Origin 軟件在物理化學實驗教學中的應(yīng)用

劉園旭，劉歡歡，李 全，楊 永，李洋洋，張彩云

（安徽中醫(yī)藥大學 藥學院，安徽 合肥 230012）

藥用基礎(chǔ)實驗化學是安徽中醫(yī)藥大學藥學院藥學等相關(guān)專業(yè)一門獨立的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是將傳統(tǒng)四大化學（無機化學、有機化學、分析化學和物理化學）的實驗內(nèi)容按照知識體系與教學順序整合為一體［1］。在無機化學、有機化學、分析化學實驗中鍛煉了學生實驗規(guī)范操作能力和對實驗現(xiàn)象的科學記錄表達能力，而大部分物理化學實驗項目，如蔗糖水解、皂化反應(yīng)等測定反應(yīng)速率的動力學實驗，溶液表面張力的測定，黏度法測定高聚物的相對分子質(zhì)量、三元相圖的繪制等等，都會涉及到數(shù)據(jù)的處理和結(jié)果分析。對這些實驗數(shù)據(jù)的計算及處理是一件復(fù)雜及繁瑣的后續(xù)工作，在目前的學生實驗中，大部分學生先利用計算器計算，然后在坐標紙上做圖，根據(jù)圖形再求相應(yīng)的斜率、截距或做線性曲線擬合。用坐標紙作圖是物理化學實驗中重要的數(shù)據(jù)處理方法，也是學生必須掌握的數(shù)據(jù)處理能力之一，但坐標紙作圖費時費力，并且在數(shù)據(jù)處理過程中往往會引入有效數(shù)字的保留、坐標軸范圍選擇、描點等各種誤差，以致做出的圖形粗糙且重復(fù)性差，導致實驗結(jié)果誤差較大［2］。針對以上問題，對某些物理化學實驗，有必要引入方便、易掌握的數(shù)據(jù)處理軟件供學生使用。

1 Origin 簡介及其在物理化學實驗中的應(yīng)用

隨著計算機技術(shù)的普及，用計算機軟件作圖快速且準確。目前，物理化學實驗處理數(shù)據(jù)的軟件主要有Microsoft Excel 和Origin 兩種，Microsoft Excel 具有強大的數(shù)據(jù)處理功能，常用于各種表格的繪制，但其在數(shù)據(jù)分析及圖形處理等方面不如Origin 強大，Origin 軟件是美國Origin Lab 公司開發(fā)的具有深度數(shù)據(jù)分析和科技繪圖功能的專業(yè)軟件，簡單易學、功能齊全、操作靈活的特點使其廣泛應(yīng)用于實驗教學及科研領(lǐng)域［3］。

Origin 具有數(shù)據(jù)分析及繪圖兩大主要功能，數(shù)據(jù)分析主要包括統(tǒng)計、信號處理、圖像處理、峰值分析和曲線擬合等各種完善的數(shù)學分析功能。Origin 可以導入包括ASCII、Excel、pClamp 等多種數(shù)據(jù)，準備好數(shù)據(jù)后，只需選擇所要分析的數(shù)據(jù)，然后再選擇相應(yīng)的菜單命令即可。Origin 的繪圖功能是基于各種二維或三維繪圖模板，可以和各種數(shù)據(jù)庫軟件、辦公軟件、圖像處理軟件方便連接，繪圖后可以把Origin 圖形輸出為JPEG、GIF、EPS、TIFF 等多種格式的圖像文件［4］。

目前，結(jié)合筆者所在學院開課情況，物理化學實驗中常用到Origin數(shù)據(jù)作圖和線性擬合功能。涉及的實驗主要包括：三元相圖的繪制、表面張力的測定（數(shù)據(jù)做圖）；動力學反應(yīng)速率常數(shù)的測定、黏度法測定高聚物的相對分子質(zhì)量（線性擬合）。本文以三元相圖的繪制和蔗糖轉(zhuǎn)化速率測定研究為例，對Origin 在物理化學實驗中的數(shù)據(jù)處理及分析過程進行詳細介紹，以充分體現(xiàn)該軟件在數(shù)據(jù)作圖上方便、快捷等特點。

2 Origin 在三元相圖繪制實驗的應(yīng)用實踐

根據(jù)相律f=k-φ+2，在三組分系統(tǒng)中（k=3），自由度數(shù)最大為4，四個變量分別為溫度、壓力和兩個組分的相對含量，具有四個變量的相圖不直觀也不方便繪制，通常的處理方法是將溫度及壓力固定，剩下兩個組分的相對含量為變量，處理時一般用等邊三角形來表示三組分系統(tǒng)相圖，通過開設(shè)一對液體部分互溶的三組分液-液平衡體系相圖繪制實驗，并根據(jù)實驗綠色化原則，減少有害物質(zhì)在學生實驗過程中的使用，將傳統(tǒng)的苯-乙醇-水三組分體系優(yōu)化為冬綠油-異丙醇-水三組分體系［5］。

對于三組分系統(tǒng)中的任一物系點，常用逆時針方向在三角形的三條邊上標出三個組分的質(zhì)量分數(shù)［6］，而實驗過程中使用的冬綠油、異丙醇、水在常溫常壓下都是液態(tài)，學生方便、快速得到各個組分的體積信息，結(jié)合各物質(zhì)密度可計算出各組分的質(zhì)量，而三角形相圖中需要的是質(zhì)量分數(shù)，因此需要各組分質(zhì)量分數(shù)的計算，這需要學生對數(shù)據(jù)進行重復(fù)繁瑣的處理，同時根據(jù)傳統(tǒng)作圖方法，需要將表1 進行計算完善，之后根據(jù)表格數(shù)據(jù)在坐標紙上進行10 個數(shù)據(jù)的描點繪圖。由于三組分系統(tǒng)中微小的質(zhì)量誤差，都會帶來較大實驗現(xiàn)象的改變，因此在繪圖過程中由于有效數(shù)字的保留等問題都可能會帶來較大的誤差。那么針對三元相圖繪制類的實驗，我們引入具有強大作圖功能的Origin 軟件，以方便、快速、準確地對數(shù)據(jù)進行后處理。

表1 冬綠油-異丙醇-水的體積、質(zhì)量及質(zhì)量分數(shù)數(shù)據(jù)

應(yīng)用Origin8.5 軟件，僅需3 步就可快速作出三組分系統(tǒng)的相圖，步驟如下：首先在打開的workbook 中，使用快捷鍵添加新的一列并設(shè)置為z 軸（軟件默認打開只有x、y 兩列），將冬綠油、異丙醇以及根據(jù)實驗現(xiàn)象滴定得到的水的體積分別輸入在x、y、z 列中，并對每一列進行相應(yīng)的命名（圖1 第一步）。針對每一列，右擊快捷鍵對數(shù)值進行設(shè)置（set column values），結(jié)合密度數(shù)據(jù)就可得到質(zhì)量數(shù)據(jù)（圖1 第二步），數(shù)據(jù)處理好后，即可作圖。由于origin 自帶包括三元相圖在內(nèi)的多種作圖模板，選中數(shù)據(jù)點擊plot-specializedternary 即可快速作圖（圖1 第三步），軟件自動進行質(zhì)量百分數(shù)的轉(zhuǎn)換，最后將頂點及帽型區(qū)連線補充完整即可得到完整的三元相圖（圖2）。

圖1 冬綠油-異丙醇-水三組分系統(tǒng)相圖的做圖過程

圖2 冬綠油-異丙醇-水三組分系統(tǒng)的相圖

3 Origin 在蔗糖轉(zhuǎn)化速率測定實驗中的應(yīng)用實踐

化學動力學是物理化學課程的重要部分，其中不同級數(shù)反應(yīng)速率常數(shù)的測定又是化學動力學部分的核心內(nèi)容。由于藥物在體內(nèi)的吸收、代謝等符合一級反應(yīng)動力學特征，因此一級反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)的測定及有效期的預(yù)測是物理化學理論課及實驗課經(jīng)典且重要的內(nèi)容。

蔗糖在酸性條件下的水解反應(yīng)可以近似地看作一級反應(yīng)，其反應(yīng)動力學方程式為積分式為lnc=-k1c +lnc0，由于蔗糖在水解過程中，旋光度α 發(fā)生變化，而當溶劑性質(zhì)、樣品管長度、溫度等其他條件固定時，旋光度α 與反應(yīng)物濃度c 呈線性關(guān)系，因此在蔗糖水解反應(yīng)過程中可以用旋光度α 的變化表示濃度c 的變化。將積分式改為旋光度α 的關(guān)系式為，在實驗過程中需要測定隨著時間t 旋光度α 的變化，結(jié)果記錄如表2 所示。根據(jù)繪圖，求出斜率，進而得到該一級反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)k1和半衰期t1/2。

表2 不同時間條件下的旋光度

根據(jù)實驗結(jié)果可知，不同t 時刻條件下，用lg（αt-α∞）表示的濃度變化很小，因此有效數(shù)字的保留及描點誤差會對實驗的線性關(guān)系帶來較大影響，另外該實驗的數(shù)據(jù)量較大，用坐標紙作圖會帶來較大誤差。而利用Origin 軟件，通過簡單的2 步即可求出反應(yīng)速率常數(shù)，具體的繪圖過程如下：首先在打開的workbook 中，x、y 兩列分別輸入不同時間t 及l(fā)g（αt-α∞）數(shù)值，選中數(shù)據(jù)點擊plot-line+symbol，或者利用左下角快捷鍵直接作圖（圖3 第一步），依據(jù)圖形點擊Analysis-Fitting-Linear Fit 進行線性擬合（圖3 第二步），并且可得各相關(guān)擬合參數(shù)及標準誤差（圖4）。

圖3 蔗糖水解做圖及線性擬合過程

圖4 蔗糖水解的線性擬合圖及相關(guān)參數(shù)

根據(jù)線性擬合，可得該一級反應(yīng)的斜率為-0.0047，而在一級反應(yīng)的動力學積分方程式中斜率為，因此可得25℃條件下，該一級反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)k1為0.0108 min-1，半衰期t1/2==64 min。

4 討論

Origin 軟件在以上兩個實驗數(shù)據(jù)處理過程中直觀表現(xiàn)出強大的數(shù)據(jù)處理及繪圖功能［7］，但目前物理化學實驗關(guān)于Origin 的教學不完善，學生在做物理化學實驗之前基本上沒有接觸過這個軟件，這不利于培養(yǎng)學生數(shù)據(jù)處理、分析及將來科研能力，因此在物理化學實驗過程中需要對Origin軟件的使用內(nèi)容及操作方法進行系統(tǒng)地講解，由于該軟件是藥學及化學等相關(guān)專業(yè)研究生必須熟練掌握的軟件之一，因此講解內(nèi)容不局限在物理化學實驗課內(nèi)容，還要介紹在使用軟件過程中常用的其他作圖功能，并借助本校物理化學為安徽省高等學校省級大規(guī)模在線開放課程（MOOC）示范項目的支持，把講課內(nèi)容錄制成視頻上傳到慕課平臺，供學生們隨時觀看。通過對Origin 軟件的講解和學習，相信很多學生都可以熟練使用Origin 軟件，這有利于培養(yǎng)學生數(shù)據(jù)處理及分析的科研能力，也為以后的畢業(yè)實習及研究生學習打下堅實的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

物理化學實驗是藥學院各專業(yè)學生重要的基礎(chǔ)實驗課程，但物理化學實驗數(shù)據(jù)處理復(fù)雜使得學生對這門課程有畏懼心理。Origin 軟件簡單易學、操作靈活可以實現(xiàn)所有物理化學實驗的數(shù)據(jù)處理，合理地應(yīng)用Origin 軟件處理物理化學實驗數(shù)據(jù)，大大減少了數(shù)據(jù)的后處理時間，有效提高數(shù)據(jù)處理的速度和準確度，可以得到科學規(guī)范的數(shù)據(jù)結(jié)果，準確反應(yīng)實驗變化規(guī)律，從而提高學生學習該門課程的積極性，并且該軟件的應(yīng)用和普及對學生科學思維及科研能力的鍛煉和提升也具有重要作用。