用——ICP-OES 检测茶水中的金属含量

高敏莉，何博锐，董佳欣，费澄莹，傅舒帆，丁佳欣，顾思奕，李瀚洋，李嘉媛，丁祖旺，丁敬康，衡幸睿，丁飞，陈朗星，朱义州，王京,＊

1 南开大学化学学院，天津 300071

2 化学国家级实验教学示范中心(南开大学)，天津 300071

3 天津大学化工学院，天津 300072

在双一流建设的大背景下，培养创新型人才是人才培养的重要内容，采用基于科教融合的探索式教学模式对培养创新型和应用型人才具有重要战略意义。传统的仪器分析实验教学内容大多是围绕理论课教材，实验内容比较陈旧，且大多为验证性实验，侧重于实验内容与理论知识的衔接，与实际生产生活脱节，导致学生对实验课程很难产生学习兴趣和主动性[1,2]。自主设计实验是启发学生从日常生活或科研热点中发现问题，理论联系实际，根据现有的实验条件，从实验方案设计、实施，到分析处理数据结果都由学生自主完成的实验教学模式。实施过程以学生为主体，注重培养学生的创造性、灵活性和实践能力，提高学生的学习主动性、独立思考能力和创新意识[3-5]。

中国人自古就有喝茶的习惯，至今已经有四五千年的历史，茶叶中含有丰富的营养物质以及多种人体所必需的微量元素，然而在茶叶的种植过程中由于大气沉降、土壤污染等原因，茶叶中一些重金属的含量可能超标。重金属元素会随着浸泡析出，并通过饮用被人体摄入，若摄入量超过一定限度可能会引发重金属中毒，危害人体健康。国家标准规定了生活饮用水中各重金属元素的限量值：铅 ≤ 0.01 mg·L-1，铜 ≤ 1 mg·L-1，铬 ≤ 0.05 mg·L-1，镉 ≤ 0.0005 mg·L-1，铁 ≤ 0.3 mg·L-1[6]。因此，模拟日常生活泡茶习惯，通过科学的方法研究不同浸泡时间、浸泡次数和茶叶种类对重金属浸出量的影响值得研究与探索，进而对如何选择最佳泡茶方式提供参考性意见和理论指导。

随着现代仪器分析技术的不断发展，用于检测茶水中金属离子含量的方法也多种多样，如电感耦合等离子体发射光谱法(inductively coupled plasma optical emission spectrometer，ICP-OES)、原子吸收光谱法、氢化物发生-原子荧光光谱法、电感耦合等离子体质谱法等。其中ICP-OES由于具有灵敏度高、干扰小、线性宽、可同时测定多种金属元素的特点被更广泛应用于此类检测研究工作。本实验基于南开大学化学学院仪器分析实验课程学习和农业部的标准——《茶叶中铬、镉、汞、砷及氟化物限量》[7]，在教师的辅助指导下设计并完成实验——ICP-OES检测茶水中的金属含量。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

实验仪器：ICP-OES光谱仪(美国Thermo ICAP 7400)，万分之一电子天平，容量瓶，移液枪，烧杯，一次性滤膜及注射器。

实验试剂：硝酸(优级纯)，超纯水(Millipore，电阻率18.2 MΩ·cm)，Ca、Mg、Na、Cd、Cr、Fe、Cu、Mn、Ni、Zn、Pb、Sn标准溶液(国标(北京)检验认证有限公司)。茶叶样品包括龙井(浙江)，肉桂茶(广东)，子竹茶(四川)，富硒茶(湖北)，铁观音(福建安溪县)，毛峰(安徽黄山)，金骏眉(福建武夷山)，碧螺春(江苏)。

1.2 仪器检测条件

射频功率1150 W，冷却气流量12 L·min-1，辅助气流量0.5 L·min-1，雾化器流量0.5 L·min-1，泵速50 r·min-1，短波积分时间15 s，长波积分时间5 s，积分次数为3次，Ca、Mg、Na采用垂直观测方式，Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Sn、Zn、Pb、Cd采用水平的观测方式。

1.3 标准曲线的线性方程和检出限

依据表1中标准曲线浓度配制Cd、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Sn、Zn、Ca、Mg、Na的系列混合标准溶液，其中硝酸体积含量为5%。将配制好的标准溶液引入光谱仪，进行三次重复测定，以各元素标准溶液的浓度为横坐标，以发射的谱线强度为纵坐标绘制校准曲线。其标准曲线线性回归方程及相关系数见表1，线性要求均达到0.999以上，符合检测要求。

表1 各元素标准曲线表

对空白溶液进行11次测定，以3倍标准偏差计算检出限(limit of detection，LOD)，与文献[8-11]报道检出限基本一致(表2)，说明仪器参数设置合适，可以用于检测分析。

表2 检出限对照表

1.4 样品制备

1.4.1 不同种类的茶水样品

分别准确称取约3.000 g龙井、肉桂茶、子竹茶、富硒茶、铁观音、毛峰和金骏眉于7个烧杯中，加入100.0 mL 100 °C的超纯水浸泡30 min，过滤后待检测。

1.4.2 不同浸泡时间的茶水样品

分别准确称取约3.000 g碧螺春茶叶于7个烧杯，加入100.0 mL 100 °C的超纯水分别浸泡1、3、5、10、30、50 min，过滤后待检测。

1.4.3 不同浸泡次数的茶水样品

准确称取3.000 g铁观音茶叶于烧杯中，加入100.0 mL 100 °C的超纯水浸泡30 min后过滤，滤液待检测。随后茶渣中再次加入100.0 mL 100 °C超纯水进行第二次浸泡，30 min后过滤，滤液待检测。再加入100.0 mL 100 °C超纯水浸泡第三次，30 min后过滤，滤液待检测。

2 实验结果与讨论

2.1 不同种类茶水中金属含量

使用ICP-OES对不同种类茶水样品进行定量检测，数据结果列于表3，其中Cd、Cr、Pb、Sn的含量均很低，符合国家标准对生活饮用水中各重金属元素的限量要求[6]。分析发现，金骏眉和毛峰中Cu含量较高，肉桂茶和金骏眉含Fe量较多，子竹茶和毛峰含Ni量较多，铁观音含Zn和Mg量较少，肉桂茶和铁观音中含Mn较少，金骏眉含Na量较多，Ca含量均一(图1)。

表3 不同种类茶水中金属元素含量(µg·mL-1)

图1 不同种类茶水中的金属含量

查阅相关研究文献[12-19]，不同种类茶叶固体中的金属含量列于表4，与实验值基本吻合。综上，金骏眉不失为缺铁人群和普通人群的优先选择。

表4 茶叶固体中的金属含量(mg·kg-1) [12-19]

2.2 浸泡时间对金属溶出量的影响

使用ICP-OES对不同浸泡时间的茶水样品进行定量检测，数据结果列于表5。分析发现，Cd、Cr、Pb、Sn元素几乎不存在，其他元素浓度在浸泡10 min时达到一个小高峰，30 min后趋势变平缓。其中Mn和Mg的含量随浸泡时间的增加上升幅度较大，Ca和Na的含量高但增幅较小，Cu、Fe、Ni和Zn的含量低增幅也小(图2)。综上，建议泡茶时间在10-30 min为佳。

表5 不同浸泡时间的金属溶出量(µg·mL-1)

图2 不同浸泡时间的金属溶出量

2.3 浸泡次数对金属溶出量的影响

使用ICP-OES对不同浸泡次数的茶水样品进行定量检测，数据结果列于表6。分析发现，浸泡次数对于茶叶中Mn、Ca、Mg、Na的影响较大，第一次浸泡浸出的Mn、Ca、Mg、Na最多，此后浸出量逐渐下降，到第三次后Fe等人体必需微量元素已经低于检出限，其余元素含量变化也趋于平缓。综上，建议泡茶次数不要超过三次(图3)。

表6 不同浸泡次数的金属溶出量(µg·mL-1)

图3 浸泡次数对金属溶出量的影响

3 自主设计实验教学

自主设计实验已纳入南开大学化学学院仪器分析实验教学计划，结合仪器分析实验的规定实验项目，对各类仪器有了初步了解后，根据自身兴趣设计实验内容，组成10-12人实验小组，在授课教师的指导下完成实验。

自主设计实验由前期调研论证、中期实验操作、后期总结汇报三部分组成，具体实验教学方法见图4。前期通过理论学习和文献调研完成选题和实验方案初拟，同授课教师集中讨论后，确定实验目的、实验原理、实验试剂和仪器、实验步骤和注意事项。实验操作过程由样品前处理和仪器检测两部分组成，授课教师除了协助学生顺利完成实验和规范实验操作，还对仪器工作原理、仪器参数设定、标准曲线范围、检出限计算等相关知识要点进行提炼和扩展。后期学生完成数据处理、实验结果讨论和实验报告书写，授课教师对工作进行系统梳理，总结工作特色和不足，完成实验成绩的评定。

图4 “自主实验设计”教学方法

4 结语

本实验利用ICP-OES检测茶水中的金属含量，将实验教学与生活实际相结合，为泡茶方式提供理论依据和指导建议，可增强学生的实验能力与科研兴趣。学生在实验过程中进一步加强学习仪器工作原理、仪器基本操作、标准曲线定量分析方法和检出限的测量计算。本实验样品制备简单，实验安全，无危险化学试剂，实验成本低廉，实验操作中样品前处理约耗时1.5 h，样品检测2 h，能确保4 h内完成实验，符合实验教学的课时要求，可作为常规的ICP-OES实验教学项目。

自主设计实验旨在拓展大学生仪器分析实验理论学习的实际应用价值，将所学到的理论知识不断巩固并灵活地运用于复杂问题的处理上，不仅训练了学生的思考能力和实验能力，同时也锻炼了学生对知识的应用能力，让学生意识到生活中处处有化学，增强对化学专业的认同感和荣誉感，更好地应用所学知识指导生活。自主设计实验改变了传统的教学方式，将教学重点由“教”向“学”转化，充分体现学生在学习过程中的主体地位，增强学生的科研能力和严谨的科学意识，培养新时代的创新型和应用型人才。