基于科教融合的化學綜合實驗教學改革與設計

曹江平，邸宏偉，趙文霞，張 萍，郭敏慧，丁 煒，屈娟娟

(寧夏師范學院 a. 化學化工學院; b. 六盤山資源工程技術研究中心， 寧夏 固原 756000)

0 引 言

化學綜合實驗是一門教師引導、學生自主設計的實驗課程，是在教育部《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》中“增加綜合性與創新性實驗，引導大學生了解多種學術觀點并開展討論，追蹤本學科領域最新進展，提高自主學習和獨立研究的能力。要讓大學生通過參與教師科學研究項目或自主確定選題開展研究等多種形式，進行初步的探索性研究工作”的號召下，并為適應社會對專業人才的實際需求，在基礎化學實驗的基礎上，學生掌握了基礎化學實驗的驗證性實驗內容和方法后，開設的綜合型、設計型實驗課程，旨在激發學生的學習興趣，培養其創新能力，分析、設計和解決問題等綜合素質，實現學生“高分高能”的培養目標和高等教育的育人功能[1-2]。本文結合化學綜合實驗教學實踐及自身科研課題，設計了題為“懸浮溶劑固化-分散液液微萃取/分光光度法測定枸杞中β-胡蘿卜素”的綜合化學實驗，本實驗新穎、成熟、安全、低耗，將教師啟發式教學和學生自主設計實驗相結合，強化了學生基礎化學實驗操作和綜合運用理論知識并提高綜合實驗技能的作用，能激發學生參與實驗教學的主動性和積極性，有助于學生創新能力的培養。

1 設計的背景及意義

基礎化學實驗驗證性內容較多，目的是加深學生對理論知識的理解和鍛煉基本實驗技能，化學綜合實驗是在基礎化學實驗完成后，為進一步提高學生參與教學活動積極性和主動性開設的一門開放性實驗課程。將學生由參與者變為實驗的主導者和設計者，有利于激發其主動學習和探索的興趣[3-5]。

樣品前處理是分離與分析科學技術中最關鍵的環節，也是該領域的研究熱點及難點。近年來，分散液液微萃取技術(dispersive liquid-liquid microextraction，DLLME)作為一種典型的微型化的樣品前處理手段，逐漸成為該領域研究的熱點[6-11]。隨著其發展成熟，研究者已在傳統操作模式的基礎上發展出基于低密度萃取劑的分散液液微萃取(LDS-DLLME)[12]、懸浮溶劑固化分散液液微萃取(DLLME-SFO)[10, 13]、超聲輔助表面活性劑強化乳化微萃取(UASEME)[14]、離子液體-分散液液微萃取(IL-DLLME)[15]、反相分散液液微萃取(RP-DLLME)[16]等諸多操作模式，應用也越來越廣泛。作者長期從事該技術的開發研究，積累了較為豐富的經驗，引導學生設計了該實驗項目。

2 實驗設計

2.1 實驗目的

(1) 了解DLLME-SFO技術操作模式和影響因素，區別與傳統分散液相微萃取技術的優缺點。

(2) 熟悉DLLME-SFO的基本操作模式，熟練計算方法學評價的相應技術參數，并用于分析實驗結果。

(3) 熟悉Excel、Origin等數據處理及繪圖軟件的使用方法。

2.2 實驗原理

β-胡蘿卜素(β-carotene)是類胡蘿卜素之一，廣泛分布于胡蘿卜等多種蔬菜中，有抗氧化、促進新陳代謝、預防癌癥等重要的生理功能。進入機體后，經酶的作用轉變為維生素A，有補肝明目、增強機體免疫力等生理功效[17-18]。其反應式為：

(1)

DLLME-SFO是在傳統DLLME的基礎上，以密度小于水、熔點低(10～30 ℃)、毒性小的溶劑做為萃取劑的一種新型DLLME技術。萃取、離心等操作步驟與傳統DLLME技術相同，完成萃取后，將萃取裝置置于冰浴等低溫環境中使萃取相固化，固-液相快速分離后，將固化的萃取相熔化進行后續測定分析，其操作過程如圖1所示。十二醇與β-胡蘿卜素極性相近，應用該技術，通過物理萃取即可實現枸杞樣品中微量至痕量β-胡蘿卜素的定量分析。

2.3 實驗試劑和儀器

2.3.1 實驗材料和試劑

枸杞樣品購自當地超市，冷凍干燥后粉碎備用。

圖1 懸浮溶劑固化-分散液液微萃取操作步驟

β-胡蘿卜素(分析標準品)，購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；十一醇、十二醇、甲醇、乙腈、丙酮、四氫呋喃均為色譜純；氫氧化鉀、氯化鈉、鹽酸、無水乙醇、抗壞血酸等其他試劑均為分析純。實驗用水為二次蒸餾水。

2.3.2 實驗儀器和設備

UV-1750型紫外-可見分光光度計(日本島津公司)；DHG-9076A型電子恒溫鼓風干燥箱(上海精宏實驗設備有限公司)；PHS-3C型pH計(江蘇江分電分析儀器有限公司)；TDL80-2B型離心機(上海市安享科學儀器廠)；XMTD-204型數顯式電熱恒溫水浴鍋(昆山市儀器有限公司)；FA2204B型分析天平(上海精科天美科學儀器有限公司)；FW200A型高速萬能粉碎機(北京科偉永興儀器有限公司)；KQ-5200E型超聲波清洗器(昆山市超聲波儀器有限公司)；UPDR-II-20L型超純組合高純水制取系統(四川優普超純科技有限公司)。

2.4 實驗內容

2.4.1 皂化

枸杞樣品干燥后粉碎。準確稱取1.0 g枸杞粉末加入50 mL燒瓶中，并依次加入10.0 mL無水乙醇、0.1 g抗壞血酸、2.0 mL氫氧化鉀溶液(1 g/mL)，混合均勻。沸水浴回流30 min后立即冷卻至室溫。5 000r/min離心3 min，取清液用蒸餾水定容到25 mL，用6 mol/L鹽酸調節pH=7待用。

2.4.2 DLLME-SFO/UV-Vis

取4 mL上述皂化液于10 mL錐底離心管中，加入5 mL二次蒸餾水混勻，并加入NaCl至飽和后，快速加入混勻的200 μL十二醇和200 μL乙腈溶液輕搖5 min后離心(5 000 r/min, 3 min)，完成后取出離心管迅速置于冰浴中5 min，用微量注射器吸出殘余皂化液后，室溫融化固化的萃取劑，用四氫呋喃溶解并定容至1 mL，在460 nm波長下用紫外-可見分光光度計分析含量。

2.4.3 DLLME-SFO條件優化和定性定量方法

配置100 ng/mL工作液，取9 mL加入到10 mL尖底旋塞離心管中，按照2.4.2步驟萃取并分析，計算萃取率和富集倍數，并按照這2個指標分別對實驗的萃取劑種類及體積、分散劑種類及體積、溶液的pH、離子強度、萃取和凝固溫度和時間等DLLME萃取條件進行優化。外標曲線法進行定量分析，以樣品濃度為橫坐標，吸收峰強度為縱坐標作圖，進行線性模擬，得到標準曲線回歸方程，用于計算未知樣品濃度。

2.4.4 樣品測定

按照步驟2.4.1～2.4.2方法進行實際枸杞樣品分析，測定樣品在特征吸收波長的吸光強度，帶入回歸曲線，計算樣品中β-胡蘿卜素的含量(μg/g)，計算方法為

Cβ-胡蘿卜素=Csed×1.0/(1.0×4/25)

(1)

式中，Csed為萃取完成后萃取劑中分析物濃度(μg/mL)。按照0.5 μg/g、1 μg/g進行樣品加標，并測定實際樣品加標回收率，填寫于表1中。

表1 樣品測定結果、加標回收率

3 結 語

本文設計了題為“懸浮溶劑固化-分散液液微萃取/分光光度法測定枸杞中β-胡蘿卜素”的實驗教學項目，首先對學生進行了現代儀器分析中樣品前處理技術方面知識和技能教學，其次按照國標方法進行枸杞樣品的皂化，使學生掌握國標的作用和地位以及應用方法，又引導學生設計了運用新型樣品前處理方法DLLME-SFO對枸杞樣品中β-胡蘿卜素進行萃取和富集，并結合紫外-可見分光光度計測定其含量的實驗方法。該實驗教學有利于學生創新思維和能力的培養，在實驗教學過程中，通過“引導—設計—探索—創新—引導”的模式，強化了學生的基本實驗能力，促進了實驗教學的效率和效果，提高了學生創新能力和綜合素質。