融入科研成果的開放性化學實驗教學設計

鄧培紅，馮泳蘭，曾榮英，匡云飛，唐斯萍

（衡陽師范學院 化學與材料科學系，湖南 衡陽 421008）

實驗教學是大學化學專業教學的重要組成部分。傳統的實驗教學一般都是簡單的驗證性實驗，由于結論與預期的完全一致，故在學生創新能力培養方面顯得不足。開放性實驗克服了傳統實驗教學模式暴露出來的種種問題，成為眾多高校進行實驗教學改革的一項重大的成果［1－6］。開放性實驗是學生根據要求設計實驗方案，并驗證方案可行性的自主性探究實驗。實驗內容可向生命、材料、環境等熱點領域傾斜，實驗設計應反映新的科研成果［7］。本文以“表面活性劑修飾碳糊電極測定復方蘆丁片中蘆丁和抗壞血酸的含量”為例，來說明開放性實驗教學設計的指導思想和內容。

1 明確研究目的

開放性實驗首先需要明確研究什么？研究的問題應具有一定的價值、實用性和可行性。可以是由教師給出，也可以由學生自己確定。復方蘆丁片是一種有助于保持及恢復毛細血管正常彈性功能的中成藥，主要用于高血壓病的輔助治療，其主要成分是維生素C和蘆丁。蘆丁是維生素P的一種，具有維持血管抵抗力、降低其通透性、減少脆性及抗炎、抗病毒等作用；維生素C為人體必需營養成分，臨床用于壞血病的預防及治療，可增加對感染的抵抗力［8］。蘆丁和維生素C常共存于植物和藥物中，因此實現兩者的同時測定在藥物分析方面具有重要的意義。電化學分析法是一類重要的儀器分析方法，是根據物質在溶液中的電化學性質建立起來的，具有儀器簡單、成本低、選擇性好、靈敏度高、分析速度快等優點［9］。近十多年來，在研究的各個領域，均取得了可喜的，長足的進展。其中，化學修飾電極是當前電化學分析最為活躍的研究領域，發展十分迅速［10］。化學修飾電極是將某些特定功能團或化合物利用化學和物理的方法修飾在電極表面，從而改變或改善電極原有的性質［11］。把這方面的知識設計成直觀和有啟發性的實驗，將有助于學生更好地了解化學修飾電極的制備方法及應用。本文結合自己的科研成果［12］，采用吸附法制備表面活性劑修飾碳糊電極，并應用于復方蘆丁片中蘆丁和抗壞血酸的含量的同時測定，所需儀器簡單、操作方便，很適宜作為大學開放性實驗。

2 了解和掌握背景信息

要求學生通過查閱相關文獻資料，了解所做的開放性實驗的相關背景信息，包括國內外研究現狀、相關的基礎理論知識和實驗技能。

2.1 國內外研究現狀

要求學生能根據實驗項目要求，能熟練查閱相關文獻，了解所進行的開放性實驗的國內外研究現狀。目前，同時測定蘆丁和抗壞血酸的方法有雙波長紫外分光光度法［13］、正交函數分光光度法［14］、高 效液相色譜法［15］、毛細管電 泳法［16－17］等，這些方法共同的缺點是需對樣品進行萃取分離，預處理過程復雜，耗時較長。電化學方法具有簡單、靈敏度高、穩定性和選擇性好等優點，且儀器價格便宜，體積小巧，利于現場監測。由于蘆丁和抗壞血酸都是具有電化學活性的 化 合 物，單 獨 測 定 蘆 丁［18－21］和 抗 壞 血 酸［22－23］已 有 不 少 文獻報道。然而，抗壞血酸與蘆丁的氧化峰電位非常接近，在常規電極上氧化峰相互重疊，選擇性差，用電化學方法同時測定蘆丁和抗壞血酸尚未見文獻報道。因此尋找一種穩定性好、靈敏有效、簡單的電化學方法同時測定抗壞血酸和蘆丁在藥物分析方面具有重要的意義。

2.2 相關的理論知識

教師在設計開放性實驗時要注意給學生提供相關“鋪墊性”的理論知識。在“表面活性劑修飾碳糊電極測定復方蘆丁片中蘆丁和抗壞血酸的含量”設計中要求學生掌握的知識背景包括：

（1）化學修飾電極的概念；

（2）伏安法的實驗原理；

（3）儀器分析的定量分析方法；

（4）儀器分析方法的評價指標。

2.3 相關的實驗技能

開放性實驗是提高學生動手能力，熟練掌握操作技能的有效途徑之一。通過開放性實驗，不僅使學生了解所需儀器的構造、工作原理、操作流程、注意事項及一般的維修維護知識，還鍛煉了學生獨立思考問題和解決問題的能力，為學生今后的學習和工作打下良好的基礎。本開放性實驗要求學生掌握的相關實驗技能包括以下幾個方面：

（1）相關電化學分析儀器的使用方法；

（2）酸度計的使用方法；

（3）化學修飾電極的制備方法；

（4）標準溶液的配制方法；

（5）緩沖溶液的配制方法。

3 確定研究的任務和內容

開放性實驗強調學生在實驗過程中的自主性與探索性，因此整個實驗過程均要求學生獨立完成。首先學生應主動帶著問題去查找相關的資料和文獻，進行歸納總結，并結合學過的理論知識設計合理的實驗方案，在規定的時間內交給指導老師，指導老師和學生一起就方案進行討論，指出可行和不當之處，將方案進一步完善。學生按照設計的實驗方案獨立進行實驗，對于實驗過程中出現的現象和問題，要求學生獨立思考和解決，注重培養學生嚴謹細致的科學態度和實事求是的工作作風。實驗結束后要求學生及時整理實驗數據，得出結論，寫出實驗小論文。例如，在“表面活性劑修飾碳糊電極測定復方蘆丁片中蘆丁和抗壞血酸的含量”設計中老師可向學生提出如下任務和實驗設計要求：設計并實施一個實驗，目的是制備一種表面活性劑修飾碳糊電極，用電化學方法同時測定復方蘆丁片中蘆丁和抗壞血酸的含量。實驗設計內容應包括：

（1）修飾電極的制備方法；

（2）需要采用的分析方法；

（3）所有的操作和步驟；

（4）要進行的相關計算；

（5）如何評價新方法。

4 制定應急方案

由于學生在自主學習能力上存在差異，并不是每個學生都能設計出合理的實驗方案。因此指導教師應事先制定出應急的實驗方案，讓學生依此方案進行試驗、得出數據及結論。應急方案應包括實驗目的、實驗原理、實驗儀器及試劑、實驗方法等。下面是“表面活性劑修飾碳糊電極測定復方蘆丁片中蘆丁和抗壞血酸的含量”的應急方案。

4.1 實驗目的

通過該開放性實驗，使學生掌握吸附法制備表面活性劑修飾碳糊電極的實驗技能，加深理解化學修飾電極的概念和伏安法的測定原理，熟悉掌握相關電化學分析儀器的使用，引導、培養學生的創新意識。

4.2 實驗原理

本實驗采用的電化學分析技術為吸附溶出伏安法。吸附溶出伏安法是一種以吸附作為富集手段來提高測定靈敏度的伏安分析法。首先使被測物先以自發擴散或強制對流吸附在電極上，然后采用一定的掃描電壓方式，將被測物從電極溶出，物質溶出過程中，可得到一尖峰狀的伏安曲線。溶出峰的位置與物質本身的性質有關，可進行定性分析，溶出峰電流的大小與物質的濃度成線性關系，可進行定量分析。表面活性劑獨特的兩親結構使它很容易在電極／溶液界面發生吸附，形成致密有序的單分子層或多分子層結構，并能改變電極的界面性質，影響物質的擴散及電化學反應，因而被廣泛應用于電化學和電分析化學領域［24－26］。此類體系主要是利用表面活性劑的疏水作用及其與待測物的靜電、配合等作用，以達到電化學增敏的目的。此外，還能提高分析的選擇性和重現性、改善伏安波形、抑制或者消除干擾。

4.3 實驗

4.3.1 儀器和試劑

CHI660D電化學工作站（上海辰華儀器廠）；JP－303型極譜分析儀（成都儀器廠）；SH2601精密酸度計（上海大普儀器有限公司）；78－1磁力加熱攪拌器（山東甄城魯電熱儀器有限公司）；實驗采用三電極系統，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為對電極，自制的修飾電極為工作電極。

蘆丁標準溶液（1×10－3mol／L）：在電子天平上準確稱取0.061 05g蘆丁，用乙醇溶解，定容于100mL的容量瓶中，用時再逐級稀釋至所需濃度；抗壞血酸標準溶液（1×10－2mol／L）：在電子天平上準確稱取0.176g抗壞血酸，用水溶解，定容于100mL的容量瓶中，用時再逐級稀釋至所需濃度。所有試劑均為分析純，實驗用水為二次蒸餾水。

4.3.2 表面活性劑修飾碳糊電極的制備

將碳粉與固體石蠟按一定的質量比放入研缽，混合均勻后裝入小瓶中，加熱，使固體石蠟熔融，取出后迅速裝進直徑1mm的玻璃毛細管中，插入銅絲壓緊后，上端用蠟封固定，電極表面在光滑的紙上拋光。用吸附法將陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨吸附在碳糊電極表面制得修飾電極，干態室溫下保存備用。

4.3.3 實驗方法

將自制的表面活性劑修飾碳糊電極浸入含有一定量抗壞血酸與蘆丁標準溶液的的支持電解質溶液中，攪拌富集一段時間，靜置5s，以100mV／s的速率從0mV正向掃描至1 000mV，記錄伏安圖。

4.3.4 實驗內容

（1）修飾電極制備條件的優化。如粘合劑種類的選擇、碳粉與粘合劑的最佳配比、表面活性劑種類及濃度對電化學響應信號的影響。

（2）測試條件的優化：研究各種不同的測試條件如支持電解質的種類、濃度及酸度、富集電位、富集時間、掃描速率等對電化學響應信號的影響。

（3）利用各種方法對電極過程機理進行探討，如電極反應是否可逆；電極過程是吸附控制還是擴散控制；電極反應的電子轉移數和質子轉移數等。

（4）配制一系列不同濃度的蘆丁和抗壞血酸標準溶液，依次測其峰電流，求其線性范圍和檢出限。

（5）對電極性能進行評價，如電極的重現性和穩定性，抗干擾情況等。

（6）樣品測定：將十片復方蘆丁片用研缽研成細粉并充分混合，然后準確稱取相當于兩片的質量于小燒杯中，加入適量乙醇，超聲攪拌助溶，用乙醇稀釋至所需濃度。用移液管準確移取一定量樣品溶液，在最佳條件下進行測定。

4.4 數據處理

要求學生用圖、表等表示實驗的結果，從對結果的處理中得出結論，并運用相應的科學知識和理解來解釋結論。本實驗的數據處理要求包括以下幾個方面：

（1）根據相關的實驗數據利用Excel電子表格繪制相關的圖、表，通過圖表對修飾電極的制備條件和實驗測試條件進行優化。

（2）根據濃度和峰電流的關系，繪制蘆丁和抗壞血酸含量的標準曲線，并得出其相應的線性回歸方程和相關系數；求出以噪音電流3倍值對應的濃度作為本方法的檢測限。

（3）由測得樣品的伏安曲線及峰電流數據，用標準曲線法或標準加入法求一片復方蘆丁片中蘆丁和抗壞血酸的含量。往樣品溶液中加入蘆丁和抗壞血酸標準溶液，計算回收率。

（4）用數理統計的方法合理表示分析結果。

（5）從精密度、準確度、靈敏度、線性范圍、檢出限等方面合理評價分析方法。

5 設計實驗思考題

針對實驗教學的不同環節分別設計思考題，可以及時地、啟發性地指導學生發現、分析和解決問題，檢驗學生對實驗的掌握程度，引導學生更多地去查看文獻，拓寬知識面。通過思考問題還可以使學生根據實驗數據歸納總結出正確的實驗結果，討論影響實驗結果的因素，并加深對實驗原理、實驗方法的理解，改善和提高實驗教學的效果。

本實驗可以設計如下思考題：

（1）什么是碳糊電極？什么是化學修飾碳糊電極？化學修飾碳糊電極制備的方法有哪些？

（2）電化學分析方法有哪些？伏安法測定的原理是什么？

（3）儀器定量分析方法的評價指標有哪些？如何客觀合理地評價本實驗的分析方法？

（4）底液酸度的改變對蘆丁和抗壞血酸的峰電流產生怎樣的影響？為什么？

（6）標準曲線如何繪制？如何計算檢出限？

（7）儀器分析定量分析方法有哪些？如何計算樣品中蘆丁和抗壞血酸的含量？

（8）如何計算回收率？如何正確表示分析結果？

6 小 結

目前，在大學開設的化學實驗課程中，涉及電化學分析和藥物分析的實驗還比較少，本文可作為開放性實驗的內容，對培養學生獨立探索、大膽創新的精神，提高學生的綜合能力和素質很有意義。

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