仪器分析实验是化学工艺、应用化学等专业的必修基础课程之一，在专业人才培养中特别是实验操作技能培养方面起着极其重要的支撑作用^[1-3]。课程教学重在使学生掌握各种分析仪器的基本操作规范与维护技能，但由于受仪器设备数量等的制约，多数以演示为主^[4-7]。为培养学生的创新精神、提高学生的实践能力，在课程教学中进行探究性实验设计教学的尝试^[8]，有针对性地选择一些学生通过查阅大量文献设计的新实验方法^[9-11]，并在仪器上实施验证，将有利于培养学生的实际动手能力和综合分析能力。

基于可提供的解决问题的工具是以荧光光度计为核心的仪器，设计内容为：催化动力学荧光分析法测定微痕量金属离子的新方法。以期达到培养学生在查阅文献、解决问题和分析问题以及动手等方面能力的目标。

动力学光度法的基本原理是利用反应速度与物质浓度(反应物、产物等)之间的定量关系，测量与反应速度成比例关系的吸光度或其他物理量，计算出待测组分的浓度^[12-14]。它不是直接测定被测物质的吸收等参数，而是以被测离子为催化剂，催化氧化剂对有机染料的氧化反应，根据在一定时间内有机染料被氧化的程度来计算被测离子的含量。依据是有机染料变化的物理量(如退色的程度)与被测离子的浓度存在一定关系。在动力学分析法中，可以采用光度法、电位法或荧光法等各种手段来监测反应的速率。荧光分析法是简单、快速、灵敏度高的分析方法。结合我院实验室仪器条件等多种因素，仪器分析实验课中可以选择以催化动力学荧光法测定痕量金属离子作为探究性实验设计教学题目。铜是维持人体正常生命活动不可缺少的必需微量元素之一，是许多酶的活性中心，亦是维生素B12的组分，可促进血红蛋白成熟，维持正常的造血功能。当体内铜的含量超过一定量时，会引起神经病变以及肝脏功能问题，因此铜的检测方法日益受到关注。基于此，要求学生对给定题目——基于催化动力学荧光分析法测定痕量铜的新方法实验开展探究性实验的设计，包括查阅与课题相关的各种分析方法的文献、拟定具体的分析方法和实验步骤等。

经过学生的先期讨论和筛选，大家一致认为，通过催化动力学荧光分析法测定痕量铜的新方法，具体可以采用过氧化氢、高碘酸钾、溴酸钾、过硫酸钾、硫酸高铈等作为氧化剂，采用醌亚胺类(如番红花红T、亚甲基蓝、中性红、灿烂甲酚蓝、劳氏紫等，如图1所示)、罗丹明类、三苯甲烷类等染料作荧光试剂，用铜作催化剂。根据反应速度不同可以选择水浴加热至一定温度或不加热。现以成功实施的高碘酸钾氧化番红花红T催化动力学荧光法测定痕量铜为例进行讨论。

荧光分光光度计、数显恒温水浴锅、数显酸度计。1.00 mg∙mL^-1铜(Ⅱ)标准储备液(配制时加入硫酸酸化，并逐级稀释成0.250 μg∙mL^-1的标准工作液)；0.50 g∙L^-1番红花红T溶液；0.10 mol∙L^-1高碘酸钾溶液；5 × 10^-3mol∙L^-1H₂SO₄溶液。

实验中依次将0.50 mL的0.01 mol∙L^-1的硫酸，0.50 g∙L^-1的番红花红T 0.50 mL，0.10 mol∙L^-1的高碘酸钾1.00 mL以及不同体积的铜(Ⅱ)标准工作液加入10 mL的比色管中，定容摇匀，在沸水浴中加热30 min，流水冷却至室温，在激发波长(λ_ex)为554 nm、发射波长(λ_em)为580 nm时测定体系的荧光强度F 和试剂空白F₀，并做出一定浓度范围的标准曲线。

由体系的荧光图谱(图2)可知，随着铜(Ⅱ)离子的加入，体系的荧光强度开始逐渐减弱，随着铜(Ⅱ)离子浓度的加大而减弱程度逐渐减小，可见铜(Ⅱ)对于体系具有一定的催化作用。同时体系的lg(F₀/F)在一定范围内与铜(Ⅱ)的浓度呈线性相关。体系的反应机理推测为，由于各物质的氧化还原电对的标准电极电势趋势为：E^{\begin{document} $\Theta $ \end{document}}(IO₄^-/IO₃^-,1.601 V) ＞ E^{\begin{document} $\Theta $ \end{document}}(Cu²⁺/Cu⁺,0.158 V) ＞ E^{\begin{document} $\Theta $ \end{document}}(ST_ox/ST_Red,-0.29 V)，铜电对的电极电势介于各反应物之间，所以可能的机理是高碘酸钾将番红花红T的还原态氧化为氧化态，同时生成碘酸钾，铜(Ⅱ)在该体系中作为催化剂存在。

在保持其他介质量不变的情况下，考查了酸度、番红花红T和高碘酸钾用量对实验结果的影响。合适的酸度能够确保高碘酸钾完全氧化番红花红T，依据实验方法，改变硫酸的用量，结果显示，当加入硫酸的量为1.00 mL时，体系的lg(F₀/F)较大且稳定；改变番红花红T用量，发现其加入量在0.50 mL时，体系的lg(F₀/F)较大，加入番红花红T的量不足时，反应迅速完成，不能体现催化剂铜(Ⅱ)的作用，过量时，多余的番红花红T会造成空白占用，都会影响最终结果。高碘酸钾作为氧化剂，其用量不够时，不能充分氧化番红花红T，多余的染料会造成体系的荧光强度变化不大，过量的高碘酸钾会使反应提前完成，不能体现催化剂的效果，同样不会达到实验预期的结果，实验中确定其最佳用量为1.00 mL。在最优的反应物用量条件下，在20-95 ℃之间每间隔5 ℃分别测定体系的荧光强度。实验表明，反应体系温度越高现象越明显。考虑到操作方便等因素，实验选择在沸水浴中进行。在沸水浴中进行改变反应时间的实验，在5- 60 min内测定体系的荧光强度。结果表明，在30-60 min内体系较为稳定，且lg(F₀/F)较大。实验选用反应时间为30 min后流水冷却至室温测定。

图2中体系的荧光标准曲线，在2.50 - 32.50 ng∙mL^-1范围内的线性方程为lg(F₀/F) =-0.036c(Cu²⁺) + 0.0417，相关系数为0.9990。

在该实验条件下，多数离子干扰较小，对于体系有影响的物质如铁离子，可加入一定量的掩蔽剂抗坏血酸等消除干扰。同时对黄河兰州桥段水样等实际样品进行分析，加标回收试验结果回收率在95%-105%之间，已达到微痕量分析实验结果的要求。

探究性实验的开展极大地调动了学生的学习积极性，学生普遍反映通过查阅大量资料和实验探究，学会了探讨、研究问题的方法和思路，增强了创新意识，培养了分析问题、解决问题的能力，是一种值得推广的实验教学方法。

在进行探究性实验设计教学时，前期的基础工作至关重要。实验课题的设计要以提高学生综合素质、培养学生掌握科学的学习方法和勇于创新为目的。要以来源于生产和生活的实际问题为实验设计题材。基于仪器分析实验课的探究性实验中，由于学生的起点较低，同时又受仪器本身性能参数等条件的制约，选题应由教师在较小范围拟定。能否达到预期的实验目的，在很大程度上取决于选题的切入点、大小、内涵和外延的界定。经验表明，至少要提前一个月左右开始进行文献查阅等工作。通过对文献信息的分析、取舍与综述，进行可行性分析后，才能进入实验阶段。在可行性分析时，教师必须根据自己已有的科研能力和实践经验，准确判断出新方法是否真正可行，对于把握性很低的方案，要在积极鼓励学生创造力的同时，坚决坚持重新设计、拟定切实可行的新方案；对于不够详尽的方案，教师尽可能只指出问题而少作改动，要求学生自己全部完善后，才能进行实施。否则，若放任由学生自己无原则地进行探究，学生在经历多次失败后，积极性会大为降低，无法达到探究性实验设计的教学初衷。总之，教师要在方法切实可行的条件下，尽可能地发挥学生的学习主体和主动作用，教给学生探究问题的思路，培养学生的科学态度和创新能力。