用于《生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)》教學(xué)的小型試管烘干器設(shè)計(jì)*

李吉馥

(西南大學(xué)蠶桑紡織與生物質(zhì)科學(xué)學(xué)院，重慶 400715)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為現(xiàn)代大學(xué)發(fā)展水平的標(biāo)志，是一流本科課程建設(shè)的重要內(nèi)容，而培養(yǎng)專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、科研能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的創(chuàng)新型人才，又是當(dāng)前高校教學(xué)改革和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)[1-3]?！渡锘瘜W(xué)》是生命科學(xué)領(lǐng)域的一門重要基礎(chǔ)課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為整個生物化學(xué)課程體系的重要組成部分，既可以使學(xué)生掌握基本實(shí)驗(yàn)技能，又能更好地幫助學(xué)生理解和記憶理論知識，提高知識的連貫性和系統(tǒng)性，而且最大限度地激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索能力[4-6]。如何在相對有限的實(shí)驗(yàn)條件下開展《生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)》教學(xué)，如何提高實(shí)驗(yàn)操作效率是教學(xué)人員一直思考的問題。為此，筆者期望通過實(shí)驗(yàn)室小型儀器的創(chuàng)新改造，有效解決一些技術(shù)難度不高但費(fèi)時(shí)費(fèi)力的基礎(chǔ)操作，其中設(shè)計(jì)研制的一種教學(xué)用小型試管烘干器已獲得實(shí)用新型專利(專利號：ZL201921184234.0)，該烘干器能夠?qū)⒃嚬芎娓膳c存放集于一體，簡化了試管烘干與存放的操作過程，提升了試管烘干效率。

1 設(shè)計(jì)目的

試管是實(shí)驗(yàn)室教學(xué)常用的器材，使用量較多[7-8]。在西南大學(xué)蠶桑紡織與生物質(zhì)科學(xué)學(xué)院的本科《生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)中，為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性，很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均需嚴(yán)格控制試管的清潔度和干燥度，例如：在蛋白質(zhì)及氨基酸的呈色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，利用酒精燈加熱尿素以形成雙縮脲，如果試管中殘留有水分將影響反應(yīng)的速率；在核酸的定量測定-定磷法實(shí)驗(yàn)中，試管中殘留的水分會直接影響樣品的總?cè)莘e，導(dǎo)致定量不準(zhǔn)確，再就是自來水中含有的磷，還會直接與定磷試劑反應(yīng)，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果；許多生化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均需取用固體粉末至試管內(nèi)參與反應(yīng)，如試管不干燥，樣品加入后將粘貼于試管壁，阻礙下一步反應(yīng)的進(jìn)行，不僅影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，還會因樣品緊貼于試管前緣，不能充分溶解而影響待測產(chǎn)物的含量[9-10]。因此，用于生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)的試管在使用前一般需經(jīng)過嚴(yán)格的清洗及干燥，較傳統(tǒng)的方法就是在對試管進(jìn)行徹底清洗后倒置于試管架進(jìn)行自然風(fēng)干，這樣既浪費(fèi)時(shí)間，又不能保證清潔度。只有大型實(shí)驗(yàn)室會有專門的烘箱，在試管清洗后可以直接整框放進(jìn)烘箱，但這些烘箱一般較大，試管堆積烘干所需時(shí)間較長，并且容易損壞試管。此外，出于安全考慮，烘箱設(shè)備在使用時(shí)一般需有專人值守，這也嚴(yán)重降低了工作效率。

通常在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)過程中，教師或?qū)W生需要在使用前重新清洗試管以保證實(shí)驗(yàn)器具的清潔，但水洗后試管壁上的水分殘留又會影響使用。為了使殘留的水分盡快干燥，目前我們使用擦鏡紙來將試管逐個擦干，以便使試管內(nèi)的水分盡快蒸發(fā)達(dá)到干燥的目的。然而這樣操作有時(shí)會因紙屑等殘留而影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和效果，有時(shí)還會因操作不當(dāng)導(dǎo)致紙團(tuán)塞入試管難以取出，另外還有學(xué)生在使用玻璃棒輔助擦拭時(shí)易使玻璃棒折斷，存在安全隱患。再就是使用目前的方法擦拭試管時(shí)只能單只操作，不僅費(fèi)時(shí)而且非常不便，在進(jìn)行酶的基本性質(zhì)觀察實(shí)驗(yàn)中，一個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目就需用到12支試管，繁瑣的準(zhǔn)備操作嚴(yán)重影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。因此，用于《生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)的實(shí)驗(yàn)室迫切需要一款操作簡便，可快速高效烘干試管的設(shè)備。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

小型試管烘干器的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由21個部件組成。

(A)烘干器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 (B)烘干器主視圖 (C)烘干器斜視圖-1 (D)烘干器斜視圖-2

該烘干器包括中空的烘箱和頂部試管架，烘箱內(nèi)的裝置為試管的烘干提供熱能及風(fēng)能，試管架則用于放置試管。烘箱內(nèi)部包含一系列組件，其中電風(fēng)扇能夠源源不斷地向風(fēng)扇殼內(nèi)鼓風(fēng)，有助于空氣的流動，加熱管則將空氣加熱為熱風(fēng)。儀器工作時(shí)，熱風(fēng)沿著彎管進(jìn)入密封隔板上方的空隙，進(jìn)而順著試管架上的通氣孔均勻排出，對套在試管架上的試管內(nèi)壁進(jìn)行烘干。

2.2 基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.2.1 外觀設(shè)計(jì)

小型試管烘干器包括中空的烘箱和均勻固定安裝在烘箱頂部外壁上的若干中空試管架，烘干器上部的圓周方向上均勻開設(shè)有若干通氣孔。

試管架的頂部呈圓弧狀，擬采用橡膠材質(zhì)，不會對試管內(nèi)壁造成損傷。試管架共12支，一次烘干即能滿足大多數(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目使用，試管架的尺寸參考15 mm試管設(shè)計(jì)，其規(guī)格為長度200 mm，外徑10 mm，內(nèi)徑8 mm。試管架上擬開設(shè)通氣孔，孔徑為2 mm，有助于試管內(nèi)壁的均勻烘干(圖1-C)。試管架的底部設(shè)計(jì)安裝有可拆卸的法蘭盤，試管架通過法蘭盤固定于上蓋板上，此外，法蘭盤與上蓋板安裝間隙設(shè)計(jì)了防水橡膠圈，避免試管內(nèi)部的水漬流入烘箱內(nèi)部。

烘箱外殼包括上蓋板、下蓋板、固定安裝在下蓋板左右兩側(cè)的左蓋板、右蓋板以及固定安裝在下蓋板前后兩側(cè)的前蓋板、后蓋板，其中上蓋板呈傾斜向下狀且上蓋板的圓周方向上一體成型安裝有擋水條，上蓋板較低一側(cè)的拐角處開設(shè)有瀝水孔(圖1-D)。由于清洗后的試管內(nèi)壁上容易殘留水珠，將試管套在試管架上后，試管內(nèi)壁的水珠會沿著試管內(nèi)壁向下流，上蓋板圓周方向上的擋水條能夠防止水流從上蓋板四周溢出，上蓋板較低一側(cè)的瀝水孔則有助于殘留水流的排出。

烘箱底部四角處分別固定安裝有橡膠底座，有助于整個烘箱的穩(wěn)固，防止試管烘干的過程中烘箱發(fā)生滑動。在左蓋板上開設(shè)有通風(fēng)孔(圖1-D)，便于外界風(fēng)依次進(jìn)入風(fēng)扇殼、加熱管、彎管以及密封隔板上方的空隙，對試管架上的試管進(jìn)行烘干。左蓋板上還開設(shè)有電線孔，下蓋板右側(cè)開設(shè)有若干排氣孔便于排出試管烘干過程中可能存在的水汽。

2.2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

烘箱內(nèi)腔頂部固定安裝有密封隔板，密封隔板與烘箱壁之間存在與試管架相通的空隙，密封隔板下方的烘箱內(nèi)腔內(nèi)依次固定安裝有管狀的風(fēng)扇殼、加熱管和彎管，彎管的自由端與密封隔板之間卡接有密封環(huán)，風(fēng)扇殼、加熱管和彎管與密封隔板上方的空隙相通，密封隔板的底部固定安裝有若干橫梁，風(fēng)扇殼上方的橫梁上固定安裝有與風(fēng)扇殼相通的熱風(fēng)裝置，風(fēng)扇殼內(nèi)固定安裝有電風(fēng)扇，風(fēng)扇殼與烘箱接觸的烘箱內(nèi)壁上開設(shè)有通風(fēng)孔(圖1-A、B)。

其中，位于上蓋板較低一端的密封隔板上設(shè)計(jì)有用于卡接密封環(huán)的通孔，加熱管外套則通過一個固定座連接于下蓋板上，該固定座有助于整個烘干裝置的固定。

熱風(fēng)裝置包括風(fēng)機(jī)和安裝在風(fēng)機(jī)外的風(fēng)機(jī)罩，風(fēng)扇殼內(nèi)固定安裝有十字固定架，電風(fēng)扇固定安裝在十字固定架上。風(fēng)機(jī)罩起到集中風(fēng)力及保護(hù)風(fēng)機(jī)的作用，電風(fēng)扇固定安裝在十字固定架的中部，起到加快空氣流動的作用。

3 樣機(jī)制作與性能測試

烘干器的上蓋板、下蓋板、左蓋板、右蓋板、前蓋板、后蓋板、橫梁、密封隔板均選用304不銹鋼于工廠定制完成，尺寸公差2 mm。固定座、密封環(huán)以及試管架圓柱中空管選擇耐高溫材料由3D打印機(jī)制作完成。樣機(jī)制作所需的其余材料如法蘭盤、熱風(fēng)管、發(fā)熱芯等均通過市面采購獲得。整機(jī)由螺絲螺母固定完成拼接，無需焊接，機(jī)器內(nèi)部的銜接處使用高溫膠密封。

在實(shí)際制作中，試管架頂部的橡膠密封環(huán)原設(shè)計(jì)為插入式橡膠圈，但密封性不太好，不利于排水，于是更改為橡膠密封帽，試管內(nèi)壁的水珠可順管子流下，亦不會對試管內(nèi)壁造成損傷。

圖2 小型試管烘干器樣機(jī)

綜合上述設(shè)計(jì)規(guī)格、制造技術(shù)完成制作的小型試管烘干器樣機(jī)見圖2。整個烘干器體積小巧，長348 mm，高約340 mm；整機(jī)約4.7 kg，質(zhì)量適中。機(jī)體表面均為不銹鋼材質(zhì)，不易生銹，不易留指紋。

與傳統(tǒng)烘干機(jī)相比，小型試管烘干機(jī)縮短了試管干燥等待的時(shí)間，對使用人員專業(yè)化程度要求不高，學(xué)生可輕松完成操作。該儀器可平放于實(shí)驗(yàn)臺上使用，占用面積小，隨用隨烘，使用便捷。

使用操作時(shí)，將清洗后的試管倒置安放于試管架上，插上插頭，調(diào)節(jié)熱風(fēng)或冷風(fēng)按鈕，其中熱風(fēng)及冷風(fēng)按鈕各有2擋可調(diào)，第1擋的風(fēng)力及溫度均小于第2擋，按壓即可開啟。烘干完畢后，將按鈕調(diào)回零擋，待試管冷卻后即可直接取下使用。

筆者測試了樣機(jī)對試管烘干的實(shí)用性能，結(jié)果顯示風(fēng)機(jī)開啟5 min后即能將正常瀝水后的試管內(nèi)壁烘干，與使用傳統(tǒng)烘干機(jī)的時(shí)間(1 h)相比，時(shí)間縮短到原來時(shí)間的1/12，達(dá)到設(shè)計(jì)效果。

4 小 結(jié)

綜上，研制的用于《生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)》教學(xué)的小型試管烘干器，體積適中，重心較穩(wěn)，可直接放置于實(shí)驗(yàn)教室實(shí)驗(yàn)操作臺上使用，節(jié)約教室空間，同時(shí)該裝置能一次烘干較多試管，工作效率高，1～2次烘干的試管即可保證一個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所用。小型試管烘干器將試管的存放與烘干集為一體，簡化了試管烘干與存放的操作過程，提高了試管的烘干質(zhì)量，省時(shí)省力，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了很大的便利，不僅可以服務(wù)于《生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)》教學(xué)，也可推廣應(yīng)用于生物、化學(xué)、藥學(xué)等其他學(xué)科的專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)。從設(shè)備的實(shí)用性能測試結(jié)果來看，對比目前市場上同類烘干機(jī)，小型試管烘干器縮小了設(shè)備體積，縮短了實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間，同時(shí)能夠保證散熱及排水，因而在生物化學(xué)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域有較好的推廣及應(yīng)用價(jià)值。