含氟牙膏對(duì)預(yù)防齲齒作用的體外模擬
——推薦一個(gè)針對(duì)非化學(xué)專業(yè)學(xué)生的普通化學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

胡鍇 田秋霖 丁瓊 陶海燕

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院 湖北武漢 430072)

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)既能有效地培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，又能滿足學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)新穎性和學(xué)習(xí)主動(dòng)性的需求，被認(rèn)為是一種有效培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新意識(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。對(duì)于非化學(xué)專業(yè)的學(xué)生，因受到實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和知識(shí)背景的限制，開(kāi)設(shè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)存在一些困難，并且針對(duì)性不強(qiáng)。基于此，本文推薦一個(gè)針對(duì)非化學(xué)專業(yè)(尤其是醫(yī)學(xué)和藥學(xué)相關(guān)專業(yè))學(xué)生開(kāi)設(shè)的普通化學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象是含氟牙膏。通過(guò)互動(dòng)提問(wèn)方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)而半定量地探究含氟牙膏預(yù)防齲齒的效果。實(shí)驗(yàn)貼近生活，材料易得，器材簡(jiǎn)單，拓展性強(qiáng)，能很好地吸引不同層次學(xué)生的興趣。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及了諸多化學(xué)的基本原理和實(shí)驗(yàn)相關(guān)操作，如化學(xué)反應(yīng)平衡、反應(yīng)速率的影響因素、酸堿反應(yīng)、樣品的前處理、指示劑的選擇等。考慮到低年級(jí)非化學(xué)專業(yè)學(xué)生化學(xué)理論和實(shí)踐知識(shí)不足的現(xiàn)狀，實(shí)驗(yàn)講義采用互動(dòng)提問(wèn)方式。這種做法一方面能促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解；另一方面通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一些關(guān)鍵性細(xì)節(jié)的提問(wèn)為學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)，使學(xué)生能有的放矢地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)講義分兩部分：一為學(xué)生講義，主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提問(wèn)，希望通過(guò)回答問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；二為一種設(shè)計(jì)方案示例，主要為教師的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)提供參考，不提供給學(xué)生。學(xué)生依據(jù)自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案,與教師進(jìn)行討論并修訂，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1 學(xué)生講義

20世紀(jì)口腔醫(yī)學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要貢獻(xiàn)就是發(fā)現(xiàn)氟化物的防齲作用。大量研究表明，使用含氟牙膏刷牙可以有效預(yù)防齲齒[1]。WHO也將推廣使用含氟牙膏作為21世紀(jì)預(yù)防齲齒的基本策略之一。

針對(duì)含氟牙膏是否能對(duì)牙齒起保護(hù)作用，以及不同類型和品牌的含氟牙膏在保護(hù)牙齒免受酸腐蝕上是否存在差別等問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)以蛋殼作為牙齒的替代物，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定用含氟牙膏和非含氟牙膏處理后蛋殼抗酸腐蝕的效果。牙膏的保護(hù)作用可以通過(guò)不同的物理量來(lái)體現(xiàn)，如不同蛋殼經(jīng)過(guò)酸處理后質(zhì)量變化的差異，或者是與酸反應(yīng)后溶液體系中溶出的鈣離子濃度差異[2]等。本實(shí)驗(yàn)要求從測(cè)定蛋殼與酸反應(yīng)的產(chǎn)物CO2的性質(zhì)入手，利用所學(xué)的普通化學(xué)及實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)，半定量地探究含氟牙膏對(duì)蛋殼受酸侵蝕作用的保護(hù)，從而間接評(píng)價(jià)含氟牙膏的護(hù)齒作用。

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案前，請(qǐng)學(xué)生通過(guò)查閱資料回答下列問(wèn)題：

(1) 基本原理問(wèn)題：

① 牙齒的主要成分是什么？

② 產(chǎn)生齲齒的原因有哪些？通常如何預(yù)防齲齒？

③ 市售含氟牙膏中氟有哪些存在形式？從化學(xué)原理分析，影響含氟牙膏防齲效果的主要因素有哪些？

④ 通過(guò)了解蛋殼的主要成分，說(shuō)明為什么可用蛋殼代替牙齒來(lái)測(cè)定牙膏的防齲效果？蛋殼代替牙齒作為測(cè)試對(duì)象有何優(yōu)缺點(diǎn)？

(2) 樣品前處理問(wèn)題：

① 做測(cè)試前需對(duì)蛋殼進(jìn)行預(yù)處理以除去蛋殼膜，如何有效去除蛋殼膜？

② 由于牙膏中氟含量有限，結(jié)合牙膏防齲的原理和一些基本化學(xué)原理，從牙膏與蛋殼的作用方式及蛋殼的性狀分析如何能更好地讓牙膏中的氟離子與蛋殼均勻作用，從而提高其保護(hù)作用以便于測(cè)定。

③ 樣本上所黏附的牙膏有效防蛀組分的濃度和厚度等不均勻性因素會(huì)影響實(shí)驗(yàn)測(cè)定。如何從樣品處理入手消除不均勻性問(wèn)題給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的偶然誤差？

④ 牙膏中的其他主要成分是否會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定造成影響？如果會(huì)，如何將這些影響降到最低或消除？

(3) 測(cè)定方法問(wèn)題：

① 實(shí)驗(yàn)中利用了CO2的什么性質(zhì)來(lái)間接測(cè)定反應(yīng)的相對(duì)速率？

② 使用量氣法時(shí)，需要控制哪些變量和實(shí)驗(yàn)條件才能使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)盡可能真實(shí)地反映實(shí)際狀況，減少人為因素的影響？

③ 除量氣法外，是否還可以利用CO2的其他性質(zhì)，如酸性等進(jìn)行測(cè)定？如利用CO2的酸性進(jìn)行間接測(cè)定，選擇什么方式能清楚、明了、快速、準(zhǔn)確地間接反映出蛋殼處理前后腐蝕程度的差異？

④ 從理論上分析含氟牙膏處理后的蛋殼與酸作用的反應(yīng)速率較之未處理的蛋殼是快還是慢，為什么？這種速率上的差異是在反應(yīng)之初表現(xiàn)顯著還是反應(yīng)進(jìn)行到一定程度之后？針對(duì)上述問(wèn)題，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)含氟牙膏作用效果時(shí)，蛋殼與酸作用時(shí)間的設(shè)計(jì)應(yīng)注意什么？

⑤ 含氟牙膏是否產(chǎn)生保護(hù)效用的參考標(biāo)準(zhǔn)是什么？實(shí)驗(yàn)中的參考組用什么處理比較好？

⑥ 決定實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟有哪些？

⑦ 蛋殼處理和測(cè)定過(guò)程中需要用哪些儀器和藥品？通過(guò)理論計(jì)算，推測(cè)各物質(zhì)的濃度和用量，并通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)用量是否合適。

2 實(shí)驗(yàn)方案示例(教師指導(dǎo)參考)

2.1 蛋殼前處理

(1) 將約5g蛋殼洗凈，掰成近似1cm×1cm的小塊，放入10mL 2mol·L-1NaOH溶液中，煮沸約10min，待殼內(nèi)蛋膜完全脫離蛋殼后，停止加熱。用冷水將蛋殼洗凈，擦干。將其碎成大小近似的小塊，備用。并將NaOH溶液倒入指定的回收容器內(nèi)。

(2) 分別稱取自備的不同待測(cè)牙膏(包括含氟和不含氟的牙膏)約1.50g(記錄牙膏準(zhǔn)確用量)，加入10mL水?dāng)嚢杌旌暇鶆虺蓾{液。向其中加入處理后的蛋殼1.00g，保證蛋殼浸沒(méi)在牙膏水溶液中。此外，制備一樣本，將牙膏水直接換為蒸餾水，其余不變，作為對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)之一。

(3) 待蛋殼浸泡40min后，將蛋殼上多余的牙膏沖洗掉(先用自來(lái)水沖洗，后用蒸餾水沖洗)。

(4) 在110℃烘箱中烘約15min，取出靜置冷卻。

(5) 將處理好的蛋殼用研缽碾碎，備用。

2.2 牙膏預(yù)防齲齒功效測(cè)定

(1) 先向燒杯中加入35mL 約0.005mol·L-1NaOH，然后加入3滴0.1%酚酞指示劑，此時(shí)溶液呈淡紫紅色。

(2) 移取5.00mL NaOH-酚酞溶液于試管中，利用固液反應(yīng)制備氣體的裝置(圖1)進(jìn)行測(cè)試。檢驗(yàn)裝置氣密性后，準(zhǔn)確稱取約0.3g 處理好的碎蛋殼于干燥大試管中，量取25mL 1.00 mol·L-1HCl于滴液漏斗中。

圖1 反應(yīng)裝置圖

(3) 打開(kāi)滴液漏斗活塞，同時(shí)迅速按下秒表。此時(shí)蛋殼與HCl發(fā)生反應(yīng)，有氣泡從NaOH-酚酞溶液中冒出。不斷搖動(dòng)裝有NaOH-酚酞溶液的試管。待溶液剛好由紅色褪至無(wú)色時(shí)按停秒表，記錄反應(yīng)所需的時(shí)間。

(4) 重復(fù)以上3個(gè)步驟，對(duì)同樣前處理得到的碎蛋殼至少測(cè)定3次，取其平均值。

為了減少蛋殼樣品差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，可重復(fù)上述步驟進(jìn)行反復(fù)測(cè)定。

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)已開(kāi)設(shè)2年，在實(shí)際教學(xué)中取得了較好的效果。首先，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)內(nèi)容貼近生活，能很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和創(chuàng)造性；其次，通過(guò)提問(wèn)方式，間接幫助并指導(dǎo)學(xué)生如何進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；再次，通過(guò)查閱資料、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案修改與實(shí)施、方案的再優(yōu)化和論文撰寫等一系列過(guò)程，學(xué)生能深刻體會(huì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，并從中初步體驗(yàn)科學(xué)研究的基本過(guò)程；最后，此實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生理解一些化學(xué)的基本原理并促使他們將所學(xué)的化學(xué)知識(shí)應(yīng)用于生活實(shí)踐中，提高實(shí)際分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

根據(jù)講義，學(xué)生會(huì)給出許多不同的測(cè)定方法，如用排水法測(cè)定單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的CO2的體積，用pH計(jì)法測(cè)定CO2引起溶液pH的變化等。無(wú)論采取何種方法，都能很好地鍛煉學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力。學(xué)生可根據(jù)自己設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，教師也可根據(jù)學(xué)生的設(shè)計(jì)方案給出指導(dǎo)性意見(jiàn)和建議。相對(duì)而言，本文所提供的教師指導(dǎo)參考方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)效果明顯，可重復(fù)性較強(qiáng)。例如依照上述方案，空白對(duì)照組為蒸餾水時(shí)酚酞褪色時(shí)間約為12s，而含氟牙膏組的褪色時(shí)間可達(dá)到20s，兩者有較明顯的差別。通常不含氟牙膏褪色時(shí)間較含氟牙膏要短，更接近蒸餾水的褪色時(shí)間。但如果某牙膏中添加了某些特殊成分如CPPs(酪蛋白磷酸肽)、NovaMin或Pro-Argin等具有防齲固齒的成分[3-5]，雖牙膏本身不含氟但也表現(xiàn)出較好的抗酸作用，可使酚酞褪色時(shí)間超過(guò)20s。② 從設(shè)計(jì)思路上看，巧妙地利用了CO2溶于水后體系pH變化的特點(diǎn)，以酚酞做指示劑，終點(diǎn)變化明顯，大大地減少了人為因素引起的誤差。另外此方法能很好地?cái)U(kuò)展學(xué)生對(duì)于酸堿反應(yīng)以及性質(zhì)檢測(cè)的理解。③ 實(shí)驗(yàn)的可改造性很強(qiáng)，可適應(yīng)不同知識(shí)背景學(xué)生的要求。在實(shí)驗(yàn)裝置上，如無(wú)滴液漏斗則可采取大試管套小試管的方法使固液在反應(yīng)前分離，從而對(duì)裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化。針對(duì)反應(yīng)過(guò)程中碎蛋殼易被產(chǎn)生的CO2氣體帶到試管上部使之無(wú)法更充分地與酸反應(yīng)的問(wèn)題，可設(shè)計(jì)小瓷板或其他隔板將蛋殼固定于大試管下部，這樣蛋殼就能更充分地與酸反應(yīng)。試劑也可有多種選擇，如用醋酸、檸檬酸等代替鹽酸。無(wú)論用何種酸進(jìn)行反應(yīng)，其關(guān)鍵在于通過(guò)調(diào)節(jié)酸的濃度控制反應(yīng)速率，使反應(yīng)不至過(guò)快或過(guò)慢，從而得到有區(qū)分度的測(cè)定數(shù)據(jù)。

總體而言，本實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放度較高，有足夠的空間供學(xué)生發(fā)揮主動(dòng)性和創(chuàng)造性。此外，實(shí)驗(yàn)還可依據(jù)學(xué)生的知識(shí)水平和動(dòng)手能力進(jìn)一步拓展，如用氟離子選擇性電極定量測(cè)定含氟牙膏中氟離子的濃度或者通過(guò)光度法測(cè)定氟離子的含量等。

參 考 文 獻(xiàn)

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