基于创新能力培养的探索型分析科学实验的设计

宋红杰, 郭彩红, 熊 庆, 邓冬艳, 吕 弋

(四川大学 化学学院， 四川 成都 610065)

基于创新能力培养的探索型分析科学实验的设计

宋红杰, 郭彩红, 熊 庆, 邓冬艳, 吕 弋

(四川大学 化学学院， 四川 成都 610065)

为了满足分析科学实验教学和学生创新能力培养的需要，以科研课题为基础设计了一项题为“基于氮化碳量子点化学发光法测定多巴胺”的探索型实验，此实验涉及多个基础理论知识,实验现象稳定、重复性好，适用于分析科学的实验教学。相对于分析科学实验课程中基础性实验来说，该实验体现了多学科相互渗透与交叉，适合在学生完成基础性实验后开展，从而加强学生科学素养与创新意识的培养。同时，该实验涵盖较多可供学生自主设计与探索的实验内容，可用于开放式实验教学中，提高学生的创新、研究与实践能力。

创新能力; 探索型实验; 化学发光; 氮化碳量子点; 多巴胺

实验教学作为高等教育中的重要实践教学环节,是培养学生创新能力、实践能力和综合素质的重要教学手段[1-2]。为了更好地贯彻落实“四川大学创新创业教育改革行动计划”(川大教〔2016〕1号),推动国家双创示范基地建设,充分利用国家级、省级实验教学示范中心和校级基础实验中心的有利条件,建设一批综合性、设计型实验课程和创新创业探索型实验课程,提高学生实践动手能力和创新创业能力,学校启动了四川大学实验课程教学改革项目。笔者积极参与了该教学改革项目,将科研工作与实验教学相结合,在实验教学内容与教学方式改革方面做了诸多尝试。本文以科研课题为基础设计了一项题为“基于氮化碳量子点化学发光法测定多巴胺”的探索型实验,该实验把部分具有创新性与实验教学可行性的科研成果植入到化学实验教学中,实验内容涵盖了多个学科的交叉与渗透,有利于培养学生的创新意识、探索精神和科学素养。

1 设计背景与意义

分析科学实验是我校化学基础教学中心针对化学专业基地班、拔尖实验班和吴玉章学院学生开设的一门创新实验课程。课程定位是在强化基本实验技能的基础上着重培养学生的研究和创新能力,提高学生的综合素质,课程内容要按照基础性—综合设计性—研究探索性3个层次进行设计和推进。在课程实施和实验教学改革的活动中,将实验教学与科研工作相结合,尝试设计了涉及学科前沿的综合创新型教学实验项目[3-4],并将科研的思维方法和技能融入到实验教学中,注重实验教学的探索性、研究性和设计性,显著提高了学生学习主动性、研究能力、创新能力和综合素质。

某一化学反应产生电子激发态产物,当其返回基态时发出光的现象称为化学发光。基于这一现象进行分析的方法称为化学发光法(chemiluminescence, CL),该方法在环境监测、药物分析、生物分析等领域有广泛的应用[5-7]。目前,我校分析科学实验课程中涉及化学发光法的内容只有“流动注射化学发光法测定抗坏血酸”这一基础性实验项目。为满足实验教学及教改的需要,开发与设计基于化学发光法的综合设计型和研究探索型实验势在必行。近年来,氮化碳量子点(g-CNQDs)作为一种新颖的类石墨烯二维纳米材料由于其优异的性质引起了广泛的关注和研究兴趣[8-11]。然而,化学实验教学中几乎没有涉及该部分研究内容的实验项目。为此,我们将此部分研究内容植入到分析科学实验的教学活动中,探究基于氮化碳量子点的化学发光分析法,并转化为一个研究探索型教学实验。该实验将涉及科学前沿并具有潜在的应用价值,开拓了学生视野,增加实验过程的探索性和挑战性,使得整个教学过程充满科学探究的乐趣。

2 实验设计

2.1 实验目的

(1)了解氮化碳量子点的制备方法及表征技术；

(2)掌握化学发光分析法原理；

(3)了解化学发光仪的结构和工作原理。

2.2 实验原理

碱性条件下,氮化碳量子点与铁氰化钾K3[Fe(CN)6]溶液产生非常强的化学发光现象,其发光机理是:作为氧化剂向g-CNQDs注入空穴产生g-CNQDs·+,因此增加g-CNQDs的空穴并加速电子-空穴对湮灭,以化学发光的形式释放能量。化学发光过程可以用下列反应过程进行描述[12]:

K3[Fe(CN)6] + g-CNQDs →

K4[Fe(CN)6] + g-CNQDs·+

(1)

g-CNQDs·++ e → g-CNQDs*

(2)

g-CNQDs* → g-CNQDs + hν (λmax= 550 nm)

(3)

由于多巴胺对K3[Fe(CN)6] 和g-CNQDs的反应有竞争作用,从而抑制该体系的化学发光,基于这一现象,构建基于氮化碳量子点的流动注射化学发光分析方法,并用于检测多巴胺。

2.3 实验试剂与仪器

2.3.1 实验试剂与原料

三聚氰胺、铁氰化钾、乙二胺四乙酸二钠(EDTA)、磷酸二氢钠(NaH2PO4·2H2O)、磷酸氢二钠(Na2HPO4·7H2O)、氢氧化钠、盐酸购于成都科龙化学试剂有限公司；多巴胺、人血清蛋白、尿酸、葡萄糖等购于北京莱宝生物科技有限公司；实验用水来自优普超纯水系统纯化制得的超纯水(电阻率为18.24 MΩ/cm)。

2.3.2 实验仪器

箱式电阻炉(SX-12-10,中兴伟业)、离心机(H1850,湘仪)、紫外分光光度计(U-2910,Hitachi)、透射电镜(G2F20 S-TWIN,Tecnai)、荧光光谱仪(F-4600,Hitachi)、超微弱化学/生物发光检测仪(RFL-1,瑞迈)。

2.4 实验内容

2.4.1 g-CNQDs的制备

通过一步固相低温热解三聚氰胺和乙二胺四乙酸二钠(EDTA)制备高荧光效率的氮化碳量子点。具体方法：0.25 g三聚氰胺与0.5 g EDTA混合研磨成均匀的粉末,将粉末放入氧化铝坩埚中，然后置于电阻炉中，在350°C的条件下灼烧1 h,室温冷却;用大量超纯水对产物进行多次离心洗涤(离心机转速10 000 r/min),除去较大的颗粒物以及未反应完全的物质；将得到的g-CNQDs用100 mL超纯水重新分散,避光4 ℃保存备用。

2.4.2 g-CNQDs尺寸与光谱特性的研究

g-CNQDs尺寸的表征:将g-CNQDs分散液稀释后滴于铜网碳支持膜上,并置于红外灯下烘干,然后在高分辨透射电子显微镜上进行表征,得到g-CNQDs的形貌及尺寸分布信息。

g-CNQDs的紫外可见吸收光谱(UV-vis)特性:利用紫外可见分光光度计上对g-CNQDs分散液在200～700 nm波长范围内进行扫描,得到最大吸收波长。

g-CNQDs的荧光光谱(FL)特性:在荧光分光光度计上考察g-CNQDs尺寸与荧光光谱、荧光强度的关系,考察激发波长变化对g-CNQDs发射光谱的影响。研究表明g-CNQDs类似于碳纳米点和石墨烯量子点,发光波长具有激发波长依赖性。

2.4.3 化学发光法测定多巴胺

(1) g-CNQDs-K3[Fe(CN)6]体系的化学发光 。在发光仪上采用静态注射的方式考察g-CNQDs-K3[Fe(CN)6]体系的化学发光现象。向2 mL的石英比色池中加入100 μL g-CNQDs分散液,同时采集该溶液的基础发光信号(积分参数:0.1 s；光电倍增管负高压:-800 V),用微量注射器从探测器上端小孔口快速加入100 μL 含K3[Fe(CN)6]的0.1 mol/L PBS缓冲溶液(K3[Fe(CN)6]的浓度是5μmol/L),采集混合溶液体系的发光图谱。在上述混合体系中用微量注射器加入100μL多巴胺溶液,采集抑制后的发光图谱。初步研究表明混合溶液体系在加入多巴胺前后的发光强度差(ΔI)与多巴胺的浓度有一定的相关性,因此,g-CNQDs-K3[Fe(CN)6]化学发光体系可用于检测多巴胺。

考察g-CNQDs和K3[Fe(CN)6]的浓度、缓冲溶液的种类和pH值对该体系化学发光强度和信噪比的影响,选择用于测定多巴胺的化学发光体系中合适的g-CNQDs、K3[Fe(CN)6]的浓度和缓冲溶液pH值。

(2) 流动注射CL测定多巴胺及标准曲线的绘制。在发光仪上采用流动注射化学发光法测定多巴胺,含K3[Fe(CN)6]的PBS缓冲溶液、g-CNQDs分散液和多巴胺溶液通过3个流路载入,分别由主泵和副泵控制流速,通过六通阀控制进样量,不同溶液在光窗上面的石英盘管里混合并产生化学发光,被光电倍增管采集并记录发光图谱。不断改变仪器参数,获得较好的测试条件。g-CNQDs、K3[Fe(CN)6]的浓度和缓冲溶液的pH值等实验条件按照(1)中选定的结果执行。将多巴胺溶液进行替换,浓度从0增加到200 μmol/L,在相同的仪器条件下测定不同浓度时混合体系的化学发光强度,当多巴胺浓度为0时,混合体系的化学发光强度记为I0,某浓度条件下,混合体系的化学发光强度记为I,ΔI=I―I0,分别以ΔI和多巴胺浓度为纵、横坐标作图,得到标准曲线、线性方程和相关系数,并计算该方法的检出限。

(3) 选择性。在实际样品的检测中,来自样品内的其他物质的干扰通常比较严重。因此,生物小分子探针除了要求高灵敏度外,选择性也是一个重要指标。按照(2)所述的实验方法,选取常见的生物小分子(包括人血清蛋白、尿酸、葡萄糖和一些氨基酸等)为干扰物质,加入到多巴胺溶液中,然后进行流动注射发光分析,考察g-CNQDs-K3[Fe(CN)6]化学发光体系检测多巴胺的选择性。

(4) 样品测定。按照(2)所述的实验方法,其中多巴胺溶液由实际样品溶液(经处理后血清样品或尿液)替换,测定体系的发光强度,根据标准曲线计算出样品中多巴胺的含量(μmol/L),必要时进行加标回收实验。

3 结语

本实验教学首先对学生进行有关新型碳质材料制备与表征方面的知识与技能教学；其次根据这种新型发光材料,又设计了新型化学发光体系用于检测多巴胺,有利于学生在分析方法上进行创新。该实验已在本科化学创新实验教学中顺利实施并获得好评。在教学实践中,学生参与其中进行自主设计实验内容,在探索氮化碳量子点制备方法、发光特性研究、探针设计和检测对象方面做了诸多尝试,激发了学生对科学研究的兴趣,增强了教学实验的趣味性,提高了化学实验教学的质量,培养了学生的创新能力和综合素质。

References)

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Design of exploratory and analytical scientific experiment based on cultivation of innovation ability

Song Hongjie, Guo Caihong, Xiong Qing, Deng Dongyan, Lü Yi

(College of Chemistry, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

In order to meet the needs of the analytical scientific experimental teaching and the cultivation of the students' innovation ability, an exploratory experiment named “Determination of dopamine by chemiluminescence method based on carbon nitride quantum dots” is designed on the basis of the research project. This experiment involves a lot of basic theoretical knowledge, the experiment phenomenon is stable and the repetition is good, which reflects the necessity and the feasibility for the experimental teaching. Compared with the fundamental experiments in the Analytical Scientific Experiment course, this experiment embodies the multi-disciplinary penetration and intersection, which is suitable for students to finish the basic experiments and is helpful to enhance the cultivation of the students' scientific literacy and innovation awareness. Meanwhile, this experiment covers many experimental contents for students to design and explore independently, which can be used in open experimental teaching to improve their innovation, research and practical ability.

innovation ability; exploratory experiment; chemiluminescence; carbon nitride quantum dots; dopamine

G642.0;G642.423

: A

: 1002-4956(2017)09-0020-03

2017-02-25修改日期:2017-04-05

国家自然科学基金项目(21405107，21505095)；四川大学实验课程教学改革项目 (2016-41)

宋红杰(1981—)，女，河南漯河，博士，实验师，主要从事分析化学实验教学工作和基于纳米材料的发光分析方面的研究.

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.006