眾尋“氧氣”千百度：那廝顯在斑斕處

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……