連續(xù)流動(dòng)分析儀新功能的開(kāi)發(fā)和教學(xué)實(shí)踐*

盧麗娟，張 靜，羅敏蓉

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

培養(yǎng)具有“創(chuàng)新思維、實(shí)用技能的復(fù)合應(yīng)用型農(nóng)林新才”和“新農(nóng)科”人才是高等農(nóng)業(yè)院校人才培養(yǎng)提出的新要求[1]。精密儀器操作技能實(shí)驗(yàn)課程是是將有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)及物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)等課程的一些基本原理、方法或操作有機(jī)融入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選修課程，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性與操作性，在培養(yǎng)園藝學(xué)、設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程、茶學(xué)專(zhuān)業(yè)研究生的科學(xué)素養(yǎng)及創(chuàng)新意識(shí)方面具有非常重要的作用[2-3]。

土壤有效磷是土壤中可被植物吸收的磷組分，包括全部水溶性磷、部分吸附態(tài)磷及有機(jī)態(tài)磷，有的土壤中還包括某些沉淀態(tài)磷。了解土壤中有效磷供應(yīng)狀況，對(duì)于園藝作物合理施肥有著直接的指導(dǎo)意義[4-5]。然而目前土壤有效磷測(cè)定通常采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法，這一方法不適合大批量樣品測(cè)定，費(fèi)時(shí)，費(fèi)試劑。因此，開(kāi)發(fā)快速測(cè)定土壤有效磷含量的方法尤為重要。結(jié)合園藝專(zhuān)業(yè)的研究熱點(diǎn)及自身儀器管理實(shí)踐，在精密儀器實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中設(shè)計(jì)了“連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定土壤有效磷含量”的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，該實(shí)驗(yàn)研究問(wèn)題來(lái)自園藝學(xué)生的科研內(nèi)容，富有專(zhuān)業(yè)特色，能很好調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的熱情，增長(zhǎng)一定的園藝學(xué)知識(shí)，儀器新功能開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了探究?jī)x器原理的目的，達(dá)到了一機(jī)多用、節(jié)能高效的綜合效果，科研和教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)了科研教學(xué)的良性互動(dòng)[6]。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?(1)了解比色法測(cè)定磷酸根的原理，對(duì)比總磷與有效磷提取方式的異同；(2)結(jié)合連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定總磷的流路特點(diǎn)，分析應(yīng)用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定有效磷存在的問(wèn)題及解決辦法；(3)掌握儀器原理及應(yīng)用，查閱文獻(xiàn)并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，鍛煉開(kāi)發(fā)儀器新功能為科研服務(wù)的創(chuàng)新能力。

1.2 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

在實(shí)驗(yàn)課一周前，引導(dǎo)學(xué)生利用課余時(shí)間查閱文獻(xiàn)，了解有效磷的提取和檢測(cè)方法，熟悉連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定磷酸鹽的原理，為應(yīng)用總磷模塊檢測(cè)有效磷提供理論依據(jù)。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 實(shí)驗(yàn)原理講解

主要講解有效磷比色原理：土壤經(jīng)碳酸氫鈉溶液浸提后，其中的正磷酸鹽在酸性條件下與鉬酸銨反應(yīng)生成磷鉬酸，磷鉬酸經(jīng)抗壞血酸還原成鉬藍(lán)，在880 nm波長(zhǎng)比色測(cè)定。總磷比色原理：全磷經(jīng)消解后將其他形式的磷轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽，正磷酸鹽在酸性條件下與鉬酸銨反應(yīng)生成磷鉬酸，磷鉬酸經(jīng)抗壞血酸還原成鉬藍(lán)，也是在在880 nm波長(zhǎng)比色測(cè)定。并介紹了連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定總磷過(guò)程，首先通過(guò)蠕動(dòng)泵壓縮不同管徑的泵管，將反應(yīng)試劑鉬酸銨、抗壞血酸等和待測(cè)樣品按比例注入一個(gè)密閉的連續(xù)的流動(dòng)載流中，在化學(xué)反應(yīng)單元中發(fā)生顯色反應(yīng)，再流入檢測(cè)器在880 nm波長(zhǎng)比色，最后將比色信號(hào)輸入電腦，電腦中裝有進(jìn)行自動(dòng)分析控制和數(shù)據(jù)處理的軟件，由軟件計(jì)算結(jié)果并生成報(bào)告。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)方案的確定

通過(guò)給學(xué)生講述間隔流動(dòng)分析與流動(dòng)注射分析的區(qū)別，強(qiáng)調(diào)定量效果由流路、進(jìn)樣時(shí)間、清洗時(shí)間等參數(shù)決定，基線液、清洗液、增益調(diào)節(jié)對(duì)結(jié)果的影響，回顧了比色原理，外標(biāo)法的計(jì)算。將實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)和理論學(xué)習(xí)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，講述實(shí)驗(yàn)方案涉及有效磷檢測(cè)方法的確定，儀器吸樣時(shí)間與清洗時(shí)間的優(yōu)化，工作曲線的繪制和實(shí)際樣品的測(cè)定，充分提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和效率。

1.3.3 樣品處理

采集土樣，剔出石子和肉眼可見(jiàn)的根系，風(fēng)干后過(guò)1 mm篩。每個(gè)土樣稱(chēng)取8份，每份1 g，分別加入0.5 mol·L-1碳酸氫鈉40 mL，2 g活性炭，在25 ℃下震蕩0.3 h，用無(wú)磷濾紙過(guò)濾。濾液直接用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1.4.1 有效磷檢測(cè)方法的確定

嘗試應(yīng)用總磷模塊測(cè)定有效磷，當(dāng)待測(cè)液進(jìn)入流路會(huì)產(chǎn)生大量氣泡干擾檢測(cè)，這一現(xiàn)象涉及計(jì)算化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理：

分析原因是浸提劑碳酸氫鈉與顯色試劑中的硫酸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成大量二氧化碳?xì)怏w，無(wú)法及時(shí)從廢液管中排走。根據(jù)流路及出峰情況，提出解決方案：取待測(cè)液5 mL，向其中加入鹽酸，反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的氣體質(zhì)量與加入鹽酸的量遵守化學(xué)反應(yīng)質(zhì)量守恒定律，指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)計(jì)算，緩慢逐滴加入0.5 mol·L-1鹽酸5 mL，經(jīng)搖動(dòng)后二氧化碳?xì)怏w釋放到容器外面的空氣當(dāng)中。待反應(yīng)完全，二氧化碳?xì)怏w全部排出。此時(shí)將這個(gè)待測(cè)液放入樣品盤(pán)，進(jìn)行測(cè)定。觀察流路穩(wěn)定，樣品峰形正常，基線值在0.017左右，背景干擾可以忽略。因此，確定應(yīng)用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定土壤有效磷時(shí)，首先向樣品提取液中加入一定量鹽酸，與浸提劑中的碳酸氫根離子全部中和后，上機(jī)測(cè)定比較合適。

方法確定這一步授課老師首先講解實(shí)驗(yàn)方案的注意事項(xiàng)和要點(diǎn)，然后給學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)示范，最后由學(xué)生自主實(shí)踐練習(xí)。在這個(gè)過(guò)程中，有失敗有成功，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)借鑒別人的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)提升自我，但仍需要具備一定的創(chuàng)新意識(shí)。將思政教育融入實(shí)驗(yàn)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)地做事行為、堅(jiān)持不懈和勇于探索的科學(xué)家精神，成為一個(gè)德才兼?zhèn)涞霓r(nóng)科人才。

1.4.2 吸樣時(shí)間對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

應(yīng)用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定樣品有效磷含量，吸樣時(shí)間越長(zhǎng)，樣品的峰值越穩(wěn)定，吸樣時(shí)間太短，可能導(dǎo)致反應(yīng)量不足，測(cè)定值偏小。設(shè)置合適的吸樣時(shí)間與清洗時(shí)間，既能保證測(cè)定值穩(wěn)定，又能節(jié)省時(shí)間。試驗(yàn)設(shè)置自動(dòng)進(jìn)樣器分別吸樣30、35、40、45、50 s，檢測(cè)有效磷的含量。

吸樣時(shí)間在35 s以下時(shí)，隨著吸樣時(shí)間增加，樣品有效磷含量也隨之增大；而當(dāng)吸樣時(shí)間大于35 s時(shí)，參與化學(xué)反應(yīng)的樣品量充足甚至過(guò)量，顯色反應(yīng)完全，樣品有效磷含量基本不變。因此，設(shè)置吸樣時(shí)間35 s為最優(yōu)。吸樣時(shí)間的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)加深了學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程樣品量與顯色試劑量關(guān)系的理解。

1.4.3 清洗時(shí)間對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

連續(xù)流動(dòng)分析儀進(jìn)樣器附帶蠕動(dòng)泵，清洗液能以穩(wěn)定的流速注入清洗池，避免清洗液流速不穩(wěn)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的影響。但是管道中部的流速比邊緣的快，會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散與帶過(guò)。通過(guò)加入氣泡可以降低擴(kuò)散，而對(duì)于帶過(guò)，則可以通過(guò)設(shè)定恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)樣清洗比，即延長(zhǎng)每個(gè)樣品檢測(cè)后的清洗時(shí)間來(lái)減少帶過(guò)，從而減少高濃度樣品在系統(tǒng)中殘留對(duì)低濃度樣品的影響。通常認(rèn)為低于2%的帶過(guò)是可以接受的。

將樣品吸取時(shí)間設(shè)置為最佳時(shí)間35 s，清洗時(shí)間設(shè)置為35、40、45、50、55、60、65 s。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)清洗時(shí)間在60 s以下時(shí)，隨著清洗時(shí)間增加，管路中因帶過(guò)殘留的磷酸根離子被逐漸清洗掉；而當(dāng)清洗時(shí)間大于60 s，高濃度樣品對(duì)低濃度樣品，以及低濃度樣品對(duì)低濃度樣品的影響基本可以忽略，這說(shuō)明清洗60 s即可將系統(tǒng)中樣品基本清洗干凈。因此，設(shè)置吸樣35 s，清洗時(shí)間60 s，可以消除帶過(guò)的影響。清洗時(shí)間的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步加深了學(xué)生對(duì)連續(xù)流動(dòng)分析的原理與減少帶過(guò)的理解。

1.4.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

在上述優(yōu)化條件下，吸取標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)試，有效磷的質(zhì)量濃度在0～3 mg·L-1以內(nèi)呈線性關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)曲線峰型良好，平滑規(guī)整，無(wú)雜峰和鋸齒峰，說(shuō)明反應(yīng)條件均在適宜的范圍內(nèi)，符合實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性要求。

線性方程y=0.061x，R2=0.999

式中:y為儀器響應(yīng)值；x為有效磷的質(zhì)量濃度，mg·L-1。

1.4.5 樣品測(cè)定

取露地土壤和黃瓜栽培土壤樣品，樣品處理按照3節(jié)描述進(jìn)行，上機(jī)測(cè)定有效磷含量。測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有土樣可檢出的質(zhì)量濃度為0.52～1.85 mg·L-1。學(xué)生分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，黃瓜栽培土壤的有效磷處于較高的養(yǎng)分水平，土壤有效磷含量均高于露地土壤。通過(guò)土壤樣品有效磷含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)啟發(fā)學(xué)生利用有效磷含量可以指導(dǎo)合理施肥，對(duì)于園藝栽培作物生產(chǎn)實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。利用化學(xué)分析技術(shù)將園藝學(xué)科發(fā)展與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，對(duì)于培養(yǎng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展急需的農(nóng)科人才具有重要的意義。

2 課程中的應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)作為精密儀器分析實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)教學(xué)內(nèi)容，經(jīng)過(guò)了四年教學(xué)實(shí)踐。首先通過(guò)QQ群上傳儀器操作方法與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，便于學(xué)生做好課前預(yù)習(xí)。學(xué)生5～6人為一小組，利用課余時(shí)間查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，小組內(nèi)進(jìn)行討論，以組為單位制定實(shí)驗(yàn)方案。課堂上通過(guò)PPT與電腦動(dòng)畫(huà)觀看的教學(xué)方法，加深學(xué)生對(duì)儀器原理與操作的理解。實(shí)驗(yàn)階段實(shí)驗(yàn)室全天候開(kāi)放，大型儀器設(shè)備實(shí)行預(yù)約開(kāi)放。有效磷方法確定過(guò)程，需要對(duì)儀器操作掌握相當(dāng)熟練，這一步以老師示范為主，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生及時(shí)分析原因，使學(xué)生明白科學(xué)研究要不怕挫折，同時(shí)要有理論依據(jù)，具體問(wèn)題具體分析，調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案，提出改進(jìn)方法。

進(jìn)樣時(shí)間與清洗時(shí)間優(yōu)化過(guò)程，相對(duì)簡(jiǎn)單，全部由學(xué)生操作，通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐，加深學(xué)生對(duì)儀器結(jié)構(gòu)和原理的了解，克服畏懼大型儀器心理，增強(qiáng)了動(dòng)手操作自信心，為使用大型儀器進(jìn)行科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。

通過(guò)對(duì)土壤樣品有效磷的測(cè)定，使學(xué)生熟悉有效磷的檢測(cè)流程，在加酸排出二氧化碳過(guò)程中酸加入過(guò)快，反應(yīng)劇烈會(huì)噴出樣品，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提醒學(xué)生實(shí)驗(yàn)要有耐心，細(xì)心的品質(zhì)，同時(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)使用強(qiáng)酸時(shí)，提醒學(xué)生要在通風(fēng)櫥中進(jìn)行，全程帶手套口罩，做好個(gè)人防護(hù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束，每個(gè)學(xué)生按要求獨(dú)立完成一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃?、操作步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和討論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析要客觀公正，不能弄虛作假，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)家精神。指導(dǎo)教師會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告認(rèn)真批改，對(duì)于發(fā)現(xiàn)的比較集中的問(wèn)題，及時(shí)講解。同時(shí)利用微信、QQ進(jìn)行實(shí)時(shí)交流，實(shí)現(xiàn)課前、課中、課后全過(guò)程育人。

學(xué)生通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，了解了有效磷含量測(cè)定新方法的原理，并初步接觸了計(jì)算化學(xué)，提高了學(xué)生的綜合分析能力。在整個(gè)過(guò)程中，將儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)與思政元素結(jié)合，挖掘?qū)嶒?yàn)課程蘊(yùn)含的思政元素和所承載的思想政治教育功能，實(shí)現(xiàn)“知識(shí)傳授”和“價(jià)值引領(lǐng)”有機(jī)統(tǒng)一。

3 結(jié) 論

實(shí)踐證明，基于科研項(xiàng)目開(kāi)發(fā)具有園藝專(zhuān)業(yè)特色的儀器分析綜合性實(shí)驗(yàn)是可行的、正確的。它不但能充分促進(jìn)大型儀器為科研服務(wù)的作用，鼓勵(lì)學(xué)生敢于提出顛覆性、原創(chuàng)性思想，還可以促進(jìn)建立現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，為復(fù)合型人才培養(yǎng)提供有力的保障、打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[7]。連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定土壤有效磷含量教學(xué)過(guò)程中方案一的實(shí)施受到背景值的影響，使實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)留有遺憾。在今后的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，還需要針對(duì)性的進(jìn)行改造和拓展，激發(fā)學(xué)生探索實(shí)驗(yàn)的興趣，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。