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    眾尋“氧氣”千百度:那廝顯在斑斕處

    2021-11-20 07:37:44胡永紅張晨金靖雯張林純陳曦
    大學(xué)化學(xué) 2021年10期
    關(guān)鍵詞:傳感氧氣博士

    胡永紅,張晨,金靖雯,張林純,陳曦,*

    1廈門華廈學(xué)院人文學(xué)院,高等教育研究所,福建 廈門 361024

    2廈門華廈學(xué)院環(huán)境與公共健康學(xué)院,智能儀器與檢測技術(shù)研究所,福建 廈門 361024

    3廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,福建 廈門 361005

    “1、2、3、4……20……40……58、59、60”,屏幕上的秒表馬不停蹄,憋氣比賽的10個(gè)孩子,漲紅小臉屏住呼吸,30 s、40 s,依次有孩子不得已松口大口呼吸,憋氣時(shí)間最長者也未能突破60 s。

    主持人笑容可掬登場現(xiàn)身,“孩子們,今天魔術(shù)專場表演的開場有點(diǎn)刺激,先緩緩氣,怎么樣,感受如何?”

    “感覺喉嚨被人掐住了?!毙邊摸喉嚨邊說。

    “頭暈?!毙故作踉蹌,“快倒下了?!?/p>

    “能夠自由呼吸真好,沒有氧氣的日子就像下地獄?!毙一臉慶幸地說。

    主持人豎起大拇指,“很贊!小C提到氧氣,這可是今天這場魔術(shù)表演的主角哦,下面,掌聲有請?zhí)匮g(shù)師X博士閃亮登場!”

    “大家好,今天就讓我們一起在魔術(shù)變幻里玩轉(zhuǎn)氧氣的科學(xué)故事吧!”披著黑斗篷的X博士帥氣地從天而降,引來孩子們一陣歡呼雀躍,掌聲雷動(dòng)里主持人繼續(xù)介紹,“X博士不僅是聰明絕頂?shù)幕瘜W(xué)博士,而且是技藝精湛的魔術(shù)師,他愛‘玩科學(xué)’,喜歡將高深莫測的科學(xué)研究以淺顯易懂的語言與實(shí)驗(yàn)表達(dá)出來,下面,舞臺(tái)就屬于你們啦!”

    1 “氧”在深閨——終識(shí)廬山真面目

    博士摸摸自己聰明絕頂?shù)念^,“孩子們,今天的魔術(shù)表演與科學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān),科學(xué)離不開實(shí)驗(yàn),初次見面,我們先來做一個(gè)X博士獨(dú)創(chuàng)的‘三瓶子實(shí)驗(yàn)’?!敝灰姴┦康哪Хò粢稽c(diǎn),眼前出現(xiàn)了三個(gè)瓶子,“這三個(gè)瓶子里分別裝著氧氣、空氣、氮?dú)?。有請三位同學(xué)上來,在同一時(shí)間,分別點(diǎn)燃一根火柴放入瓶子,大家睜大眼睛仔細(xì)觀察,究竟發(fā)生了什么,學(xué)會(huì)精準(zhǔn)描述實(shí)驗(yàn)可是做科學(xué)研究必需的基本技能之一哦?!?/p>

    小D、小A與小F爭先恐后舉手獲得優(yōu)先權(quán),三人同時(shí)點(diǎn)亮火柴,放入各瓶,“燃燒更亮了,有白煙!”“熄滅了!”“奇怪,好像沒有變化?!焙⒆觽兂錆M驚奇的眼睛一眨不眨,熠熠閃光。

    “為什么會(huì)產(chǎn)生不同的現(xiàn)象呢?”X博士追問。

    “和里面的氣體有關(guān),氧氣具有助燃性,所以,燃燒更旺了?!迸_(tái)下的小H搶答成功。

    “這么快就發(fā)現(xiàn)了氧氣的助燃性,不簡單!助燃性是氧氣的化學(xué)屬性,那么你們現(xiàn)在看見氧氣了嗎?”博士略帶詭異地問道。

    “氧氣不是無色無味嗎,看不見呢。”“對呀,怎么可能看見!”孩子們面面相覷。

    “那,不可見不可摸的氧氣是如何被人類發(fā)現(xiàn)的呢?”博士的眼里都是問號。

    看似司空見慣其實(shí)很深刻的問題問倒了所有孩子,博士說:“現(xiàn)在,大家閉上眼睛,我們穿越時(shí)光隧道,回到1774年,揭曉這個(gè)秘密。”

    一陣清風(fēng)拂過,孩子們騰云駕霧到了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室,“噓,保持安靜,孩子們,你們看到了嗎,那位正在做實(shí)驗(yàn)的就是聞名世界的法國化學(xué)家拉瓦錫(Antoine Laurent Lavoisier) (圖1),他正在做與人類發(fā)現(xiàn)氧氣息息相關(guān)的‘20天實(shí)驗(yàn)’(圖2)[1]?!?/p>

    圖1 安托萬-洛朗·拉瓦錫[1]

    圖2 拉瓦錫“20天實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)裝置[1]

    “難不成一個(gè)實(shí)驗(yàn)做了20天?”小A瞪大眼睛質(zhì)疑。

    博士點(diǎn)點(diǎn)頭,“對,拉瓦錫是一位嚴(yán)謹(jǐn)縝密的科學(xué)家,科學(xué)實(shí)驗(yàn)要得出科學(xué)的結(jié)論,需要收集足夠充分的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析?!?/p>

    孩子們滿眼崇拜,目不轉(zhuǎn)睛地盯著拉瓦錫,只見他將裝有水銀的曲頸瓶通過水銀槽與一個(gè)裝有空氣的鐘形玻璃罩相通,不停加熱曲頸瓶中的水銀,漸漸出現(xiàn)了紅色渣。拉瓦錫利用聚光鏡一邊高溫加熱紅色渣一邊收集產(chǎn)生的氣體。

    “他收集到的氣體,會(huì)不會(huì)就是氧氣?”小C自言自語。

    “這可是個(gè)秘密!不過,拉瓦錫通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)獲得的氣體體積與原來鐘罩失去的氣體相等?!辈┦垦a(bǔ)充道。

    “根據(jù)質(zhì)量守恒定律,那說明物質(zhì)燃燒時(shí)增加的質(zhì)量恰好是減少的氣體質(zhì)量?!币贿叺男迫不及待地提出了自己的觀點(diǎn)。

    “你的理解是對的,正是這個(gè)結(jié)果讓拉瓦錫確信燃燒時(shí)物質(zhì)吸收了空氣中的一種新元素,1779年,他取拉丁文‘Oxygenium'的首字母,正式將這種新元素命名為‘氧',化學(xué)表征符號為‘O’?!?/p>

    “原來,是拉瓦錫發(fā)現(xiàn)了氧啊,太偉大了!”孩子們驚嘆著。

    “是的,拉瓦錫是敢于挑戰(zhàn)權(quán)威的科學(xué)家,他揭示了燃燒的本質(zhì),構(gòu)建了燃燒理論的體系,因此被譽(yù)為‘近代化學(xué)之父'?!闭f到此,博士壞笑了一聲,“考考你們,燃燒是分解反應(yīng)還是化合反應(yīng)?”

    “剛才火柴燃燒產(chǎn)生了煙、熱、灰,所以,我覺得應(yīng)該是分解反應(yīng)?!毙推理道。

    “可是,物質(zhì)燃燒時(shí)和氧氣產(chǎn)生了關(guān)系,吸收了氧氣生成了新物質(zhì),所以,應(yīng)該是化合反應(yīng)?!毙反駁道。

    “哈哈哈,恭喜小A,答對了,你和拉瓦錫一樣聰明!拉瓦錫發(fā)現(xiàn)金屬單質(zhì)與氧氣化合反應(yīng)后可以生成新物質(zhì),比如磷燃燒生成了五氧化二磷、硫燃燒生成了二氧化硫。燃燒這一普遍的現(xiàn)象被確定為化合反應(yīng)具有非常重要的意義?!辈┦可癫娠w揚(yáng),“從此,氧氣在各個(gè)領(lǐng)域海闊憑魚躍,天高任鳥飛,大展身手?!?/p>

    2 氧氣神通無窮處——玩轉(zhuǎn)乾坤任天真

    離開拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)室,博士領(lǐng)著孩子們輾轉(zhuǎn)到了一片森林,“這里可是天然氧吧,氧氣豐沛,空氣清新!對了,說到氧氣的神通,你們還知道氧氣的哪些作用呢?”博士用魔法棒輕點(diǎn)每個(gè)孩子的腦門。

    “嗯……我知道氧氣是維持生命的必需物質(zhì),剛才的憋氣比賽還記憶猶新呢?!?/p>

    “對,氧氣在體內(nèi)各器官、各組織甚至是各個(gè)細(xì)胞中的含量是趨于穩(wěn)定的[1],血液循環(huán)系統(tǒng)是氧氣輸送到全身的管道,當(dāng)身體里的氧氣含量降低時(shí),身體會(huì)有一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制,通過增加血紅素濃度和紅血球數(shù)量進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)然,如果身體組織發(fā)生了病變或損壞,組織細(xì)胞會(huì)消耗氧氣,無限制增長,病變組織細(xì)胞的微環(huán)境會(huì)因?yàn)槿毖醮偈鼓[瘤發(fā)生惡性循環(huán)[2]。當(dāng)然,剛才你們覺得難受不是因?yàn)樯眢w組織病變,只是氧氣補(bǔ)償暫時(shí)性缺失導(dǎo)致的?!?/p>

    “原來氧氣溶解在我們的血液中確保著我們生命的運(yùn)轉(zhuǎn)呀,這個(gè)作用可真巨大!博士,我有個(gè)問題?!毙舉高了小手。

    “哦,說來聽聽?!辈┦垦劾餄M是鼓勵(lì)。

    “有時(shí)候會(huì)在湖水中看到很多綠藻,這是不是也可以看作湖水長出的惡性腫瘤呢?”小G的眼眸充滿疑惑。

    “你這個(gè)想象和比喻很有意思呢!綠藻過多是水體污染的一種,這也與溶解氧的濃度有關(guān)。一般在20 °C、1.013 ×105Pa的條件下,水中溶解氧的含量接近于飽和值9 mg·L?1,海水中的氧含量約為8 mg·L?1。但水體被營養(yǎng)豐富的有機(jī)物污染,藻類快速生長,溶解氧被過度消耗又無法及時(shí)補(bǔ)充時(shí),水中的厭氧菌會(huì)大量快速繁殖[3],當(dāng)水中的溶解氧值小于5 mg·L?1,一些生物就會(huì)缺氧死亡。”博士的一番解釋專業(yè)又通俗。

    “原來,湖水、海水和我們的生命一樣,都需要適量氧氣?。 焙⒆觽兓腥淮笪?。

    “對的,如果氧含量超標(biāo),甚至可能造成爆炸等事件呢!”博士一激動(dòng)魔法棒一揮,不小心把自己稀少的頭發(fā)變成了一朵輕描淡寫的蘑菇云。

    “爆炸!真的爆炸了!”孩子們笑得前仰后翻,“博士,真有這么可怕嗎?”

    “不相信,那我們就去火力發(fā)電廠觀摩吧?!辈┦康哪Хò糨p揚(yáng)飛舞,孩子們瞬間轉(zhuǎn)場到了火力發(fā)電廠,出現(xiàn)在孩子們眼前的是構(gòu)造復(fù)雜的幾位“鋼鐵俠”,“這些鋼鐵俠是鍋爐給水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、回水系統(tǒng)和熱網(wǎng)水系統(tǒng),火力發(fā)電可離不開它們的功勞?!辈┦恳灰唤榻B。

    孩子們有點(diǎn)疑惑,“這和氧氣有關(guān)系嗎?”

    “這個(gè)問題好!氧氣很活潑,具有一定的水溶性,所以水中溶解氧含量的檢測非常重要。這些設(shè)備都需要用水,如果水中溶解氧的含量過高,就很容易因?yàn)檠趸磻?yīng)被腐蝕,搞不好鍋爐就會(huì)爆炸?!辈┦磕托慕忉尅?/p>

    “原來如此!氧氣讓人又愛又恨,簡直就是天使與魔鬼的化身??!”小G感嘆。

    “對的,所以,我們要研究清楚這個(gè)小精靈的含量問題。請問,你們有什么辦法可以精準(zhǔn)地測定氧氣的含量,讓這個(gè)調(diào)皮的小精靈無處遁形嗎?”博士的問題可真是層出不窮。

    “提取出來,稱重?”“這個(gè)方法過程很復(fù)雜,不夠直接吧?”孩子們不約而同地轉(zhuǎn)向博士。

    博士說:“這個(gè)方法確實(shí)過程比較復(fù)雜,不過,我們的科學(xué)家開發(fā)出了能夠感應(yīng)氧氣的傳感材料,并發(fā)展出了氧的可視化傳感技術(shù)?!?/p>

    “可視化?這可是個(gè)新名詞呢!”遇到新東西,孩子們又開心起來了。

    3 千呼萬喚始出來——氧氣的可視化傳感研究

    “孩子們,我們要開啟下一段旅程啦!我們要利用高科技,讓看不見摸不著的氧氣現(xiàn)形,看得見,也就是‘可視化’。”博士神秘莫測地拿出兩個(gè)小瓶,“你們現(xiàn)在看到的東西沒有任何顏色,但是,一會(huì)兒,你們仔細(xì)觀察,看看有何變化?”

    “這兩種東西會(huì)產(chǎn)生反應(yīng),對不對?”“肯定是變得有顏色了?!焙⒆觽兊靡獾剜止?。

    “是的,我們要一起做的小實(shí)驗(yàn)叫‘碘量滴定法’,這是德國化學(xué)家路德維?!ね乜死?Ludwig Wilhelm Winkler)在1888年提出的,他用這個(gè)方法實(shí)現(xiàn)了水中溶解氧含量的定量分析[4],開創(chuàng)了世界上首個(gè)氧的定量檢測方法,也開辟了氧含量測定從定性到定量研究的途徑?!辈┦康慕忉寣?shí)在到位。

    小A馬上問道,“博士博士,您剛才說了三次‘定量’,看來這個(gè)詞很重要,它是什么意思呢?”

    “居然能夠聽出我說了三次這個(gè)詞,你可真是厲害!這是一個(gè)很有深度的問題,值得點(diǎn)贊!定性與定量是我們在進(jìn)行科學(xué)研究時(shí),性質(zhì)不同的兩種方法,它們之間的區(qū)別我先不披露,等我們的實(shí)驗(yàn)一個(gè)一個(gè)推進(jìn)時(shí),可能你們自己就會(huì)慢慢悟出來。不過,定性定量一字之差,定性側(cè)重‘性’,定量側(cè)重‘量’,你們可以從漢字意思的角度進(jìn)行思考?!辈┦繂l(fā)孩子們。

    “聽您這么一說,真佩服溫克勒,他實(shí)現(xiàn)了氧含量測定方法從定性到定量的躍升呢。我迫不及待地想體驗(yàn)當(dāng)年他做的實(shí)驗(yàn)了!”小H躍躍欲試。

    “不急不急,開始之前,先考考你們,如果碘遇到淀粉會(huì)怎樣?”博士笑問道。

    “我覺得可能會(huì)變色,我看過碘酒遇到很多東西都會(huì)變色?!薄皩ρ?,我也這么認(rèn)為。”孩子們的猜測幾乎都相近。

    博士這才開始解釋,“溫克勒的實(shí)驗(yàn)就是以碘為氧化劑,利用淀粉與碘的變色機(jī)理——可溶性淀粉以弱鍵結(jié)合游離碘呈現(xiàn)藍(lán)色的方式,實(shí)現(xiàn)了氧的可視化。咱們眼見為實(shí)吧!看,你們現(xiàn)在看到的顏色變化其實(shí)是氧與新制備的二價(jià)氫氧化錳沉淀反應(yīng)生成高價(jià)的錳化合物,與溶液中的碘化物作用,碘單質(zhì)就游離出來了?!?/p>

    “讓碘單質(zhì)游離出來是為了什么呢?”小C問道。

    “碘單質(zhì)是中介,我們以硫代硫酸鈉滴定碘單質(zhì),通過硫代硫酸鈉的用量可以間接求出水體中的氧含量。”

    “博士,我有個(gè)疑問,這個(gè)方法確實(shí)最后算出了氧氣的含量,可是,我們并沒有看到氧氣含量變化的過程,所以,您說的可視化還是不過癮。”小A可不服氣了。

    “應(yīng)該為敢于質(zhì)疑批判的你喝彩!”博士豎起大拇指,“這個(gè)實(shí)驗(yàn)方法比較復(fù)雜,不夠簡便直接,所以科學(xué)家們一直在開發(fā)新方法,這次他們嘗試的是電?!?/p>

    “電?通電,然后呢?”小H滿臉期待。

    “通電會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),出現(xiàn)電流,這個(gè)實(shí)驗(yàn)叫電化學(xué)傳感,不過,這個(gè)過程離不開這個(gè)小東西?!辈┦侩S手一變,手中多了一個(gè)煙斗樣的家伙。

    “這個(gè)小家伙好精致,黑乎乎的很可愛,是通電用的嗎?”“高級煙斗,哈哈哈?!焙⒆觽兤咦彀松嗾f開了。

    博士搖搖手,“非也非也!別小瞧了這小東西哦,它有一個(gè)響當(dāng)當(dāng)?shù)膶I(yè)名稱‘電化學(xué)溶氧探頭'(圖3),它有銀陽極、金陰極、氯化鉀電解液以及透氧膜。氧氣可以通過透氧膜,如果我們在電極兩端施加一定電壓,擴(kuò)散到電解質(zhì)中的氧立即在金電極表面發(fā)生還原反應(yīng),同時(shí)銀電極表面發(fā)生氧化反應(yīng)。兩電極產(chǎn)生的電流大小與溶解氧濃度成正比,通過測定電流大小就可以得到溶液中氧的含量,也就是說,依靠這個(gè)小探頭可以檢測氣體或液體中的氧濃度?!?/p>

    圖3 電化學(xué)溶氧探頭結(jié)構(gòu)示意圖

    “電化學(xué)檢測法好像比較簡單呢。”小G邊說邊看著博士。

    “是的,這個(gè)方法速度快、操作簡單?!辈┦吭捯粑绰?,手里多了一臺(tái)儀器,“你們看,這是一臺(tái)小型電化學(xué)傳感器,我們現(xiàn)場測試下這瓶水中的氧含量,讓你們清晰地感受氧含量的可視化效果吧?!?/p>

    “太神奇了,真的看見了!”博士接通電路的瞬間,孩子們清晰地看到了傳感器指針的位移。驚嘆聲聲中,博士與孩子們搖身一變,又來到了海邊,“現(xiàn)在我們在現(xiàn)場測試海水的氧含量,看看結(jié)果是否有所不同?!辈┦繉㈦娞筋^插入海水,接通電路的瞬間,孩子們再次看到了指針的敏感移動(dòng),“指針移動(dòng)的位置真的和剛才不同呢?!?/p>

    “是的,所以,這就說明兩種環(huán)境的氧含量是不同的。而且,這個(gè)探頭可以直接放到水體中或者在現(xiàn)場檢測,對地表水、地下水、生活污水、工業(yè)廢水都適用,目前已經(jīng)是氧濃度定量檢測的最有效方法。2009年該方法成為我國環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中水質(zhì)溶解氧的測定方法[5]。”博士滔滔不絕地進(jìn)行著科普教育。

    “成為標(biāo)準(zhǔn)那可不簡單!”“這個(gè)方法好直接、好便捷呀!”孩子們喋喋不休。

    “對的,這種方法不受水樣色度、濁度的影響,檢測便捷高效,但是,它需要消耗氧氣,這也是一個(gè)不足,所以,科學(xué)家又在探索新的傳感材料,你們猜猜這次會(huì)是什么呢?”博士有點(diǎn)調(diào)皮,總是話里有話。

    孩子們你看我、我看你,抓耳撓腮,“會(huì)是什么呢?”

    “不難為你們啦,孩子們,閉上眼睛,我數(shù)到3就睜開?!?/p>

    “1、2、3?!辈┦空Z音剛落,孩子們看到屏幕上出現(xiàn)了數(shù)個(gè)紅色圓圈,宛如紅圈圓舞曲,顏色從鮮紅往暗紅遞變,又從暗紅往鮮紅遞變,孩子們又吃驚又困惑,“變色圓?”

    “對呀,是什么在操縱著顏色變化呢?”博士摸摸這個(gè)孩子的頭,點(diǎn)點(diǎn)那個(gè)孩子的小鼻子,孩子們估計(jì)真的被問住了,緊蹙眉頭,默不作聲。

    “這下難倒你們了吧,科學(xué)是很深?yuàn)W的呀!其實(shí),這是熒光與氧氣同臺(tái)獻(xiàn)舞的奇妙變化,并非顏色在改變,而是外部射入的熒光強(qiáng)度帶來的效果。你們看,這是一層充斥著氧氣的傳感膜(圖4),我們將藍(lán)色熒光照射到膜上,卟啉鉑類化合物的熒光探針隨之發(fā)生猝滅,如果我們照射395 nm藍(lán)光,傳感膜就會(huì)發(fā)射650 nm左右的紅光。隨著氧氣含量的高低變化,熒光也隨之或暗或明?!?/p>

    圖4 氧熒光傳感膜傳感過程示意圖

    “真的呀,這樣就非常清晰地看到氧含量的變化啦,比剛才的電化學(xué)法先進(jìn)直觀多了!”“太神妙莫測了!”“太有智慧了!”孩子們從不吝嗇自己的贊美與褒揚(yáng)。

    “可是,孩子們,毛主席告訴我們‘人類總是不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn),有所發(fā)現(xiàn),有所發(fā)明,有所創(chuàng)造,有所前進(jìn)。停止的論點(diǎn),悲觀的論點(diǎn),無所作為和驕傲自滿的論點(diǎn)都是錯(cuò)誤的’??茖W(xué)探究很神奇,永無止境,正是因?yàn)榭茖W(xué)家止于至善的精神,才推動(dòng)科學(xué)研究不斷攀登科學(xué)的珠穆朗瑪峰?!辈┦空佌伣陶d。

    小A頻頻點(diǎn)頭,“所以,現(xiàn)在的科學(xué)研究還只是冰山一角,值得我們不斷思考、探索發(fā)現(xiàn)。”

    “孩子們,你們了解自己的眼睛嗎?科學(xué)家們新開發(fā)的檢測方法正是利用了我們眼睛的一個(gè)特點(diǎn)。”博士指著自己的眼睛,“人類的眼睛對哪些顏色比較敏感呢?”

    機(jī)靈的小C馬上說,“紅色、綠色、黃色吧,信號燈都是紅綠黃三色?!?/p>

    愛辨析的小G反駁道,“我覺得是紅綠藍(lán),剛才的魔術(shù)不是特別用到了藍(lán)色熒光嗎?”

    “哈哈哈,孩子們真有智慧,你們的群體智慧推導(dǎo)出了正確答案,人眼共有1.2億個(gè)視桿細(xì)胞、600-700萬視錐細(xì)胞,人類主要靠分辨顏色能力強(qiáng)的錐狀細(xì)胞進(jìn)行顏色識(shí)別。錐狀細(xì)胞分三種,各含不同的感光色素,分別對紅、藍(lán)、綠光刺激敏感,因?yàn)槿搜蹖︻伾谋嫖鲞h(yuǎn)勝于對光的強(qiáng)度的辨析,科學(xué)家們就又想了一個(gè)新招。”博士頗沉醉地講述著眼睛的特點(diǎn),不知不覺眼睛也瞇成了一條縫。

    “從利用熒光強(qiáng)度到利用人眼的顏色辨析度,科學(xué)家們的慧眼真令人佩服!”孩子們的驚嘆越來越多。

    “所以,我們在生活中要培養(yǎng)善于發(fā)現(xiàn)的眼睛,現(xiàn)在你們閉上眼睛,我再變個(gè)魔術(shù)。1、2、3?!币环k麗多彩的光色交響樂圖徐徐鋪展在孩子們眼前,紅、橙、棕、黃、黃綠、綠,緩緩變色,美輪美奐……

    孩子們都看呆了,“科學(xué)家以紅綠藍(lán)三原色原理,將氧傳感膜升級為比色傳感器,引入背景顏色。使用紅光和綠光發(fā)射的LED,逐次減少紅光LED的電流,減弱紅光強(qiáng)度,與此同時(shí)保持綠色LED的電流不變,就可以清晰地觀察到紅、橙、棕、黃、黃綠、綠色的變化(圖5)?!辈┦康慕忉屢龑?dǎo)孩子們一點(diǎn)點(diǎn)接近真理。

    圖5 紅色強(qiáng)度逐次減弱(左)及紅綠光LED逐次減少紅色發(fā)光強(qiáng)度(右)的視覺情況

    “是不是氧濃度低時(shí),比色氧傳感器為鮮紅色;當(dāng)氧濃度高時(shí),為綠色?!毙問道。

    “太棒了,推理正確,你講出了這個(gè)變化的科學(xué)規(guī)律!”博士點(diǎn)贊道。

    “我感覺熒光在和顏色共舞,唱出了一曲曼妙絕倫的光色舞蹈?!毕胂罅ωS富的小I自言自語。

    博士摸摸小I的頭,“你的描述太美了!科學(xué)是需要想象力的,這是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新不可或缺的素質(zhì)。正是因?yàn)榭茖W(xué)家擁有豐富的想象力,他們才能在前人研究的基礎(chǔ)上不斷推陳出新,讓我們越來越了解這個(gè)世界萬事萬物的真相。”

    4 天生我才必有用——氧的熒光可視化傳感應(yīng)用

    “科學(xué)研究充滿了無盡的可能,只要我們善于觀察、善于思考、善于總結(jié)。當(dāng)然,科學(xué)并非高高在上,高不可攀,科學(xué)家們不斷耕耘,在氧的熒光可視化傳感研究中積累了豐富的理論成果,這些成果變成了論文、書籍廣泛傳播,但是,這些書架上的理論需要下沉到現(xiàn)實(shí)生活,為改善人類的生活做貢獻(xiàn),也就是科學(xué)家還需要實(shí)現(xiàn)從書架到貨架的轉(zhuǎn)移?!?/p>

    “貨架?”孩子們似懂非懂、一知半解。

    “對,貨架其實(shí)就是應(yīng)用。在生活中,氧的熒光可視化傳感研究有何用處呢?”博士提出問題的同時(shí)舞動(dòng)了魔術(shù)棒,“變”,瞧,博士手里多了一件外套(圖6),“這件外套看似平常,不過,它可不是一般的外套,專供消防員、礦工等人使用哦?!?/p>

    圖6 繡有比色氧傳感布標(biāo)簽的工作服

    “它身上有氧氣的符號,應(yīng)該和氧氣相關(guān)?!薄翱梢蕴峁┭鯕獾姆b嗎?”“自己制造氧氣?”孩子們你問我,我問你,樂不可支。

    “你們都打了擦邊球,這個(gè)橙色標(biāo)簽的科技含量很高呢,它利用了剛才的比色氧傳感研究成果?!辈┦渴种笜?biāo)簽,“有了這個(gè)標(biāo)簽,礦工可以及時(shí)了解自己所處環(huán)境的含氧量,生命安全就有一定保障了?!?/p>

    “這可是生命保障服??!”在孩子們的感嘆中,博士變出了一袋薯片,“其實(shí),這個(gè)標(biāo)簽在食品包裝中也可以使用,制作防偽標(biāo)簽[6],放入無氧包裝袋時(shí)顯示紅色,拆封后空氣中的氧猝滅紅光,標(biāo)簽顯現(xiàn)藍(lán)色(圖7)。我們依靠目視就可以對產(chǎn)品的真?zhèn)芜M(jìn)行有效辨別,也可以據(jù)此判斷食品包裝的氣密性、完整性?!?/p>

    圖7 傳感標(biāo)簽在密封和簡單封裝的塑封袋中時(shí)的紫外燈下照片

    孩子們一邊品嘗美味安全的薯片一邊聽著博士繼續(xù)解說,“除此之外,在生物化學(xué)領(lǐng)域,科學(xué)家構(gòu)建了可逆的光學(xué)比色葡萄糖傳感器[7],保持綠色熒光背景信號不變,隨著氧敏感探針的傳感,隨著溶解氧消耗的增減,葡萄糖濃度變化,顏色變化也逐漸豐富多彩(圖8)?!?/p>

    圖8 比色葡萄糖傳感器在不同葡萄糖濃度時(shí)所呈現(xiàn)出的顏色

    “博士,您太博學(xué)多才了,這么多專業(yè)知識(shí)信手拈來,原來一個(gè)科學(xué)原理可以應(yīng)用于這么多領(lǐng)域呢,太不可思議了!”孩子們膜拜博士的心情溢于言表。

    “應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些,醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也用得很廣泛。不過,醫(yī)學(xué)與生死相關(guān),所以,對技術(shù)的精密度要求更高。那可是納米級的傳感材料?。 辈┦坑珠_始侃侃而談了,“看,這張海拉細(xì)胞內(nèi)氧含量成像圖(圖9),科學(xué)家將肉眼看不見的細(xì)微氧比色傳感器以合適的方法導(dǎo)入細(xì)胞,借助倒置光學(xué)顯微鏡,細(xì)胞內(nèi)氧的濃度分布和細(xì)胞分裂過程中氧濃度的動(dòng)態(tài)變化就近在眼前啦[8]?!?/p>

    圖9 海拉細(xì)胞內(nèi)氧含量成像圖

    “真想眼見為實(shí)?。 薄拔乙蚕?!”孩子們對納米技術(shù)充滿了向往!

    “科學(xué)研究要從細(xì)微處著手,平時(shí)善于觀察、樂于思考、敢于鉆研就可以一步步接近真理。今天通過魔術(shù)表演讓你們感知觸摸這些科學(xué)研究,其實(shí),這是我?guī)е芯繄F(tuán)隊(duì)研究了30幾年的成果,每一個(gè)成果都是孜孜不倦、求真求善的積淀。開場時(shí),我們提到定性研究與定量研究,現(xiàn)在你們體會(huì)到了定量研究的特點(diǎn)嗎?”

    “從拉瓦錫到溫克勒,每一個(gè)科學(xué)突破都有實(shí)驗(yàn)。”“從電到熒光,好像數(shù)據(jù)很重要?!薄皠偛艤y試海水氧含量時(shí),好像要求數(shù)據(jù)很精準(zhǔn)呢?!焙⒆觽兤咦彀松鄵屟浴?/p>

    “孩子們,你們各抒己見、群策群力,攜手同心通往一個(gè)逐漸完善的答案。定量研究最大的特點(diǎn)就是收集、梳理、分析科學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù),獲得量的判斷,而定性則更偏重性質(zhì)的分析?!辈┦啃牢繕O了。

    “博士,我們做任何研究都需要閱讀文獻(xiàn),所以,科學(xué)研究應(yīng)該是定量研究與定性研究相結(jié)合的,對吧?”好學(xué)的孩子們似乎漸漸萌生了辯證統(tǒng)一的思維方式。

    “是的,其實(shí),無論任何研究都需要兩種方法相結(jié)合,才能無限接近真相。孩子們,‘氧氣的科學(xué)故事專場魔術(shù)表演’到此暫告一段落,關(guān)于氧氣的研究,我也只是探索到了冰山很微小的一角。你們好學(xué)善思樂問,我很期待你們的智慧思考點(diǎn)亮氧氣研究的世界。在司空見慣的日常生活里,多問‘為什么?'并通過力所能及的途徑去觸摸真相。當(dāng)然,我也熱烈歡迎你們隨時(shí)與我探討有趣的科學(xué)故事,我的電話是020202?!辈┦縿倛?bào)完電話號碼,有孩子馬上發(fā)現(xiàn)了秘密,“博士的電話是三個(gè)氧分子!”“這太容易記了!”“謝謝氧博士!”“我愛3氧博士!”歡聲笑語、意猶未盡里,博士帶著孩子們返回舞臺(tái)。

    “孩子們,探索發(fā)現(xiàn)盡興而歸了吧?”主持人身著帶有氧比色傳告標(biāo)簽的外套出現(xiàn)在舞臺(tái)中央。

    “是的,博士的魔術(shù)表演太有魔幻性了,不可思議!”“博士把我們完全忽視的氧研究得好透徹,佩服!”“博士太有才了,講解通俗易懂!”“博士聰明絕頂、幽默睿智!”“下次,我還要參加博士的魔術(shù)表演!”“我也要……”孩子們滔滔不絕,興奮不已。

    “孩子們,X博士今天只是拋磚引玉,帶你們感受了氧氣現(xiàn)形的旅程,未來,你們可能在此基礎(chǔ)上深入拓展,為人類的氧傳感可視化研究增添更高端、更細(xì)膩、更精美的舞曲。讓我們一起遨游科學(xué)探索的海洋,齊心協(xié)力揭開這世界的奧妙,為改造世界獻(xiàn)力吧!”伴隨著主持人的話音落地,博士騰云駕霧消失在孩子們的視野里,“3氧分子”的電話號碼深深刻在了孩子們的心里,激勵(lì)著孩子們……

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