“联用技术及元素形态”国际课程探索与实践*

充分利用线上教学的优势,对化学院本科生开设了“联用技术及元素形态”国际课程,避免了传统教学中组织、协调外籍/外地专家资源过程中必要的各种消耗,极大程度地整合教学资源、改善教学效果。在该课程的探索与实践过程中,学生们对痕量元素形态及基于等离子体质谱的各种联用技术产生了极大的兴趣,激发了他们的主动学习热情;教师之间及师生之间的沟通趋向更简单、更灵活、更实时,为后续线上线下混合式国际课程建设提供了良好的基础和借鉴。     

微波消解-液相色谱-原子荧光光谱联用(LC-AFS)法测定稻米样品中砷形态

建立了稻米中4种砷元素形态的液相色谱-原子荧光光谱联用法(LC-AFS),样品用0.15mol/L的硝酸溶液微波提取50min,提取液经离心分离后,采用Hamilton PRP-X100色谱柱,45mmol/L KH2PO4-5mmol/L Na2HPO4缓冲液为流动相,砷形态4个组分能够在7min内达到基线分离,且无需调pH。优化了氢化物发生条件,使用了更低浓度的载流和还原剂。方法学实验结果表明,各组分在2~10ng/mL范围内线性关系良好,相关系数为0.9988~0.9998,各组分的检出限分别为0.29 ng/mL、0.47 ng/mL、0.62 ng/mL和1.16 ng/mL；各组分峰面积的相对标准偏差均低于3.11%；加标回收率为85.3%～112.8%；对稻米标准物质的分析测定结果表明该方法定值准确。最后,与GB 5009.11-2014中使用的提取及测量条件进行对比,表明该方具备法快速、环保、高效的特点。     

离子液体/H_2O_2体系脱硫实验研究

选取四种不同种类离子液体(ILs),1-丁基-3-甲基咪唑溴化物([Bmim]Br)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Bmim]BF_4)、1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐([Bmim]HSO_4)、1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐([Bmim]H_2PO_4)与30%H_2O_2溶液在温和条件下对两种高硫脱灰煤样(LS、QX)进行脱硫实验研究。用化学法测定脱硫前后煤样形态硫含量,并利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)及热重(TG)对脱硫前后的煤样进行表征。结果表明,离子液体的加入使H_2O_2氧化脱硫能力增强,煤中硫铁矿硫和有机硫化物硫被显著脱除;经ILs/H_2O_2体系作用后的煤样中小粒径的颗粒减少,颗粒间的缝隙增大,煤表面的凹坑明显,热重实验结果表明,ILs/H_2O_2体系作用后的煤样相对于原煤热失重增大,部分挥发性物质释放峰温提前。     

原子光谱/元素质谱在生命分析中的应用进展

原子光谱/元素质谱是元素分析的强有力手段，其在生命分析领域的应用也越来越广泛。在单细胞元素分析方面，相关研究工作主要关注元素在单细胞中的分布和形态变化；在元素标记策略分析领域，利用原子光谱（atomic spectrometry, AS）和电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS）实现对小分子、核酸、蛋白质等目标分析物的高灵敏检测是研究热点；在金属药物分析领域，ICP-MS为研究金属药物在生物体中的摄入、分布、代谢和排泄等过程提供了便利，也为进一步阐明药物作用机理以及金属药物的设计和改进提供了数据支持；在生物元素成像领域，ICP-MS与激光剥蚀技术（laser ablation, LA）联用，可以对生物样品进行原位分析和微区分析，结合有机质谱实现元素相关生物过程的分子机制研究；与相关分离方法联用，原子光谱和元素质谱还可以对生物组织中元素进行形态分析，研究其在相关过程中的生物转化过程。本文从单细胞元素分析、元素标签标记策略、金属药物转运与代谢以及生物组织中元素分布分析等方面，评述了原子光谱和ICP-MS在生命分析中的应用实例，并对该领域的发展前景进行了展望。     

我国几种地带性土壤中磷素形态的研究

探明土壤磷素的存在形态，有助于揭示其在环境中的累积、迁移和转化过程及生物有效性。目前，在大尺度样带上开展土壤磷素形态空间变异规律的研究较少。本研究中，沿纬度方向采集了我国东部不同气候带分布的7种地带性林地土壤（包括寒温带的棕色针叶林土、中温带的暗棕壤、暖温带的棕壤、北亚热带的黄棕壤、中亚热带的黄壤、南亚热带的赤红壤和热带的砖红壤），将化学浸提法与溶液磷-31核磁共振（31P NMR）波谱法相结合，分析了土壤中磷素形态以及与其他土壤性质之间的关系，以期为阐明土壤磷素形态的空间变异性及其驱动因素提供基础资料。结果表明：供试土壤中，全磷、有效磷、无机磷和有机磷的含量范围分别为179.8～825.2，2.41～15.3，92.6～351.2和14.7～474.4 mg·kg-1，其中活性、中等活性、中等稳定性和高稳定性有机磷组分的含量范围分别为1.38～30.9，8.63～213.7，3.01～32.2和1.73～199.2 mg·kg-1。根据溶液31P NMR波谱，鉴定出供试土壤中含有无机形态的磷素即正磷酸盐和焦磷酸盐，同时也鉴定出了磷酸单酯、磷酸二酯和膦酸盐等有机形态磷素的存在，其中磷酸单酯中又鉴定出了新-肌醇六磷酸、D-手性-肌醇六磷酸、RNA单核苷酸、α-磷酸甘油、肌-肌醇六磷酸、β-磷酸甘油和鲨-肌醇六磷酸，磷酸二酯中又鉴定出了DNA的存在；所有土壤中均未检测出多聚磷酸盐的存在，除棕色针叶林土和暗棕壤外的其他土壤中未检测出膦酸盐的存在，而赤红壤中未检测出DNA的存在；无机形态的磷素以正磷酸盐为主，而有机形态的磷素则以磷酸单酯为主。总体来看，无论化学浸提法还是溶液31P NMR波谱法，从寒温带的棕色针叶林土到热带的砖红壤，全磷、有效磷、无机磷、有机磷及其组分的含量均呈现下降趋势。溶液31P NMR波谱与化学浸提法鉴定的磷素形态之间存在相关关系，其中正磷酸盐与活性有机磷的关系最为密切，磷酸单酯和膦酸盐与中等活性有机磷的关系最为密切，而焦磷酸盐和磷酸二酯与中等稳定性有机磷的关系最为密切。与化学浸提法相比，溶液31P NMR波谱法能从详细的分子水平上揭示土壤磷素形态的空间变异规律。     

求解I型裂纹构元J积分的半解析方法

表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量. 目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试是断裂力学的重要和困难的任务. 以J积分为参量的材料断裂测试中应用最广的是I型裂纹试样的断裂韧性测试. 本文在平面应变条件下,针对断裂韧性测试中使用的6种I型裂纹构元,基于能量等效假设,提出了J积分-载荷和载荷-位移的工程半解析统一表征方法,进而结合有限元分析的少量计算获得J积分-载荷和载荷-位移关系的半解析公式待定参数. 分析表明,6种I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移统一公式的预测结果与有限元结果吻合良好. 新提出的J积分-载荷工程半解析公式包含了材料的弹性模量、应力强度系数和应变硬化指数,能够广泛适应不同的材料,且运用该公式能够方便获取任意载荷点对应的J积分值. 应用新方法可便于获得各类I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式.      

裂纹问题的一致性高阶无网格法

一致性高阶无网格法能高效精确地求解连续体问题，尤其是能得到高精度的应力场。本文将该方法拓展到应力解析精度至关重要的裂纹问题（即非连续体问题）的数值分析。采用背景积分网格描述裂纹几何，基于无需增加节点额外自由度的虚拟节点法描述裂纹处位移场的间断，提出了虚拟节点的引入算法和断裂单元的数值积分方法。为进一步模拟裂纹扩展，采用相互作用积分方法计算应力强度因子，裂纹的扩展方向由最大周向应力准则确定。数值结果表明，本文发展方法能够精确地通过间断分片试验；相较于标准的高阶无网格法和低阶一致性无网格法，本文的一致性高阶无网格法显著改善了应力强度因子的计算精度，能够准确预测裂纹扩展路径。     

金属材料三维断裂韧度厚度效应的有限元模拟

随着金属材料大壁厚结构件在工程中的广泛应用，对其断裂韧度的厚度效应研究具有重要的科学意义和工程价值。本研究基于有限元和实验相结合的方法，对金属材料断裂韧度的厚度效应进行预测。首先，通过一组薄壁厚金属材料标准三点弯曲试验得到试样失效时的临界载荷值，并利用内聚力模型与基于虚拟裂纹闭合技术的裂纹扩展模拟方法得到裂纹扩展时的单元临界能量释放率。随后，以此临界能量释放率作为裂纹扩展的启裂准则门槛值，通过有限元计算得到不同试样厚度下裂纹启裂时的裂尖断裂参数随着厚度的变化规律。最后，为了验证有限元模拟结果的准确性，本研究进行了另外两组不同厚度下三点弯曲试样的断裂韧度试验，并将试验结果与有限元结果进行了对比，验证了有限元所模拟的断裂韧度厚度效应的准确性。本研究旨在，通过薄壁厚三点弯曲试样的实验结果结合有限元模拟工作，即可实现金属材料断裂韧度的整个厚度效应曲线，为任意厚度下金属材料断裂韧度预测提供一种可靠的研究方法，有益于缩减试验成本，为大壁厚工程结构件的失效预测提供依据。     

刺参种子后熟调控技术研究

以刺参种子为供试材料,通过多因子交叉重复实验对影响刺参种子后熟的主要因素进行了筛选,并确定了其影响水平.采用2.50mg·L-1 GA3和2.60~2.80mg·L-12,4-D混合溶液浸泡48h,将种子与河砂(1∶3)混合,变温处理140~147d,白天温度为(22±2)℃,处理14h,夜间温度为(8±2)℃,处理10h.结果表明,心形胚发生率为98.6%,子叶胚发生率为95.7%,播种后发芽率达96.0%.获得了刺参种子的后熟条件,可应用于刺参的育苗.