王小燕，戴冬梅，劉潤澤，卜弘凱，王彥杰，李會平，李明華，高洪濤

青島科技大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，山東 青島 266042

1 引言

“離子選擇性電極法測定自來水中微量氟”實(shí)驗(yàn)，通常是為化學(xué)、化工、材料、環(huán)境等理工類專業(yè)的低年級本科生開設(shè)的經(jīng)典基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)之一。學(xué)生經(jīng)過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，很快就可完成系列氟標(biāo)準(zhǔn)溶液及水樣配制、電動勢測定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)安排對于學(xué)生來講內(nèi)容單一，難度較低，正常學(xué)時(shí)內(nèi)給予學(xué)生的技能訓(xùn)練和能力培養(yǎng)不足。因此，我們將測定對象改為茶葉及茶水，重新設(shè)計(jì)并優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)過程，拓展、增加具有研究性、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及通識內(nèi)容，通過合理“增負(fù)”，增加該實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)度[1–3]。

離子選擇性電極法測定茶葉及茶水中氟含量的方法原理、基本操作與原實(shí)驗(yàn)相同，但自來水中氟含量測定操作簡單，水樣不需前處理即可直接測定。而茶葉樣品中氟的存在形態(tài)有水溶性和非水溶性兩種，測定全氟含量需用高氯酸溶液處理茶葉樣品；測定茶葉中水溶性(茶水)氟含量，需優(yōu)化溶解條件。此外，茶葉中含有多種干擾氟含量測定的金屬元素，其中以鋁的影響最大。茶葉是富鋁植物，葉片含量可達(dá)2%–3% (干重)[4]。所以有效消除干擾，也是實(shí)驗(yàn)重要內(nèi)容之一。實(shí)驗(yàn)中還對五類茶(紅茶、綠茶、黃茶、白茶和黑茶)的代表性名茶進(jìn)行了氟含量測定，并與世界衛(wèi)生組織對氟攝入量推薦量相對比，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性。此外，在離子選擇性電極法測氟的應(yīng)用領(lǐng)域及微量氟的其他檢測方法等方面將該實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步拓展和延伸。

與原實(shí)驗(yàn)相比，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，以獨(dú)特的視角培養(yǎng)了學(xué)生的科研思維及創(chuàng)新性思維，激發(fā)了學(xué)生的科研興趣及創(chuàng)新潛力，切實(shí)體會到學(xué)以致用的成就感。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

氟是人體必需的微量元素之一，適量的氟對人體骨骼和牙齒的發(fā)育有益，但氟攝入過多，對人體健康造成危害[5]。茶樹是富集氟的植物，葉片是氟累積的主要部位，茶葉中氟含量較高，不同種類的茶葉氟含量有明顯差異[6]。因此，測定茶葉及茶水中的氟含量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

氟離子選擇性電極是一種電化學(xué)傳感器，它將溶液中待測離子的活度轉(zhuǎn)換成電位信號。氟離子選擇性電極的敏感膜是LaF3單晶膜，內(nèi)裝0.1 mol·L–1NaCl-0.1 mol·L-1NaF內(nèi)參比溶液，Ag-AgCl為內(nèi)參比電極。測定F-濃度的方法與測定pH的方法相似。

當(dāng)氟電極插入溶液時(shí)，其敏感膜對F-產(chǎn)生響應(yīng)，在膜和溶液間產(chǎn)生一定的膜電位：

在待測溶液中插入氟電極(指示電極)和飽和甘汞電極(參比電極)，組成工作電池：

25 °C時(shí)電池電動勢為：

電池電動勢E在一定條件下與F-活度的對數(shù)值成直線關(guān)系，即

式中K'值為包括內(nèi)、外參比電極的電位、液接電位等的常數(shù)。通過測量電池電動勢可以測定F-的活度。實(shí)驗(yàn)中一般測定的是濃度，根據(jù)a(F-) =γc(F-)，當(dāng)溶液的總離子強(qiáng)度不變時(shí)，離子的活度系數(shù)γ為一定值，即

由公式(4)可知，E與F-的濃度的對數(shù)值成直線關(guān)系。為控制溶液的離子強(qiáng)度恒定、酸度合適且消除干擾離子，在測定氟離子的濃度時(shí)，常在標(biāo)準(zhǔn)溶液與試樣溶液中同時(shí)加入相等的足夠量的總離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)緩沖溶液(TISAB)。本實(shí)驗(yàn)TISAB組成為NaAc+檸檬酸鈉。

當(dāng)F-濃度在10-1–10-6mol·L-1時(shí)，E與pF (F-濃度的負(fù)對數(shù))成直線關(guān)系，可用標(biāo)準(zhǔn)曲線法或標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行測定。

2.2 實(shí)驗(yàn)試劑及材料

實(shí)驗(yàn)試劑及材料詳見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)試劑及材料

2.3 實(shí)驗(yàn)儀器

主要實(shí)驗(yàn)儀器詳見表2。

表2 主要實(shí)驗(yàn)儀器

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟/方法

2.4.1 氟離子標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制及電動勢測定

將氟離子標(biāo)準(zhǔn)貯備液(1000 μg·mL-1)稀釋，得到100 μg·mL-1和10 μg·mL-1的F-標(biāo)準(zhǔn)使用液。準(zhǔn)確移取10 μg·mL-1F-標(biāo)準(zhǔn)溶液1.00、6.00、10.00 mL于3個(gè)100 mL容量瓶中，準(zhǔn)確移取100 μg·mL-1F-標(biāo)準(zhǔn)溶液2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mL于5個(gè)100 mL容量瓶中，分別加入25 mL TISAB，定容、搖勻。得到0.10、0.60、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 μg·mL-1的F-標(biāo)準(zhǔn)溶液。

將標(biāo)準(zhǔn)系列溶液按低濃度到高濃度依次轉(zhuǎn)入聚乙烯燒杯中，插入氟電極和飽和甘汞電極，用電磁攪拌器攪拌1 min，停止攪拌，讀取平衡電位E，做出E–lgcF標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.4.2 茶葉氟含量的測定

按照農(nóng)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)NY/T 838-2004，用氟離子選擇性電極法測定茶葉中的氟含量[7]：

準(zhǔn)確稱取一定量制備的茶樣于聚乙烯燒杯中，加入25 mL 0.1 mol·mL-1高氯酸溶液，攪拌30 min，繼續(xù)加入12.50 mL TISAB，插入氟電極和飽和甘汞電極，攪拌30 min。讀取E值，計(jì)算氟含量。

2.4.3 茶水氟含量的測定

準(zhǔn)確稱取一定量的某茶樣于燒杯中，加入一定量去離子水，置于恒溫水浴鍋中保溫30 min。將冷卻后的茶水轉(zhuǎn)入100 mL容量瓶中，洗滌茶渣后定容搖勻。

準(zhǔn)確移取一定量的茶湯于50 mL容量瓶中，準(zhǔn)確加入一定體積的TISAB，定容，搖勻，氟離子選擇性電極法測定其中氟含量。

在不同的實(shí)驗(yàn)條件(茶水比，沖泡溫度，沖泡時(shí)間，沖泡次數(shù)及茶葉粒度)下測定茶水的氟含量。測定茶葉及茶水中的氟含量，所用樣品均為某綠茶。

計(jì)算茶葉氟的浸出率，計(jì)算公式如下：

3 結(jié)果與討論

3.1 樣品中共存離子的干擾與消除

茶葉中含有的Ca2+、Mg2+、Fe3+、Al3+等能與F-生成沉淀或配合物，干擾測定，需加入檸檬酸鈉、EDTA等掩蔽劑消除干擾，本實(shí)驗(yàn)選擇檸檬酸鈉為掩蔽劑。通過加入TISAB，消除干擾的同時(shí)控制酸度。

3.2 茶水比對茶中氟浸出的影響

分別準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的茶樣，加入一定體積的去離子水，使茶水比分別為1 : 25、1 : 50、1 :75、1 : 100、1 : 125，置于80 °C恒溫水浴鍋中恒溫后，按2.4.3實(shí)驗(yàn)方法測定茶水中的氟含量。

由表3可知，茶水比越小，茶葉氟的浸出率越高，結(jié)合人們?nèi)粘５娘嫴枇?xí)慣，確定適宜的茶水比為1 : 75。

表3 茶水比對茶水氟含量的影響

3.3 沖泡溫度對茶中氟浸出的影響

固定茶水比1 : 75，在不同沖泡溫度下，測定茶水中的氟含量，計(jì)算茶葉氟的浸出率。

如表4所示，沖泡溫度越高，茶葉氟的浸出率越高，但沖泡溫度過高，會破壞茶葉中其他營養(yǎng)物質(zhì)和有益成分，而且不同種類的茶適宜的沖泡溫度也有差別，實(shí)驗(yàn)確定茶的沖泡溫度為80 °C。

表4 沖泡溫度對茶水氟含量的影響

3.4 沖泡時(shí)間對茶中氟浸出的影響

固定茶水比1 : 75，沖泡溫度80 °C，改變茶的沖泡時(shí)間，測定茶水中的氟含量，計(jì)算茶葉中氟的浸出率。

從表5結(jié)果可知，沖泡時(shí)間由10 min增加到50 min，茶中氟的浸出率增加了19.68%，考慮人們?nèi)粘ｏ嫴铔_泡等待時(shí)間約5–15 min，本實(shí)驗(yàn)茶水沖泡時(shí)間控制為15 min。

表5 沖泡時(shí)間對茶水氟含量的影響

3.5 沖泡次數(shù)對茶中氟浸出的影響

準(zhǔn)確稱取3份茶樣于3個(gè)100 mL燒杯中(茶水比為1 : 75)。另取3個(gè)100 mL燒杯，分別加入80 mL去離子水，置于80 °C的恒溫水浴鍋中恒溫后，將去離子水倒入盛有茶樣的燒杯中，水浴恒溫10 min后，得到?jīng)_泡一次后的茶水。另取80 mL 80 °C去離子水，加入盛有茶渣的燒杯中，水浴中繼續(xù)恒溫10 min，為第二泡茶水。以此類推，得到第三、四、五泡茶水。

由表6可知，沖泡次數(shù)越多，茶水中的氟含量越低。第一泡茶水是第二泡茶水氟含量的4倍。因此對于黃茶和白茶等氟含量較低的茶，可直接飲用第一泡的茶水。但對于黑茶和普洱磚茶等氟含量較高的茶，可棄去第一泡茶水，飲用第二泡茶水，且宜采用沖泡而不是熬煮的方式，以降低氟的溶出率[8]。

表6 沖泡次數(shù)對茶水氟含量的影響

3.6 茶葉粒度和氟浸出率的關(guān)系

相同實(shí)驗(yàn)條件下，分別測定研碎過40目篩的茶葉與茶葉原葉的氟含量，并進(jìn)行對比。

由表7結(jié)果可知，粉碎過篩后的茶沖泡時(shí)溶出氟的量比茶葉原葉略高，沖泡時(shí)間30 min時(shí)，浸出率相差最大為11%。

表7 茶葉粒度及沖泡時(shí)間對茶水氟含量的影響

3.7 五類茶氟含量的測定

在確定的實(shí)驗(yàn)條件下，分別測定了黃茶、白茶、紅茶、綠茶和黑茶的五種代表性茶樣的氟含量及茶葉氟的浸出率。

由表8可知，黃茶樣品浸出的氟含量最低，而所測黑磚茶浸出的氟含量是綠茶氟含量的十倍還多，主要原因是黑茶是加工成茶磚的粗茶。而根據(jù)我國農(nóng)業(yè)部《茶葉中鉻、鎘、汞、砷及氟化物限量》(NY659-2003)[9]中的規(guī)定：每公斤茶葉中氟化物含量應(yīng)低于200 mg，該黑磚茶已超標(biāo)近7倍。世界衛(wèi)生組織推薦的人均每天適宜的氟攝入量為2.5-4.0 mg，而中國居民膳食氟適宜攝入量為成人每天1.5 mg，可耐受最高攝入量為成人每天3.0 mg[10]。如此推算，這幾類茶的攝入量上限分別是：黃茶，94 g；白茶，33 g；紅茶，24 g；綠茶，14 g；黑茶，1 g。因此，除了飲用黑茶時(shí)要注意少量，飲用其他茶一般不會有氟攝入過量的風(fēng)險(xiǎn)。對于氟含量較高的黑茶，為防止氟中毒，最好每日飲用不要超過1 g，或在飲用時(shí)棄去第一次沖泡的茶水。此外，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析，五類茶中除了黑茶，為何嶗山綠茶的氟含量最高？

表8 五類茶氟含量的測定

3.8 實(shí)驗(yàn)拓展與延伸

(1) 離子選擇性電極法除了測定茶葉或茶水中的氟含量，還能用于測定哪些實(shí)際樣品呢？我們選取了某河水、某尿樣、某品牌牙膏，通過標(biāo)準(zhǔn)加入法分別測其氟含量，結(jié)果見表9。由此可知，離子選擇性電極法可廣泛應(yīng)用于環(huán)境、醫(yī)學(xué)、日用化學(xué)品等領(lǐng)域。

表9 不同樣品氟含量的測定

(2) 隨著化學(xué)學(xué)科的發(fā)展，除了離子選擇性電極法測定微量氟，還有哪些檢測方法呢？它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？學(xué)生帶著問題去查閱資料，展開討論，最后教師總結(jié)，向?qū)W生介紹一些在權(quán)威期刊上發(fā)表的具有代表性的檢測方法，如分光光度法[11]、離子色譜法[12]等，拓展學(xué)生的視野，調(diào)動學(xué)生的科研探索的興趣。

4 結(jié)語

(1) 如表10所示，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)，更加貼近生活，內(nèi)容從單一樣品測定改變?yōu)槎囗?xiàng)條件實(shí)驗(yàn)和多樣品定量測定。要求學(xué)生學(xué)習(xí)文獻(xiàn)查閱、茶葉樣品的前處理、體系中共存干擾物的消除、實(shí)驗(yàn)條件確定、實(shí)驗(yàn)結(jié)果評價(jià)等科研的基本步驟和方法。通過整理數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)總結(jié)，以小論文形式書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。和原來的實(shí)驗(yàn)要求相比較，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的廣度、難度和深度均有所提高，且理論密切聯(lián)系實(shí)際，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱忱，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能得到拓展與升級。

表10 改進(jìn)前后實(shí)驗(yàn)對比

(2) 本實(shí)驗(yàn)操作簡便，有利于本科教學(xué)推廣，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表11分三步進(jìn)行。

表11 建議實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

三步循序漸進(jìn)，全班同學(xué)分工協(xié)作，可操作性強(qiáng)。該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，不僅鞏固了稱量、移液、定容、研磨、過篩、酸度計(jì)的使用等基本操作，而且避免了“照方抓藥”式教學(xué)，使本實(shí)驗(yàn)由一個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)升華為在教師引導(dǎo)下的探究性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新性思維。教學(xué)實(shí)踐證明學(xué)生對該實(shí)驗(yàn)興趣濃厚，教學(xué)效果良好。

5 創(chuàng)新性/特點(diǎn)/特色聲明

與大學(xué)低年級學(xué)生的知識、操作水平相適應(yīng)，以能力發(fā)展與思維培養(yǎng)為目標(biāo)，對現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，具體包括：

(1) 增加茶葉氟浸出率的影響因素等研究性內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的科研思維；

(2) 五類名茶氟含量測定及實(shí)驗(yàn)拓展，學(xué)以致用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力；

(3) 茶與健康通識內(nèi)容的滲透，提高實(shí)驗(yàn)趣味性，培養(yǎng)學(xué)生的健康意識。