王 意， 邓小娟， 刘 洋， 丁国生

（天津大学分析测试中心，天津300072）

0 引 言

自2017 年起，教育部积极推进新工科（Emerging Engineering Education，3E）建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》《关于推进新工科研究与实践项目的通知》等一系列政策，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设［1-3］。仪器分析课程是材料、化工、制药、环境工程等专业的基础课程，具有理论要求高、多学科交叉、仪器类型多样等特点，在培养学生工程实践、科研创新、组织协调等综合能力和掌握现代的研究手段与方法方面具有重要的作用。其中无机质谱技术是仪器分析的重要组成部分之一，电感耦合等离子体质谱（ICPMS）是以等离子体为高温离子源的一种质谱型无机元素分析新技术。主要用于进行多种元素的同时测定，并可与其他色谱分离技术联用，进行元素的形态、分布特性等分析。该技术的质谱图简单，具有灵敏度高、检测线低、准确度高、线性范围宽且能同时测定多种元素等优点，可进行痕量和超痕量元素的半定量和定量分析，以及同位素测量，因此广泛应用于环境监测、食品安全、卫生医疗、矿物材料和药物医学等各大领域［4-5］。围绕新工科背景下培养符合时代要求的新型工科技术人才的要求，依托学校分析测试中心的硬件条件和师资力量，针对仪器分析课程特点及电感耦合等离子体技术发展现状和前沿应用，对传统仪器分析课程的实验教学进行一些探索性的实践工作，推动仪器分析课程的教育教学改革，以推进新工科背景下的人才培养，为学生日后的科研活动和从事相关行业工作奠定坚实的基础。

1 高校仪器分析实验课的机遇和挑战

1.1 仪器分析课程教学现状

仪器分析课程是化工、材料、制药、环境等工科专业的核心课程，是工科院校培养学生实验素养和科研能力的重要实践教学环节，国内很多“双一流”高校均开设了现代仪器分析课程，重点教授通用大型现代分析仪器设备的工作原理、仪器操作、样品分析方法和仪器分析应用等内容，涉及了质谱、光谱、波谱、色谱、能谱、热、微区形貌及表面等分析领域［6-8］。仪器分析属于分析化学的一个重要分支，是在分析化学的基础上发展起来的具有多学科交叉、创新性和前沿性非常强的一门学科。随着计算机控制、采集和数据处理方法的快速发展，各种先进的仪器分析技术与计算机联用，仪器分析逐步朝着智能化、微型化、个性化、大众化和虚拟化方向发展［3］。

1.2 传统教学方式面临的挑战

在新工科形势下，只有不断升华人才培养理念、改革教学方法和创新培养模式，才能做到有效应对现代社会的快速变化和未来不确定的变革与挑战。这就对传统仪器分析类课程的教学提出了新的要求。例如电感耦合等离子体质谱作为一种新型的无机质谱分析技术，在一些高校主要用于师生的科研实验，未纳入仪器分析的实验课程。随着科学技术的发展，电感耦合等离子体质谱的应用越来越广泛，因此有必要更新实验教学内容，将科研和实验教学相结合，让更多的学生在具体实际案例中掌握最新的仪器分析技能，以不断提高学生科研能力和综合素质，满足新形势下创新型人才培养的需求。

1.2.1 以学院为教学平台的仪器资源有限

仪器分析相关课程涉及内容繁多，学科交叉明显，涵盖仪器种类较多，包括光谱、色谱、质谱、波谱、能谱及微区分析和表面分析等高端大型仪器。传统仪器分析课程的教学平台多以院级分析测试平台为主，随着我国对高等教育投入的不断深入，各大高校教学分析仪器的数量持续增加［9］，近年来中央高校改善基本办学条件专项资金（修购专项）等经费也更多地支持教学仪器的投入，然而由于高端分析仪器，如扫描电子显微镜、核磁共振波谱、高分辨质谱仪等，仪器造价昂贵，维护成本高，对操作人员也有很高的要求，学院内平台拥有的高端分析仪器数量相对还是偏少，且主要用于科研，无法满足课程对大型仪器种类多而全的需求。

1.2.2 实践比重少 影响教学成效

传统仪器分析类课程的教学以课堂讲授为主，教师在课件中整合仪器相关的知识、理论和应用简介，通常分为分析原理、仪器结构、主要应用，除课堂教学外增加少量课时实地观摩和演示等教学内容，主要以演示实验（教师演示、学生观摩）的形式开展，学生很少能直接使用和操作仪器设备，无法理论联系实际，造成学生对构造复杂的大型分析仪器原理和构造难以理解，导致实验教学效果差［10］。

1.2.3 考核方式单一

传统的仪器分析类课程在考核时通常以单纯的试卷考试作为唯一的考核方式，也有些高校的课程中增加对学生出勤、课堂表现等方面的考量，满足了对学习过程、学习态度等方面的综合评估。考核成绩主要由常规考核和期末考核两部分构成，其中常规考核依据学生的考勤、课堂互动、作业完成等情况，通常占总成绩的20% ～30%；期末考核通常以考试方式进行，试卷内容包括课堂教学内容的各个部分，包括主观题和客观题，占总成绩的70% ～80%。这种考核存在以下弊端：①常规考核缺乏可量化的数据和标准，不能作为学生水平的划分依据，最终还是以试卷成绩为主要；②考核方式不能满足仪器分析类课程的教学目的，仅能评价所学的基础理论是否扎实，缺乏对知识分析和解决实际问题能力的测评，也无法真正提高学生对大型仪器的认知和实践能力。

2 仪器分析实验课探索

为响应新工科战略发展的要求，我校分析测试中心（以下简称分析中心）作为校级的分析测试公共平台，相对院级平台来说实验设备配置更完备、更合理，功能实验室布局更科学，符合仪器分析实验教学改革和创新型人才培养的需要。以分析中心为仪器分析课程的教学平台，可将校级交叉学科仪器分析平台的优势和资源转化为育人优势，充分利用仪器资源，大大改善教学条件和教学内容，能更好地激发学生的学习热情、培养创新意识并锻炼动手实践的能力，为学生今后从事科研工作奠定良好基础［11］。

2.1 课程设置及简介

分析中心在我校材料学院和药学院的相关专业开设仪器分析类课程。其中材料学院的仪器分析类课程自2000 年初设置，教授对象主要以研究生为主，由分析中心负责仪器管理的老师讲授，全面介绍有关材料结构、组成、微观形貌和物理性能等的现代分析测试技术，内容涵盖透射电子显微镜、扫描电子显微镜、X 射线衍射、核磁共振谱、有机质谱、电感耦合等离子体质谱、激光拉曼、物理性能分析、比表面及孔径分析等仪器，重点培养学生掌握材料分析实验的基本技能。随着分析技术的不断发展，课程越来越注重理论与实践相结合，通过讲授原理和结合各专业具体材料分析实例，使学生对材料的各种现代分析方法有较全面的认识，并逐年对实践环节进行系统的改革和完善，除了课堂讲授还设置了8 个教学实验，提高学生的综合素质和运用现代仪器测试手段的能力。通过本课程的学习使学生掌握用于元素含量成分及组成分析、比表面积及孔径分布分析、结构分析、表面微观形态分析、物质相分析和电子显微分析的方法和原理，仪器结构和基本操作步骤，了解各方法的特点、应用范围及局限性。授课以“精而新”为原则，培养学生严谨细致、实事求是的科学作风，为培养创新型人才打下基础。在药学院开设药物仪器分析课程，根据我校药学院特点以英文教学，除研究生外也面向基础扎实对大型仪器分析测试技术感兴趣的本科生开放课程，课程总计32 学时，其中10 学时为课程面授，开设22 个学时的仪器分析实验课，实践课时约占总课时的70%，以分析中心作为教学的第二课堂，结合学生的个人兴趣和课题方向划分小组，让学生直观、近距离地了解并操作大型仪器，引导学生运用所学的基础理论知识分析和解决实际科研问题。学生通过实践对课堂所学的理论基础知识进行验证，加强了对理论基础和专业知识的理解与消化，切实将仪器分析课程和学生的科研工作紧密结合，培养符合时代要求的新型工程技术人才。

2.2 实验教学大纲

我校分析中心开设的仪器分析类课程的实验教学部分，无机质谱元素分析实验是重要的实验教学环节之一。电感耦合等离子体质谱是20 世纪80 年代发展起来的无机元素和同位素分析测试技术，以独特的接口技术将电感耦合等离子体的高温电离特性与质谱的灵敏快速扫描的优点相结合，形成了一种高灵敏度的分析技术，是以等离子体为离子源的质谱型元素分析方法。

2.2.1 实验原理

电感耦合等离子体质谱仪由样品引入系统、电感耦合等离子体（ICP）离子源、接口、离子聚焦系统、质量分析器和检测器等构成，其他支持系统有真空系统、冷却系统、气体控制系统、计算机控制和数据处理系统等。其工作原理是：样品通过进样系统被送进离子源中，在高温炬管内蒸发、离解、原子化和电离，绝大多数金属离子成为单价离子，这些离子高速通过双锥接口进入质谱仪真空系统。离子通过接口后，在离子透镜的电场作用下聚焦成离子束并进入质量分析器。离子进入质量分析器后，根据质量／电荷比的不同依次分开。最后由离子检测器进行检测，产生的信号经过放大后通过信号测定系统检出，根据探测器的计数与浓度的比例关系，测得元素的含量或同位素比值。电感耦合等离子体质谱仪具有很低的检出限（达ng／ml 或更低），基体效应小，谱线简单，动态线性范围宽，能同时测定许多元素和快速测定同位素比值。可用于洁净水、天然水、土壤、沉积物、矿物、食品、石油、化工等环境样品的金属元素和部分非金属元素的痕量分析，也适用于各类药品中从痕量到微量的元素分析，尤其是痕量重金属元素的测定［12-13］。

微波密闭消解采用微波源加热，极性分子直接吸收微波热，并不断碰撞升温，因而加热效率高；由于体系密闭，反应产生的气体使压力升高，从而使沸点升高，可明显提高反应速率，降低微波密闭消解时间；密闭体系确保了Hg、As 等易挥发元素不损失。微波消解过程用时少，消解完全，待测元素无损失，并有较低的空白值，所需试剂用量少，操作方便，对环境及操作人员的污染和危害小，在无机分析原子吸收、电感耦合等离子体光谱、电感耦合等离子体质谱的样品前处理和高效液相色谱有机分析的样品萃取中有普遍应用。

2.2.2 实验目的

电感耦合等离子体质谱仪相关的实验耗材及维护费用较高，且主要用于校内科研支撑和校外测试服务，传统仪器分析课程的实验部分中教师只让学生观摩演示，或开展简单的样品制备，仪器操作和分析均由老师来完成，学生很少能够近距离接触仪器并借助仪器开展仪器分析实验和数据结果分析，因而导致课堂所学仅停留在理论层面，缺少动手实践和自主研究的环节，并不能深刻理解检测方法原理及掌握仪器的简单操作［14］。基于上述情况，本实验目的主要有：

（1）了解电感耦合等离子体质谱仪的工作原理和仪器结构。

（2）掌握微波消解仪的基本原理和操作规程，以及利用微波消解技术对样品进行前处理的基本方法。

（3）掌握电感耦合等离子体质谱仪的分析基本原理和操作步骤，利用微波消解-电感耦合等离子体质谱技术测定实际样品中重金属元素含量的基本方法，解决实际样品元素分析的问题。

2.2.3 实验内容

将学生划分为4 ～6 人的小组开展实验教学，首先进行安全教育，观看违章案例，提高安全操作和环保意识，结合《中国药典》［15］及相关方法标准中的试验方法，依托现有实验室的硬件条件和要求定制试验方法，要求学生编写实验方案，在教师指导下完成样品前处理和上机操作，强化操作细节，提升操作规范，并要求学生完成实验记录和出具结果报告，将整个实验过程作为考核的一部分。

2.2.4 实验流程

本实验主要包括以下步骤：①微波消解样品前处理。②电感耦合等离子体质谱测试准备工作：确认气体、循环水、排风状态，蠕动泵、样品管、雾化室、矩管等安装正确，仪器状态为Standby状态。③开机：打开计算机显示器、打印机和计算机主机；开氩气、循环水和排风；卡上蠕动泵管，检查无误后点击点火图标，仪器由Standby转为Analysis 状态。④ 调谐：确认仪器灵敏度、氧化物、双电荷达到要求。⑤ 建立采集方法：选中要分析的元素及ISTD 内标元素，设置提取时间、稳定时间、扫描方式和扫描次数。⑥采集数据：依次采集空白溶液、标准溶液和样品溶液，采集数据时设置好样品类型（空白、标样或样品）。⑦ 数据处理和分析。⑧关机：样品采集完成后，冲洗仪器，关闭仪器等离子体，仪器由Analysis状态转换为Standby状态。待仪器进入Standby状态后关闭通风、循环水及氩气开关。

地质灾害防治工作具有技术性、专业性较强的特点，我们调查发现，各县市区国土资源局地环股、地环站，特别是基层国土资源所的同志，具有相应专业技术的寥寥无几，有的县市区局一点小事都得依靠技术服务单位。此外，同时设有地环股和地环站的县市职能划分不清，工作互相推诿、扯皮。

注意记录实验条件：①称样量、微波消解条件（功率、温度、时间）。② 仪器型号。③ 电感耦合等离子体质谱仪器状态（载气、工作气体、流量蠕动泵提升速率等）。④内标元素。⑤调谐文件名称、采集序列名称和方法名称。⑥实验日期、操作人以及要详细记录数据分析软件得出的待测元素标准曲线，线性方程和相关系数。记录待测元素浓度，报告检测结果，以μg／L的单位表示。

3 教学实例

3.1 仪器和试剂

Agilent 7700x 电感耦合等离子体质谱仪（ICPMS）（美国Agilent 公司）；MARS Xpress 微波消解仪（美国CEM 公司）；Mill-Q 超纯水处理系统（美国Millipore 公司）；CP114 天平（美国奥豪斯公司）。

标准储备液：10 mg／L 多元素校准标样（Agilent 8500-6940），包括Ag、As、Ba、Be、Cd、Co、Cr、Cs、Cu 等元素；内标储备液：100 mg／L 的Li、Sc、Ge、Rh、In、Tb、Lu、Bi 混合标准溶液（Agilent 5188-6525）；调谐液：1 μg／L的Li、Mg、Y、Ce、Tl、Co 混合标准溶液（Agilent 5185-5959）。硝酸（70%）BV-III 级，购于北京化学试剂研究所。实验用超纯水均由Mill-Q 超纯水处理系统制得。

人参样品（GBW10027）成分分析标准物质（12 g）购于国家标准物质研究中心。

3.2 试验方法

3.2.1 质谱条件

通过调谐使仪器性能条件优化，确保仪器灵敏度、氧化物、双电荷、分辨率等指标满足实验要求。等离子体发射功率为1550 W，等离子体气（Ar）流速15.0 L／min，载气（Ar）流速1.0 L／min，碰撞气体（He）流速5.5 mL／min，蠕动泵转速0.1 r／s，雾化室温度2 ℃，采样深度8.0 mm。

3.2.2 标准溶液配制

3.2.3 微波消解样品前处理

称取干燥的标准人参样品粉末0.2 g 3 份，置于聚四氟乙烯（PTFE）微波消解罐中，加入8 mL 硝酸混匀，安装好消解盖和外套，在微波消解仪中设定程序（见表1）进行消解，消解结束后待温度降至60 ℃以下，在通风橱内开启消解罐，将消解液转移至100 mL容量瓶内，超纯水洗涤消解罐3 次，洗涤液合并至容量瓶中，用超纯水稀释至100 mL 定容。同时制备样品空白溶液。

表1 微波消解样品前处理程序

3.2.4 进样分析

建立分析方法，选择全定量模式，采用跳峰的扫描方式，重复测量次数3 次，选择合适的内标，对样品进行分析。

3.3 结果与讨论

3.3.1 标准曲线和线性相关系数

在设定的测试条件下，各元素标准曲线的线性关系较好，线性相关系数在0.999 7 ～1.000 0，满足测试需求。各元素的标准曲线回归方程和相关系数见表2。

3.3.2 检出限

按3.2.3 方法制备的空白溶液，连续平行测定11次，检测信号与内标信号比的3 倍标准偏差对应的浓度值即为各元素的检出限，如表2 中所示，检出限范围在0.040 1 ～0.532 1 μg／L之间，符合实验要求。

3.3.3 实验结果

采用上述建立的分析方法对人参标准样品进行了分析测试，结果见表3。9 种元素的测试值均在标准值范围内，其中75As 和107Ag 的标准值为参考值。可见该方法稳定可靠，可作为开展仪器分析课程实验教学的案例及结果评价。

表2 元素的回归方程、相关系数和检出限

表3 人参样品（GBW10027）的测试结果

3.3.4 教学效果

顺应新工科建设和师生科研发展需求，改革了电感耦合等离子体质谱技术的实验教学内容，增加实验教学比重，并将微波消解等样品前处理技术加入实践环节，通过学生自主完成样品制备、上机测试和结果分析，激发了学生的科研兴趣。课程结束后，部分学生与仪器负责人做了更多深入了解，并计划在后续科研中结合该技术参与具体项目研究。由此可见，电感耦合等离子体质谱技术的实验教学改革有效促进了学生创新能力的培养和综合素质的提高。

4 结 语

新工科教育研究和实践的诸多问题依旧在热烈讨论和积极探索中，仪器分析课程的教学改革作为新工科教育理念的落脚点值得我们去做更深入的剖析与探讨。以“新工科”的要求为契机，微波消解-电感耦合等离子体质谱技术在仪器分析课的实验教学已开设3年，在实验教学模式改革创新和提升学生实践技能方面取得了一定成效。未来将进一步加快仪器分析课程改革，更加注重前沿知识和学科交叉知识体系建设，依托校级分析测试平台开展实践创新实验课程体系建设，不断更新教学内容，顺应时代发展，满足卓越工程人才核心素养和能力培养的要求。