培养创新能力的仪器教学探讨——以氢化物发生原子荧光法测量发汞为例

吴颖娟， 孙 慧， 王筱虹， 陈镇新， 彭 燕， 罗定贵

（广州大学环境科学与工程学院，广州510006）

0 引 言

自“一流大学”“高水平大学”逐渐成为我国高等教育的关键词，研究型实验教学、研究型教学和研究型大学也依次成为高校教学研究的热点，研究对学生能力的开发、对教学的促进和对大学发展的重要得到广泛认同［1-6］。研究是孵化科学思想的温床，而科学思想在本科阶段的培育很大程度需要实验教学去完成［2-4］。早在建院初期，我院就被学校定位为教学—研究型学院，2015 年我院环境科学与工程学科进入广东省高水平大学建设学科群—区域水环境安全与水生态保护学科群，2016 年环境工程专业于华南地区第一个通过国际工程教育认证，此专业认证以产出导向（Outcome based education，OBE）为理念，进行人才培养体系的建设。即需要依照培养目标和毕业要求构建课程体系、确定教学内容、教学资源和教学方法。按“综合性、研究型和国际化”建设高水平大学的目标，和“重视基础、趋向前沿、反映现代、综合交叉”的现代课程建设理念，学科建设需要把知识传播、技能掌握与科学品德、科学思想和方法的培育相结合，使学科发展与社会经济文化的发展相适应［5，7］。2019 年10 月，教育部公布了《关于一流本科课程建设的实施意见》，明确了课程建设的具体内容，开展研究型实验教学不仅符合该文件的要求，而且激发了学生自主学习的兴趣，优化和丰富教学内容，培养了学生的创新意识和能力［1，3］；同时对教师创新能力的激发也有促进作用。

环境监测是环境科学和环境工程两个专业的必修课，我院环境监测实验是独立开设的实验课程。“氢化物发生原子荧光法测量发汞”是我院环境监测实验的经典项目，至今已开出15 年，其意义在于：①原子荧光光谱法是与原子吸收光谱法和发射光谱并行的三大光谱分析法，广泛应用于食品、中药、环境和地质样品中微量元素的检测［8-10］；②原子荧光光度计是原子荧光光谱法的具象仪器，其光路设计与原子吸收光度计有很好的对比效果，是理解荧光光谱和吸收光谱抽象概念的良好教具。在多年的教学实践中，把教学、科研与学生能力的拓展紧密结合，通过精心的课前准备和大量的分析实践，开发高温高湿环境下原子荧光光度计的检测条件［11］，有效地消除自动进样系统引入的系统误差［12］；在此基础上，引导学生进行人群、地缘和饮食结构差异与发汞关系的分析，进行科学思维训练，取得良好的教学效果。

1 好奇心激发

氢化物发生原子荧光光度计是比较大型的全自动精密仪器。教学过程包括仪器原理介绍、仪器方法选择、仪器条件设置和检测结果分析。因仪器自动化程度较高，传统的实验教学模式比较难适应仪器自身的前沿性和实用操作特点，如果学生缺乏学习的原动力，在有限的实验课时内很难学会并准确操作仪器［13］。 心理学认为，人在渴求满足一定的需要并设法追求这个目标时，这个目标对个人动机是一种激发，而激发力的大小取决于目标价值和期望概率的乘积。假如一个人追求的目标价值很大，估计能实现的概率也很高，那么这个目标激发动机的力量就越发强烈［14］。因此，在教学过程，没有采取直接灌输的方式，而是告诉学生，今天学习的仪器是我国自主研发并走在世界同类检测设备前列的仪器。在这个实验课里，利用这台仪器，开发了一个减小仪器系统误差的方法，显著提高了仪器性能，希望同学们能在这个实验课中和教师一起有新的发现。这种有所期待的导入点燃了学生对仪器的好奇和热情，主动观察仪器运行，提出各种问题，带着真诚的态度完成实验的每一个步骤，学习的积极性显著提高。

2 检测原理和方法

表1 所示为发汞检测仪器的原理。由表中可知，一个稳定成熟的检测方法需要同时确定前处理条件和还原剂浓度。由于实验课时有限，把前处理条件、还原剂浓度和仪器参数作为探查指标，鼓励有兴趣的同学在实验室教师的指导下参与课前试验和仪器准备，让实验环节与科研对接。上课时，通报参与同学的名字，同学们会报以掌声，参与的同学体验到成就感。

表1 汞检测仪器的原理

2.1 前处理条件

毛发样品的前处理是在清洗样品后，加入强氧化性酸消解。汞是易挥发元素，据硝酸（120 ℃）和高氯酸（130 ℃）的沸点，汞样品的消解宜控制在140 ℃以下，耗时较长。为减少汞的损耗，有时需在消解罐加硝酸1.5 mL（0.1 g样品），冷消化12 h，再加双氧水0.5 mL微波消解，这在有限的实验课时内很难完成。所以通常采取硫酸（338 ℃）＋高锰酸钾常压消解，两种强氧化剂混合反应很激烈，需要严格控制高锰酸钾的用量，保证实验安全；此外，硫酸残留对仪器检测的荧光度有负面影响，导致样品较难检出［11］。经试验，采用2 mL硝酸＋1 mL双氧水，1.2 MPa 压力，微波加热2 min消解样品，可大大缩减前处理时间，后续检测可由5 人／组改为2 人／组，增加学生操作仪器的机会。

2.2 还原剂浓度

还原剂的作用是把离子态的汞原子还原为原子态的汞蒸气，使之在特定光源照射下激发跃迁（见表1），氢化物发生-原子荧光法采用硼氢化钾作还原剂。检测正常人群的发汞，还原剂浓度为1.5% ～2.5%，以2.0%为好［11］，检测特殊人群的发汞，如生活在汞矿附近地区、有中毒症状的病人等，还原剂浓度宜取高值。

3 仪器条件设置

氢化物发生-原子荧光光度计的运行参数由仪器参数和进样参数两部分组成。由于稳定性弱、测量重复性差，空白荧光强度高及线性不好是原子荧光光度计使用的常见问题［11，15］，产生的原因主要有空芯阴极灯不稳定或位置不当、气路漏气、通风不畅和外界光干扰等［15］；此外，参数设置对仪器的运行也有较大的影响［12］。仪器参数中，灯电流和负高压对荧光度有较大影响，仪器运行时间过长（特别在空调环境），需通过负高压较正过高的荧光度［11］；灯电流宜设为25 ～30 mA，负高压宜设为300 ～350 V。

氢化物发生-原子荧光光度计有手动进样和自动进样两种方式，手动进样为人工进样，参数无需设定；自动进样为机器进样，合理设定进样参数可明显减少仪器的系统误差，显著提高运行效率［12］。在教学过程，把此前开发并获得发明专利的授权的方法应用到实验教学中，通过对比仪器原方法和建立的新方法的参数设置及运行效果，让学生在研究的氛围中学习，分享教学—研究型学院优势的学科资源。这种把科研展示作为实验教学的环节，构建教学和科研良好互动的实验教学模式进一步调动了学生学习的积极性［3-4，6］。

4 实验数据分析

实验数据分析是任何一项实验项目的常规内容，提升到研究型教学层次，需要具备：①实验项目的内容需具备研究型实验的特质，②分析后的结论应具有参考价值，可为同类的实验和研究提供参考的依据［2］。汞属外源性内分泌物质，是具有较长生物半衰期的强蓄积性元素（半衰期为76 d），可影响人体的生殖和分泌功能以及甲状腺体的发育，破坏人的神经系统、蛋白质和核酸。在联合国环保专题会上，汞被划入14 种（铅、镉、汞、铜、锡、钒、铬、钼、锰、钴、镍、锑、砷和硒）最危险的重金属污染物，同时被我国、美国、欧盟、世界卫生组织和联合国环境规划署列为优先控制污染物；亚洲是人为源汞的高排放地区，排放量达1 000 t／a，占全球总排放量的50%；我国的工业体量大，汞排放量为500 ～700 t／a［16］。毛发具有排泄汞的功能，可反映身体环境汞暴露和内部组织长时期内汞的平均水平，毛发汞含量通常比血液等机体其他测量样品的含量高，具有较好的检测稳定性和灵敏度。因此，毛发、血液和尿液是世界卫生组织推荐的可用于人体毒物（汞、铅、镉、砷）评价的生物标记物，是关注毒物暴露、进行风险评估和风险管理的有效工具［17］。基于以上依据，“氢化物发生-原子荧光法测量发汞”具备研究型实验特质。事实上，对这个实验项目的研究型教学分为两部分：

（1）侧重于仪器—开发稳定成熟的检测条件和方法［11-12］，研究结果不仅可指导仪器进行各种样品的汞测定，同时适用于仪器可检测的不同样品的13 种元素的测定。近10 年来，人发微量元素的临床研究在老年痴呆、糖尿病、心血管病、鼻咽癌和前列腺肿瘤方面取得新突破，应用人发微量元素检测诊断，逐渐成为临床研究和应用的一种新方向［18］。

（2）侧重于检测对象—发汞的指示意义，通过发汞的含量引导学生结合学院的学科方向：“有害元素微量地球化学”去发现和验证科学问题，强化实验的学科交叉和实际应用。比如，分析了400 例参与实验同学的发汞含量，45%的同学发汞≤1.0 μg／g，30%的同学发汞在1.0 ～1.5 μg／g之间。建议中国居民发汞的正常值为1.5 μg／g，美国环保署建议的发汞参考值为1.0 μg／g［19］。吴世安等［20］认为人的发汞与每日汞摄入量相关，如果每日汞摄入量为0.12 μg，发汞值可达3 μg／g。显然在检测对象中，75%大学二年级学生的发汞值≤1.5 μg／g，提示18 ～20 岁健康青年的发汞值采用1.5 μg／g 的建议值比较合适；但仍有5% ～10%的同学发汞含量在7 ～10 μg／g之间，更有个别同学发汞的含量超过12 μg／g，而这些同学目前没有出现健康异常。

我国裸土、水体、植被覆盖土等主要自然源的汞释放均比欧美同类地区明显偏高，且我国西南地区约90万km2（占国土面积约1／10）处于全球汞矿化带，汞矿化带等土壤汞相对集中区域的汞释放是大气汞重要的释放源［16，21］，因此我国各地人群发汞的差别较大，且高于欧美同类地区人群［18-19］。此外我国沿海地区人群、汞暴露人员及其子女发汞的含量也高于普通人群，低于日本、西班牙沿海地区人群［22-24］。据报道使用化妆品组的孕产妇发汞含量大于不使用化妆品组的1.3倍，新生儿的发汞含量则大于不使用化妆品组的1.8倍［25］。因此，除了环境暴露可造成汞在人体蓄积外（发汞较高是表现之一），地缘、饮食结构、生活习惯和遗传因素也可能对发汞含量产生影响［16，18-24］，需要比较长的个体监测和较大的样品数作对比，才能判别某项环境因素造成的汞暴露风险。有学者呼吁采用与全国膳食调查相类似的方法开展全国性人发多元素系统调查，以便积累完整的基线数据，建立正常参考值范围［25］。在实验项目后续开课，以9 ～10 个活动环境、作息时间、饮食结构相似，且父母无职业汞暴露的同学为兴趣小组，引导学生开展“地缘与饮食结构”的发汞实验研究，优化并丰富实验教学内容。

5 结 语

实践证明，开展研究型仪器教学不仅培养了学生自主学习的兴趣，也促进了学生和教师创新能力的双向发展。实验课后，很多同学申请参与教师的科研项目，或联系教师指导面向本科生的各级“挑战杯”大学生课外科技竞赛及“国家级大学生创新训练”项目。自2007 年起，我院学生数次在省级和国家级“挑战杯”科技竞赛中获一等奖和特等奖，任课教师的科研和教研能力也大大提升。因此，研究型仪器教学促进了教研相长。