仪器分析实验“衰减全反射傅里叶变换红外光谱法区分环保塑料袋”的教学探索与实践
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摘要
在当今社会，环境保护已成为全球共同关注的焦点问题。随着人们环保意识的不断提高，对环保产品的需求也日益增长。环保塑料袋作为一种与人们生活息息相关的重要环保
在当今社会，环境保护已成为全球共同关注的焦点问题。随着人们环保意识的不断提高，对环保产品的需求也日益增长。环保塑料袋作为一种与人们生活息息相关的重要环保产品，其准确鉴别对于推动环保事业的发展具有重要意义[1]。大学仪器分析实验课程作为培养未来化学及相关专业人才的重要环节，肩负着传授先进方法和技术、塑造科学思维、锻炼实践能力以及提升学生综合素养的重任[2][3][4]。随着科技的进步，先进的仪器分析技术在材料科学、环境监测、食品安全等领域都有着广泛的应用。然而如何将这些技术与实践应用相结合，有效地融入专业教学，一直是教育者们不断探索的问题。为此，我们教学团队结合多年的教学实践，以“衰减全反射傅里叶变换红外光谱法区分环保塑料袋”为主题，对教学设计、教学内容和教学实践展开深入探讨，旨在通过这一具体的实验案例，为仪器分析实验课程的教学改革提供有益的借鉴。该实验已在我校2019,2020,2021和2022级化学、应用化学等专业学生中开设，累计600余人，受到学生的一致好评。
衰减全反射傅里叶变换红外光谱技术(ATR-FTIR)作为一种先进的仪器分析方法，具有简便快捷、高灵敏度及高分辨率等独特优势。利用这一先进技术对环保塑料袋进行区分，不仅能让学生接触到前沿的分析方法和科学仪器，还能激发他们对科学研究的热情和兴趣。在实验过程中，学生得以亲身体验科技的魅力，亲眼见证如何通过先进技术迅速准确解析物质结构，并辨别材料的差异。此种直观的学习体验有益于学生更为深入地理解理论知识，实现抽象概念与实际操作的有机结合。同时，利用ATR-FTIR技术区分环保塑料袋亦为学生提供了将课堂知识应用于解决实际问题的契机。学生能够通过对不同类型塑料袋的光谱分析，深入了解可降解材料与不可降解材料的化学组成差异。通过这样的实验教学，学生能够在实践中学习、在学习中实践，实现知识与技能的双重提升。更为重要的是，将环保塑料袋的区分作为教学主题，还能有机融入环保相关的思政教育。一方面，可使学生深刻认识到环保的重要性与紧迫性，增强自身的环保意识；另一方面，也能够培养学生的社会责任感，让他们意识到自己作为未来的专业人才，有责任为环境保护和可持续发展贡献力量。
2 实验设计
2.1 实验教学目标
2.1.1 专业知识与技能目标
要求学生掌握红外光谱法测定有机化合物结构的基本原理；熟悉傅里叶变换红外光谱仪的工作原理；掌握ATR-FTIR的工作原理、仪器构造与操作方法；学会利用该技术采集可降解与不可降解塑料袋的红外光谱，通过数据处理与分析，能够准确识别两类塑料袋的特征吸收峰并做出正确辨别结论。
2.1.2 思政教育目标
培养学生的环保意识和社会责任感，让学生明白作为未来社会的专业人才，在材料研发、质量检测等领域应承担的责任与使命，同时帮助学生养成实事求是的科学精神、严谨认真的科学态度以及规范自律的职业素养。
2.2 实验原理
红外光谱作为一种典型的分子光谱，亦被称为分子振动-转动光谱。在实验条件下，当以频率连续变化红外光辐照某物质分子时，倘若红外辐射光量子具有的能量等于分子振动能级能量差并且分子振动时伴随偶极矩的变化，该物质分子吸收红外光发生振动和转动能级的跃迁，最终产生红外光谱上相应的吸收峰[5][6][7]。红外光谱法的应用范畴颇为广泛，不仅能够能依据分子的特征吸收峰，精准鉴定化合物的分子结构，还能进行定量分析，是化学、材料科学、生物学等诸多领域最常用的检测手段之一。
ATR-FTIR是一种特殊的红外光谱测试技术，其核心原理也基于分子对红外光辐射的吸收，引起分子振动和转动能级的跃迁。如图1所示，在测试过程中，红外光以大于临界角的角度从光密介质(如晶体)进入光疏介质(如样品)时，若入射角超过临界角，便会发生全反射现象。在全反射的过程中，一部分红外光能以渐逝波的形式穿透样品至一定深度，并与样品中的分子发生相互作用。这种相互作用导致反射回来的红外光在特定频率处出现衰减，从而获得样品表层化学成分的结构信息。ATRFTIR得到的光谱与透射红外光谱相似，但ATR-FTIR是一种基于光反射原理的表面分析技术，能够提供样品表面及近表面区域的化学信息[7]。
图1衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)的原理
ATR-FTIR的一个显著特点在于对测试样品并无特殊要求，几乎无需进行前处理，且对样品不具有破坏性。对于诸如难溶、难粉碎样品、表面涂层、腐蚀性液体以及活性生物组织等一些难以通过透射红外光谱进行测试的样品，ATR-FTIR能够直接进行测试。此外，ATR-FTIR具有较高的灵敏度和分辨率，在微量成分的检测以及复杂混合物的分析方面亦能取得良好效果。
不可降解塑料袋通常由聚乙烯、聚丙烯等传统材料制成。聚乙烯由乙烯单体聚合而成，分子链是C―C单键相连，聚丙烯分子链主要是C―C单键连接的甲基和亚甲基组成。二者化学结构稳定，能抵抗自然因素影响，不能被微生物降解，会对土壤、水源和空气造成长期污染，对地球的生态平衡和环境健康产生了巨大的威胁[8]。相比之下，可降解塑料袋通常以聚乳酸为主要材料，聚乳酸是由乳酸单体聚合而成，分子链中含有酯键。在自然环境中，微生物可以分泌相应的酶来水解酯键，最终得以完全降解为二氧化碳和水，不会对土壤、水源等造成长期污染，具有显著的环保优势。然而，在塑料制品市场中，不可降解塑料袋因成本低廉，价格常常低于环保塑料袋。部分不良商家为了追逐更高的利润，便利用这一价格差异，将普通塑料袋伪装成环保塑料袋进行销售。此种行为不但扰乱了市场秩序，给消费者带来诸多困扰，还严重阻碍了环保事业的推进。鉴于可降解塑料袋与不可降解塑料袋在化学结构组成上存在差异，它们的红外光谱也相应地具有不同的特征吸收。由此，通过对比二者的红外光谱，判定样品的主要成分，便能够实现对可降解与不可降解塑料袋的区分。
2.3 实验仪器与试剂
配备衰减全反射(ATR)附件的德国Bruker Tensor 27红外光谱仪；擦镜纸；剪刀；无水乙醇；不可降解塑料袋样品(如聚乙烯、聚丙烯材质)和可降解塑料袋样品(如聚乳酸材质)如图2所示。
图2不可降解塑料袋样品和可降解塑料袋样品
2.4 实验步骤
2.4.1 仪器开机与预热
检查实验室的温度和湿度状况，同时对仪器的电源以及数据线等连接情况进行确认。打开仪器电源开关，等待仪器完成自检和预热过程。
2.4.2 样品放置与测试
(1)清洁ATR晶体：使用无尘布或擦镜纸蘸取少量乙醇，轻轻擦拭ATR晶体表面，去除可能存在的杂质和污染物，确保晶体表面干燥、洁净。
(2)实验参数设置：打开光谱仪操作软件(OPUS)，设置扫描范围为4000–400 cm-1，分辨率为4 cm-1，扫描次数为32次，以保证光谱的准确性和信噪比。
(3)空白背景测定：启动傅里叶变换红外光谱仪，进行空白背景光谱的采集，并将其存储在计算机中，作为后续样品测量的背景参考。
(4)样品测量：挑选塑料袋样品上洁净、表面平整，并且未沾染印刷油墨以及不存在胶黏剂残留的特定部位。用剪刀将塑料袋样品剪成大小合适的片状，确保能完全覆盖ATR晶体的表面。使用少量乙醇将塑料袋样品表面擦拭干净、晾干，平整放置在ATR晶体上，调整压力杆的位置使样品紧密地压在晶体表面，确保良好的光学接触。保持与空白背景测量相同的参数设置，采集样品的红外光谱数据。
2.5 实验注意事项
(1) ATR晶体是衰减全反射实验的关键部件，价格昂贵且容易损坏。在放置和更换样品时，务必谨慎小心，实验过程中不要触摸ATR晶体表面，防止污染和损坏。
(2)样品表面应保持平整、清洁，避免有污渍、划痕等，以免影响光谱质量，影响实验结果的准确性。
(3)放置样品时，要确保样品与ATR晶体表面紧密接触，避免产生空气间隙。
(4)每次更换样品后，需等待仪器稳定后再进行扫描，以保证光谱的准确性。
2.6 数据处理与分析
2.6.1 数据导入与处理
采用红外光谱分析软件对采集到的样品光谱数据进行预处理，包括基线校正、平滑处理等操作，以提高光谱的质量和可读性。而后启动软件的峰位标注功能，确定样品光谱中每个吸收峰的波数位置。仔细检查标注的准确性，如有需要可以手动调整。标注完成后保存并打印图谱。
2.6.2 特征峰识别与对比
聚乙烯、聚丙烯以及聚乳酸材质的塑料袋，其红外光谱在特征峰的位置、强度和形状等方面表现出显著的差异(图3)。
聚乙烯材质塑料袋的特征峰主要包括：①―CH2―反对称伸缩振动2915 cm-1；②―CH2―对称伸缩振动2845 cm-1；③―CH2―剪式弯曲振动1465 cm-1；④―CH2―长链的摇摆振动720 cm-1[9]。
图3不可降解塑料袋(A,B)和可降解塑料袋(C)的红外光谱图
聚丙烯塑材质料袋的特征峰主要包括：①―CH3的反对称伸缩振动2952 cm-1；②―CH2―反对称伸缩振动2916 cm-1；③―CH3的对称伸缩振动2873 cm-1；④―CH2―的对称伸缩振动2840 cm-1；⑤―CH2―的剪式弯曲振动则与―CH3的反对称弯曲振动发生重叠，位于1452 cm-1左右；⑥―CH3的对称变形振动1377 cm-1；⑦―CH3的面外摇摆振动1164 cm-1；⑧―CH3的面内摇摆振动971 cm-1[10]。
聚乳酸材质塑料袋则与以上两种不可降解塑料袋具有明显不同的特征吸收峰，主要包括：①―C=O伸缩振动1715 cm-1；②―C=O弯曲振动1268 cm-1；③―C―O―C―伸缩振动1102 cm-1；④―C―O―反对称伸缩振动1021 cm-1[11]。
2.7 思政教育的融入
2.7.1 培养环保意识
在实验教学环节，教师可以通过展示环境污染的图片和视频资料，生动地向学生展示不可降解塑料袋对土壤、水体、大气等环境造成的严重影响，例如“白色垃圾”堆满垃圾填埋场的场景、海洋生物因误食塑料而死亡的悲剧等。这些直观的展示让学生深刻体会到环境问题的紧迫性和严重性，从而激发他们对环保和可降解材料的关注。此外，教师可以拓展讲解可降解塑料袋的材料特性和降解机制，引导学生理解可降解材料在减少白色污染、促进资源循环利用方面的关键作用。这样的教学有助于学生认识到选择可降解材料是实践环保理念的具体行动，鼓励他们在日常生活中主动选择和使用可降解产品，为环境保护贡献自己的力量。
2.7.2 强化社会责任感
在实验操作示范和学生实验的过程中，教师应着重强调实验操作规范和数据准确性的重要性，以此培养学生实事求是的科学精神、严谨认真的科学态度，以及规范自律的职业素养。教师可以引导学生思考，如果在材料检测和质量控制环节中因为疏忽或违规操作导致不合格产品流入市场，可能会对环境和社会造成哪些负面影响。例如，不可降解塑料袋冒充可降解塑料袋销售，可能会产生误导消费者、破坏市场秩序、阻碍环保产业的发展等问题。通过这样的讨论，可以增强学生的责任意识和担当精神，让他们意识到作为未来社会的专业人才，他们的工作不仅关系到个人的职业发展，更关系到环境保护和社会的可持续发展。
2.8 教学安排
本实验计划在4学时内完成。实验安排两名同学为一组，轮换进行操作实训。具体分为以下三个阶段开展：
第一阶段：理论讲解与准备(1学时)。在此期间，教师将系统讲解红外光谱法测定有机化合物结构的基本原理和傅里叶变换红外光谱仪的工作原理及红外光谱技术的发展现状。详细阐述ATR-FTIR的基本原理和相关仪器的结构组成及关键操作要点(如常见红外光源特点及适用范围，不同类型红外检测器的性能差异，常用ATR晶体材料特性及应用领域，背景扫描的重要性，扫描次数、分辨率等参数对光谱质量的影响，智能化的仪器操作软件的功能特点)。对比溴化钾压片法，强调ATR-FTIR法的特点和优势，以及在区分塑料材质方面的应用。
第二阶段：实验操作(1.5学时)，涵盖样品采集、背景扫描、光谱采集以及重复测量等关键步骤。两名同学轮换各自完成相应任务。鼓励学生自带其他样品(诸如棉布、蚕丝布、涤纶等纺织品类)参与实验，运用所学实验技术对这些不同材质的样品进行区分，激发学生的探索热情，深化其对知识的实践运用。
第三阶段：数据处理与结果分析(1.5学时)。同学们要熟练运用红外光谱分析软件，对采集到的光谱数据进行处理，包括基线校正、平滑处理等。标注出光谱图中主要的吸收峰位置和强度。随后，对比环保塑料袋和普通塑料袋的红外光谱图，找出两者的特征吸收峰差异。在此基础上，查阅相关文献资料，参考标准红外光谱库，确定特征吸收峰对应的官能团和化学结构信息，据此对塑料袋的材质进行判断。最后，以严谨的科学态度撰写详实的实验报告，报告内容需涵盖实验目的、原理、步骤、结果、结论以及深入的讨论等核心板块，完整记录本次实验的全过程与关键发现。
2.9 教学实践反馈
通过在多届学生中实施该实验教学，并进行学生对实验教学满意度的调查，我们收集了学生的多方面反馈。反馈结果显示，“衰减全反射傅里叶红外光谱区分环保塑料袋”实验教学取得了显著成效。在专业知识与技能方面，学生在实验中展现出了极高的热情和积极性，对ATR-FTIR技术的理解更为深刻，实验操作的准确性和熟练度显著提升，有效增强了他们在仪器分析技术方面的实际应用能力，学生的总体满意度达到90%。在环保意识与社会责任感方面，学生的环保关注度显著提高，超过90%的学生表示实验后对不可降解塑料袋的危害和可降解材料的重要性有了更深刻的认识，并愿意在日常生活中积极采取环保行动，如主动使用可重复使用的购物袋、减少一次性塑料制品的使用等。这充分体现了该实验教学在培养学生专业素养的同时，也成功激发了他们的环保意识和社会责任感，为推动可持续发展教育做出了积极贡献。
3 结语
在大学仪器分析实验课程中，通过“衰减全反射傅里叶变换红外光谱法区分环保塑料袋”这一实验教学，我们成功地实现了专业知识教学、实践应用以及课堂思政教育的有机融合。从实验设计来看，我们通过精选的案例、明确的实验目标、详尽的实验步骤以及科学的数据处理与分析方法，为学生构建了一个系统化的学习框架，有效地提升了学生的实验操作技能和问题解决能力。在思政教育的融入上，我们不仅培养了学生的环保意识，还强化了学生的社会责任感和担当精神，引导学生深入理解可持续发展的紧迫性，并思考自己未来在专业领域应承担的责任和使命。这一教学模式为仪器分析实验教学开辟了新路径，有望在更多的实验和实践课程中得到推广和应用，进而培养出更多具备扎实专业知识、高度社会责任感和创新能力的高素质人才。