環(huán)境化學(xué)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)論文

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摘要：隨著生態(tài)環(huán)境的日益惡化，人們的環(huán)保意識(shí)日漸增強(qiáng)。在環(huán)境化學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，案例教學(xué)因其所具備的趣味化及形象化特征發(fā)揮了不可替代的作用。納米傳感器作為最近幾年來(lái)新產(chǎn)生的一種環(huán)境分析檢測(cè)技術(shù)，不僅能夠運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)原位及污染物質(zhì)的檢測(cè)中，而且可以引入環(huán)境化學(xué)的教學(xué)過(guò)程中。本文詳細(xì)敘述納米傳感器與環(huán)境化學(xué)教學(xué)的密切聯(lián)系，介紹將納米傳感器融入環(huán)境化學(xué)教學(xué)的必要性，對(duì)提高學(xué)生的研究能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣具有非常重要的理論意義及現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：環(huán)境化學(xué)；教學(xué)；納米傳感器

隨著社會(huì)的發(fā)展以及經(jīng)濟(jì)水平的提升，環(huán)境問(wèn)題日漸凸顯，社會(huì)需要大量具備科學(xué)環(huán)境知識(shí)的高素質(zhì)人才，所以高校肩負(fù)著塑造大批環(huán)境類人才的使命。在眾多高校的課程體系中，環(huán)境化學(xué)課程占據(jù)著不可或缺的地位。環(huán)境化學(xué)課程主要探討的是化學(xué)污染物質(zhì)在環(huán)境介質(zhì)中的存在、化學(xué)性質(zhì)、行為及控制的化學(xué)原理等。新誕生的納米傳感技術(shù)涵蓋的知識(shí)面廣泛，并且具有全面性和綜合性，將其融入于課程的教學(xué)中，可以顯著提升教學(xué)效果。在環(huán)境化學(xué)現(xiàn)存的教學(xué)工作的基礎(chǔ)上，緊密地結(jié)合學(xué)校自身的辦學(xué)特點(diǎn)，是提升教學(xué)質(zhì)量的重要措施之一。

1納米傳感器概述

1.1納米化學(xué)及生物傳感器

在化學(xué)及生物傳感器領(lǐng)域融入納米技術(shù)，有效提升了生物傳感器及化學(xué)的檢測(cè)性能，推動(dòng)了新型化學(xué)及生活傳感器的誕生。由于具備了亞微米的尺寸、換能器及納微米系統(tǒng)，大大提升了該傳感器的物理、化學(xué)性質(zhì)對(duì)細(xì)胞的檢測(cè)靈敏度，檢測(cè)的反應(yīng)時(shí)間也有了明顯的減少，而且可以實(shí)現(xiàn)高通量的實(shí)時(shí)檢測(cè)分析。使用納米材料所制成的非常靈敏的生物及化學(xué)傳感器，能夠早期診斷癌癥及心血管疾病。使用碳納米管及其他納米微結(jié)構(gòu)的化學(xué)傳感器可以檢測(cè)出氧化氮、過(guò)氧化氫、碳?xì)浠衔锛皳]發(fā)性有機(jī)物等。和其他具備相同功能的分析儀相比，其不僅尺寸很小，而且價(jià)格非常便宜。在生物傳感器當(dāng)中，使用納米顆粒、納米器件及多空納米結(jié)構(gòu)均獲取了成功[1]。

1.2納米氣敏傳感器

構(gòu)成納米氣敏傳感器的敏感材料有很多種，主要包括碳納米管、二維納米薄膜及金屬氧化物半導(dǎo)體納米顆粒等。在納米氣敏傳感器的研發(fā)過(guò)程中，最主要的方向就是在氣體環(huán)境當(dāng)中，依靠敏感材料的電導(dǎo)發(fā)生變化來(lái)制造氣敏傳感器。將一些珍貴金屬的納米顆粒，融入于納米敏感材料中，可以有效增強(qiáng)選擇性，提升靈敏度，并且降低工作溫度。納米氣體傳感器的另外一個(gè)方向是，采用多壁碳納米管來(lái)制作氣敏傳感器。1991年，碳納米管這種材料被初次發(fā)現(xiàn)，由于獨(dú)一無(wú)二的性質(zhì)和制備工藝，得到了研究者的廣泛應(yīng)用。而且多壁碳納米管具有極強(qiáng)的吸附能力，因?yàn)槲降臍怏w分子和碳納米管所產(chǎn)生的相互作用，可以改變宏觀電阻，根據(jù)電阻的變化來(lái)檢測(cè)氣體成分，可以充當(dāng)氣敏傳感器[2]。

2納米傳感器在環(huán)境化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用

2.1將納米傳感器融入環(huán)境化學(xué)教學(xué)的必要性

在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，環(huán)境專業(yè)不僅是其中的熱門專業(yè)，也是特色專業(yè)之一。對(duì)于環(huán)境化學(xué)課程的設(shè)置，一直堅(jiān)持著學(xué)?！疤厣泳贰钡慕逃砟?。將一些全新的技術(shù)元素及概念融合于以往環(huán)境化學(xué)課程的教學(xué)模式中，會(huì)給課程注入許多生機(jī)與活力。環(huán)境化學(xué)的研究?jī)?nèi)容紛繁復(fù)雜、千變?nèi)f化，其中主要包括檢測(cè)和識(shí)別環(huán)境污染物質(zhì)，污染物質(zhì)在空氣、水、泥土及生物體中的遷移變化、去除機(jī)理等。在此之中，對(duì)污染物的分析與檢測(cè)一直處于研究的上游階段。因?yàn)槲ㄓ芯_、高效地檢測(cè)出污染物的濃度與存在方式，才可以給出有效準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，并且制定出對(duì)污染物質(zhì)進(jìn)行高效處理和防治的有效措施。所以，在環(huán)境化學(xué)的實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，環(huán)境分析化學(xué)的內(nèi)容具有不可或缺的作用[3]。隨著經(jīng)濟(jì)水平的提升，環(huán)境污染物的種類也在日益增多，而人們也在不斷地開發(fā)新的技術(shù)與材料，應(yīng)對(duì)這些層出不窮的環(huán)境問(wèn)題。在這樣的環(huán)境下，納米傳感器應(yīng)運(yùn)而生，其最主要的核心作用就是對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)及分析?？傊瘜W(xué)是一門內(nèi)容豐富的綜合性學(xué)科，其中融合了環(huán)境分析、新材料的使用以及污染控制技術(shù)等。而納米傳感器主要由化學(xué)傳感器、生物傳感器兩部分組成，所能監(jiān)測(cè)的物體主要涵蓋了氣體、固體、液體、溫度及壓力等。所運(yùn)用的材料除了碳與金屬之外，還有新合成的材料。所以，納米傳感器技術(shù)傳達(dá)的核心知識(shí)點(diǎn)和環(huán)境化學(xué)課程的核心內(nèi)容存在著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，可通過(guò)科學(xué)的設(shè)計(jì)及合理的導(dǎo)入，拓展教學(xué)范圍，提升教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)最理想的教學(xué)效果[4]。

2.2特色案例教學(xué)設(shè)計(jì)

在環(huán)境化學(xué)課程的教學(xué)過(guò)程中，會(huì)牽涉到環(huán)境分析化學(xué)的主題，隨之也會(huì)提及環(huán)境污染物最新的檢測(cè)技術(shù)與方法。此時(shí)便可以介紹一些以納米傳感器為基礎(chǔ)的快速檢測(cè)污染物的相關(guān)知識(shí)。并且根據(jù)有關(guān)的電分析化學(xué)理論，當(dāng)物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)，在電極表面及分析物之間會(huì)存在電子轉(zhuǎn)移，通過(guò)對(duì)電子轉(zhuǎn)移的捕捉，對(duì)電信號(hào)（電流值和電壓值）及特征值進(jìn)行定量及定性分析，從而獲取目標(biāo)濃度及電子轉(zhuǎn)移數(shù)二者之間的一個(gè)定量關(guān)系，從而可以準(zhǔn)確地將目標(biāo)物的濃度檢測(cè)出來(lái)。一般該技術(shù)所需的設(shè)備體積小，容易操作，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分析檢測(cè)時(shí)更加方便。這樣的介紹不僅可以讓學(xué)生更深入地了解納米傳感器的核心技術(shù)、主要原理，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性及學(xué)習(xí)興趣，而且可以有效傳遞現(xiàn)階段納米材料在環(huán)境分析化學(xué)范圍的應(yīng)用等有關(guān)知識(shí)，開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維[5]。案例的展示加上豐富多彩的多媒體課件，結(jié)合電分析化學(xué)儀及電極等實(shí)物，力求做到繪聲繪色、動(dòng)靜結(jié)合。此外，對(duì)一部分許多學(xué)生都充滿興趣的話題進(jìn)行交流和討論，將全班的學(xué)生分為若干個(gè)小組，進(jìn)行5～10min的討論，然后每個(gè)小組派一個(gè)代表進(jìn)行發(fā)言，分別敘述自己的觀點(diǎn)。這樣在營(yíng)造良好課堂氛圍的同時(shí)，還可以節(jié)約大量的時(shí)間，提升教學(xué)的質(zhì)量和效率，事半功倍?，F(xiàn)詳細(xì)介紹使用碳納米管傳感器檢測(cè)環(huán)境水樣中的農(nóng)藥百草枯試驗(yàn)。

2.3試驗(yàn)部分

2.3.1儀器與試劑

多壁碳納米管（＜10nm，純度＞95%，長(zhǎng)度在0.5～500μm），超聲非常均勻地分散于N-二甲基甲酰胺中（5mg/mL），市場(chǎng)上售賣的百草枯，磷酸緩沖溶液（PBS）：使用0.1MNa2HPO4和0.1MNaH2PO4配置。全部的化學(xué)試劑皆為分析純，試驗(yàn)用水是二次蒸餾水。方波伏安法及循環(huán)伏安法都在CHI660b電化學(xué)工作站上進(jìn)行。并且采用三級(jí)系統(tǒng)，分別為鉑絲電極為對(duì)電極，碳納米管修飾電極為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極。測(cè)試底液為磷酸緩沖溶液，每次測(cè)試之前都通氮除氧10min，在試驗(yàn)過(guò)程中始終保持氮?dú)夥諊囼?yàn)操作在溫室下進(jìn)行。

2.3.2納米傳感器的制備

把玻碳點(diǎn)擊表面用1.0、0.3、0.05μm的氧化鋁粉拋光，然后依次用水及酒精超聲清洗之后，在0.1MH2SO4中與-1.0～1.5V電位的范圍內(nèi)反復(fù)掃描，直到電流穩(wěn)定下來(lái)為止。使用氮?dú)獍央姌O表面吹干，使用微量注射器吸取2μL多壁碳納米管DMF溶液，濃度為5mg/mL，均勻地滴落于干凈的電極表明，利用室溫將其揮發(fā)干[6]。

2.3.3方波伏安法檢測(cè)環(huán)境中的百草枯

百草枯可以非常穩(wěn)定地存在于酸性或者中性環(huán)境中，但是在pH值大于12時(shí)，便會(huì)發(fā)生水解，試驗(yàn)檢測(cè)了在不同的底液中，傳感器對(duì)相同劑量的百草枯的響應(yīng)電流，比如磷酸緩沖溶液、硼砂、Na2HPO4檸檬酸及鄰苯二甲酸氫鉀等。結(jié)果表明，在磷酸緩沖溶液當(dāng)中的響應(yīng)電流最大，以下試驗(yàn)選用磷酸緩沖溶液為測(cè)試底液。pH對(duì)百草枯在修飾電極上的方波伏安響應(yīng)存在一定的影響。當(dāng)?shù)滓簆H比較小時(shí)，響應(yīng)電流就會(huì)隨著pH的增大而增大，在中性底液中變?yōu)樽畲笾?。在堿性條件下，電流值會(huì)下降許多，所以選擇pH值為6.8。預(yù)富集電位對(duì)百草枯方波福安響應(yīng)也存在一定的影響，預(yù)富集電位在0.1～0.4V時(shí)，響應(yīng)電流會(huì)隨著電位的負(fù)移而逐漸增大，這主要是因?yàn)榘俨菘輲в姓姾?。然而，?dāng)預(yù)富集電位小于-0.4V時(shí)，響應(yīng)電流開始逐漸下降，造成這一現(xiàn)象的主要原因是預(yù)富集電位非常接近百草枯的氧化還原電位，少許的百草枯被氧化還原了，所以試驗(yàn)選擇預(yù)富電位為-0.4V[7]。盡管百草枯響應(yīng)電流會(huì)伴隨著預(yù)富集時(shí)間的增大而增大，但是時(shí)間過(guò)于漫長(zhǎng)的話，會(huì)導(dǎo)致百草枯產(chǎn)生光分解，所以響應(yīng)電流反而會(huì)下降，所以實(shí)驗(yàn)所選擇的預(yù)富集時(shí)間為2min。維持試液當(dāng)中的百草枯濃度是5.0×10-6M，將濃度不一致的干擾物質(zhì)加入其中，考察一些共存的有機(jī)化合物，比如莠去津、鄰苯二酚對(duì)方波伏安檢測(cè)百草枯的干擾情況。倘若信號(hào)變化超過(guò)10%，則視為有干擾。結(jié)果顯示，鄰苯二酚的干擾最大，濃度若超過(guò)百草枯的100倍，就會(huì)引起干擾。如果是其他的重金屬離子，比如Zn2+、K+，濃度需在1000倍以上才會(huì)引發(fā)干擾。所以，MWNTs-GC修飾電極對(duì)百草枯具有極強(qiáng)的選擇性，不容易受到其他物質(zhì)的干擾。在校園附近取少量湖水，靜置2h，然后用稀鹽酸或者氫氧化鈉將pH值調(diào)節(jié)至6.8，在磷酸緩沖溶液中用方波伏安法對(duì)實(shí)際樣品進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，在這種方法的檢測(cè)范圍之內(nèi)，校園的湖水樣品當(dāng)中并不含百草枯成分，進(jìn)而表面湖水并沒(méi)有被百草枯所污染。維持試液當(dāng)中的百草枯濃度為8.3×10-6M，使用方波伏安法用MWNTs-GC修飾電極連續(xù)測(cè)定5次，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.3%左右。將測(cè)定之后的修飾電極保存于0.1MpH6.8PBS當(dāng)中，30d后，使用其測(cè)定含有8.3×10-6M的底液，響應(yīng)電流仍然保持過(guò)去的95%，這也進(jìn)一步表面納米管在電極上結(jié)合得十分牢固，而且性質(zhì)也十分穩(wěn)定。

2.4納米產(chǎn)品的開發(fā)及案例教學(xué)的課堂實(shí)踐

因?yàn)榧{米技術(shù)及其材料具備多樣性特征，評(píng)估其對(duì)環(huán)境所產(chǎn)生的影響，需要采用可適應(yīng)多種條件的傳感器。所以，在將來(lái)的3～10a，需要開發(fā)出評(píng)估納米材料暴露在空氣當(dāng)中影響的儀器?，F(xiàn)階段頻繁接觸納米材料的人，都急需價(jià)格低廉且便于攜帶的樣本收集器，從而測(cè)量工作環(huán)境當(dāng)中納米材料的暴露情況，主要包括比表面積及數(shù)量等。這種儀器需要在未來(lái)3a內(nèi)商業(yè)化。納米產(chǎn)品在制造過(guò)程中所產(chǎn)生的廢物，比如防曬油這種液體消費(fèi)品當(dāng)中產(chǎn)生的納米顆粒，一定會(huì)在水中堆積，不對(duì)這些廢物進(jìn)行追蹤，就無(wú)法確定納米顆粒存在的好壞。所以，必須在未來(lái)5a開發(fā)追蹤納米顆粒在水中聚集及轉(zhuǎn)化情況的儀器[9]。筆者在高校環(huán)境化學(xué)課程的實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，把納米傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)、研究心得及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)融入于具體的教學(xué)過(guò)程中，對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提升發(fā)揮了良好的推動(dòng)作用。比如，在環(huán)境化學(xué)課程中，講述環(huán)境污染物質(zhì)的檢測(cè)環(huán)節(jié)時(shí)，介紹了碳納米管、石墨烯及碳納米纖維等納米材料充當(dāng)以電分析原理為基礎(chǔ)的傳感器材料的優(yōu)勢(shì)。與其他材料相比較可知，碳納米材料具備非常大的比表面積、良好的導(dǎo)電性、便宜的價(jià)格，而且易于修飾成各種外形，有助于蛋白質(zhì)或者酶等生物性物質(zhì)與碳納米材料融合，從而構(gòu)建出高效生物傳感器。這些介紹可以讓學(xué)生直觀全面地了解到碳納米材料在傳感器中的使用。并且根據(jù)現(xiàn)存的理論結(jié)合實(shí)際的教學(xué)思路，對(duì)教學(xué)內(nèi)容發(fā)揮拓展及延伸的作用[9]。除了上述幾點(diǎn)之外，在簡(jiǎn)介如何靈活運(yùn)用納米傳感器檢測(cè)水環(huán)境中的污染物質(zhì)時(shí)，牽涉到了電子轉(zhuǎn)移理論及電化學(xué)反應(yīng)，并且詳解講述了傳感器的工作原理及傳感器的種類。這樣可以向?qū)W生講述納米電化學(xué)傳感器，是基于特異性點(diǎn)分析化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)的知識(shí)點(diǎn)，并且詳細(xì)介紹了膜狀電極、芯片傳感器及柱狀電極等多種不同形式下的具體作用方法，生動(dòng)具體地展現(xiàn)了納米傳感器檢測(cè)污染物的整個(gè)過(guò)程。在拓展教學(xué)內(nèi)容的形式及內(nèi)容時(shí)，對(duì)環(huán)境化學(xué)教學(xué)的發(fā)展起到了有效的推動(dòng)作用。每當(dāng)在講述這些具體案例的過(guò)程中，學(xué)生都興致蓬勃，充滿了熱情，甚至進(jìn)一步激發(fā)了許多學(xué)生的想象力及好奇心，自己也想親自參與到納米傳感器的開發(fā)及應(yīng)用過(guò)程中來(lái)。所以，作為一個(gè)生動(dòng)有效的教學(xué)載體，納米傳感器推動(dòng)了環(huán)境化學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量的提升。在未來(lái)的教育教學(xué)實(shí)踐工作中，筆者必須進(jìn)一步豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，并且讓教學(xué)方法更加科學(xué)完善[10]。

3結(jié)語(yǔ)

將納米傳感器應(yīng)用于環(huán)境化學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，有助于培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)分析問(wèn)題及處理問(wèn)題的能力，提升教學(xué)質(zhì)量。隨著此項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展演變，可以把更多有價(jià)值的信息以案例教學(xué)的模式導(dǎo)入環(huán)境化學(xué)教學(xué)的過(guò)程中，不僅可以激發(fā)學(xué)生對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的興趣，還可以使納米傳感技術(shù)得以進(jìn)一步發(fā)展，形成良性循環(huán)。在未來(lái)的環(huán)境化學(xué)課程的教學(xué)中，應(yīng)深入探索，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而提升教學(xué)的質(zhì)量。

作者:周林宗 單位:楚雄師范學(xué)院地理科學(xué)與旅游管理學(xué)院

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