MATLAB在化學(xué)儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用

田 明，楊浩亮，雷旭陽

(邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺 054000)

化學(xué)儀器分析課程屬于化工專業(yè)中的一門基礎(chǔ)課程，其課程目標(biāo)旨在讓學(xué)生掌握實際化工生產(chǎn)中基礎(chǔ)儀器的使用，以及相對簡單的基礎(chǔ)實驗的分析方法。MATLAB軟件是美國MATHWORK公司推出的一種主要用于數(shù)學(xué)計算的軟件，具有強大的繪圖功能，圖像處理中在其二維、三維的可視化中有廣泛的應(yīng)用。本文中主要利用MATLAB的數(shù)據(jù)擬合功能，結(jié)合儀器分析教學(xué)課程中總磷含量的測定試驗，向?qū)W生介紹MATLAB在化學(xué)專業(yè)中的應(yīng)用，同時期望學(xué)生掌握MATLAB相關(guān)的初級功能[1-3]。

1 教學(xué)目標(biāo)

依托高職教育過程中的應(yīng)用化工專業(yè)，其中化學(xué)儀器分析為基礎(chǔ)課程。針對水質(zhì)中總磷含量的實驗課程展開教學(xué)設(shè)計，其中相關(guān)的實驗過程參考國標(biāo)《水質(zhì)總磷的測定-鉬酸銨分光光度法》進行試驗設(shè)計。在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，借助MATLAB軟件進行，主要向?qū)W生介紹plot函數(shù)的用法。通過MATLAB軟件，學(xué)生可以快速得到數(shù)據(jù)擬合的方程，從而得到樣品中總磷含量。結(jié)合MATLAB軟件，相應(yīng)的試驗過程為“樣品制備→建立標(biāo)線→測試樣品→數(shù)據(jù)處理→數(shù)據(jù)分析→結(jié)果輸出”，其中數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)依托MATLAB軟件完成。本次實驗的教學(xué)目標(biāo)為使學(xué)生熟練掌握溶液的移去及定容操作、分光光度計標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立及樣品的測試和MATLAB中plot函數(shù)的使用規(guī)范。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗藥品及儀器

硫酸、硝酸、高氯酸、氫氧化鈉、過硫酸鉀、抗壞血酸、鉬酸銨、磷標(biāo)準(zhǔn)液。

分光光度計，電熱爐。

2.2 樣品制備

采取500 mL水樣后加入1 mL硫酸，調(diào)節(jié)pH值低于1后保存?zhèn)溆谩?/p>

取25 mL樣品于具塞刻度管中，取時應(yīng)搖勻，得到溶解部分或懸浮部分均有代表性的試樣。

2.3 樣品測定

①向制備的樣品中加入4 mL過硫酸鉀，加熱到120℃，保持30 min，取出放冷備用。

②取上述溶液25 mL于錐形瓶中，加入四粒玻璃球防止爆沸，加入2 mL硝酸，加熱濃縮至10 mL，冷卻再加5 mL硝酸，加熱濃縮至10 mL，冷卻。加入3 mL高氯酸，加熱至冒白煙，直至剩下3～4 mL，冷卻后加水10 mL，加1滴酚酞試劑，再滴加氫氧化鈉至呈微紅色，在滴加硫酸溶液使微紅色剛好褪去，充分混合后加水至刻度線備用。

③顯色，分別向上述溶液中加入1 mL抗壞血酸溶液，混勻30 s后加2 mL鉬酸銨溶液。

④測定。室溫下15 min后，將分光光度計波長調(diào)至700 nm波長，以水做為參比，測定其吸光度。測定樣品吸光度值，扣除空白吸光度值后，查磷含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線后的樣品磷含量值[4]。

2.4 建立標(biāo)準(zhǔn)曲線

取6支具塞刻度管，分別取濃度為0.00，0.02，0.04，0.12，0.20，0.40 ppm的磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液。加水至刻度線后按上述樣品測定方法測定其吸光度值，繪制相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.5 空白吸光度

空白吸光度值為以水代替樣品按上述方法測定的吸光度值。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 程序編寫

標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立，6個標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度值如表1所示。根據(jù)得到的數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件中的線性擬合功能對6個標(biāo)準(zhǔn)溶液吸光度值進行擬合。

表1 總磷含量中濃度和吸光度值

編寫的MATLAB程序如下：

x=[0 0.02 0.04 0.12 0.20 0.40];

y=[0 0.01 0.02 0.061 0.106 0.218];

%將七組試驗中的濃度值和吸光度值賦到變量x和y中；

p=polyfit(x,y,1);

plot(x,y,'o',x,polyval(p,x));

%將x和y值在MATLAB中輸出其直線圖；

yfit=p(1)*x+p(2);

R2=norm(yfit-mean(y))^2/norm(y-mean(y))^2;

%計算標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性相關(guān)系數(shù)；

disp(R2);

disp(p);

%在MATLAB中輸出直線的參數(shù)和其線性相關(guān)系數(shù)；

3.2 樣品計算

在MATLAB中進行計算后輸出的直線圖及數(shù)據(jù)如圖1、2所示?？梢娍偭讟?biāo)準(zhǔn)曲線的線性相關(guān)系數(shù)為0.9996，其直線的方程為y=0.5458x-0.0018。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)曲線圖

圖2 MATLAB界面輸出方程參數(shù)

將樣品的吸光度值帶入到標(biāo)準(zhǔn)方程，可以得到樣品中總磷含量。

4 教學(xué)效果

本教學(xué)課程設(shè)計根據(jù)該課程的教學(xué)目標(biāo)，選取當(dāng)前較熱的環(huán)境相關(guān)問題，課程設(shè)計的主要內(nèi)容為水質(zhì)中總磷含量的測定。結(jié)合MATLAB軟件中的數(shù)據(jù)處理功能，對試驗數(shù)據(jù)進行簡單有效的處理。本教學(xué)課程需要學(xué)生具備簡單的實驗技能和計算機基礎(chǔ)，根據(jù)學(xué)生在課程上的表現(xiàn)可以判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性普遍提高，在學(xué)習(xí)過程中表現(xiàn)出明顯的積極性。從實驗結(jié)果可以看出，大部分學(xué)生可以自主完成本次實驗的教學(xué)目標(biāo)，和傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比，計算機軟件的引入廣泛提高了學(xué)生的實驗興趣，學(xué)生通過學(xué)習(xí)不僅掌握了水質(zhì)中總磷含量的測定方法及分光光度計的使用方法，同時對MATLAB常用的線性擬合功能有所了解。本課程的設(shè)計在教學(xué)改革中收到了良好的效果，其設(shè)計具有獨特的新穎性[5-6]。

5 結(jié)論

水質(zhì)中總磷含量的測定，結(jié)合MATLAB軟件中的數(shù)據(jù)處理功能，對標(biāo)準(zhǔn)曲線的濃度及吸光度值進行線性擬合，簡單有效的對數(shù)據(jù)進行處理。利用計算機軟件進行化學(xué)儀器分析實驗課程的教學(xué)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時增加學(xué)生對相關(guān)數(shù)學(xué)過程編程的了解，及運用線性代數(shù)和計算機軟件解決儀器分析過程中問題的能力。該教學(xué)過程結(jié)合計算機軟件，相比于傳統(tǒng)的實驗分析教學(xué)課程較為新穎，具有普遍的推廣意義。