化学专业本科教育的中高年级，是让学生在掌握基础化学理论和实验技能的基础上接触和理解科研方法的重要时期。在化学实验教学中开设的研究型综合实验，应成为连通学生基础实验技能提升和科研素养训练的桥梁。然而，目前我国高校化学实验教学仍较多地集中于各个化学二级学科的基础实验课程，虽有部分综合性实验，但依然存在一些问题。首先，综合性实验的数量较少，现存的部分综合实验仅是相关基础实验的整合，而能够将多个化学分支学科融会贯通的实验项目，仍有待进一步扩充。其次，新时期的化学教学对促进学生综合创新素质的培养提出了更高要求，提升学生对科学研究的理解和兴趣是化学实验教学的重要任务，系统的、探索性的、问题导向的实验项目仍需开发。因此，巧妙地设计一些符合本科教学规律的新创实验，从而使学生能动地发挥自己的创造力，利用自己掌握的基础化学理论和基本实验技能，完成一定的探索性课题；并了解和体验完整的科研流程，认识相关学科的研究范式，掌握科学研究的方法论——这是在当前化学实验教学的实践中亟需解决的关键问题。

基于以上思考，本文将科研前沿成果融入转化到实验教学中，对与碳化钛介导原位还原的无标签可视化银离子检测相关的研究重新进行了设计，通过反复调整和验证，形成了一项涵盖材料合成、物性表征和实际应用在内的一整套、全链条的探索性综合创新实验。这弥补了本科基础实验教学中各项内容相割裂的弊端，从而有效地实现实验教学内容和教学方式的改革，提高实验教学质量。

银是一种重金属元素，其氧化会产生有毒的银离子(Ag⁺)，对人体及生物有着巨大危害^{[1, 2]}。目前，已发展出多种检测Ag⁺的技术，例如原子吸收/原子发射光谱、电感耦合等离子质谱、荧光法、比色法和电化学方法等^[3–5]。然而，上述大多数方法通常需要昂贵的大型仪器、复杂的实验过程以及熟练的操作技巧。等离激元金属(金、银等)纳米颗粒具有独特的光学性质，即由其局域表面等离激元共振引起的对特定波长光的吸收和散射。因其光谱易受到多种因素的影响，等离激元纳米颗粒已经被广泛地用于金属离子、小分子、DNA、蛋白质和酶等的检测之中^[6–8]。因此，设计原位生成的等离激元纳米颗粒作为比色传感平台，对于实现无标签传感策略具有重要意义。

碳化钛(Ti₃C₂)是近年来发展的一类新型二维材料，具有良好的导电性和亲水性，已在能源转化与存储、环境监测与修复等领域有了广泛的应用。同时，Ti₃C₂表面具有氧、羟基等封端基团，这赋予了其优异的还原性和对重金属离子的强吸附能力。因此，在本实验中，利用Ti₃C₂对Ag⁺的吸附作用以及Ti₃C₂将Ag⁺原位还原的机制，可生成银纳米颗粒(Ag NPs)，其独特的光学性质使得对Ag⁺进行无标签、可视化的检测成为可能。

这一探索性综合创新实验结合了实验教学和科研探索的特点，涉及到无机材料化学、仪器分析和物理化学等课程的相关理论知识，涵盖了部分基础化学实验操作，也应用了谱图解析、数据处理和图像处理等技术。在本实验项目16个学时的教学实践中，能够使学生熟悉科学研究中一个完整课题的探索过程，学会用掌握的理论知识分析和解释实验现象与结果，体验到科研成果在生产生活实际中的应用，并通过分组完成实验提高团队协作的能力。有助于利用化学实验教学促进学生对学科知识体系的融会贯通，也为学生毕业后在相关领域学术界和产业界的工作中展现良好科学素养打下坚实基础。

(1) 理解贵金属纳米颗粒的光学性质及在光谱分析法中的应用。

(2) 熟悉Ti₃C₂二维材料的制备与表面修饰方法，掌握相关设备的基本操作。

(3) 理解紫外-可见分光光度计的结构和原理，学会仪器使用方法和数据处理方式。

(4) 掌握标准加入法的使用和回收率的计算。

基于Ti₃C₂纳米片构建用于Ag⁺检测的无标签、可视化纳米等离激元传感平台。在该方法中，不需要预先合成比色探针，而是利用Ti₃C₂纳米片的还原性原位生成Ag NPs，产生纳米等离激元光学信号的输出。首先，将碳铝钛粉末在HF中进行刻蚀，经过离心、洗涤和超声等处理后得到Ti₃C₂纳米片。而后，利用聚丙烯酸(PAA)修饰Ti₃C₂纳米片，改善其对金属离子的亲和力与稳定性。最后，通过Ag⁺在纳米片上的原位还原形成Ag NPs，使溶液产生从灰色到棕褐色的颜色变化，从而以比色法检测Ag⁺。

反应后样品溶液体系的紫外-可见吸收光谱中在波长450 nm的位置有最大的消光强度，表明了Ag NPs的产生。同时，根据朗伯-比尔定律(A = εbc)建立吸光度与浓度的关系。其中A为吸光度；ε为摩尔吸光系数，表示浓度为1 mol∙L⁻¹、介质厚度为1 cm的吸光物质对光的吸收能力；b为介质厚度，单位是cm；c为溶液浓度，单位是mol∙L⁻¹。

以已知不同浓度的Ag⁺反应后得到一系列样品溶液，测定这些溶液体系在450 nm的吸光度，即可通过拟合建立定量Ag⁺浓度的工作曲线，并确定其线性范围及检测限。检测限的计算为LOD = 3σ/S，其中LOD为检测限，σ为空白样品信号的标准偏差，而S是标准曲线的斜率。此外，通过添加回收实验，利用标准加入法，可以测定未知样中Ag⁺浓度。

同样地，将溶液的吸光度转换为从反应后溶液体系数码照片中的样品颜色提取出的RGB三原色值，也有同样的正比例关系，即V = kbc，其中V为样品照片提取出的RGB值，k表示含有浓度为1 mol·L⁻¹、介质厚度为1 cm的吸光物质对应的RGB值。研究表明本实验中应采取蓝色通道的Blue值^[9]。因此，在实际操作中，只需要处理样品的照片就可以获得较为准确的结果。

Ag⁺的氧化性和相应还原产物Ag NPs的光学特性，使该方法对Ag⁺的检测具有良好的特异性，这将以可能与Ag⁺共存于真实水样中的干扰离子来测试验证。

本实验所用试剂见表 1。

烧杯(100 mL)、离心管(1 mL、50 mL)、移液器(10 μL、100 μL、1000 μL)、透析袋(10 kDa)。本实验所用其他仪器见表 2。

将1.5 g LiF缓慢添加到20 mL 9 mol∙L⁻¹ HCl中，搅拌直到LiF完全溶解。在10 min内分多次缓慢加入2.0 g Ti₃AlC₂粉末。将反应体系保持在35 ℃并搅拌24 h以确保对Al的刻蚀。以5000 r∙min⁻¹转速离心5 min后在室温下用超纯水洗涤沉淀，重复3–5次，至pH达到5.0–6.0。将所得固体再次分散在30 mL超纯水中并振摇30 min，然后以3500 r∙min⁻¹转速离心5 min。保留上清液以去除未分层的Ti₃C₂。测定紫外-可见吸收光谱。将悬浮液储存在4 ℃冰箱。

分别用紫外光谱、红外光谱、透射电子显微术、X射线衍射等对Ti₃C₂进行表征。紫外、红外光谱学生可以学生自己操作，透射电子显微术、X射线衍射可由学生负责样品制备，教师负责测试。

利用聚丙烯酸(PAA)对Ti₃C₂纳米片进行表面改性。将PAA (M_W = 3000)和Ti₃C₂纳米片的混合物(1 : 7，V/V)在N₂气氛下超声处理5 h，得到PAA修饰的Ti₃C₂纳米片(称为Ti₃C₂-PAA)。以5000 r∙min⁻¹转速离心5 min，保留上清液，并将其透析(保留分子量为10 kDa) 24 h以除去过量的PAA。将最终获得的Ti₃C₂-PAA储存在4 ℃冰箱。

(1) Ti₃C₂与Ag⁺的反应。

将超纯水、Ti₃C₂-PAA (120 μg∙mL⁻¹)和相应的Ag⁺溶液(表 3)混合，总体积保持在1 mL。震荡摇匀1 min，放入预热好的50 ℃恒温水槽反应40 min。

(2) 紫外-可见分光光度分析。

测定每个样品溶液的紫外-可见吸收光谱。记录450 nm的吸光度数据，将各样品的吸光度对Ag⁺浓度线性拟合，从而建立标准曲线，并计算Ag⁺的检测限。

(3) 数码照片分析。

将上述各样品溶液置于相同厚度的比色皿内，使用智能手机等设备在微型摄影棚内拍摄照片。拍摄时相机采用手动曝光模式，曝光参数及摄影棚的光照参数均保持一致。用图片RGB分析程序提取各样品图像上Blue通道的数据，并作Blue值-浓度标准曲线。

以Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Al³⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺和Fe³⁺等九种金属离子为干扰离子，在上述体系中加入其硝酸盐考察此检测方法对Ag⁺的特异性。(1) 单一离子实验：在1 mL体系中，向120 μg∙mL⁻¹的Ti₃C₂-PAA分别加入200 μmol∙L⁻¹的Ag⁺或干扰离子；(2) 共存离子实验：在1 mL体系中，向120 μg∙mL⁻¹的Ti₃C₂-PAA溶液中加入200 μmol∙L⁻¹的Ag⁺后，再加入200 μmol∙L⁻¹干扰离子。在50 ℃下恒温反应40 min，用紫外光谱仪测试各组样品。

为了评估该比色检测系统对实际水样中Ag⁺的检测能力，选用自来水作为真实水样代替超纯水进行测试。在标准添加回收实验中，将浓度范围为0–300 μmol∙L⁻¹的Ag⁺标样添加到真实样品中，再使用上述检测方法进行分析。

Ti₃C₂纳米片溶液为黑色，紫外-可见光谱显示400–1000 nm之间存在宽吸收(图 1)。根据本实验中Ti₃C₂在775 nm处的吸光度为0.45，可计算出Ti₃C₂纳米片(ε_{775 nm} = 27.5 L∙g⁻¹∙cm⁻¹)的浓度。使用PAA对Ti₃C₂纳米片改性后，紫外-可见光谱无明显变化。红外光谱显示667 cm⁻¹和466 cm⁻¹处存在Ti―O和Ti―C的特征峰，同时在1181 cm⁻¹存在较明显的C―O伸缩振动峰。

从反应后体系的紫外-可见光谱(图 2a)中可以看出，Ag NPs在450 nm处的局域表面等离激元共振特征峰逐渐增强，这对应于溶液的颜色从浅灰色到棕褐色的变化。需要指出的是，原来的浅灰色来自稀释的Ti₃C₂-PAA溶液，棕褐色是Ti₃C₂-PAA的浅灰色和生成的Ag NPs特征性黄色的混合。依据450 nm处吸光度随Ag⁺浓度增加的改变，可以绘制Ag⁺离子检测的标准曲线(图 2b)。可以发现，在Ag⁺浓度5–300 μmol∙L⁻¹范围内存在良好的线性关系(R² = 0.999)，并且计算出检测限为0.912 μmol∙L⁻¹。

为了验证这种比色方法在便携式传感中的潜力，由手机拍摄最终反应溶液的照片(图 2c)。可通过图片RGB分析程序提取照片中各样品的蓝色(Blue)通道数值。将Blue值与Ag⁺浓度作图，绘制标准曲线(图 2d)。其线性范围为5–100 μmol∙L⁻¹，检测限为0.772 μmol∙L⁻¹，这与使用精密仪器的分析结果大致相当。

学生需要在理解实验原理及反应过程的基础上，使用朗伯-比尔定律来建立待测物浓度和体系吸光度的关系，这在实际应用中加强了学生对朗伯-比尔定律的掌握。用智能手机解析样品的测试结果，不仅增加了实验趣味性，更能促进学生思考其中蕴含的光学分析基本原理。在对吸收光谱的分析方法中，紫外-可见分光光度法的优点是精确度高，数码摄影RGB分析的优点是便捷而成本低。另外，通过这一研究实例，使学生掌握分析化学研究中确定线性范围和计算检测限的处理方法。

在碳化钛溶液中分别加入Ag⁺或其他干扰离子后进行反应。结果表明，加入Ag⁺的体系中吸光度较高，而加入其他金属离子后的吸光度很低，与空白对照样品基本一致(图 3a)。同时，在相应的数码照片中可以看到样品之间存在明显的色差(图 3b)。这表明此传感策略具有很高的选择性。

Ag⁺与干扰离子共存时的竞争性试验结果如图 4所示。在Ag⁺及不同金属离子混合体系中，450 nm处的吸收非常接近(图 4a)，照片中不同体系的颜色基本相同(图 4b)。应注意，其中含Fe³⁺的样品的吸光度略有下降，这可能是由于Fe³⁺具有相对较强的氧化性所致。以上结果表明，此方法具有良好的特异性，其他金属离子的存在不会对Ag⁺的检测的产生干扰。

在典型的纳米传感分析研究中，一种传感策略对检测目标物的特异性与灵敏度同等重要，都是评价分析方法优劣的重要指标。本部分实验内容意在以该领域的科研课题为例，传授给学生分析化学的研究范式。而在实验时，可以要求学生自行探索，选取合理干扰离子的种类并设计实验体系，从而熟练其测定方法。

在一系列真实水样中，随着Ag⁺浓度的增加，样品发生了明显的颜色变化，紫外光谱中450 nm处吸光度显著增加。实际样品中Ag⁺的回收率在96%至105%之间(表 4)。这说明该检测体系可以实现实际水样中Ag⁺的高灵敏检测。

选取真实样品进行测试是验证一种新型分析方法是否具有实际使用意义的基本方式。在本实验中，学生由此可以进一步掌握标准加入法和添加回收实验的处理思路和应用场景，从而体会化学研究方法论如何指导化学科学研究过程，牢固确立理论联系实际原则，学以致用。

本实验涉及到无机纳米材料的制备与修饰、多种表征手段的使用、分析方法的建立与拓展应用等环节，建议以综合实验或专业高级实验的形式在本科三年级开设。在上课前要求学生预习，了解实验原理并完成资料调研与阅读。课堂上的实验过程以小组为单位进行，2人一组合作完成。建议总学时为16小时，其中：(1) Ti₃C₂纳米片的合成，4小时；(2) 纳米材料的表面修饰与表征，4小时；(3) Ag⁺溶液配制、反应，以及灵敏度、选择性等分析化学测试，6小时；(4) 实际未知样品的测定，2小时。需要指出的是，在本实验的材料制备环节中，部分样品处理过程需要较长时间，总计16个学时可以灵活安排，分次完成。

本实验过程中要注意以下事项：硝酸银见光易分解，应用锡纸包裹避光，现配现用；氟化锂有毒，吸入或与皮肤接触时有毒害，操作时应佩戴口罩及手套。

该实验是在充分调研目前化学实验教学的迫切需要的基础上，选取了切合本科教学实际的科研前沿成果，将分析化学的新方法、新技术融入到本科综合实验的教学内容之中。通过反复验证和改进优化，提出了完善的、重现性好的、适宜本科教学的研究型综合实验设计。本实验所需试剂相对廉价且易于从国内试剂提供商购得，开展成本较低。以一个教学班级30人计，15组实验所需试剂的成本在1000元人民币以内。该实验内容已经于近一年在本校大学生创新创业训练计划项目中进行了多次尝试，实验复现性高，取得了良好的效果。

在理论讲解中，学生通过查阅文献，可以理解和掌握二维无机材料合成与性质、贵金属纳米颗粒的光学特性及在光谱分析中的应用等相关理论知识。在实验操作中，不仅将无机材料的合成以及常用设备的基本操作有机结合，还将分析仪器的使用和数据处理的方法等科研过程呈现给学生，同时在整个实验过程中引入了实验条件优化与数据分析等环节。如上内容在整个实验项目中相互配合，使学生在获得实验技能训练的同时，掌握纳米传感分析领域的科学研究方法，有利于培养学生的综合实验能力，提升学生的探索精神和创新思维。而且，该实验设计最终应用于生活中真实样品的测试，体现了科研工作在生产生活中的现实意义。在实验课程的教学中融入思政元素，能够让学生扎牢科学研究应服务于社会和国家需要的深刻意识，激发他们从事科研工作的热情，树立正确的价值观。

本文介绍了一个研究型综合实验，集材料合成、表征、分析方法建立与应用于一体，为学生举例呈现了科研工作的全过程。特别是其中使用到智能手机处理结果，有助于学生理解光学分析基本原理，激发其对科学探索的兴趣。另外，实验最后用于检测实际样品中的Ag⁺，贴近生活，增强趣味，能够有效启发学生思考科学研究的意义。