MATLAB在化學儀器分析教學中的應用

田 明，楊浩亮，雷旭陽

(邢臺職業技術學院，河北 邢臺 054000)

化學儀器分析課程屬于化工專業中的一門基礎課程，其課程目標旨在讓學生掌握實際化工生產中基礎儀器的使用，以及相對簡單的基礎實驗的分析方法。MATLAB軟件是美國MATHWORK公司推出的一種主要用于數學計算的軟件，具有強大的繪圖功能，圖像處理中在其二維、三維的可視化中有廣泛的應用。本文中主要利用MATLAB的數據擬合功能，結合儀器分析教學課程中總磷含量的測定試驗，向學生介紹MATLAB在化學專業中的應用，同時期望學生掌握MATLAB相關的初級功能[1-3]。

1 教學目標

依托高職教育過程中的應用化工專業，其中化學儀器分析為基礎課程。針對水質中總磷含量的實驗課程展開教學設計，其中相關的實驗過程參考國標《水質總磷的測定-鉬酸銨分光光度法》進行試驗設計。在數據處理環節，借助MATLAB軟件進行，主要向學生介紹plot函數的用法。通過MATLAB軟件，學生可以快速得到數據擬合的方程，從而得到樣品中總磷含量。結合MATLAB軟件，相應的試驗過程為“樣品制備→建立標線→測試樣品→數據處理→數據分析→結果輸出”，其中數據處理和數據分析環節依托MATLAB軟件完成。本次實驗的教學目標為使學生熟練掌握溶液的移去及定容操作、分光光度計標準曲線的建立及樣品的測試和MATLAB中plot函數的使用規范。

2 試驗設計

2.1 試驗藥品及儀器

硫酸、硝酸、高氯酸、氫氧化鈉、過硫酸鉀、抗壞血酸、鉬酸銨、磷標準液。

分光光度計，電熱爐。

2.2 樣品制備

采取500 mL水樣后加入1 mL硫酸，調節pH值低于1后保存備用。

取25 mL樣品于具塞刻度管中，取時應搖勻，得到溶解部分或懸浮部分均有代表性的試樣。

2.3 樣品測定

①向制備的樣品中加入4 mL過硫酸鉀，加熱到120℃，保持30 min，取出放冷備用。

②取上述溶液25 mL于錐形瓶中，加入四粒玻璃球防止爆沸，加入2 mL硝酸，加熱濃縮至10 mL，冷卻再加5 mL硝酸，加熱濃縮至10 mL，冷卻。加入3 mL高氯酸，加熱至冒白煙，直至剩下3～4 mL，冷卻后加水10 mL，加1滴酚酞試劑，再滴加氫氧化鈉至呈微紅色，在滴加硫酸溶液使微紅色剛好褪去，充分混合后加水至刻度線備用。

③顯色，分別向上述溶液中加入1 mL抗壞血酸溶液，混勻30 s后加2 mL鉬酸銨溶液。

④測定。室溫下15 min后，將分光光度計波長調至700 nm波長，以水做為參比，測定其吸光度。測定樣品吸光度值，扣除空白吸光度值后，查磷含量的標準曲線后的樣品磷含量值[4]。

2.4 建立標準曲線

取6支具塞刻度管，分別取濃度為0.00，0.02，0.04，0.12，0.20，0.40 ppm的磷酸鹽標準溶液。加水至刻度線后按上述樣品測定方法測定其吸光度值，繪制相應的標準曲線。

2.5 空白吸光度

空白吸光度值為以水代替樣品按上述方法測定的吸光度值。

3 數據處理

3.1 程序編寫

標準曲線的建立，6個標準溶液的吸光度值如表1所示。根據得到的數據，利用MATLAB軟件中的線性擬合功能對6個標準溶液吸光度值進行擬合。

表1 總磷含量中濃度和吸光度值

編寫的MATLAB程序如下：

x=[0 0.02 0.04 0.12 0.20 0.40];

y=[0 0.01 0.02 0.061 0.106 0.218];

%將七組試驗中的濃度值和吸光度值賦到變量x和y中；

p=polyfit(x,y,1);

plot(x,y,'o',x,polyval(p,x));

%將x和y值在MATLAB中輸出其直線圖；

yfit=p(1)*x+p(2);

R2=norm(yfit-mean(y))^2/norm(y-mean(y))^2;

%計算標準曲線的線性相關系數；

disp(R2);

disp(p);

%在MATLAB中輸出直線的參數和其線性相關系數；

3.2 樣品計算

在MATLAB中進行計算后輸出的直線圖及數據如圖1、2所示。可見總磷標準曲線的線性相關系數為0.9996，其直線的方程為y=0.5458x-0.0018。

圖1 標準曲線圖

圖2 MATLAB界面輸出方程參數

將樣品的吸光度值帶入到標準方程，可以得到樣品中總磷含量。

4 教學效果

本教學課程設計根據該課程的教學目標，選取當前較熱的環境相關問題，課程設計的主要內容為水質中總磷含量的測定。結合MATLAB軟件中的數據處理功能，對試驗數據進行簡單有效的處理。本教學課程需要學生具備簡單的實驗技能和計算機基礎，根據學生在課程上的表現可以判斷學生的學習積極性普遍提高，在學習過程中表現出明顯的積極性。從實驗結果可以看出，大部分學生可以自主完成本次實驗的教學目標，和傳統的教學模式相比，計算機軟件的引入廣泛提高了學生的實驗興趣，學生通過學習不僅掌握了水質中總磷含量的測定方法及分光光度計的使用方法，同時對MATLAB常用的線性擬合功能有所了解。本課程的設計在教學改革中收到了良好的效果，其設計具有獨特的新穎性[5-6]。

5 結論

水質中總磷含量的測定，結合MATLAB軟件中的數據處理功能，對標準曲線的濃度及吸光度值進行線性擬合，簡單有效的對數據進行處理。利用計算機軟件進行化學儀器分析實驗課程的教學，提高了學生的學習興趣，同時增加學生對相關數學過程編程的了解，及運用線性代數和計算機軟件解決儀器分析過程中問題的能力。該教學過程結合計算機軟件，相比于傳統的實驗分析教學課程較為新穎，具有普遍的推廣意義。