智能手機(jī)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

董志強(qiáng)，劉豐俊，翁玉華，潘蕊，顏長(zhǎng)明，許振玲，張春艷，呂銀云，歐陽(yáng)小清，阮嬋姿，任艷平

廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(廈門大學(xué))，福建 廈門 361000

隨著科技的發(fā)展，手機(jī)也在不斷更新?lián)Q代，現(xiàn)代的智能手機(jī)集成了高清攝像頭、各種傳感器元件、強(qiáng)大的處理器和高清顯示屏等，通過(guò)各種 App (Application)軟件，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)碼成像、圖像處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，并且智能手機(jī)具有方向、陀螺儀、光線感應(yīng)、重力、旋轉(zhuǎn)矢量等多種傳感器[1]，通過(guò)這些傳感器，利用不同App，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)度、位置、方向、光強(qiáng)、重力等測(cè)量，這為智能手機(jī)應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了可能。

智能手機(jī)應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)主要是基于其如下特點(diǎn)：

1) 智能手機(jī)的集成度高，集成了高清攝像頭、強(qiáng)大的處理器、高清顯示屏及各種傳感器等，不同的功能可以適用于不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中。

2) 智能手機(jī)具有開(kāi)放式的外接端口，結(jié)合相關(guān)配件可搭建能使用光度法、熒光法等方法的分析儀器裝置，并且可以進(jìn)行多種信號(hào)的處理，應(yīng)用范圍廣。

3) 智能手機(jī)本身可連接網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)定、即時(shí)信號(hào)分析以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的云處理。

4) 智能手機(jī)的便攜性強(qiáng)，配合一些外部集成的模塊，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)定性、定量分析測(cè)定等。

基于上述特點(diǎn)，人們已經(jīng)利用智能手機(jī)中的硬件和軟件進(jìn)行了化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法的建立、改進(jìn)等。智能手機(jī)在物理學(xué)、生物識(shí)別等領(lǐng)域也有著廣泛的用途。如利用智能手機(jī)的各種傳感器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)加速度、角速度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、聲音頻率等物理量的測(cè)量[2]。在生物識(shí)別領(lǐng)域，利用智能手機(jī)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了人臉、指紋、語(yǔ)音等生物信息的識(shí)別[3]。此外，在地震預(yù)警[4]、大氣探測(cè)[5]等領(lǐng)域，智能手機(jī)也有著廣泛的應(yīng)用。

本文主要根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道的基于智能手機(jī)不同功能的應(yīng)用所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，對(duì)智能手機(jī)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行了分類總結(jié)。

1 基于智能手機(jī)數(shù)碼成像的實(shí)驗(yàn)方法

基于智能手機(jī)數(shù)碼成像的實(shí)驗(yàn)方法主要是利用了智能手機(jī)的數(shù)碼成像功能，通過(guò)智能手機(jī)的攝像頭將處理后的實(shí)驗(yàn)待測(cè)樣品進(jìn)行數(shù)碼成像，然后對(duì)成像圖像進(jìn)行定性或定量分析。按照不同的應(yīng)用，將基于智能手機(jī)數(shù)碼成像的分析方法進(jìn)行如下分類介紹。

1.1 數(shù)碼比色分析法

數(shù)碼比色分析法是通過(guò)對(duì)數(shù)碼成像的有色物質(zhì)溶液顏色的深淺來(lái)確定待測(cè)組分含量的分析方法[6–12]，即對(duì)一系列標(biāo)準(zhǔn)溶液和待測(cè)溶液進(jìn)行數(shù)碼成像，利用軟件提取出不同濃度溶液所對(duì)應(yīng)的顏色數(shù)據(jù)，通過(guò)建立濃度與提取的顏色數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)曲線來(lái)對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行分析。數(shù)碼比色分析法簡(jiǎn)單、便捷，只需要一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)。而目前智能手機(jī)數(shù)碼成像功能強(qiáng)大，還可通過(guò)App對(duì)成像的顏色數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。因此相對(duì)于數(shù)碼相機(jī)，基于智能手機(jī)的數(shù)碼比色分析法用起來(lái)更加簡(jiǎn)單、方便。

目前，數(shù)碼比色分析法顏色數(shù)據(jù)可以采用智能手機(jī)App或者電腦軟件進(jìn)行提取。常用的顏色數(shù)據(jù)提取的App軟件有Color Grab、Colormeter等；而電腦提取顏色數(shù)據(jù)主要是通過(guò)Photoshop來(lái)進(jìn)行。

2007年楊傳孝等[6]首先采用數(shù)碼比色法對(duì)水樣中總磷的含量進(jìn)行了測(cè)定，即利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)KH2PO4標(biāo)準(zhǔn)溶液與(NH4)2MoO4、酒石酸銻鉀及抗壞血酸生成的藍(lán)色配合物和待測(cè)樣品進(jìn)行數(shù)碼成像，利用軟件提取不同顏色梯度的灰度值與 KH2PO4濃度建立線性關(guān)系，對(duì)水樣中總磷含量進(jìn)行測(cè)定。隨著智能手機(jī)硬件的發(fā)展，智能手機(jī)數(shù)碼成像能力大幅提高，2014年申貴雋等[7]利用智能手機(jī)數(shù)碼比色法測(cè)定了土壤中總磷的含量。

基于智能手機(jī)的數(shù)碼成像比色法操作簡(jiǎn)單、方便，并且不需要專業(yè)設(shè)備，近幾年來(lái)，有關(guān)智能手機(jī)應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相關(guān)報(bào)道很多。孫丹等[8]利用智能手機(jī)數(shù)碼比色法，通過(guò)Fe(III)與KSCN顯色后，其數(shù)碼成像的灰度值與 Fe(III)的濃度呈線性關(guān)系，測(cè)定了補(bǔ)鐵劑中鐵的含量。丁宗慶等[9]采用了智能手機(jī)數(shù)碼比色法，將水樣中Cr(VI)經(jīng)二苯碳酰二肼顯色后，其數(shù)碼成像的亮度值與溶液中Cr(VI)的質(zhì)量濃度呈線性關(guān)系，測(cè)定了水樣中Cr(VI)的含量。此方法簡(jiǎn)單、便捷，引導(dǎo)學(xué)生可使用智能手機(jī)自行設(shè)計(jì)檢測(cè)，可極大地激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和創(chuàng)新、探索精神。

在國(guó)外基于智能手機(jī)數(shù)碼成像的比色法測(cè)定物質(zhì)含量的報(bào)道也很多。Gee等[10]將數(shù)碼比色法應(yīng)用于蛋白質(zhì)測(cè)定的兩種常用方法，即考馬斯亮藍(lán)法和雙縮脲法。通過(guò)兩種方法中蛋白質(zhì)濃度與數(shù)碼成像顏色數(shù)據(jù)之間的線性關(guān)系，來(lái)測(cè)定蛋白質(zhì)濃度，并將測(cè)定結(jié)果與分光光度法進(jìn)行了比較，結(jié)果表明基于智能手機(jī)的數(shù)碼成像比色法是可行的。

Dangkulwanich等[11]利用了智能手機(jī)數(shù)碼比色法研究了淀粉酶隨溫度的變化對(duì)淀粉水解作用的影響。由于溶液中淀粉顆粒對(duì)光的反射和散射，使得分光光度法的使用受到限制，Dangkulwanich等通過(guò)搭建特殊的成像平臺(tái)，建立了基于智能手機(jī)數(shù)碼成像的比色法，即使溶液中存在淀粉顆粒的情況下，也可以進(jìn)行定量比色分析。該方法可以有效地量化含有樣品的不透明有色溶液中化合物的濃度，這有效彌補(bǔ)了分光光度法的不足。

Montangero等[12]在中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中基于Cu(NO3)2溶液中Cu2+濃度與溶液顏色近似線性關(guān)系，利用智能手機(jī)數(shù)碼成像對(duì)未知溶液中Cu2+濃度進(jìn)行測(cè)定。該實(shí)驗(yàn)可用于課堂演示，啟發(fā)學(xué)生可利用自己的智能手機(jī)來(lái)完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，這種新穎的教學(xué)方式可以讓學(xué)生對(duì)化學(xué)有更多感性的認(rèn)識(shí)，引起學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

此外，還可利用數(shù)碼比色法來(lái)對(duì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。如Knutson等[13]利用了智能手機(jī)數(shù)碼攝像的方法對(duì)結(jié)晶紫與NaOH反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。將配制好的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液和待測(cè)溶液放置在計(jì)時(shí)器旁，用智能手機(jī)拍攝整個(gè)反應(yīng)過(guò)程，采集不同時(shí)間點(diǎn)的圖像，通過(guò)谷歌瀏覽器插件ColorPick Eyedropper來(lái)讀取不同時(shí)間點(diǎn)樣品的RGB (Red、Green、Blue)值，然后利用標(biāo)準(zhǔn)曲線法來(lái)計(jì)算反應(yīng)級(jí)數(shù)。由此可以看出，數(shù)碼比色法可用于涉及顏色變化反應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定；這種方法簡(jiǎn)單、便捷、不再需要其他昂貴的儀器，適合高中生或大學(xué)生用于探索化學(xué)動(dòng)力學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)。

目前，智能手機(jī)的數(shù)碼成像功能非常強(qiáng)大，已經(jīng)可以媲美專業(yè)的數(shù)碼相機(jī)，配合手機(jī)顏色數(shù)據(jù)提取App軟件可以實(shí)現(xiàn)顏色數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)提取及分析?；谥悄苁謾C(jī)的數(shù)碼成像比色法具有一般比色法所具有的簡(jiǎn)單、方便的特點(diǎn)，同時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確，可應(yīng)用于樣品的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定、課堂演示及學(xué)生的研究性實(shí)驗(yàn)中。

1.2 光譜分析法

智能手機(jī)光譜分析法主要是基于智能手機(jī)的數(shù)碼成像功能，通過(guò)利用智能手機(jī)及其他相關(guān)配件搭建的光譜儀得到的光譜圖來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行定性和定量分析的一種方法。

秦永樂(lè)等[14]設(shè)計(jì)了基于智能手機(jī)的光譜儀(如圖 1所示)，該裝置以手機(jī)內(nèi)置閃光燈為光源，以DVD光盤作為衍射光柵，利用智能手機(jī)的數(shù)碼成像功能進(jìn)行光譜分析。在使用前，利用窄帶濾光片對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)，利用Image J軟件將智能手機(jī)捕獲的光譜圖像轉(zhuǎn)化為灰度值，通過(guò)扣除溶劑背景，得到對(duì)應(yīng)樣品的吸收光譜強(qiáng)度曲線。最后，基于朗伯-比爾定律，在濃度與吸光度之間建立定量檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)曲線來(lái)對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行測(cè)量。采用此套裝置實(shí)現(xiàn)了水中Cr(VI)的快速定量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與常用的分光光度法結(jié)果一致。

圖1 秦永樂(lè)等[14]設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置概念圖

史建政[15]設(shè)計(jì)了一款便攜式手機(jī)光譜儀并研發(fā)了相應(yīng)的App，該光譜儀由刻劃型光柵、準(zhǔn)直鏡、成像鏡和智能手機(jī)組成。實(shí)驗(yàn)裝置的分辨率為4 nm，分別以LED燈、Na燈為光源，分別用照度計(jì)和所研制的便攜式手機(jī)光譜儀系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)其光學(xué)參數(shù)，并將所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比以確認(rèn)所組裝的便攜式手機(jī)光譜儀及其圖像處理軟件的可靠性。丁兆強(qiáng)[16]設(shè)計(jì)了一種基于智能手機(jī)的便攜式生化光譜分析裝置，該裝置由激發(fā)光的驅(qū)動(dòng)電路和集成化的系統(tǒng)檢測(cè)裝置構(gòu)成。整個(gè)硬件電路的電源都由手機(jī)提供，非常方便。遮光盒巧妙地使用光纖傳導(dǎo)激發(fā)光，可以靈活改變光的照射方向。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該套裝置和App程序穩(wěn)定、可靠。

王軍等[17]設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)易的手機(jī)光譜儀(如圖 2所示)。該光譜儀由智能手機(jī)和一個(gè)暗盒組成，暗盒兩端分別為透射光柵和狹縫，手機(jī)攝像頭用于采集衍射光譜圖像，通過(guò)手機(jī)App顯示光譜和吸光度曲線。利用該實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)橄欖油真?zhèn)蔚蔫b別，這種簡(jiǎn)易手機(jī)光譜儀可視化效果好、成本低。

圖2 王軍等[17]的實(shí)驗(yàn)裝置圖

李嘉[18]使用智能手機(jī)和手持式分光鏡設(shè)計(jì)出可以快速準(zhǔn)確記錄混合或單一金屬離子光譜圖的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置利用手持式分光鏡對(duì)入射光進(jìn)行分光，通過(guò)智能手機(jī)的數(shù)碼成像功能來(lái)記錄光譜，然后將得到的光譜圖結(jié)合image J軟件繪得波長(zhǎng)–灰度值圖(如圖3所示)，進(jìn)而確定金屬離子的種類。此裝置簡(jiǎn)單、便捷，不需要其他昂貴的儀器，可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)此實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生初步了解光譜分析技術(shù)的基本原理。

圖3 實(shí)驗(yàn)中混合物的光譜圖及混合物的波長(zhǎng)–灰度圖

Grasse等[19]利用3D打印技術(shù)制造出了模塊化程度高，且小巧便攜的分光光度計(jì)(如圖4所示)。該裝置由光源、狹縫、比色皿架、反光鏡、衍射光柵、智能手機(jī)和其他支持部件構(gòu)成，其中外殼、狹縫等都是通過(guò) 3D打印技術(shù)制造。該分光光度計(jì)具有開(kāi)放式特點(diǎn)，可以使學(xué)生有效地觀察到分光光度計(jì)的各個(gè)組件，了解各個(gè)組件的作用，這樣有利于學(xué)生更好理解儀器構(gòu)造和測(cè)量原理。

圖4 Grasse等[19]設(shè)計(jì)的智能手機(jī)分光光度計(jì)

Jian等[20]設(shè)計(jì)了一種基于 3D打印技術(shù)制造的小型手持式智能手機(jī)光譜儀，該裝置以太陽(yáng)光為光源，太陽(yáng)光穿過(guò)樣品后經(jīng)過(guò)光柵，再利用智能手機(jī)單色相機(jī)記錄光譜。以太陽(yáng)光為光源則不需要其他光源設(shè)備，并且在整個(gè)可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)分布更均勻。單色相機(jī)代替彩色相機(jī)用于光譜圖像記錄，不僅增加了光譜分辨率和光收集效率，而且避免了色彩重疊。通過(guò)開(kāi)發(fā)配套的App，可快速、自動(dòng)地進(jìn)行光譜校準(zhǔn)和分析。該實(shí)驗(yàn)裝置具有接近商用酶標(biāo)儀的高靈敏度和準(zhǔn)確性，已成功用于 AIV H7N9抗體和PCV2抗體的檢測(cè)。

綜上所述，基于智能手機(jī)的光譜分析法利用了智能手機(jī)的高清攝像頭，對(duì)得到的光譜圖進(jìn)行高清的數(shù)碼成像，利用光譜成像來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行定性和定量分析。基于智能手機(jī)搭建的光譜儀不具備成品商用儀器的高精度、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，因此在對(duì)精度要求較高的科研實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用較少，但是自組裝儀器具有的可拆卸、構(gòu)件可視化、便攜、成本低等特點(diǎn)，適合應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。如在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中缺乏專業(yè)儀器時(shí)，可以啟發(fā)學(xué)生利用智能手機(jī)搭建相應(yīng)裝置解決實(shí)驗(yàn)中遇到的困難，通過(guò)啟發(fā)學(xué)生思考–動(dòng)手搭建裝置–完成實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)；同時(shí)通過(guò)儀器的搭建，也有利于學(xué)生對(duì)儀器結(jié)構(gòu)和原理有更深刻的認(rèn)識(shí)和理解。

1.3 顯微觀察法

顯微觀察法主要通過(guò)使用智能手機(jī)搭建的顯微鏡對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、現(xiàn)象和物質(zhì)的結(jié)構(gòu)等進(jìn)行顯微觀察。手機(jī)顯微鏡的結(jié)構(gòu)與普通的光學(xué)顯微鏡基本相同，通過(guò)搭建可與手機(jī)攝像頭配合的顯微鏡頭，利用智能手機(jī)的數(shù)碼成像功能來(lái)記錄觀察的圖像。

在這方面國(guó)外起步較早，如Skandarajah等[21]及Meng等[22]由智能手機(jī)、LED光源、目鏡、物鏡及其他支持部件都搭建了手機(jī)顯微鏡，其分辨率可以達(dá)到微米級(jí)，可用于紅細(xì)胞涂片、蠶豆表皮切片等的觀察。

美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種新的顯微鏡頭[23]。該鏡頭由玻璃珠和相應(yīng)的支持組件構(gòu)成，不同玻璃珠可以實(shí)現(xiàn)不同的放大倍率，最大可以達(dá)到350倍的放大效果。Lumetta等[24]利用這種鏡頭和智能手機(jī)搭建的手機(jī)顯微鏡實(shí)現(xiàn)了對(duì)氯化鈉晶體的溶解和結(jié)晶過(guò)程的顯微觀察，取得了不錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)效果。

1.4 熱成像分析法

智能手機(jī)搭配顯微鏡頭配件可以成為手機(jī)顯微鏡，而搭配其他相應(yīng)配件可以變成另一種具有不同功能的裝置。Xu等[25]使用智能手機(jī)及熱成像配件FLIR One Pro組裝了一臺(tái)智能手機(jī)熱成像儀，其測(cè)溫范圍為?20 – 400 °C，分辨率為0.1 °C，可滿足一般的化學(xué)實(shí)驗(yàn)要求。他們利用智能手機(jī)熱成像儀觀察了CH3COONa過(guò)飽和溶液的結(jié)晶、不同溶液的混合、濃H2SO4稀釋、高分散金屬粉末自燃等過(guò)程的熱量吸收、釋放、傳遞等。通過(guò)搭建的智能手機(jī)熱成像儀，學(xué)生可以在自己的智能手機(jī)上看到肉眼看不見(jiàn)的熱傳遞現(xiàn)象，并且可以拍攝熱成像圖片并隨時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程。智能手機(jī)熱成像儀也可用來(lái)研究系統(tǒng)中溫度的空間分布。通過(guò)實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，促使理論與實(shí)驗(yàn)的相互融合。

1.5 近紅外檢測(cè)法

有關(guān)利用智能手機(jī)的近紅外檢測(cè)法的文獻(xiàn)報(bào)道還較少。Torres等[26]通過(guò)利用智能手機(jī)及波長(zhǎng)為750 nm的濾光片設(shè)計(jì)了一種可用于文物檢測(cè)的近紅外(NIR，Near Infrared)成像裝置(如圖5a所示)。該裝置可以有效地改善被其他顏色掩蓋的底紋的可見(jiàn)性，檢測(cè)藝術(shù)家的構(gòu)圖變化，以及因損壞或老化而掩蓋的原始構(gòu)圖元素(如圖5b所示)。近紅外檢測(cè)法的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用表明智能手機(jī)可以應(yīng)用于文物鑒定、痕跡鑒定等領(lǐng)域中，這類基于智能手機(jī)的檢測(cè)裝置具有很好的便攜性，且成本低，適用于多人同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)勘查。也可以將此裝置用于教學(xué)演示。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)演示來(lái)向?qū)W生介紹紅外反射成像等概念，或讓學(xué)生通過(guò)自己搭建的裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鑒定等。

圖5 Torres等[26]設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)效果圖

1.6 熒光檢測(cè)法

基于智能手機(jī)的熒光檢測(cè)法同樣利用的是智能手機(jī)的數(shù)碼成像功能捕捉熒光圖像，然后通過(guò)對(duì)熒光強(qiáng)度的分析，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)曲線法等方法實(shí)現(xiàn)對(duì)未知樣品含量的測(cè)定。

Yu等[27]利用智能手機(jī)、衍射光柵、柱面透鏡、激光光源等搭建了一臺(tái)熒光光譜儀，將搭建的光譜儀用于RNA突變堿基的檢測(cè)，獲得了滿意的效果。Lian等[28]合成了一種功能化材料，這種材料可以和苯基乙醛酸進(jìn)行反應(yīng)而產(chǎn)生具有熒光性質(zhì)的物質(zhì)，他們基于此原理設(shè)計(jì)了一種測(cè)試試紙，通過(guò)智能手機(jī)采集測(cè)試試紙的熒光圖像，實(shí)現(xiàn)了對(duì)苯基乙醛酸濃度的檢測(cè)。Zeinhom等[29]利用智能手機(jī)的數(shù)碼成像功能設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)基于智能手機(jī)的便攜式熒光成像儀，并用于酸奶和雞蛋中的大腸桿菌O157：H7病原體的檢測(cè)，其檢出限分別為1和10 CFU·mL?1。

從上述介紹可看出，基于智能手機(jī)數(shù)碼成像的實(shí)驗(yàn)方法或是直接利用智能手機(jī)數(shù)碼成像，然后對(duì)數(shù)碼成像圖像的顏色、強(qiáng)度等進(jìn)行分析，或是通過(guò)在手機(jī)攝像頭前加裝不同裝置，實(shí)現(xiàn)不同功能的應(yīng)用。這兩種基于智能手機(jī)數(shù)碼成像的實(shí)驗(yàn)方法都具有簡(jiǎn)單、便捷等優(yōu)點(diǎn)。隨著智能手機(jī)的發(fā)展，基于智能手機(jī)數(shù)碼成像的實(shí)驗(yàn)方法在圖像的分辨率、圖像數(shù)據(jù)的處理等方面都會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，其應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。

2 基于智能手機(jī)光線傳感器的分析方法

基于智能手機(jī)光線傳感器的分析方法主要是將智能手機(jī)的光線傳感器作為檢測(cè)器，通過(guò)樣品對(duì)單色光的定量吸收，利用朗伯-比爾定律來(lái)進(jìn)行定量測(cè)定的分析方法。其測(cè)定思路和分光光度法類似。

張宇哲等[30]利用紫外手電筒、比色皿和智能手機(jī)搭建的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)維生素B12的含量進(jìn)行了檢測(cè)，通過(guò)phyphox軟件采集數(shù)據(jù)，其實(shí)驗(yàn)加標(biāo)回收率在89.3%–105.4%之間，檢出限為0.2638 μg·mL?1，實(shí)驗(yàn)表明其測(cè)定結(jié)果與分光光度法測(cè)定結(jié)果基本一致。溫寧紅等[31]提出了一種利用智能手機(jī)基于考馬斯亮藍(lán)法對(duì)牛奶中蛋白質(zhì)的含量進(jìn)行定量探究的實(shí)驗(yàn)方法。該實(shí)驗(yàn)裝置由硬紙盒、智能手機(jī)和比色皿組成。實(shí)驗(yàn)中使用兩部手機(jī)，一部通過(guò)RGB調(diào)色板應(yīng)用程序提供黃色光源，另一部通過(guò)光線傳感器使用phyphox軟件采集透過(guò)樣品的光強(qiáng)來(lái)計(jì)算吸光度，其線性擬合方程的R值達(dá)到了0.997。劉琳琳等[32]利用紫外手電筒、比色皿暗盒以及智能手機(jī)搭建了一種簡(jiǎn)易的光度計(jì)，通過(guò)使用Luxmeter with graph軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)牛血清白蛋白(BSA)標(biāo)準(zhǔn)溶液及待測(cè)卵白蛋白溶液透過(guò)光強(qiáng)度的測(cè)定，并計(jì)算得到了蛋清鹽析法制取卵白蛋白的產(chǎn)率。

奚忠華等[33]利用智能手機(jī)光線傳感器作為檢測(cè)器、液相色譜紫外檢測(cè)器的流通池作為樣品吸收池以及光纖傳導(dǎo)信號(hào)設(shè)計(jì)了一款手機(jī)光度計(jì)(如圖6所示)。利用該手機(jī)光度計(jì)對(duì)Fe(II)標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行了測(cè)定，在測(cè)定范圍內(nèi)，樣品濃度與吸光度有著良好的線性關(guān)系，利用此裝置進(jìn)行一次測(cè)試只需要約200 μL樣品溶液，可有效降低實(shí)驗(yàn)室廢液的回收量。

圖6 奚忠華等[33]設(shè)計(jì)的手機(jī)光度計(jì)結(jié)構(gòu)圖和光度計(jì)App運(yùn)行界面

上述報(bào)道所搭建的裝置均是簡(jiǎn)單的光度計(jì)，不具備分光功能，Hosker[34]利用紙盒、LED手電筒、DVD光盤和智能手機(jī)組裝了具備分光功能的光度計(jì)(如圖7所示)。該裝置通過(guò)LED手電筒提供光源，利用部分DVD光盤進(jìn)行分光，紙盒內(nèi)部襯有黑色材料，以最大程度地減少光的反射。通過(guò)調(diào)節(jié) DVD光盤的齒輪將實(shí)驗(yàn)所需波長(zhǎng)的光投射到狹縫。智能手機(jī)的光線傳感器置于比色皿架后方，與通過(guò)狹縫的光線對(duì)齊，而手機(jī)顯示屏部分則位于盒子外部，方便讀取數(shù)據(jù)。用搭建好的裝置，在不同波長(zhǎng)下對(duì)不同物質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試，均獲得了滿意的結(jié)果。

圖7 Hosker [34]搭建的實(shí)驗(yàn)裝置

除此之外，還可利用智能手機(jī)光線傳感器研究化學(xué)反應(yīng)速率。柴紅梅等[35]利用智能手機(jī)光線傳感器研究了 KMnO4和 H2C2O4反應(yīng)中反應(yīng)物濃度及酸化時(shí)間對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。實(shí)驗(yàn)中利用LED燈作為光源，智能手機(jī)光線傳感器作為檢測(cè)器，通過(guò)測(cè)量實(shí)驗(yàn)反應(yīng)體系透射光的強(qiáng)度隨時(shí)間變化的關(guān)系來(lái)對(duì)體系進(jìn)行研究。該實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、便攜，可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)以增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性。

智能手機(jī)的光線傳感器可以感知光線的強(qiáng)弱，通過(guò)App可以對(duì)光線強(qiáng)弱進(jìn)行量化。因此化學(xué)實(shí)驗(yàn)中利用光線強(qiáng)度變化來(lái)進(jìn)行分析的實(shí)驗(yàn)均可利用智能手機(jī)的這一功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，如基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的Cu(IO3)2溶度積的測(cè)定、水中Cr(VI)的測(cè)定、鄰二氮菲吸光光度法測(cè)定Fe等實(shí)驗(yàn)。由于光學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境要求較高，因此在設(shè)計(jì)這一類實(shí)驗(yàn)時(shí)需要盡量保證一個(gè)密閉不透光的實(shí)驗(yàn)環(huán)境；其次在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)各部件進(jìn)行固定，以避免微小的移動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響。總的來(lái)說(shuō)，這種利用智能手機(jī)光線傳感器的實(shí)驗(yàn)裝置及搭建過(guò)程簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，可以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中啟發(fā)學(xué)生通過(guò)搭建基于智能手機(jī)光線傳感器的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這既可豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和形式，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

3 智能手機(jī)在其他化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

3.1 智能手機(jī)輔助滴定終點(diǎn)的判斷

智能手機(jī)輔助判斷滴定終點(diǎn)主要是利用滴定終點(diǎn)顏色的變化，根據(jù)智能手機(jī)的圖像采集能力設(shè)計(jì)相應(yīng)App來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)滴定終點(diǎn)的判斷。

Bandyopadhyay等[36]開(kāi)發(fā)出一種基于 Android的應(yīng)用程序以幫助視力弱或色盲而無(wú)法準(zhǔn)確感知顏色變化的學(xué)生順利完成滴定實(shí)驗(yàn)。此應(yīng)用程序通過(guò)攝像頭記錄顏色信息，使用 HSV (Hue,Saturation, Value)坐標(biāo)的范圍閾值來(lái)檢測(cè)特定指示劑的顏色變化，當(dāng)?shù)竭_(dá)滴定終點(diǎn)時(shí)，智能手機(jī)會(huì)發(fā)出蜂鳴聲和振動(dòng)來(lái)提醒學(xué)生。Soong等[37]設(shè)計(jì)出一套自動(dòng)滴定儀(如圖 8所示)，用于幫助手臂有殘疾的學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)。該裝置可以通過(guò)藍(lán)牙功能連接到智能手機(jī)或平板電腦以輔助完成滴定。除此以外，智能手機(jī)還可以用于滴定終點(diǎn)的評(píng)價(jià)，Rathod等[38]設(shè)計(jì)了一款A(yù)pp，利用智能手機(jī)的攝像功能，將捕獲顏色的 RGB (Red, Green, Blue)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 HSV值。根據(jù)HSV值，確定滴定終點(diǎn)的最佳顏色，并對(duì)滴定終點(diǎn)的判斷做出評(píng)分。

圖8 自動(dòng)滴定裝置的概念圖及實(shí)物圖

3.2 智能手機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)

模擬實(shí)驗(yàn)是利用智能手機(jī)中具有模擬實(shí)驗(yàn)功能的App來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種實(shí)驗(yàn)方法不受時(shí)間和地域的限制，可以隨時(shí)隨地多次重復(fù)進(jìn)行，不僅節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，也減少了對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。

Plunkett[39]設(shè)計(jì)了一款虛擬軟件，利用智能手機(jī)對(duì)僅寫有反應(yīng)試劑和底物的記錄卡進(jìn)行交互后，在手機(jī)顯示屏上將顯示出產(chǎn)物以及形成產(chǎn)物的機(jī)理(如圖9所示)。Plunkett共設(shè)計(jì)了三十個(gè)常見(jiàn)的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，以此幫助學(xué)生學(xué)習(xí)。Tee等[40]提出通過(guò)編程來(lái)模擬滴定過(guò)程，并在手機(jī)端運(yùn)行程序模擬實(shí)驗(yàn)，可以在不使用任何化學(xué)藥品的情況下獲得實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)。

圖9 物理記錄卡和智能手機(jī)上的AR視頻投影的實(shí)時(shí)圖像

除此以外，目前大力推行的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也是通過(guò)程序?qū)?shí)驗(yàn)過(guò)程的模擬，讓學(xué)生在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下完成實(shí)驗(yàn)。與上文所述模式不同的是，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是在線項(xiàng)目，只需通過(guò)電腦端、移動(dòng)端等終端對(duì)在線項(xiàng)目服務(wù)器進(jìn)行訪問(wèn)加載就可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在形式上更方便。

3.3 智能手機(jī)應(yīng)用于其他實(shí)驗(yàn)裝置的搭建

Thomson等[41]利用智能手機(jī)設(shè)計(jì)了一臺(tái)旋光儀。該旋光儀由文檔相機(jī)、3D眼鏡和智能手機(jī)構(gòu)成，3D眼鏡作為偏振濾鏡，智能手機(jī)用于提供光源和測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中先用無(wú)旋光性的物質(zhì)校準(zhǔn)，使文檔相機(jī)里的圖像清晰。再加入有旋光性的物質(zhì)，此時(shí)文檔相機(jī)中的圖像會(huì)變模糊，水平旋轉(zhuǎn)手機(jī)，使圖像再次清晰，并使手機(jī)旋轉(zhuǎn)角度最小，通過(guò)智能手機(jī)上的指南針可以測(cè)量旋轉(zhuǎn)的角度。Thomson設(shè)計(jì)的這種旋光儀已用于有機(jī)化學(xué)教學(xué)課堂演示中，并且收到了良好的效果。

Almendro Vedia等[42]提出利用智能手機(jī)的音頻輸出所提供的交流電信號(hào)制備懸浮于鹽溶液中的囊泡，然后利用顯微鏡對(duì)其進(jìn)行可視化觀察。智能手機(jī)等可以通過(guò)音頻輸出插孔以可變的電壓和頻率輸出電信號(hào)，再利用App軟件產(chǎn)生所需頻率的信號(hào)，并通過(guò)音量鍵調(diào)節(jié)所輸出電信號(hào)的強(qiáng)度，最后利用自制的音頻插孔連接器將電信號(hào)導(dǎo)出，通過(guò)智能手機(jī)提供的10 Hz、1 V的交流電信號(hào)制備了懸浮于溶液中的囊泡。

智能手機(jī)也可應(yīng)用到檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建中。如劉翠玲等[43]利用光譜檢測(cè)技術(shù)提出了基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的便攜式近紅外光譜快速檢測(cè)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)利用探頭獲取現(xiàn)場(chǎng)樣本的近紅外光譜數(shù)據(jù)，通過(guò)智能手機(jī)端將獲得樣本的光譜數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)的服務(wù)器進(jìn)行建模、預(yù)測(cè)，云平臺(tái)將得到的結(jié)果下發(fā)至智能手機(jī)端并顯示，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)很短，可以實(shí)現(xiàn)樣品的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)篩查。

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)總結(jié)了基于智能手機(jī)數(shù)碼成像及光線傳感器的實(shí)驗(yàn)方法，以及智能手機(jī)在虛擬實(shí)驗(yàn)、輔助滴定等方面的應(yīng)用。這些基于智能手機(jī)的應(yīng)用大多具有簡(jiǎn)單、便捷等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定、課堂演示等功能。這些基于智能手機(jī)的應(yīng)用主要用到了智能手機(jī)的高清攝像頭、光線傳感器、磁傳感器、藍(lán)牙設(shè)備等，而目前的智能手機(jī)基本上都集成了這些裝置，一般1000元左右的智能手機(jī)就能很好地滿足實(shí)驗(yàn)的需求。從整體看，目前智能手機(jī)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用主要還是集中在化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，這主要可能是化學(xué)科研實(shí)驗(yàn)對(duì)儀器精度等要求高，基于智能手機(jī)搭建的儀器還達(dá)不到大多數(shù)科研實(shí)驗(yàn)所需的精度；另一方面，智能手機(jī)具有的高集成、高智能、多傳感器的特點(diǎn)使得其更適合應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過(guò)啟發(fā)學(xué)生利用智能手機(jī)解決實(shí)驗(yàn)中遇到的相應(yīng)問(wèn)題，這有利于豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和形式，增加學(xué)習(xí)的趣味性，同時(shí)也可更好地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。此外，智能手機(jī)功能強(qiáng)大，可以開(kāi)發(fā)一些基于智能手機(jī)的科普實(shí)驗(yàn)，將抽象的理論知識(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)直觀、具體地呈現(xiàn)給大眾。同時(shí)基于智能手機(jī)搭建的實(shí)驗(yàn)裝置的便攜性也能為現(xiàn)場(chǎng)科普實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行提供方便。

目前，智能手機(jī)的發(fā)展越來(lái)越迅速，每年都會(huì)推出新的產(chǎn)品。新產(chǎn)品除了在硬件配置上會(huì)大幅提升外，可能還會(huì)加入一些新的功能，這使得智能手機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)大，應(yīng)用越來(lái)越廣泛；同時(shí)5G時(shí)代的到來(lái)，智能手機(jī)作為最重要的終端，其在5G時(shí)代的功能還會(huì)被進(jìn)一步拓展，例如基于智能手機(jī)的遠(yuǎn)程操控及人工智能實(shí)現(xiàn)等。因此，可以預(yù)計(jì)在將來(lái)會(huì)出現(xiàn)更多、更新穎的基于智能手機(jī)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，智能手機(jī)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域中的應(yīng)用將會(huì)有更進(jìn)一步的發(fā)展。