環境化學教學內容設計論文

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摘要：隨著生態環境的日益惡化，人們的環保意識日漸增強。在環境化學的教學過程中，案例教學因其所具備的趣味化及形象化特征發揮了不可替代的作用。納米傳感器作為最近幾年來新產生的一種環境分析檢測技術，不僅能夠運用于現場原位及污染物質的檢測中，而且可以引入環境化學的教學過程中。本文詳細敘述納米傳感器與環境化學教學的密切聯系，介紹將納米傳感器融入環境化學教學的必要性，對提高學生的研究能力，激發學生的學習興趣具有非常重要的理論意義及現實意義。

關鍵詞：環境化學；教學；納米傳感器

隨著社會的發展以及經濟水平的提升，環境問題日漸凸顯，社會需要大量具備科學環境知識的高素質人才，所以高校肩負著塑造大批環境類人才的使命。在眾多高校的課程體系中，環境化學課程占據著不可或缺的地位。環境化學課程主要探討的是化學污染物質在環境介質中的存在、化學性質、行為及控制的化學原理等。新誕生的納米傳感技術涵蓋的知識面廣泛，并且具有全面性和綜合性，將其融入于課程的教學中，可以顯著提升教學效果。在環境化學現存的教學工作的基礎上，緊密地結合學校自身的辦學特點，是提升教學質量的重要措施之一。

1納米傳感器概述

1.1納米化學及生物傳感器

在化學及生物傳感器領域融入納米技術，有效提升了生物傳感器及化學的檢測性能，推動了新型化學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，大大提升了該傳感器的物理、化學性質對細胞的檢測靈敏度，檢測的反應時間也有了明顯的減少，而且可以實現高通量的實時檢測分析。使用納米材料所制成的非常靈敏的生物及化學傳感器，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構的化學傳感器可以檢測出氧化氮、過氧化氫、碳氫化合物及揮發性有機物等。和其他具備相同功能的分析儀相比，其不僅尺寸很小，而且價格非常便宜。在生物傳感器當中，使用納米顆粒、納米器件及多空納米結構均獲取了成功[1]。

1.2納米氣敏傳感器

構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體納米顆粒等。在納米氣敏傳感器的研發過程中，最主要的方向就是在氣體環境當中，依靠敏感材料的電導發生變化來制造氣敏傳感器。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方向是，采用多壁碳納米管來制作氣敏傳感器。1991年，碳納米管這種材料被初次發現，由于獨一無二的性質和制備工藝，得到了研究者的廣泛應用。而且多壁碳納米管具有極強的吸附能力，因為吸附的氣體分子和碳納米管所產生的相互作用，可以改變宏觀電阻，根據電阻的變化來檢測氣體成分，可以充當氣敏傳感器[2]。

2納米傳感器在環境化學教學中應用

2.1將納米傳感器融入環境化學教學的必要性

在中國地質大學，環境專業不僅是其中的熱門專業，也是特色專業之一。對于環境化學課程的設置，一直堅持著學?！疤厣泳贰钡慕逃砟睢⒁恍┤碌募夹g元素及概念融合于以往環境化學課程的教學模式中，會給課程注入許多生機與活力。環境化學的研究內容紛繁復雜、千變萬化，其中主要包括檢測和識別環境污染物質，污染物質在空氣、水、泥土及生物體中的遷移變化、去除機理等。在此之中，對污染物的分析與檢測一直處于研究的上游階段。因為唯有精確、高效地檢測出污染物的濃度與存在方式，才可以給出有效準確的評價，并且制定出對污染物質進行高效處理和防治的有效措施。所以，在環境化學的實際教學過程中，環境分析化學的內容具有不可或缺的作用[3]。隨著經濟水平的提升，環境污染物的種類也在日益增多，而人們也在不斷地開發新的技術與材料，應對這些層出不窮的環境問題。在這樣的環境下，納米傳感器應運而生，其最主要的核心作用就是對環境進行監測及分析。總之，化學是一門內容豐富的綜合性學科，其中融合了環境分析、新材料的使用以及污染控制技術等。而納米傳感器主要由化學傳感器、生物傳感器兩部分組成，所能監測的物體主要涵蓋了氣體、固體、液體、溫度及壓力等。所運用的材料除了碳與金屬之外，還有新合成的材料。所以，納米傳感器技術傳達的核心知識點和環境化學課程的核心內容存在著千絲萬縷的聯系，可通過科學的設計及合理的導入，拓展教學范圍，提升教學質量，實現最理想的教學效果[4]。

2.2特色案例教學設計

在環境化學課程的教學過程中，會牽涉到環境分析化學的主題，隨之也會提及環境污染物最新的檢測技術與方法。此時便可以介紹一些以納米傳感器為基礎的快速檢測污染物的相關知識。并且根據有關的電分析化學理論，當物質發生氧化還原反應時，在電極表面及分析物之間會存在電子轉移，通過對電子轉移的捕捉，對電信號（電流值和電壓值）及特征值進行定量及定性分析，從而獲取目標濃度及電子轉移數二者之間的一個定量關系，從而可以準確地將目標物的濃度檢測出來。一般該技術所需的設備體積小，容易操作，對現場進行分析檢測時更加方便。這樣的介紹不僅可以讓學生更深入地了解納米傳感器的核心技術、主要原理，激發學生的學習積極性及學習興趣，而且可以有效傳遞現階段納米材料在環境分析化學范圍的應用等有關知識，開發學生的創造性思維[5]。案例的展示加上豐富多彩的多媒體課件，結合電分析化學儀及電極等實物，力求做到繪聲繪色、動靜結合。此外，對一部分許多學生都充滿興趣的話題進行交流和討論，將全班的學生分為若干個小組，進行5～10min的討論，然后每個小組派一個代表進行發言，分別敘述自己的觀點。這樣在營造良好課堂氛圍的同時，還可以節約大量的時間，提升教學的質量和效率，事半功倍。現詳細介紹使用碳納米管傳感器檢測環境水樣中的農藥百草枯試驗。

2.3試驗部分

2.3.1儀器與試劑

多壁碳納米管（＜10nm，純度＞95%，長度在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。全部的化學試劑皆為分析純，試驗用水是二次蒸餾水。方波伏安法及循環伏安法都在CHI660b電化學工作站上進行。并且采用三級系統，分別為鉑絲電極為對電極，碳納米管修飾電極為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極。測試底液為磷酸緩沖溶液，每次測試之前都通氮除氧10min，在試驗過程中始終保持氮氣氛圍，試驗操作在溫室下進行。

2.3.2納米傳感器的制備

把玻碳點擊表面用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電位的范圍內反復掃描，直到電流穩定下來為止。使用氮氣把電極表面吹干，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，利用室溫將其揮發干[6]。

2.3.3方波伏安法檢測環境中的百草枯

百草枯可以非常穩定地存在于酸性或者中性環境中，但是在pH值大于12時，便會發生水解，試驗檢測了在不同的底液中，傳感器對相同劑量的百草枯的響應電流，比如磷酸緩沖溶液、硼砂、Na2HPO4檸檬酸及鄰苯二甲酸氫鉀等。結果表明，在磷酸緩沖溶液當中的響應電流最大，以下試驗選用磷酸緩沖溶液為測試底液。pH對百草枯在修飾電極上的方波伏安響應存在一定的影響。當底液pH比較小時，響應電流就會隨著pH的增大而增大，在中性底液中變為最大值。在堿性條件下，電流值會下降許多，所以選擇pH值為6.8。預富集電位對百草枯方波福安響應也存在一定的影響，預富集電位在0.1～0.4V時，響應電流會隨著電位的負移而逐漸增大，這主要是因為百草枯帶有正電荷。然而，當預富集電位小于-0.4V時，響應電流開始逐漸下降，造成這一現象的主要原因是預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，所以試驗選擇預富電位為-0.4V[7]。盡管百草枯響應電流會伴隨著預富集時間的增大而增大，但是時間過于漫長的話，會導致百草枯產生光分解，所以響應電流反而會下降，所以實驗所選擇的預富集時間為2min。維持試液當中的百草枯濃度是5.0×10-6M，將濃度不一致的干擾物質加入其中，考察一些共存的有機化合物，比如莠去津、鄰苯二酚對方波伏安檢測百草枯的干擾情況。倘若信號變化超過10%，則視為有干擾。結果顯示，鄰苯二酚的干擾最大，濃度若超過百草枯的100倍，就會引起干擾。如果是其他的重金屬離子，比如Zn2+、K+，濃度需在1000倍以上才會引發干擾。所以，MWNTs-GC修飾電極對百草枯具有極強的選擇性，不容易受到其他物質的干擾。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值調節至6.8，在磷酸緩沖溶液中用方波伏安法對實際樣品進行檢測。檢測結果如表1所示。從表1可以看出，在這種方法的檢測范圍之內，校園的湖水樣品當中并不含百草枯成分，進而表面湖水并沒有被百草枯所污染。維持試液當中的百草枯濃度為8.3×10-6M，使用方波伏安法用MWNTs-GC修飾電極連續測定5次，標準偏差為1.3%左右。將測定之后的修飾電極保存于0.1MpH6.8PBS當中，30d后，使用其測定含有8.3×10-6M的底液，響應電流仍然保持過去的95%，這也進一步表面納米管在電極上結合得十分牢固，而且性質也十分穩定。

2.4納米產品的開發及案例教學的課堂實踐

因為納米技術及其材料具備多樣性特征，評估其對環境所產生的影響，需要采用可適應多種條件的傳感器。所以，在將來的3～10a，需要開發出評估納米材料暴露在空氣當中影響的儀器?，F階段頻繁接觸納米材料的人，都急需價格低廉且便于攜帶的樣本收集器，從而測量工作環境當中納米材料的暴露情況，主要包括比表面積及數量等。這種儀器需要在未來3a內商業化。納米產品在制造過程中所產生的廢物，比如防曬油這種液體消費品當中產生的納米顆粒，一定會在水中堆積，不對這些廢物進行追蹤，就無法確定納米顆粒存在的好壞。所以，必須在未來5a開發追蹤納米顆粒在水中聚集及轉化情況的儀器[9]。筆者在高校環境化學課程的實際教學過程中，把納米傳感器的基礎知識、研究心得及實際經驗融入于具體的教學過程中，對教學質量的提升發揮了良好的推動作用。比如，在環境化學課程中，講述環境污染物質的檢測環節時，介紹了碳納米管、石墨烯及碳納米纖維等納米材料充當以電分析原理為基礎的傳感器材料的優勢。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、良好的導電性、便宜的價格，而且易于修飾成各種外形，有助于蛋白質或者酶等生物性物質與碳納米材料融合，從而構建出高效生物傳感器。這些介紹可以讓學生直觀全面地了解到碳納米材料在傳感器中的使用。并且根據現存的理論結合實際的教學思路，對教學內容發揮拓展及延伸的作用[9]。除了上述幾點之外，在簡介如何靈活運用納米傳感器檢測水環境中的污染物質時，牽涉到了電子轉移理論及電化學反應，并且詳解講述了傳感器的工作原理及傳感器的種類。這樣可以向學生講述納米電化學傳感器，是基于特異性點分析化學反應基礎的知識點，并且詳細介紹了膜狀電極、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，生動具體地展現了納米傳感器檢測污染物的整個過程。在拓展教學內容的形式及內容時，對環境化學教學的發展起到了有效的推動作用。每當在講述這些具體案例的過程中，學生都興致蓬勃，充滿了熱情，甚至進一步激發了許多學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及應用過程中來。所以，作為一個生動有效的教學載體，納米傳感器推動了環境化學課程教學質量的提升。在未來的教育教學實踐工作中，筆者必須進一步豐富教學經驗，并且讓教學方法更加科學完善[10]。

3結語

將納米傳感器應用于環境化學的教學過程中，有助于培養學生主動分析問題及處理問題的能力，提升教學質量。隨著此項技術的不斷發展演變，可以把更多有價值的信息以案例教學的模式導入環境化學教學的過程中，不僅可以激發學生對該項技術的興趣，還可以使納米傳感技術得以進一步發展，形成良性循環。在未來的環境化學課程的教學中，應深入探索，總結經驗，進而提升教學的質量。

作者:周林宗 單位:楚雄師范學院地理科學與旅游管理學院

參考文獻

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