第四代的朗伯比爾定律教學(xué)芯片教學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

吳劍 張葉

摘 要：通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，我們對(duì)第四代教學(xué)微芯片中朗伯比爾定律教學(xué)微芯片的教學(xué)過(guò)程進(jìn)行了研究，采用更為綠色環(huán)保的水溶性丙烯顏料等進(jìn)行教學(xué)，避免了采用高錳酸鉀等常規(guī)化學(xué)耗材時(shí)出現(xiàn)的易于腐蝕等缺陷，使得其更適用于課堂教學(xué)。

作為集成技術(shù)的代表，微流控芯片在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用[1-3]，其中教學(xué)微芯片是本課題組具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研究成果，其成功的將微芯片技術(shù)引入了教育教學(xué)領(lǐng)域，由于微芯片具有的便攜性好、試劑用量少、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，使得教學(xué)微芯片可以方便的在課堂上直接進(jìn)行理實(shí)一體化教學(xué)，該技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[4]。我們開發(fā)了第四代教學(xué)微芯片[5]，并將其應(yīng)用在了朗伯比爾定律的教學(xué)中[7]，在教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)使得其更適合課堂教學(xué)，特匯報(bào)如下：

1）郎伯-比爾定律及朗伯比爾定律教學(xué)微芯片

朗伯-比爾定律的表達(dá)式為：A=K×c×L

表示當(dāng)一束平行單色光垂直通過(guò)某一具有一定光照面積的、含吸光物質(zhì)的稀溶液時(shí)，若該溶液均勻、無(wú)散射，則在入射光波長(zhǎng)、強(qiáng)度及溶液的溫度等條件保持不變的情況下，該溶液中的吸光物質(zhì)對(duì)單色光的吸光度 A 與溶液的濃度 c 及溶液液層厚度L的乘積成正比關(guān)系。我們將微型化化學(xué)實(shí)驗(yàn)的概念和微流控芯片的技術(shù)結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了一種能夠演示朗伯-比爾定律的教學(xué)用芯片，采用能夠構(gòu)建濃度梯度和厚度梯度的微芯片，達(dá)到更好的教學(xué)效果。其是本課題組開發(fā)的第四代教學(xué)微芯片（見圖1）的組成之一。

2）教學(xué)反思

我們采用課本原有的實(shí)驗(yàn)——高錳酸鉀的紫外可見分光光度法測(cè)定進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)具體過(guò)程參見文獻(xiàn)[6]，在實(shí)踐教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)相關(guān)方法存在如下缺陷：

（1）實(shí)驗(yàn)用高錳酸鉀溶液容易氧化變質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)條件下（中性溶液）易于產(chǎn)生二氧化錳的沉淀，因此課程教學(xué)中如不能及時(shí)清洗芯片會(huì)導(dǎo)致后續(xù)班級(jí)實(shí)驗(yàn)效果差，微芯片管道易發(fā)生堵塞。

（2）高錳酸鉀溶液使用時(shí)需防止弄到手上和身上，因其腐蝕性較強(qiáng)，在衣服手上還會(huì)產(chǎn)生二氧化錳的沉淀，使用時(shí)需要極為小心。但是微芯片在課堂上大規(guī)模使用時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)意外情況如芯片漏液，學(xué)生打翻芯片等情況。

（3）高錳酸鉀溶液的氧化性對(duì)微芯片管道有一定影響，在使用后如未能及時(shí)清洗會(huì)導(dǎo)致芯片變色，如相關(guān)變色在朗伯比爾芯片的濃度和厚度梯度部分則導(dǎo)致芯片觀察存在問(wèn)題。

（4）在課堂上進(jìn)行理實(shí)一體化教學(xué)時(shí)芯片往往不能及時(shí)得到清洗，這加重了相關(guān)缺陷。

3）實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

從上述描述可見，采用高錳酸鉀進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)存在較大的問(wèn)題，而這些問(wèn)題的來(lái)源均在于高錳酸鉀本身，因此我們擬對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。從朗伯比爾定律來(lái)說(shuō)只要在可見光區(qū)有顏色的物質(zhì)應(yīng)該均可以用于教學(xué)，為此我們準(zhǔn)備了如下有色物質(zhì)：

五水硫酸銅（藍(lán)色）、鐵氰化鉀溶液、氯化鈷溶液、水溶性丙烯顏料、胡蘿卜提取液。

用上述物質(zhì)進(jìn)行朗伯比爾實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如下：

五水硫酸銅（藍(lán)色）可以較為明顯的看到濃度和厚度的變化，長(zhǎng)久放置易析出硫酸銅晶體，且硫酸銅有生物毒性，使用時(shí)需注意不可入口。

鐵氰化鉀溶液可以看到不同厚度的變化（顏色加深）但是不同濃度的鐵氰化鉀溶液顏色溶液顏色由黃色至紅褐色有黃綠色熒光，且因?yàn)閺?qiáng)氧化性，易于分解且生成物有劇毒，鐵氰化鉀溶液必須現(xiàn)用現(xiàn)配。因此除非進(jìn)行鐵氰化鉀溶液顏色的教學(xué)工作，不宜采用該溶液進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)。

氯化鈷溶液，采購(gòu)了比色用氯化鈷溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，效果較好，且配合芯片集成的加熱模塊，相關(guān)溶液可以通過(guò)加熱轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色，對(duì)鈷離子的顏色教學(xué)較為有利，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象較為明顯，易引起學(xué)生的興趣，但是、鈷離子存在健康危害：吸入該品粉塵對(duì)呼吸道有刺激性。長(zhǎng)期吸入引起嚴(yán)重肺疾患。對(duì)敏感個(gè)體，吸入該品粉塵可致肺部阻塞性病變，出現(xiàn)氣短等癥狀。粉塵對(duì)眼有刺激性，長(zhǎng)期接觸可致眼損害。對(duì)皮膚有致敏性，可致皮炎。攝入引起惡心、嘔吐、腹瀉;大量攝入引起急性中毒，引起血液、甲狀腺和胰臟損害。其有毒，具刺激性，具致敏性。因此在教學(xué)中不宜大規(guī)模使用，可用于做好防護(hù)的課外興趣小組進(jìn)行探究式教學(xué)工作。

采用水溶性丙烯顏料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)效果較好，丙烯顏料是采用聚丙烯酸乳液為粘合劑，主要組分是聚合物和水，有輕微毒性，但只要不誤食，就不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害。但是要注意及時(shí)清洗管道，否則如顏料沉降后容易著色，嚴(yán)重的甚至堵塞管道。

將胡蘿卜榨汁后過(guò)濾獲得胡蘿卜提取液，其進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)效果較好，且胡蘿卜提取液對(duì)人體無(wú)害，具有綠色環(huán)保的效果，用于課堂的大規(guī)模教學(xué)效果良好，缺陷在于胡蘿卜素易于氧化變質(zhì)，需要現(xiàn)配現(xiàn)用，對(duì)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了困難。

4）結(jié)論

通過(guò)上述對(duì)比，比較適合進(jìn)行大規(guī)模教學(xué)應(yīng)用的是水溶性丙烯顏料和胡蘿卜提取液，胡蘿卜提取液還可以在生物化學(xué)課程教學(xué)中使用（胡蘿卜素為維生素A原），但是考慮到水溶性丙烯顏料可以較長(zhǎng)時(shí)間保存，使用時(shí)無(wú)需進(jìn)行榨汁等工作因此使用水溶性丙烯顏料進(jìn)行教學(xué)微芯片實(shí)驗(yàn)較為方便。

參考文獻(xiàn)

[1]Manz A， Graber N， Widmer H M.Miniaturized total chemical-analysis systems-A novel concept for chemical sensing[J].Sensors and Actuators B：Chemical， 1990， 1：244-248.

[2]肖羽，張琳，施亦斌，陳纘光. 微流控芯片非接觸電導(dǎo)法測(cè)定左卡尼汀注射液的含量[J]. 藥物分析雜志，2015，35（04）：728-731.

[3]王鶴辰，包永睿，王帥，李天嬌，孟憲生. 基于微流控芯片技術(shù)的中藥小薊誘導(dǎo)肺癌A549細(xì)胞凋亡用藥部位精準(zhǔn)分析[J]. 藥物分析雜志， 2019， 39（03）：393-397.

[4]吳劍，張葉，高煥.教學(xué)微芯片在郎伯-比爾定律教學(xué)中的應(yīng)用[J].科教導(dǎo)刊（下旬），2020（03）：133-134.

[5]吳劍，康浩，張葉，孫小敏，王睿萱，劉志華，唐玲，張夢(mèng)雨. 一種綠色多功能教學(xué)微芯片[P]. 安徽?。篊N209373894U，2019-09-10.

[6]吳劍，張葉，高煥. 教學(xué)微芯片在郎伯-比爾定律教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 科教導(dǎo)刊（下旬），2020，（03）：133-134.

基金項(xiàng)目：

2019 年安徽省教育廳重點(diǎn)教學(xué)研究項(xiàng)目“第四代教學(xué)微芯片在教學(xué)中的應(yīng)用研究”（2019jyxm0552）

作者簡(jiǎn)介：

吳劍，博士，教授，研究方向?yàn)榉治龌瘜W(xué)、藥物分析化學(xué)。