科研實(shí)驗(yàn)引入本科化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中探究

納米粒子指的是粒度在1~100nm之間的粒子，屬于膠體粒子大小的范疇，處于宏觀體系和微觀體系之間，這也就使得納米尺度的粒子具備一些特殊的性質(zhì)，就金納米粒子來(lái)說(shuō)，它可以根據(jù)粒子尺寸的不同呈現(xiàn)出不同的顏色[3]。金納米粒子的制備方法也有很多，例如超聲自組裝法、氣相沉積法、沉淀法、水熱合成法、溶膠凝膠法等等。本實(shí)驗(yàn)主要設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單高效快速的制備金納米粒子的實(shí)驗(yàn)方法，并將制備的金納米粒子進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用，通過(guò)顏色的變化來(lái)判斷金納米粒子的合成情況，讓學(xué)生產(chǎn)生濃厚的科研興趣。還可以通過(guò)紫外分光光度法來(lái)將納米粒子的尺度大小進(jìn)行比較，進(jìn)一步讓學(xué)生了解納米尺度粒子的特殊性。本實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)不僅能讓學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)操作方法，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的納米材料合成能力以及化學(xué)儀器的掌握能力，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

2實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

2.1實(shí)驗(yàn)試劑

氯金酸(HAuCl4)購(gòu)自北京化工廠。檸檬酸鈉(C6H5Na3O7)和氯化鉀(KCl)購(gòu)自上海麥克林生化科技有限公司。鹽酸羥胺(H2NOHHCl)購(gòu)自天津市福晨化學(xué)試劑廠。硼氫化鈉(NaBH4)購(gòu)自天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司。銀導(dǎo)電膠和Apiezon蠟購(gòu)買自天津多為萊博有限公司。所有實(shí)驗(yàn)用水均來(lái)自水凈化系統(tǒng)(MilliporeS.A.S)的去離子水。

2.2實(shí)驗(yàn)儀器

電化學(xué)工作站，磁力攪拌器，容量瓶，掃描電子顯微鏡(SEM)，紫外-可見(jiàn)光譜儀，激光拉制儀。

3實(shí)驗(yàn)步驟

3.13.5nm金納米粒子的制備

取一只100mL的容量瓶中，在容量瓶中加入500μL的濃度為50mmol/L的HAuCl4(2.5×10-4mol/L)溶液和等濃度的檸檬酸鈉(2.5×10-4mol/L)溶液，隨后將溶液轉(zhuǎn)移到燒杯中并加入攪拌子，將燒杯放在磁力攪拌器中攪拌，大約5分鐘左右。當(dāng)溶液混合均勻以后，向其攪拌的溶液中加入提前配置好的冰的1.2mL的濃度為0.1mol/L的NaBH4溶液，當(dāng)NaBH4溶液進(jìn)入混合溶液的瞬間，混合溶液立即由無(wú)色變成了淺酒紅色，此時(shí)這種現(xiàn)象已經(jīng)證明了尺寸為3.5nm的金納米粒子制備成功了。但是為了保證納米粒子的穩(wěn)定性，還需要繼續(xù)攪拌溶液，最少半個(gè)小時(shí)以后，制備成功的尺寸為3.5nm的金納米粒子放置在干凈且干燥的容器中，蓋緊蓋子，穩(wěn)定2個(gè)小時(shí)后，就可以進(jìn)行下一步的實(shí)驗(yàn)了。

3.243nm金納米粒子的制備

取一只100mL的圓底燒瓶，加入50mL的濃度為0.25mmol/L的HAuCl4水溶液，搭好加熱裝置套，將溶液加熱至沸騰狀態(tài)，此時(shí)再加入0.5mL的濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%檸檬酸鈉溶液繼續(xù)攪拌并持續(xù)加熱。此時(shí)可以觀察到沸騰的溶液先是變成了淺藍(lán)色溶液，而后藍(lán)色接著變成了較深的鮮紅色溶液，整個(gè)過(guò)程持續(xù)了大約1分鐘左右，這種現(xiàn)象就說(shuō)明已經(jīng)制備成功了尺寸為43nm的金納米粒子(GNPs)。通過(guò)這種方法制備的GNPs，至少應(yīng)該先存放24小時(shí)之后，待納米粒子穩(wěn)定以后，再進(jìn)后續(xù)地實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.13.5nm金納米粒子的表征

這個(gè)尺寸的納米粒子粒徑比較小，一般情況下作為納米生長(zhǎng)因子來(lái)備用。圖1(a)是制備成功的3.5nm的金納米生長(zhǎng)因子的合成圖片，此種納米粒子外觀一般呈現(xiàn)淺酒紅色，可以通過(guò)紫外-可見(jiàn)光譜儀來(lái)測(cè)定其紫外吸收峰在510nm處，如圖1所示。這種小粒徑的納米粒子一般用于生長(zhǎng)因子來(lái)使用，由于其粒徑較小，濃度較小，顏色也較淺。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出納米尺度的金納米粒子不再是我們常規(guī)所認(rèn)識(shí)的金的顏色了，也具備了一些金不具備的性質(zhì)，由此實(shí)驗(yàn)也開(kāi)拓了學(xué)生的眼界，提高學(xué)生對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的探索欲。納米粒子的化學(xué)設(shè)計(jì)和合成推動(dòng)了納米技術(shù)的發(fā)展，納米技術(shù)研究的基礎(chǔ)是結(jié)構(gòu)的大小和形狀，在化學(xué)合成過(guò)程中可以調(diào)整不同的光學(xué)、電子或磁性特性，如果沒(méi)有合適的納米粒子設(shè)計(jì)，納米技術(shù)的許多重要應(yīng)用也將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

4.243nm金納米粒子的表征

通過(guò)此種方法合成的尺寸為43nm的GNPs的掃描電子顯微鏡圖如圖2(a)所示。通過(guò)紫外-可見(jiàn)光譜儀測(cè)試其紫外吸收光譜在530nm處有吸收峰，如圖2(b)所示。如圖2(a所示)，是我們上述實(shí)驗(yàn)制備的43nm尺寸的金納米顆粒的掃描電子顯微鏡圖，可以清晰的看出納米顆粒尺寸的均勻性以及穩(wěn)定性。圖(b)是紫外吸收光譜圖，和上述實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，納米粒子越大，散射效應(yīng)越強(qiáng)，紫外吸收峰相對(duì)較大一些，因此金納米粒子的納米尺寸會(huì)影響紫外的最大吸收峰。隨著研究人員開(kāi)始構(gòu)建多功能納米結(jié)構(gòu)，尺寸和形狀以及表面化學(xué)問(wèn)題將變得很重要。由于納米粒子的大小與生物分子(例如蛋白質(zhì)、DNA)和結(jié)構(gòu)(例如病毒和細(xì)菌)的大小相似，因此在各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中納米粒子的應(yīng)用引起了極大的興趣。此外，可以將有用的特性結(jié)合到納米粒子的設(shè)計(jì)中，以操縱或檢測(cè)生物結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)。納米粒子目前用于成像、生物傳感、以及基因和藥物遞送等領(lǐng)域[6-7]。隨著生物醫(yī)學(xué)納米技術(shù)綜合領(lǐng)域的發(fā)展，將需要更系統(tǒng)的納米粒子和結(jié)構(gòu)化學(xué)設(shè)計(jì)方法。

5教學(xué)建議與總結(jié)

5.1教學(xué)建議

本文以金溶膠的制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)為例，將科學(xué)實(shí)驗(yàn)融入到物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，在課堂中，合理的融入一個(gè)實(shí)驗(yàn)，不僅能幫助學(xué)生將書本上的知識(shí)具體化，更能啟發(fā)學(xué)生思考各種實(shí)驗(yàn)對(duì)照、實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)，掌握實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及邏輯分析問(wèn)題等基本實(shí)驗(yàn)素質(zhì)，培養(yǎng)創(chuàng)新的思維能力。比如在本實(shí)驗(yàn)中，可以將全班30名學(xué)生分成2大組，每大組15名學(xué)生，一大組同學(xué)制備3.5nm的金納米粒子并進(jìn)行紫外光譜的檢測(cè)，另外一大組同學(xué)制備43nm的金納米粒子并進(jìn)行紫外光譜的檢測(cè)，這樣可以同時(shí)開(kāi)始兩組不同的實(shí)驗(yàn)，一大組同學(xué)還可以分成5小組，每小組3名同學(xué)，1名同學(xué)負(fù)責(zé)制備金溶膠，1名同學(xué)用紫外分光光度計(jì)檢測(cè)，另外1名同學(xué)處理數(shù)據(jù)。一組實(shí)驗(yàn)結(jié)束以后，兩大組的同學(xué)再交叉做另外一類實(shí)驗(yàn)，這樣可以保證每一位學(xué)生都參與在其中，且實(shí)驗(yàn)完成以后同學(xué)們互相比較兩組實(shí)驗(yàn)的差別以及兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，這樣學(xué)生不僅可以更好的理解溶膠的定義，也更加清楚地認(rèn)識(shí)到納米科學(xué)的深?yuàn)W之處，還有更多的科學(xué)實(shí)驗(yàn)有待探索，與此同時(shí)也需要更多的理論知識(shí)來(lái)支撐，這也是激勵(lì)學(xué)生們自主學(xué)習(xí)和勇于探索的方式?，F(xiàn)在是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，老師們可以充分利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)幫助學(xué)生開(kāi)展課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，可以通過(guò)中國(guó)大學(xué)慕課上一些國(guó)家級(jí)精品課程作為輔助教育資源，里面可以看到一些學(xué)生們?cè)诒拘?shí)驗(yàn)室沒(méi)有做過(guò)的實(shí)驗(yàn)，這樣可以有效的彌補(bǔ)本校實(shí)驗(yàn)課程上的知識(shí)盲區(qū)。同時(shí)老師們可以借助雨課堂的線上線下混合式教學(xué)模式來(lái)豐富授課的手段，激發(fā)學(xué)生的興趣[8]。例如課前在雨課堂平臺(tái)可以發(fā)布預(yù)習(xí)內(nèi)容，讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，發(fā)布的內(nèi)容不僅可以是文字版本，還可以是視頻模式，可以更加直觀的讓學(xué)生理解本節(jié)課實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容，同時(shí)撰寫好預(yù)習(xí)報(bào)告。在課堂上，對(duì)于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告中呈現(xiàn)的問(wèn)題，或者是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，教師可以及時(shí)與學(xué)生溝通，糾正學(xué)生的錯(cuò)誤。進(jìn)一步提升學(xué)生的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力[9]。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，教師可以不受時(shí)空限制給予學(xué)生指導(dǎo)，即使是實(shí)驗(yàn)課也是一樣，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)效果的最優(yōu)化。

5.2總結(jié)

對(duì)于高校來(lái)說(shuō)，進(jìn)一步深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，其核心就是加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神[10-11]。因此，建立一套完整的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系就顯得尤為重要。在本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中，不僅延續(xù)了常規(guī)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，而且在此基礎(chǔ)上引入科研思維訓(xùn)練，使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理、等方面有了很大的自主性和探索性，不僅提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，還提高了他們獨(dú)立思考問(wèn)題的能力和創(chuàng)新意識(shí)。對(duì)涉及到的物理化學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了深度挖掘，讓學(xué)生更好的認(rèn)識(shí)什么是溶膠及溶膠的性質(zhì)以及納米材料的特殊性，借助科研實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。在今后的教學(xué)工作中，我們還需要不斷地探索和思考，將科研平臺(tái)更加有效地融入大學(xué)本科化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和科研思維不懈努力，為培養(yǎng)高水平科研型人才貢獻(xiàn)微薄之力。

作者:柳傲雪 李楠 楊治學(xué) 單位:昌吉學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院