大學(xué)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)“膠體電泳”的改進(jìn)研究

韓錫光+李秋艷

[摘 要]Fe（OH）3膠體電泳是物理化學(xué)電學(xué)部分的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，本文針對(duì)該實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、電泳實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯等問題，給出了適當(dāng)?shù)男薷慕ㄗh，即重新調(diào)整實(shí)驗(yàn)步驟和時(shí)間分配；稍提高滲析溫度、延長(zhǎng)單次滲析時(shí)間、減少滲析次數(shù)對(duì)膠體進(jìn)行純化；改用最后的滲析液作輔助液；選用較粗的電泳U型管和較粗的石墨電極，根據(jù)電極距離確定合適的外加電壓值，經(jīng)以上措施，較成功地完成了電泳實(shí)驗(yàn)。

[關(guān)鍵詞]物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)；膠體電泳；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2017）11-0084-03

物理化學(xué)是從物質(zhì)的物理現(xiàn)象和化學(xué)現(xiàn)象的聯(lián)系入手，來探求化學(xué)變化基本規(guī)律的一門科學(xué)。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)則借用物理和數(shù)學(xué)的方法來完成化學(xué)測(cè)試表征任務(wù)，是一門多學(xué)科交叉的實(shí)驗(yàn)科學(xué)。[1]物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為一門獨(dú)立的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，是學(xué)生學(xué)習(xí)和研究物理化學(xué)的重要手段和途徑，是物理化學(xué)教學(xué)的重要組成部分，在物理化學(xué)教學(xué)中起著舉足輕重的作用。[2]

膠體電泳實(shí)驗(yàn)是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)電學(xué)部分的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的目的是使學(xué)生掌握Fe（OH）3溶膠的制備和純化方法，掌握電泳法測(cè)定膠粒的電泳速度和ζ電位的方法，它對(duì)于學(xué)生理解膠體的電學(xué)性質(zhì)、電泳情況以及電動(dòng)電勢(shì)概念具有重要的意義。[3]但是現(xiàn)實(shí)中，學(xué)生在做此實(shí)驗(yàn)時(shí)成功率不高，主要存在以下問題：（1）實(shí)驗(yàn)操作步驟繁瑣，膠體制備純化耗時(shí)長(zhǎng)，時(shí)間分配不合理，學(xué)生缺少耐心，經(jīng)常在實(shí)驗(yàn)等待期無所事事。（2）電泳實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，界面不遷移或界面模糊遷，移速度慢。第二個(gè)問題的出現(xiàn)將直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗。針對(duì)以上兩個(gè)主要問題，各種文獻(xiàn)報(bào)道中亦有很多改進(jìn)措施。高明國(guó)等針對(duì)Fe（OH）3膠體純化時(shí)間長(zhǎng)的問題，利用電滲析法代替?zhèn)鹘y(tǒng)滲析法來純化膠體，縮短了純化時(shí)間，節(jié)省了蒸餾水。[4]董家新等將傳統(tǒng)火棉膠滲析袋換為硫酸紙半透膜材料，采用熱滲析和大接觸面積，提高了膠體的滲析效率。[5]肖文敏從膠體的制備方面入手，加入尿素、蔗糖、硫脲等增大膠體的密度，改善界面清晰度。[6]鐘玉貞通過增大膠體雙電層附近與異電離子符號(hào)相反的離子的濃度，即通過增加鈣離子濃度，從而提高了ζ電位和電泳速度，用15～20伏直流電，1～2分鐘就能觀察到電泳現(xiàn)象。[7]

本文在作者多年進(jìn)行物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，以南京大學(xué)出版社出版的前后兩本物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課本為教材，[8][9]針對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的各種問題，進(jìn)行探索改進(jìn)，以期解決實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、時(shí)間分配、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、界面移動(dòng)清晰度等問題。

一、重新調(diào)整實(shí)驗(yàn)步驟的時(shí)間分配

膠體電泳實(shí)驗(yàn)是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中一個(gè)步驟相對(duì)繁多、耗時(shí)比較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟包括溶膠的制備及降溫、火棉膠滲析袋（也稱為珂珞酊滲析袋）的制備、溶膠的滲析純化、溶膠的再次降溫、溶膠電導(dǎo)率的測(cè)定、輔助液的制備及最后的膠體電泳實(shí)驗(yàn)，大概有七個(gè)大步驟，比較繁瑣。這就要求實(shí)驗(yàn)前教師的講解要仔細(xì)，各個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟的操作要領(lǐng)、注意事項(xiàng)等都要講明白。整個(gè)講解，若再加上詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)原理、各個(gè)實(shí)驗(yàn)的步驟演示及注意事項(xiàng)，就要占去將近一個(gè)小時(shí)的時(shí)間。溶膠的制備及降溫、五次滲析純化，又占去將近兩個(gè)小時(shí)的時(shí)間，然后用剛制備好的溶膠做下面的電泳實(shí)驗(yàn)，再用掉一個(gè)小時(shí)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)順利完成，算上教師講解的時(shí)間共需四個(gè)小時(shí)。如果中間某個(gè)環(huán)節(jié)出了問題，比如滲析袋漏水、膠體電泳無速度等，則需要占用更多的時(shí)間才能完成實(shí)驗(yàn)。而且好多步驟如滲析過程、降溫過程占據(jù)了很多等待時(shí)間，學(xué)生在此期間經(jīng)常無所事事，浪費(fèi)了很多時(shí)間。

如何統(tǒng)籌安排好實(shí)驗(yàn)步驟，不至于將時(shí)間白白浪費(fèi)在等待過程中呢？考慮到溶膠制備、純化和降溫過程耗時(shí)長(zhǎng)的問題，而且新制備的膠體若經(jīng)過老化處理后再用于電泳實(shí)驗(yàn)效果會(huì)更好，我們?cè)趯?shí)踐教學(xué)中略微調(diào)整了一下策略。實(shí)驗(yàn)教材上寫的是制備好Fe（OH）3膠體后需進(jìn)行5次滲析純化，然后降到室溫，才可以進(jìn)行膠體電泳實(shí)驗(yàn)，純化和降溫時(shí)間大概需要一個(gè)半小時(shí)。在這段時(shí)間內(nèi)，學(xué)生沒有事情可以做，也沒有辦法做后續(xù)的實(shí)驗(yàn)，因后面電泳實(shí)驗(yàn)要用到剛剛制備純化好的膠體。對(duì)此，我們的改進(jìn)策略是：學(xué)生所有的實(shí)驗(yàn)步驟還是要做，包括溶膠制備、純化、電泳實(shí)驗(yàn)，只不過學(xué)生做電泳實(shí)驗(yàn)時(shí)用到的溶膠，不是他們剛剛制備好的，而是上一撥同學(xué)制備的，這些膠體距離上一撥同學(xué)制備好至少已超過24小時(shí)的時(shí)間，這樣經(jīng)過充分純化、降溫、老化的膠體特別適合作膠體電泳實(shí)驗(yàn)。學(xué)生自己剛剛制備、純化好的溶膠則裝瓶保存，留待下一撥同學(xué)使用。第一撥學(xué)生做電泳實(shí)驗(yàn)所需的膠體可由實(shí)驗(yàn)員老師提前準(zhǔn)備好。這樣經(jīng)此改進(jìn)，便可重新分配時(shí)間，做到統(tǒng)籌兼顧，提高效率。學(xué)生至少省出了一個(gè)小時(shí)的時(shí)間，即學(xué)生原來用于等待新制備的膠體純化和降溫的時(shí)間，學(xué)生可以直接往電泳儀的U型管內(nèi)裝上一撥同學(xué)已制好的膠體，準(zhǔn)備下面的電泳實(shí)驗(yàn)。

二、改動(dòng)溶膠純化以及輔助液制備的程序

Fe（OH）3溶膠經(jīng)FeCl3水解制備后，因里面存在過多的電解質(zhì)離子，如鐵離子、氯離子、氫離子等，會(huì)影響Fe（OH）3溶膠的穩(wěn)定性，使ζ電位變小，進(jìn)而發(fā)生聚沉，因此必須進(jìn)行純化處理。一般實(shí)驗(yàn)課本中的純化處理方法都是使用火棉膠滲析袋，用約50～60℃的蒸餾水滲析，約10分鐘換一次水，滲析5次。這樣的操作比較繁瑣，我們稍微做了一下改動(dòng)，將一袋200mL的Fe（OH）3溶膠，浸入600mL左右的蒸餾水中，保持水溫60～70℃，每隔30分鐘換一次水，這樣滲析3次，同時(shí)在30分鐘的滲析等待時(shí)間里，如前文所述，學(xué)生可以先去做別的工作。

溶膠純化的目的，除了可以分離過多的電解質(zhì)離子，另一方面還可以降低溶膠的電導(dǎo)率，有利于后續(xù)的電泳實(shí)驗(yàn)。[10]因電泳實(shí)驗(yàn)過程同時(shí)也是電解水的過程，因此電流不可過大，否則水的電解將影響膠體的電遷移現(xiàn)象，同時(shí)大量輔助液的消耗可能引起液面下降離開電極，從而使系統(tǒng)斷電。因此要降低膠體的電導(dǎo)率，保證在相同的外加電壓下可使系統(tǒng)有較低的電流通過。關(guān)于滲析溫度的選擇，若溫度過低，則滲析速度過慢，若溫度過高，則溶膠容易引起聚沉，因此稍提高滲析溫度，可增加離子的滲析速度，但不至于引起溶膠聚沉。單次稍多一些的滲析蒸餾水，可加大離子或小分子的內(nèi)外濃度差，從而增大滲析的驅(qū)動(dòng)力，有利于滲析的進(jìn)行。延長(zhǎng)單次滲析時(shí)間可使每次滲析充分達(dá)到平衡，這樣即使減少滲析次數(shù)，亦可降低多余電解質(zhì)雜質(zhì)的濃度，最終達(dá)到教材中低電導(dǎo)率的要求。最后一次滲析完成后，經(jīng)測(cè)試，溶膠的電導(dǎo)率低于100uS/cm，可以用于后續(xù)的電泳實(shí)驗(yàn)。然后學(xué)生純化好膠體且冷卻至室溫后，便可裝瓶備用。endprint

另一則改動(dòng)便是輔助液的制備。一般教材的方法是測(cè)試純化好了的Fe（OH）3溶膠的電導(dǎo)率，然后用KCl溶液和蒸餾水配制與溶膠電導(dǎo)率相同的輔助液。而我們?cè)贔e（OH）3溶膠的純化過程中，最后一次的滲析液已與溶膠達(dá)到滲析平衡，該液體的電導(dǎo)率必然與溶膠的電導(dǎo)率相同，可以當(dāng)做輔助液來用了。那么教材為什么要用氯化鉀溶液作輔助液呢？輔助液除了需要電導(dǎo)率與Fe（OH）3溶膠的電導(dǎo)率相同，還需要正負(fù)離子的電遷移率相同，剛好KCl溶液中K+和Cl-的電遷移率近似相等，這樣在溶膠與輔助液的交接界面處，溶膠與輔助液導(dǎo)電能力相同，正負(fù)離子的遷移速度也相同，故在外加電壓的作用下，界面不致發(fā)生擾動(dòng)而使界面不清。而換成滲析液作輔助液后，雖然其中的正負(fù)離子遷移速度不同，但實(shí)驗(yàn)證明只要兩者導(dǎo)電能力相同，對(duì)界面清晰度影響就會(huì)很小。這樣做既省去了重新配制KCl溶液的過程，亦節(jié)省了KCl和蒸餾水。因此學(xué)生最后一次滲析液不必倒掉，也裝瓶，作為下一撥同學(xué)的輔助液待用。

三、界面遷移法電泳實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

到實(shí)驗(yàn)的第七個(gè)大步驟——界面遷移法進(jìn)行電泳實(shí)驗(yàn)，學(xué)生經(jīng)常出現(xiàn)電泳現(xiàn)象不明顯，界面不遷移，或者界面模糊、遷移速度慢等問題，沒有辦法進(jìn)行電泳速度的測(cè)量。這幾個(gè)問題的出現(xiàn)直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗。具體問題出在哪呢？經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，如果前面膠體方面已經(jīng)按照要求嚴(yán)格純化，并測(cè)試電導(dǎo)率也已達(dá)標(biāo)，即小于100uS/cm，那問題就出在電泳儀器本身和外加電壓的選取上。

作者調(diào)研過很多關(guān)于膠體電泳改進(jìn)方面的文獻(xiàn)，大多都停留在溶膠的制備、溶膠的濃度、輔助液的溶度、電導(dǎo)率的大小等因素對(duì)膠體電泳現(xiàn)象的影響上，很少涉及電泳儀本身即拉比諾維奇-付其曼U型電泳儀對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。如圖1所示，為拉比諾維奇-付其曼U型電泳儀的示意圖，它主要由U型管、連接U型管的活塞及電極等組成。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室各自的條件，電極可以選用鉑電極或石墨電極。我們實(shí)驗(yàn)室配備的是簡(jiǎn)易石墨電極，U型管的內(nèi)徑一般在8～15mm左右。多次教學(xué)實(shí)踐總結(jié)發(fā)現(xiàn)，在相同的外加電壓下，若選用細(xì)的U型管（內(nèi)徑8mm）、細(xì)的石墨電極（直徑約5mm），則界面遷移很慢，甚至不遷移。而若選用較粗的U型管（內(nèi)徑15mm）、較粗的石墨電極（直徑約10mm），則整個(gè)電泳的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很明顯，界面清晰且遷移速度適中。其中可能的原因是若選用細(xì)的U型管，實(shí)際上增大了膠體與器壁的阻力，不利于膠體的電泳，而選用細(xì)的石墨電極，相當(dāng)于降低了外加電壓，從而降低了電勢(shì)梯度，故也不利于膠體的定向遷移。同時(shí)選用細(xì)的U型管和細(xì)的石墨電極，必然造成膠體的定向遷移速度慢甚至不遷移，最終導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

至于外加電壓的選取，各種關(guān)于膠體電泳實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的文獻(xiàn)，包括各種教材，所給出的電壓值都不相同，有的選取的電壓值很低（30～40V），[11]有的又較高（80～180V），[8]且給出的范圍很寬泛，給學(xué)生具體做此實(shí)驗(yàn)帶來了困惑：具體該是多少呢？在實(shí)驗(yàn)過程中所加電壓過高或過低都不利于電泳現(xiàn)象的觀察，電壓過高會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程中水的電解加劇、膠體電泳速度過快，導(dǎo)致輔助液與膠體之間的界面模糊，而電壓過低會(huì)造成膠體運(yùn)動(dòng)太慢，長(zhǎng)時(shí)間觀察不到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。[12]那如何選取合適的電壓值呢？這還要根據(jù)自身的實(shí)驗(yàn)儀器來決定，要由具體的電泳儀兩電極之間的距離來確定。對(duì)電泳速度造成影響的，看似是外加電壓，實(shí)際應(yīng)是電勢(shì)梯度，即外加電壓除以電極距離所得的數(shù)值。實(shí)驗(yàn)證明，能夠做出接近理論值ζ=44mv的實(shí)驗(yàn)條件，所選取的適宜電勢(shì)梯度是4V/cm。[13]照此推算，若兩電極間的距離較短，比如20cm，則外加電壓就取80V，反過來若所用儀器兩電極間距離較大，比如60cm，則外加電壓就要加到240V。我們實(shí)驗(yàn)室所用電泳儀兩電極間的距離較大，選取的電壓高達(dá)300V才能觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。這便解釋了文獻(xiàn)值差別如此之大的原因。

四、其他建議及注意事項(xiàng)

（1）制備珂珞酊袋時(shí)要小心轉(zhuǎn)動(dòng)錐形瓶，使瓶?jī)?nèi)壁均勻鋪展一層液膜，傾出多余的棉膠液，在半透膜與器壁夾層間加水以剝離開來的時(shí)間要適中，加水過早，膜強(qiáng)度差，不能用，加水過晚則膜變干脆，不易取出。應(yīng)以膠膜剛不沾手時(shí)剝離最佳。剝離后在袋中加水驗(yàn)漏，若發(fā)現(xiàn)有小漏洞，可先擦干洞口部分，用玻璃棒蘸少許膠棉液輕輕接觸洞口即可補(bǔ)好。[14]

（2）溶膠的制備條件和凈化效果均影響電泳速度。制備膠體過程中要控制好濃度、溫度和滴加速度，滲析時(shí)要控制好水溫，防止水溫下降而降低滲析效果。

（3）往電泳儀U型管中加入溶膠前，要先檢查電泳儀的活塞處是否有滲漏或轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活現(xiàn)象，如有可用凡士林涂抹活塞。

（4）電泳實(shí)驗(yàn)中電極兩端的電壓要恒定，整個(gè)U型管的溶液中應(yīng)無大的氣泡產(chǎn)生。測(cè)試電泳速度時(shí)所選取的液面遷移距離不可過長(zhǎng)，上升高度保持在3cm以內(nèi)為佳，再高，溶膠會(huì)因密度改變而降低遷移速度。

五、結(jié)語

Fe（OH）3膠體電泳是物理化學(xué)電學(xué)部分的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，總體來說，雖然該實(shí)驗(yàn)操作步驟多，耗時(shí)長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)條件苛刻，但卻能在很大程度上考驗(yàn)學(xué)生的獨(dú)立思考和創(chuàng)新的能力，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力，提高學(xué)生對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣。本文針對(duì)該實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、電泳實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯等問題，給出了適當(dāng)?shù)男薷慕ㄗh，即重新調(diào)整實(shí)驗(yàn)步驟和時(shí)間分配；稍提高滲析溫度、延長(zhǎng)單次滲析時(shí)間、減少滲析次數(shù)對(duì)膠體進(jìn)行純化；改用最后的滲析液作輔助液；選用較粗的電泳U型管和較粗的石墨電極，根據(jù)電極距離確定合適的外加電壓值。經(jīng)以上措施，較完美地完成了電泳實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生進(jìn)一步了解了膠體的電學(xué)性質(zhì)、電泳情況以及電動(dòng)電勢(shì)的概念，更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題及運(yùn)用實(shí)驗(yàn)技能的能力，保持了學(xué)生對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的極大熱情和探索精神。[15]

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[15] 于長(zhǎng)順，翟濱，高世萍，等.開展研究性學(xué)習(xí)與實(shí)踐、提升學(xué)生創(chuàng)新能力的探索[J].大學(xué)教育，2015（8）：29-31.

[責(zé)任編輯：羅 艷]endprint