将研究热点融入到分析化学实验教学中的应用.pdf

2023年08月|210 引言近年来，随着社会对人才培养质量的提高，对高校的教学也提出更高的要求，实验教学是整个人才培养体系中一个重要的方面，在培养学生的动手能力、分析问题、解决问题的能力等方面发挥着重要的作用1。在互联网、信息技术已经与教学深度融合的背景下，部分地方高校的实验教学多仍停留在以验证性实验为主，教师较单一的讲授为主、学生按方抓药的授课模式，实验教学与社会的发展有一定的脱节，从而造成培养的学生与社会需求有一定的差距2-3。课堂是培养人才的主阵地，如何提高课堂质量是摆在教师面前的一道急需解决的题目。分光光度法是利用物质对光的选择性吸收建立起来的一种方法4-5。但开设实验的分析对象多为标准物质，实验过程中的未知样品也是实验教师准备的标准品。这样的授课方式对伴随着信息时代长大的大学生来说，缺乏综合能力的提高，学生只掌握较低级的仪器操作技能。提高课堂的容量和提升课程的深度是目前教学改革的普遍共识。如何将操作简便、仪器要求不高的科研成果融入到实验教学，从而在不追加教育投入的前提下，优化资源，进而提高实验教学成效，提高双创能力是一个不错的抓手。创新实验教学，将科研成果融入到实验教学中，将理论知识融入到实际应用中，是教学改革的一个有益尝试6-9。自 2007 年，阎院士发现 Fe3O4具有纳米酶活性以来，越来越多的无机纳米粒子被发现具有纳米酶活 性10。无机纳米粒子的合成对已经系统学习无机化学课程的学生而言，是掌握的知识储备。酶联免疫分析技术中常使用辣根过氧化物酶(HRP)标记抗原或抗体，而 HRP 在 H2O2和 TMB 共存时，能够氧化 TMB(3，3，5，5-四甲基联苯胺)为 TMBox 使溶液呈现蓝色，从而利用可见分光光度计对其进行定量测定。将纳米酶替代 HRP，一方面可以降低分析成本，一方面也不需要昂贵的仪器设备，将纳米酶应用于目标物(具有氧化还原性质)的定量分析中，开展基于纳米酶的可见分将研究热点融入到 分析化学实验教学中的应用刘俊桃，任聪，刘志景，徐军(河南牧业经济学院 理学部，河南 郑州 450000)摘要：分光光度法是分析化学实验的重要组成部分，纳米酶是中国科研作者提出的具有原创性的研究领域之一。将近年来的研究热点纳米酶引入到分析化学实验教学中，使样品前处理、条件优化、数据处理、形成报告等全过程融入至一个综合实验中，对提高课程的深度，打造有高阶性、创新性的教学具有重要意义。将研究前沿融入教学中，使学生利用身边案例开展创新工作。在实验中，学生分工合作，数据共享，对培养合作和共享意识也有启蒙。实验教学的结果表明，将科研成果融入到教学中，不仅能提高学生的双创意识，而且对学生分析问题和解决问题等综合能力有所提升，对提高人才质量具有借鉴和推广意义。关键词：分光光度法；分析化学实验教学；科研热点中图分类号：G64 文献标志码：A 文章编号：1008-4800(2023)24-0021-03DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2023.24.007Application of Research Hotspot into Analytical Chemistry ExperimentLIU Jun-tao,REN Cong,LIU Zhi-jing,XU Jun(Henan University of Animal Husbandry and Economy,Zhengzhou 450000,China)Abstract:Spectrophotometry is an important part of analytical chemical experiments,and nanozyme is one of the original research fields proposed by Chinese scientific researchers.The nanozyme was introduced into the analytical chemistry experimental,which was of great significance to improve the depth of the course and created a high-level and innovative teaching.In the experiment,the students cooperated in division of labor and shared data,which was enlightened to cultivate the consciousness of cooperation and sharing.Experimental teaching results showed that integrating research hotspots into teaching could not only improve students awareness of mass innovation and innovation,but also improved the students comprehensive ability to analyze and solve problems.Keywords:spectrophotometry;experiment teaching of analytical chemistry;research hotspot二校-2023-8-下期.indd 212023/8/17 14:51:14人才培养22|2023年08月光光度计的实验教学具有较强的可操作性。有机磷农药残留在食品安全事件中频发，农药的不合理利用导致其在食品或环境中的残留，从而对人体和环境带来不利影响，因此对其定量检测对人体健康和环境保护都具有重要意义。研究结果显示，毒死蜱等有机磷农药自身具有氧化还原性质，可以抑制纳米酶的活性，因此借助颜色的变化可以对毒死蜱含量进行裸眼或半定量分析。基于此，在分析化学的实验教学中，将科研成果引入到分析化学综合实验中，使学生通过具体实验的开设，将学到的知识可以用于解决身边的实际问题，从而有意识的提高自己的创新能力和学以致用的能力，也使课堂容量更有深度，从而提高人才培养质量。1 教学设计开设此实验的目的旨在让学生体验科研的全流程，提高学生科学素养和综合素质，因此教学设计主要通过以下流程开展：发放任务清单；引导学生查阅文献；开展方案的撰写；确定实验方案；小组合作，分工优化实验条件；共享优化结果；开展方法学的验证，将其应用于蔬菜样品中毒死蜱残留的测定；整理数据形成实验报告。在该教学设计中，通过形成学生参与，学生主导的实验授课方式，实现把课堂还给学生，让学生成为实验设计的主导者的教学目的。具体教学方案展开展如下：(1)发放任务清单，并对小组分组情况一并发放。告知学生实验内容为银铂双金属纳米酶应用于西红柿中毒死蜱残留的测定，并提醒学生分组思考实验中所需的试剂和仪器，列成清单，在清单中注明试剂的用途和用量，所需仪器及仪器使用目的，小组中每个人承担的具体工作，将清单整理成 Word 文档，结果发送至班级化学微信群，相互交流。在此阶段，老师适时引导。(2)传授学生使用电子资源的方法，引导学生在知网中查阅文献，建议将关键字设置为纳米酶，重点关注无机纳米酶的合成方法。利用百度等搜索引擎的网络资源检索 TMB 显色原理，以及影响显色过程中吸光度的因素。将整理结果电子化，分组上传至微信群。(3)教师点评。依据学生前期整理资料和查阅文献的成果对学生了解实验的程度做综合评价，对学生的疑难问题鼓励小组相互探究，明晰实验目的和实验关键点。此时教师利用学习通网络教学平台向学生推送武汉大学的分析化学实验课程中的分光光度计的使用教程，使学生主动深化学习仪器的使用及注意事项。(4)撰写并确定实验方案。通过前面的分组自主探究学习以及教师的点评，学生对实验方案已有较为清晰的理解。在方案中，学生确定采用文献中的生物模板法合成银铂双金属纳米簇；确定探究温度、pH、TMB、H2O2、孵育时间对分析效果的影响；拟选用的工作曲线浓度范围；干扰物质的选取；处理实际样品的步骤；对构建方法的应用价值评价。(5)开展分组实验，每一小组探究一个影响因素，全班共享优化条件结果，以便在较短的时间既掌握仪器的使用，又避免重复劳动，从而快速得到实验结果。(6)进行常规的方法学验证，在此鼓励学生利用 Origin 软件，绘制工作曲线，接触科研常用数据处理软件，掌握基本使用方法。(7)进行西红柿样品的前处理，将构建的方法应用于实际样品西红柿。(8)撰写实验报告，鼓励感兴趣的同学以该实验为例进行科研论文的写作。2 实验过程2.1 仪器和试剂电子分析天平、移液枪、高速冷冻离心机、恒温培养振荡器、可见分光光度计、超声波清洗器、pH 计、恒温水浴锅；硝酸银、氯铂酸、单链 DNA(其序列为CCCCCTAACTCCCCCTTTTTTT)、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、柠檬酸、柠檬酸钠、过氧化氢、TMB、无水乙醇、毒死蜱溶液标准样品。2.2 银铂双金属纳米(Ag/Pt NCs)模拟酶的制备合 成 Ag/Pt NCs 溶 液：将 100 L 150 mol/L AgNO3与 200 L 125 mol/L H2PtCl6混 合 均 匀，将300 L ssDNA 滴加至上述溶液，振荡混匀，4 避光反应 30 min 后，加入 50 L 5 mmol/L 的柠檬酸钠，快速混匀后置于恒温培养振荡器上，设置温度为 37，转速为 180 r/min 孵育 6 h，得到 Ag/Pt NCs。将合成的Ag/Pt NCs 置于 4 避光保存以备用。2.3 Ag/Pt NCs 检测毒死蜱的可行性取两支离心管，分别加入 50 L Ag/Pt NCs，然后依次加入 150 L 0.1 mol/L 柠檬酸盐缓冲液，200 L 3.0 mmol/L TMB、100 L 1.0 mol/L H2O2。其中一支试管中加入毒死蜱溶液，一支加入同体积的缓冲溶液，将两支离心管分别混匀，加热至 40，反应 20 min，测定其在 652 nm 处的吸光度。2.4 优化实验条件采用单因素法对试验条件进行优化。具体方案为：设置检测体系的反应温度(20、30、40、50、60)、显 色 时 间(5、10、15、20、25、30 min)、H2O2(0.2、0.5、1.0、2.0、3.0 mol/L)、TMB(1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mol/L)和柠檬酸盐缓冲溶液的 pH(3.0、4.0、5.0、6.0)。2.5 方法学验证标 准 曲 线：向 体 系(50 L Ag/Pt NCs，150 L 二校-2023-8-下期.indd 222023/8/17 14:51:142023年08月|230.1 mol/L pH 4.0 缓冲液、200 L 3.0 mmol/L TMB、100 L 1.0 mol/L H2O2)，分 别 加 入 浓 度 为 0.1、0.5、1.0、1.5、2.0 mg/L(体积为 90 L)的毒死蜱。选择性：向反应体系中分别加入浓度为 1.0 mg/L的毒死蜱、吡虫啉、啶虫脒、伏草隆、异丙隆，并设置空白试验作为对照。稳定性：在最优试验条件下，向体系中加入浓度为 1.0 mg/L 的毒死蜱。连续测试 8 次，记录吸光度。2.6 西红柿样品的处理将 1 个西红柿切成小块，放置于烧杯中捣碎，混匀，离心取其上清液，然后过滤，得到上清液。3 实验结果与分析3.1 可行性探究探究毒死蜱对 Ag/Pt NCs 具有抑制作用，比较对照组与加入 1.0 mg/L 毒死蜱对吸光度的影响。结果表明，加入毒死蜱后，体系的吸光度明显下降。因此可构建基于吸光值变化的定量测定毒死蜱含量的方法。3.2 测试条件的优化温度对纳米酶的活性有一定的影响，探究反应温度为 2060 时，体系吸光度的大小。结果表明随着反应温度的升高，吸光度值逐渐增加，反应温度为 40 时，吸光度值达到最大，之后随着温度的进一步增高，吸光度值又开始逐渐下降。因此，最佳反应温度为 40。纳米酶在 H2O2存在时，能够催化氧化 TMB 为TMBOX，随着时间的延长，TMBOX生成量逐渐增加。因此将时间设定在 530 min，结果表明随着反应时间的增加，吸光度值逐渐增大，当反应时间为 20 min 时，吸光度值逐渐增加，随着反应时间的进一步延长，吸光度反而减低。因此，将最优的反应时间确定为 20 min。查阅文献，多数纳米酶在酸性或近中性的 pH 范围内有较好的活性。因此，探究柠檬酸盐缓冲溶液 pH值在 3.06.0 对吸光度的影响。结果表明随着 pH 值的增大，反应体系的吸光度值逐渐增加，在 pH 值为4.0 时，吸光度值达到最大，之后吸光度值又逐渐下降。因此，最优的 pH 值为 4.0。向体系中分别加入 0.23.0 mol/L 的 H2O2溶液，探究其对吸光度的影响。结果表明，随着 H2O2浓度的增加，吸光度值不断增大，在H2O2浓度为1.0 mol/L时，吸光度值达到最大，之后吸光度又开始逐渐下降。因此，最佳的 H2O2浓度为 1.0 mol/L。分别加入浓度为 1.05.0 mol/L 的 TMB 溶液，探究其对吸光度值的影响。结果表明，随着 TMB 浓度的增加，吸光度值不断升高，在 TMB 浓度为 3.0 mol/L时，吸光度达到最大，之后吸光度又开始逐渐下降。因此，最佳的 TMB 浓度为 3.0 mol/L。3.3 方法验证在最优条件下，依次加入浓度为 0.1、0.5、1.0、1.5、2.0 mg/L 的毒死蜱溶液，记录体系的吸光度值。其标准曲线为 y=-0.122 1x+0.785 3，R2 0.993 6，检出限为 0.004 mg/L。向反应体系中分别加入浓度为 90 L 1.0 mg/L 的毒死蜱、吡虫啉、啶虫脒、伏草隆、异丙隆，以空白试验作为对照。Ag/Pt NCs 检测毒死蜱的吸光度值最低，而其他农药的吸光度值与空白试验的吸光度值相当。说明 Ag/Pt NCs 检测毒死蜱具有较好的选择性。在最优试验条件下，向体系中加入 90 L 1.0 mg/L 的毒死蜱溶液，连续测试 8 次，相对标准偏差为 1.44%，说明Ag/Pt NCs 检测毒死蜱具有较好的重现性。3.4 实际样品的加标回收选取西红柿作为检测对象，结果未检出。向西红柿中加入不同浓度(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mg/L)的毒死蜱溶液，进行加标回收试验。结果表明，实际样品的回收率在 95.1%108.8%之间。3.5 课堂延伸将实验结果整理成实验报告，同时开展差异化的教学，鼓励有能力的同学尝试科研论文的撰写，进一步思考总结该实验的检测原理还能应用于哪些物质的检测以及如何进一步提高方法的特异性，延伸课堂的难度，从而提高学生的知识迁移能力。4 结语将简单且容易课堂转化的科研成果融入到地方高校的实验课程教学中，利用有限的仪器资源，探究课本知识在实际生活中的应用，将理论应用于服务生产生活的实践中，有意识提高学生解决问题和创新能力。此次实验是开展实验教学的一个有益尝试，在未来的教学活动中，将尝试把此种方法应用于更多综合实验的开展中，提高课程的高阶性，调动学生的参与度，提高教学质量，为地方培养更好的应用型人才。参考文献：1 庄欠粉,王勇.碳点光学检测金()离子的分析化学综合实验设计与教学实践J.实验室研究与探索,2021,40(09):162-168.(下转第35页)二校-2023-8-下期.indd 232023/8/17 14:51:142023年08月|35业生就业情况调查跟踪，发现学生进入相关岗位的适应时间明显缩短，甚至有些学生可以直接上岗成为该岗位的主力，用人单位表示学院毕业生质量有很大提高。可见模块化改革以就业为导向，紧密对接药企微生物学相关岗位需求，基本实现课堂到岗位的零距离，提高了用人企业的满意度。最后，采用模块化教学，学生的学习兴趣提高，课程参与性提高。经过调查访问，学生对药用微生物学模块化教学改革比较满意，大部分学生表示对药用微生物学相关知识和企业相关岗位有了更系统、更清晰的认识。5 结语药用微生物学是理论性和实践性较强的一门学科，是药品生产技术专业群非常重要的专业基础课程。基于就业导向的高职药用微生物学模块化教学改革，可以让不同专业的学生针对性地系统掌握药企化工企业相关岗位微生物知识和技能，不仅促进了学生对药用微生物知识体系和实验操作技能的融会贯通，而且实现了教学与工作岗位的无缝对接，对药用微生物的教学改革具有一定的积极意义。参考文献：1 李明华.面向药企质检岗位之药用微生物学课程实践教学的思考J.考试周刊,2019(11):164.2 尹德胜,彭长兰.职业院校化工专业微生物学基础课程信息化教学设计与实施J.化工管理,2022(19):41-43.3 马琼,雷红灵,严荣.模块式微生物学实验教学体系的改革J.安徽农业科学,2017,45(12):248-249,55.4 严金平,刘丽,夏雪山,等.建设研究教学型学院背景下微生物学实验课程改革J.高教学刊,2022,8(25):132-135.5 彭沁,金映虹,吴红萍,等.基于模块化教学和“翻转课堂”模式的微生物学教学改革探索J.海南师范大学学报(自然科学版),2019,32(02):232-236.6 李海军.基于能力培养的环境工程微生物学实验课程教学改革研究J.化工管理,2022(35):17-20.7 陈永敢,雷莹,李珍,等.土壤微生物学实验模块化教学研究J.现代农业科技,2019(18):253-254,6.8 赵曼.高职 药用微生物学“理实一体化”教学改革J.才智,2017(19):65.9 戴亦军,何伟,刘中华,等.一流课程“微生物学模块化实验”的建设与实践J.微生物学通报,2022,49(04):1334-1342.作者简介：刘佳(1989-)，女，汉族，山西忻州人，硕士 研究生，讲师，研究方向为精细化学品和药物的合成与 分析，E-mail：。基金项目：重庆化工职业学院“药品生产技术专业群”课程建设与改革项目研究成果(ZYKC-024)；重庆市 高等职业教育教学改革研究项目“岗课赛证 综合育人理念下高职药学类岗位群课程体系的构建与评价”(Z213207)。(上接第23页)2 种瑞峰,常志显,冯彩霞,等.“学生自主设计”仪器分析实验课程教学的研究J.实验科学与技术,2021,19(04):51-56.3 徐攀攀,许会艳.以创新能力为导向的基础化学实验教学改革J.实验室科学,2021,24(05):150-152.4 章平平,吴晓慧,唐传球.维生素C 的3 种分光光度法测量比较仪器分析设计性实验教学的探索与实践J.化学教育(中英文),2021,42(10):40-44.5 沙鸥,陈晓兵,姚佳伟,等.基于翻转课堂的 大学化学实验 教学设计以“分光光度法测定水果中维生素C”为例J.甘肃科技,2021,37(11):51-53,38.6 宁小媚,占亮,周小松,等.将科研融入物理化学理论与实验教学J.山东化工,2019,48(18):211-212.7 弓韬,郭国英,张栋,等.科研与生物化学实验教学的相互促进J.实验室科学,2020,23(02):219-221.8 田东亮.科研式物理化学实验教学探索J.实验室研究与探索,2020,39(08):205-209.9 周晓玉,陈霞.科研反哺教学下的实验项目开发:乙酸苯酯的制备J.山东化工,2020,49(18):134-135.10 李俊容,沈爱国,胡继明.纳米酶及其分析检测应用研究进展J.应用化学,2016,33(11):1245-1252.作者简介：刘俊桃(1985-)，女，汉族，河南郑州人，讲师，博士研究生，研究方向为食品分析检测和教学改革，E-mail：。基金项目：2021 年度河南省高等教育教学改革研究与实践项目(2021SJGLX591)；2021 年第二批产学合作协同育人项目(202102286010)；2021 年度河南牧业经济学院教育教学改革研究与实践项目(2021-XJLX-147)。二校-2023-8-下期.indd 352023/8/17 14:51:16