基于科教融合的化学综合实验教学改革与设计

曹江平，邸宏伟，赵文霞，张 萍，郭敏慧，丁 炜，屈娟娟

(宁夏师范学院 a. 化学化工学院; b. 六盘山资源工程技术研究中心， 宁夏 固原 756000)

0 引 言

化学综合实验是一门教师引导、学生自主设计的实验课程，是在教育部《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》中“增加综合性与创新性实验，引导大学生了解多种学术观点并开展讨论，追踪本学科领域最新进展，提高自主学习和独立研究的能力。要让大学生通过参与教师科学研究项目或自主确定选题开展研究等多种形式，进行初步的探索性研究工作”的号召下，并为适应社会对专业人才的实际需求，在基础化学实验的基础上，学生掌握了基础化学实验的验证性实验内容和方法后，开设的综合型、设计型实验课程，旨在激发学生的学习兴趣，培养其创新能力，分析、设计和解决问题等综合素质，实现学生“高分高能”的培养目标和高等教育的育人功能[1-2]。本文结合化学综合实验教学实践及自身科研课题，设计了题为“悬浮溶剂固化-分散液液微萃取/分光光度法测定枸杞中β-胡萝卜素”的综合化学实验，本实验新颖、成熟、安全、低耗，将教师启发式教学和学生自主设计实验相结合，强化了学生基础化学实验操作和综合运用理论知识并提高综合实验技能的作用，能激发学生参与实验教学的主动性和积极性，有助于学生创新能力的培养。

1 设计的背景及意义

基础化学实验验证性内容较多，目的是加深学生对理论知识的理解和锻炼基本实验技能，化学综合实验是在基础化学实验完成后，为进一步提高学生参与教学活动积极性和主动性开设的一门开放性实验课程。将学生由参与者变为实验的主导者和设计者，有利于激发其主动学习和探索的兴趣[3-5]。

样品前处理是分离与分析科学技术中最关键的环节，也是该领域的研究热点及难点。近年来，分散液液微萃取技术(dispersive liquid-liquid microextraction，DLLME)作为一种典型的微型化的样品前处理手段，逐渐成为该领域研究的热点[6-11]。随着其发展成熟，研究者已在传统操作模式的基础上发展出基于低密度萃取剂的分散液液微萃取(LDS-DLLME)[12]、悬浮溶剂固化分散液液微萃取(DLLME-SFO)[10, 13]、超声辅助表面活性剂强化乳化微萃取(UASEME)[14]、离子液体-分散液液微萃取(IL-DLLME)[15]、反相分散液液微萃取(RP-DLLME)[16]等诸多操作模式，应用也越来越广泛。作者长期从事该技术的开发研究，积累了较为丰富的经验，引导学生设计了该实验项目。

2 实验设计

2.1 实验目的

(1) 了解DLLME-SFO技术操作模式和影响因素，区别与传统分散液相微萃取技术的优缺点。

(2) 熟悉DLLME-SFO的基本操作模式，熟练计算方法学评价的相应技术参数，并用于分析实验结果。

(3) 熟悉Excel、Origin等数据处理及绘图软件的使用方法。

2.2 实验原理

β-胡萝卜素(β-carotene)是类胡萝卜素之一，广泛分布于胡萝卜等多种蔬菜中，有抗氧化、促进新陈代谢、预防癌症等重要的生理功能。进入机体后，经酶的作用转变为维生素A，有补肝明目、增强机体免疫力等生理功效[17-18]。其反应式为：

(1)

DLLME-SFO是在传统DLLME的基础上，以密度小于水、熔点低(10～30 ℃)、毒性小的溶剂做为萃取剂的一种新型DLLME技术。萃取、离心等操作步骤与传统DLLME技术相同，完成萃取后，将萃取装置置于冰浴等低温环境中使萃取相固化，固-液相快速分离后，将固化的萃取相熔化进行后续测定分析，其操作过程如图1所示。十二醇与β-胡萝卜素极性相近，应用该技术，通过物理萃取即可实现枸杞样品中微量至痕量β-胡萝卜素的定量分析。

2.3 实验试剂和仪器

2.3.1 实验材料和试剂

枸杞样品购自当地超市，冷冻干燥后粉碎备用。

图1 悬浮溶剂固化-分散液液微萃取操作步骤

β-胡萝卜素(分析标准品)，购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、四氢呋喃均为色谱纯；氢氧化钾、氯化钠、盐酸、无水乙醇、抗坏血酸等其他试剂均为分析纯。实验用水为二次蒸馏水。

2.3.2 实验仪器和设备

UV-1750型紫外-可见分光光度计(日本岛津公司)；DHG-9076A型电子恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)；PHS-3C型pH计(江苏江分电分析仪器有限公司)；TDL80-2B型离心机(上海市安享科学仪器厂)；XMTD-204型数显式电热恒温水浴锅(昆山市仪器有限公司)；FA2204B型分析天平(上海精科天美科学仪器有限公司)；FW200A型高速万能粉碎机(北京科伟永兴仪器有限公司)；KQ-5200E型超声波清洗器(昆山市超声波仪器有限公司)；UPDR-II-20L型超纯组合高纯水制取系统(四川优普超纯科技有限公司)。

2.4 实验内容

2.4.1 皂化

枸杞样品干燥后粉碎。准确称取1.0 g枸杞粉末加入50 mL烧瓶中，并依次加入10.0 mL无水乙醇、0.1 g抗坏血酸、2.0 mL氢氧化钾溶液(1 g/mL)，混合均匀。沸水浴回流30 min后立即冷却至室温。5 000r/min离心3 min，取清液用蒸馏水定容到25 mL，用6 mol/L盐酸调节pH=7待用。

2.4.2 DLLME-SFO/UV-Vis

取4 mL上述皂化液于10 mL锥底离心管中，加入5 mL二次蒸馏水混匀，并加入NaCl至饱和后，快速加入混匀的200 μL十二醇和200 μL乙腈溶液轻摇5 min后离心(5 000 r/min, 3 min)，完成后取出离心管迅速置于冰浴中5 min，用微量注射器吸出残余皂化液后，室温融化固化的萃取剂，用四氢呋喃溶解并定容至1 mL，在460 nm波长下用紫外-可见分光光度计分析含量。

2.4.3 DLLME-SFO条件优化和定性定量方法

配置100 ng/mL工作液，取9 mL加入到10 mL尖底旋塞离心管中，按照2.4.2步骤萃取并分析，计算萃取率和富集倍数，并按照这2个指标分别对实验的萃取剂种类及体积、分散剂种类及体积、溶液的pH、离子强度、萃取和凝固温度和时间等DLLME萃取条件进行优化。外标曲线法进行定量分析，以样品浓度为横坐标，吸收峰强度为纵坐标作图，进行线性模拟，得到标准曲线回归方程，用于计算未知样品浓度。

2.4.4 样品测定

按照步骤2.4.1～2.4.2方法进行实际枸杞样品分析，测定样品在特征吸收波长的吸光强度，带入回归曲线，计算样品中β-胡萝卜素的含量(μg/g)，计算方法为

Cβ-胡萝卜素=Csed×1.0/(1.0×4/25)

(1)

式中，Csed为萃取完成后萃取剂中分析物浓度(μg/mL)。按照0.5 μg/g、1 μg/g进行样品加标，并测定实际样品加标回收率，填写于表1中。

表1 样品测定结果、加标回收率

3 结 语

本文设计了题为“悬浮溶剂固化-分散液液微萃取/分光光度法测定枸杞中β-胡萝卜素”的实验教学项目，首先对学生进行了现代仪器分析中样品前处理技术方面知识和技能教学，其次按照国标方法进行枸杞样品的皂化，使学生掌握国标的作用和地位以及应用方法，又引导学生设计了运用新型样品前处理方法DLLME-SFO对枸杞样品中β-胡萝卜素进行萃取和富集，并结合紫外-可见分光光度计测定其含量的实验方法。该实验教学有利于学生创新思维和能力的培养，在实验教学过程中，通过“引导—设计—探索—创新—引导”的模式，强化了学生的基本实验能力，促进了实验教学的效率和效果，提高了学生创新能力和综合素质。