基于科研创新能力培养的化学实验设计与实践.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 3 期 2023 年 6 月Vol.26 No.3 Jun.2023 基于科研创新能力培养的化学实验设计与实践孙月娜,李 攀,赵文革,赵金灿,闰明涛,吕运开(河北大学 化学国家级实验教学示范中心;化学与环境科学学院,河北 保定 071002)摘 要:培养本科学生的科研创新能力是当前高校教学的重要任务之一。结合生活实际与当前科学研究热点,把科研成果转化为本科教学综合化学实验内容。通过此实验教学,学生可了解磁性纳米复合材料的制备方法、表征技术及应用领域;掌握一些大型仪器的结构、工作原理和操作方法;熟悉经常用到的样品前处理方法。设计的实验内容丰富、知识覆盖面广、贴近生活,能够激发学生的学习兴趣,培养学生团队合作意识、动手能力和应用能力,训练学生的科研思维,提高学生科研创新能力。关键词:科研成果转化;综合化学实验;科研创新能力中图分类号:G642 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.03.015Design and practice of chemistry experiment based on cultivation of scientific research and innovation abilitySUN Yuena,LI Pan,ZHAO Wenge,ZHAO Jincan,RUN Mingtao,L Yunkai(National Experimental Teaching Demonstration Center of Chemistry;College of Chemistry and Envi-ronmental Science,Hebei University,Baoding 071002,China)Abstract:The cultivation of the scientific research and innovation ability of college students is one of the important tasks of college teaching at present.Combining real life and current scientific research hotspots,the scientific research results are transformed into comprehensive chemical experiment con-tent for undergraduate teaching.Through this experimental teaching,students can understand the prep-aration methods,characterization techniques and application fields of magnetic nanocomposite materi-als;master the structure,working principles and operating methods of some large-scale instruments;and be familiar with frequently used sample preparation methods.The designed experiment is rich in content,wide in knowledge coverage and close to life,which can be used to stimulate students interest in learning,cultivate students sense of teamwork,practical ability and application ability,train students scientific research thinking,improve students scientific research and innovation ability.Key words:transformation of scientific research results;comprehensive chemistry experiment;scien-tific research and innovation ability 收稿日期:2022-03-13 修改日期:2022-10-27作者简介:孙月娜,硕士,实验师,主要研究方向为本科实验教学与管理、色谱分析研究。E-mail:yuena2009 通讯作者:吕运开,博士,教授,主要研究方向为色谱分析、室内污染物检测与净化技术、功能材料与分子识别研究。E-mail:lvyunkai 基金项目:河北省高等教育教学改革研究与实践项目(项目编号:2019GJJG019);河北大学 2021 年大学生创新创业训练计划项目(项目编号:2021187);河北大学第九批教学改革研究项目(项目编号:XJGYB054)。培养具有创新和科研能力的高素质人才是高等教育的职责所在,也是建成创新型国家的内在本质要求1-2,所以对于学生科研创新能力的培养就具有重大现实意义。实验教学作为教育教学中的重要实践环节,是大学生的实践、科研、创新能力以及综合素质提升的关键教学手段之一3-4。综合化学实验是在学生掌握了一定化学基本理论和基本实验操作技能后,开设的高层次的、多学科交叉的、综合性的、设计型的及实践技能训练的教学实验,旨在培养学生具有科研创新能力与综合实践能力5-6。为保孙月娜,等:基于科研创新能力培养的化学实验设计与实践证综合实验的综合性及前沿性,近年来,河北大学化学与环境科学学院一直鼓励专业教师将个人科研成果中较为成熟且应用性较强的科研内容转化为综合化学实验。本文选取科研课题中较为成熟的部分科研成果,设计了题目为“磁性 Fe3O4 PDA MOF-5复合材料的制备及其对水中酚类化合物的磁固相萃取”的综合化学实验。该实验内容涵盖了无机化学、有机化学、配位化学、物理化学及分析化学等多方面知识,同时也应用到多种大型仪器。对于前沿热点金 属 有 机 框 架(MOFs)材 料、磁 固 相 萃 取(MSPE)和健康问题的引入,可以使学生了解科学前沿、关注环保健康问题,训练学生的科研思维,最终培养学生科研创新能力、分析和解决问题能力和理论应用到实践的能力等。1 设计背景酚类化合物是结构中含有酚羟基的一类化合物,被广泛用于塑料、农药、石油和纸张等工业生产中。酚类化合物的毒性高,生物降解难,并且具有致癌性,通常存在于土壤、水和沉积物中,所以引起了人们的广泛关注7-8。由于水中酚类物质含量很低,直接测定是非常困难的,因此需要样品预浓缩。MSPE 是以磁性或可磁化的材料作为吸附剂,在外部磁场的作用下,使目标分析物随吸附剂一起移动,从而与样品基质分离开的一种样品前处理方法。与传统的固相萃取技术相比,MSPE 具有萃取效率高、样品损失少、简便快速等优点9-10。MOFs 因其独特的特性使其在分离科学中具有非常广阔的应用前景11。MOFs 衍生的磁性 MOFs 不但保留了前体MOFs 的优异特性,而且具有高稳定性,所以磁性MOFs 可成为 MSPE 的良好吸附剂12-13。本实验是把生活实际问题与当今前沿科学研究课题结合起来设计的综合化学实验。2 实验设计2.1 实验目的(1)熟悉磁性 Fe3O4 PDA MOF-5 复合材料的制备,掌握实验基本操作。(2)了解样品前处理方法,学习磁固相萃取原理。(3)熟悉材料的表征方法,掌握 X 射线粉末衍射仪、扫描电子显微镜、热重分析仪等仪器的工作原理,并能够处理数据;熟练掌握红外光谱仪、液相色谱仪的工作原理和操作技能。(4)了解科研发展方向,激发科研兴趣,训练科研思维,系统提升学生分析解决问题的能力,切实提升实践与创新能力。2.2 实验试剂与仪器(1)实验试剂:苯酚、邻硝基酚、-萘酚、甲醇、冰醋酸、六水合三氯化铁、二水合柠檬酸三钠、无水乙酸钠、乙二醇、乙醇、盐酸多巴胺(PDA)、三(羟甲基)氨基甲烷(Tris)、盐酸(HCl)、六水合硝酸锌、对苯二甲酸,N,N-二甲基甲酰胺等,所用试剂为分析纯或色谱纯。实际水样为教师科研实验室的白洋淀水样。(2)实验仪器:Phenom ProX 台式扫描电镜、D8 ADVANCE X 射线粉末衍射仪、GTA-50 热重分析仪、Nicolet iS10 傅里叶变换红外光谱仪、1020 振动样品磁强计、LC-20AT 高效液相色谱仪(HPLC)。2.3 实验内容2.3.1 Fe3O4磁性微球的制备将六水合三氯化铁(2.703 g)、无水乙酸钠(2.405 g)、二水合柠檬酸三钠(0.406 g)和乙二醇(60 mL)加入到 100 mL 烧瓶中,搅拌,全部溶解后,加入到高压反应釜中,在 200 下反应 12 小时后,分别用水和乙醇洗涤 3 次得到的磁性 Fe3O4微球,将制备的磁性 Fe3O4微球在 60下真空干燥。2.3.2 PDA 修饰的 Fe3O4 PDA 微球的制备溶液 1:在 100 mL 烧杯中加入 300 mg PDA 和50 mL Tris-HCl 缓冲溶液(10 mM,pH=8.5),搅拌使 PDA 全部溶解。将 Fe3O4磁性微球(150 mg)、Tris-HCl 缓冲溶液(100 mL,10 mM,pH=8.5)加入到 200 mL 烧瓶中,超声使微球均匀分散,缓慢加入溶液 1,搅拌使其充分混匀,在室温下搅拌反应 24 小时。反应结束后,用磁铁将制备的 Fe3O4 PDA 微球分离出来,分别用水和乙醇洗涤 3 次,将制备的 Fe3O4 PDA 微球在 60下真空干燥。2.3.3 磁性 Fe3O4 PDA MOF-5 材料的制备溶液 2:在 100 mL 烧杯中加入 1.057 g 对苯二甲酸和 40 mL N,N-二甲基甲酰胺,搅拌,溶解后,缓慢滴入 0.23 mL 三乙胺,搅拌使溶液混合均匀。在 100 mL 烧瓶中加入 0.4132 g 六水合硝酸锌和 40 mL N,N-二甲基甲酰胺,搅拌,待六水合硝酸锌全部溶解后,加入 150 mg Fe3O4 PDA,超声使Fe3O4 PDA 微球均匀分散。在搅拌下缓慢加入溶液 2,在室温下搅拌反应 3 小时。用磁铁将制备的Fe3O4 PDA MOF-5 分离出来,分别用 N,N-二甲基甲酰胺和乙醇洗涤3 次,将制备的 Fe3O4 PDA75 MOF-5 在 60下真空干燥。2.4 材料的表征对制备的材料进行了表征。用 Phenom ProX 台式扫描电镜进行形貌和粒径的表征。用 D8 AD-VANCE X 射线粉末衍射仪进行物相分析。用 GTA-50 热重分析仪进行热分解温度测定,测试条件是气体氛围,测量的温度范围是室温至 800,升温速率为10 min-1。用 Nicolet iS10 傅里叶变换红外光谱 仪 测 定 红 外 光 谱,采 用KBr压 片,在4004000 cm-1范围内扫描。采用 1020 振动样品磁强计测定饱和磁强度。2.5 磁固相萃取条件优化磁固相萃取效率受多方面因素的影响,因此需要对萃取条件进行优化。对样品基质的 pH、Fe3O4 PDA MOF-5 材料的用量、样品基质的离子强度、萃取时间、洗脱溶剂等进行考察,确定最佳的萃取条件。2.6实际水样中苯酚、邻硝基酚、-萘酚物质的检测(1)配制一系列苯酚、邻硝基酚、-萘酚的标准混合溶液,在最佳的液相色谱测定条件下进行测定,以标准混合溶液的浓度为横坐标,相应组分峰面积为纵坐标,进行线性拟合,分别得到苯酚、邻硝基酚、-萘酚溶液的标准曲线。(2)将水样过滤,除去杂质。取两份过滤后的水样 100 mL 于两个烧杯中,其中一份加入一定量苯酚、邻硝基酚、-萘酚的标准混合溶液,得到水样和加标水样,然后进行磁固相萃取。调节 pH 值到 6,分别加入 30 mg Fe3O4 PDA MOF-5 材料,超声20 min,在离心管底部放入磁铁,移走上清液,移走磁铁,加入2 mL 甲醇,进行洗脱,再次在离心管底部放入磁铁,收集上层解析溶液。用微孔滤膜(0.2 m)过滤解析溶液后进行 HPLC 分析测定。(3)按照要求比例配制甲醇/水/醋酸流动相,用 0.22 m 有机微孔滤膜过滤,超声脱气 10 min。按照开机顺序开启 HPLC,基线稳定后开始测定。待测完所有样品后,用甲醇冲洗 30 min,按照关机顺序关闭 HPLC。(4)根据苯酚、邻硝基酚、-萘酚的峰面积和标准曲线,计算水样和加标水样中苯酚、邻硝基酚和-萘酚的含量和回收率。2.7 思考与讨论(1)磁性 Fe3O4 PDA MOF-5 复合材料的制备过程中的注意事项?(2)影响磁固相萃取效率的因素?3 实验项目的实施3.1 实验安排综合化学实验过程其实是一个完整的科学研究过程。本综合实验涉及到多个学科,实验比较复杂,实验时间比较长,因此,需要对学生进行分组。学生自由组合,5 人一组,自行分工合作,自由支配时间。磁性材料制备、表征、样品的分析检测分别在综合有机实验室、大型仪器平台、仪器分析实验室完成。在该实验过程中,所涉及的实验室和平台是全天开放的,并且有教师指导。本实验项目开设对象为本科三年级或四年级的化学专业学生,共计 37 学时,其中磁性材料制备 10学时(不包括反应时间和后处理干燥时间)、材料表征 5 学时、磁固相萃取条件优化 10 学时、实际水样测定 10 学时、实验数据处理与分析 2 学时。3.2 考核评价综合化学实验具有综合性和复杂性等特点,需要对学生进行多方面的综合性考核。考核内容包括:文献查阅总结、原理掌握、预习报告、实验操作、实验记录、数据分析、“三废”处理、团队合作和实验报告(课题研究报告形式)、PPT 制作、汇报情况等。4 结语该综合化学实验不仅涵盖多学科知识,同时涉及到多种仪器的使用,是一项综合性较强的实验项目。通过该综合化学实验,学生掌握了磁性复合材料的制备、表征与应用,了解了样品前处理技术。(1)学生通过查阅相关文献,深入地了解到最新的MOFs 材料及其应用;(2)通过对各种材料的表征,了解了部分大型仪器的操作方法和样品制作要求;(3)完成实验项目需要的时间比较长,小组成员需要合理分工,团队合作完成实验任务,培养了学生的团队合作能力;(4)实验报告按照课题研究报告形式书写,并用 PPT 进行汇报,对实验中出现的问题和结果进行分析讨论,使学生体会科学研究的思维过程和方法,有利于培养学生严谨求实的科研态度;(5)水中污染物的测定,贴近生活,使学生深刻体会到化学与生活息息相关,有利于培养学生将理论知识应用到实践的综合能力和科研创新能力。参考文献(References):1 周鑫.化学专业科研创新训练的探索与实践J.实验室研究与探索,2017,36(2):177-180.(下转第 63 页)85 李春,等:全自动凯氏定氮仪在综合实验教学中的应用3.4.2 管路清洗和接收杯清洗 清洗界面下:选择碱管路清洗,清洗 2 次,接收杯清洗 12 次。3.4.3 蒸馏头清洗 用洗瓶冲洗蒸馏头上的碱液残留,冲洗废液接收盒,擦拭干净仪器后关机并关闭冷却循环水。图 2 K9860 全自动凯氏定氮仪正常运行状态4 结语凯氏定氮法作为国标中检测食品中蛋白质的经典方法,被广泛应用于食品、肥料、农作物、种子和土壤等样品的含氮量或蛋白质含量的分析测定。开展本综合实验,内蒙古农业大学理学院化学化工系应化专业大四学生系统地掌握了石墨消解仪的操作和全自动凯氏定氮仪测定原理、仪器调试、样品测试和清洗维护,强化了实际动手操作技能,学生为以后从事相关工作奠定了实践基础,有助于培养实践型人才。实验中贯穿设计的两种消化方案、消化效果和莜面含蛋白质量的测定结果初步对比分析,有助于激发其科研兴趣,为科研创新型人才的培养做出了新的尝试。参考文献(References):1 徐世美,武荣兰,达来提阿不都热合曼.应用化学专业实验中的设计性与不确定性J.实验技术与管理,2015,32(11):209-211.2 梁华,戴可,柯改利,等.科研与化学选修课实验教学结合的探索J.实验技术与管理,2018,35(8):171-173.3 李慧智,陶海珊,李言博,等.纳米铜 ZnO 的制备及其热力学和催化动力学性质J.实验室科学,2019,22(4):19-23.4 王红侠,李新星,汤亮.多孔钛的制备及性能表征综合设计性实验教学探索J.实验室科学,2021,24(1):88-90,93.5 郑倩清,欧阳珮珮,黄诚.自动凯氏定氮仪测定食品中蛋白质消化条件的改进J.食品安全质量检测学报,2019,10(10):3209-3214.6 柴莲花,代玲玲,姚平.石墨消解-半自动定氮法在实验教学中的应用J.中国卫生检验杂志,2018,28(6):758-759.7 钱莹,钱晶,邹良君,等.凯氏定氮法和杜马斯燃烧法测定乳制品中蛋白质含量的比较J.食品安全导刊,2019(21):110.8 李花觉.凯氏定氮法检测奶粉中蛋白质质量控制及注意事项J.中国卫生产业,2019(10):162-163.9 彭波,孙艳芳,韩秋,等.水稻种子蛋白质含量检测方法的比较分析J.江苏农业科学,2018,46(4):22-28.10 陈红娟,夏洁,普仲国,等.全自动凯氏定氮仪测定氯化铵中总氮含量J.化肥工业,2019,46(3):41-42,66.11 金根娣,马武生,刘俊.凯氏定氮法测定吡拉西坦含量的研究J.扬州职业大学学报,2019,23(1):26-29.(上接第 58 页)2 高瑞苑,张海容.大学生科技创新与科研能力培养J.实验技术与管理,2017,34(6):180-182,186.3 任媛媛,苏超,孙亚楠,等.医用生物化学实验教学改革实践与探索J.实验室研究与探索,2020,39(12):217-220,241.4 曹江平,邸宏伟,赵文霞,等.基于科教融合的化学综合实验教学改革与设计J.实验室研究与探索,2020,39(1):191-193,240.5 翁孝卿,刘丹章,李洪强,等.胺类阳离子捕收剂表面物理化学性能研究的综合实验J.实验技术与管理,2021,38(6):208-211,221.6 戴昉纳,王继乾.金属-有机框架 PCN-250 的合成及表征综合化学实验J.实验室研究与探索,2021,40(3):208-211,259.7 武建强,赵中敬,洪霞,等.QuEChERS-GC-MS 法快速同时测定水质中 12 种硝基酚类化合物J.食品与机械,2021,37(8):70-76.8 华永有,林麒,林溢,等.超高效液相色谱-荧光检测法测定水中七种双酚类和烷基酚类化合物J.现代预防医学,2018,45(7):1264-1267.9 念琪循,刘园满,孙冰,等.基于氮化碳复合材料磁性固相萃取结合高效液相色谱法测定尿液中 3 种羟基多环芳烃J.色谱,2019,37(3):252-258.10 肖作为,何蔓,陈贝贝,等.基于金属有机骨架材料的磁固相萃取与高效液相色谱-紫外检测法分析饮料和方便面中 4 种防腐剂J.色谱,2020,38(1):127-136.11 张晓琼,汪彤,王培怡,等.金属有机骨架及其复合材料在分离领域中的应用进展J.色谱,2016,34(12):1176-1185.12 高宇航,高明坤,黄晓冬,等.磁性金属有机骨架材料的合成及其在食品检测前处理中的应用研究J.食品科技,2020,45(7):324-331.13 孟志超,张璐,黄艳凤.金属有机骨架复合材料在样品预处理中的研究进展J.色谱,2018,36(3):216-221.36