含氟牙膏對預防齲齒作用的體外模擬
——推薦一個針對非化學專業學生的普通化學設計實驗

胡鍇 田秋霖 丁瓊 陶海燕

(武漢大學化學與分子科學學院 湖北武漢 430072)

設計實驗既能有效地培養學生實際分析問題和解決問題的能力，又能滿足學生對實驗新穎性和學習主動性的需求，被認為是一種有效培養學生自主學習能力和創新意識的實驗教學模式。對于非化學專業的學生，因受到實驗學時和知識背景的限制，開設設計實驗存在一些困難，并且針對性不強。基于此，本文推薦一個針對非化學專業(尤其是醫學和藥學相關專業)學生開設的普通化學設計實驗。

實驗研究對象是含氟牙膏。通過互動提問方式引導學生進行實驗設計，進而半定量地探究含氟牙膏預防齲齒的效果。實驗貼近生活，材料易得，器材簡單，拓展性強，能很好地吸引不同層次學生的興趣。實驗內容涉及了諸多化學的基本原理和實驗相關操作，如化學反應平衡、反應速率的影響因素、酸堿反應、樣品的前處理、指示劑的選擇等。考慮到低年級非化學專業學生化學理論和實踐知識不足的現狀，實驗講義采用互動提問方式。這種做法一方面能促進學生對實驗原理的理解；另一方面通過對實驗過程中一些關鍵性細節的提問為學生設計實驗提供指導，使學生能有的放矢地設計實驗。

實驗講義分兩部分：一為學生講義，主要針對實驗設計提問，希望通過回答問題引導學生設計實驗；二為一種設計方案示例，主要為教師的實驗指導提供參考，不提供給學生。學生依據自行設計的實驗方案,與教師進行討論并修訂，然后進行實驗。

1 學生講義

20世紀口腔醫學發展的一個重要貢獻就是發現氟化物的防齲作用。大量研究表明，使用含氟牙膏刷牙可以有效預防齲齒[1]。WHO也將推廣使用含氟牙膏作為21世紀預防齲齒的基本策略之一。

針對含氟牙膏是否能對牙齒起保護作用，以及不同類型和品牌的含氟牙膏在保護牙齒免受酸腐蝕上是否存在差別等問題，本實驗以蛋殼作為牙齒的替代物，設計實驗測定用含氟牙膏和非含氟牙膏處理后蛋殼抗酸腐蝕的效果。牙膏的保護作用可以通過不同的物理量來體現，如不同蛋殼經過酸處理后質量變化的差異，或者是與酸反應后溶液體系中溶出的鈣離子濃度差異[2]等。本實驗要求從測定蛋殼與酸反應的產物CO2的性質入手，利用所學的普通化學及實驗相關知識，半定量地探究含氟牙膏對蛋殼受酸侵蝕作用的保護，從而間接評價含氟牙膏的護齒作用。

在設計實驗方案前，請學生通過查閱資料回答下列問題：

(1) 基本原理問題：

① 牙齒的主要成分是什么？

② 產生齲齒的原因有哪些？通常如何預防齲齒？

③ 市售含氟牙膏中氟有哪些存在形式？從化學原理分析，影響含氟牙膏防齲效果的主要因素有哪些？

④ 通過了解蛋殼的主要成分，說明為什么可用蛋殼代替牙齒來測定牙膏的防齲效果？蛋殼代替牙齒作為測試對象有何優缺點？

(2) 樣品前處理問題：

① 做測試前需對蛋殼進行預處理以除去蛋殼膜，如何有效去除蛋殼膜？

② 由于牙膏中氟含量有限，結合牙膏防齲的原理和一些基本化學原理，從牙膏與蛋殼的作用方式及蛋殼的性狀分析如何能更好地讓牙膏中的氟離子與蛋殼均勻作用，從而提高其保護作用以便于測定。

③ 樣本上所黏附的牙膏有效防蛀組分的濃度和厚度等不均勻性因素會影響實驗測定。如何從樣品處理入手消除不均勻性問題給實驗帶來的偶然誤差？

④ 牙膏中的其他主要成分是否會對實驗測定造成影響？如果會，如何將這些影響降到最低或消除？

(3) 測定方法問題：

① 實驗中利用了CO2的什么性質來間接測定反應的相對速率？

② 使用量氣法時，需要控制哪些變量和實驗條件才能使實驗數據盡可能真實地反映實際狀況，減少人為因素的影響？

③ 除量氣法外，是否還可以利用CO2的其他性質，如酸性等進行測定？如利用CO2的酸性進行間接測定，選擇什么方式能清楚、明了、快速、準確地間接反映出蛋殼處理前后腐蝕程度的差異？

④ 從理論上分析含氟牙膏處理后的蛋殼與酸作用的反應速率較之未處理的蛋殼是快還是慢，為什么？這種速率上的差異是在反應之初表現顯著還是反應進行到一定程度之后？針對上述問題，在設計實驗評價含氟牙膏作用效果時，蛋殼與酸作用時間的設計應注意什么？

⑤ 含氟牙膏是否產生保護效用的參考標準是什么？實驗中的參考組用什么處理比較好？

⑥ 決定實驗準確性的關鍵步驟有哪些？

⑦ 蛋殼處理和測定過程中需要用哪些儀器和藥品？通過理論計算，推測各物質的濃度和用量，并通過預實驗檢測用量是否合適。

2 實驗方案示例(教師指導參考)

2.1 蛋殼前處理

(1) 將約5g蛋殼洗凈，掰成近似1cm×1cm的小塊，放入10mL 2mol·L-1NaOH溶液中，煮沸約10min，待殼內蛋膜完全脫離蛋殼后，停止加熱。用冷水將蛋殼洗凈，擦干。將其碎成大小近似的小塊，備用。并將NaOH溶液倒入指定的回收容器內。

(2) 分別稱取自備的不同待測牙膏(包括含氟和不含氟的牙膏)約1.50g(記錄牙膏準確用量)，加入10mL水攪拌混合均勻成漿液。向其中加入處理后的蛋殼1.00g，保證蛋殼浸沒在牙膏水溶液中。此外，制備一樣本，將牙膏水直接換為蒸餾水，其余不變，作為對照標準之一。

(3) 待蛋殼浸泡40min后，將蛋殼上多余的牙膏沖洗掉(先用自來水沖洗，后用蒸餾水沖洗)。

(4) 在110℃烘箱中烘約15min，取出靜置冷卻。

(5) 將處理好的蛋殼用研缽碾碎，備用。

2.2 牙膏預防齲齒功效測定

(1) 先向燒杯中加入35mL 約0.005mol·L-1NaOH，然后加入3滴0.1%酚酞指示劑，此時溶液呈淡紫紅色。

(2) 移取5.00mL NaOH-酚酞溶液于試管中，利用固液反應制備氣體的裝置(圖1)進行測試。檢驗裝置氣密性后，準確稱取約0.3g 處理好的碎蛋殼于干燥大試管中，量取25mL 1.00 mol·L-1HCl于滴液漏斗中。

圖1 反應裝置圖

(3) 打開滴液漏斗活塞，同時迅速按下秒表。此時蛋殼與HCl發生反應，有氣泡從NaOH-酚酞溶液中冒出。不斷搖動裝有NaOH-酚酞溶液的試管。待溶液剛好由紅色褪至無色時按停秒表，記錄反應所需的時間。

(4) 重復以上3個步驟，對同樣前處理得到的碎蛋殼至少測定3次，取其平均值。

為了減少蛋殼樣品差異對實驗結果的影響，可重復上述步驟進行反復測定。

3 結語

本設計實驗已開設2年，在實際教學中取得了較好的效果。首先，因為實驗內容貼近生活，能很好地調動學生實驗的積極性和創造性；其次，通過提問方式，間接幫助并指導學生如何進行設計實驗；再次，通過查閱資料、實驗設計、方案修改與實施、方案的再優化和論文撰寫等一系列過程，學生能深刻體會化學實驗的科學性和嚴謹性，并從中初步體驗科學研究的基本過程；最后，此實驗有助于學生理解一些化學的基本原理并促使他們將所學的化學知識應用于生活實踐中，提高實際分析問題和解決問題的能力。

根據講義，學生會給出許多不同的測定方法，如用排水法測定單位時間內產生的CO2的體積，用pH計法測定CO2引起溶液pH的變化等。無論采取何種方法，都能很好地鍛煉學生解決實際問題的能力和實驗設計的能力。學生可根據自己設計的方案進行實驗，教師也可根據學生的設計方案給出指導性意見和建議。相對而言，本文所提供的教師指導參考方案具有以下優點：① 操作簡單，實驗效果明顯，可重復性較強。例如依照上述方案，空白對照組為蒸餾水時酚酞褪色時間約為12s，而含氟牙膏組的褪色時間可達到20s，兩者有較明顯的差別。通常不含氟牙膏褪色時間較含氟牙膏要短，更接近蒸餾水的褪色時間。但如果某牙膏中添加了某些特殊成分如CPPs(酪蛋白磷酸肽)、NovaMin或Pro-Argin等具有防齲固齒的成分[3-5]，雖牙膏本身不含氟但也表現出較好的抗酸作用，可使酚酞褪色時間超過20s。② 從設計思路上看，巧妙地利用了CO2溶于水后體系pH變化的特點，以酚酞做指示劑，終點變化明顯，大大地減少了人為因素引起的誤差。另外此方法能很好地擴展學生對于酸堿反應以及性質檢測的理解。③ 實驗的可改造性很強，可適應不同知識背景學生的要求。在實驗裝置上，如無滴液漏斗則可采取大試管套小試管的方法使固液在反應前分離，從而對裝置進行簡化。針對反應過程中碎蛋殼易被產生的CO2氣體帶到試管上部使之無法更充分地與酸反應的問題，可設計小瓷板或其他隔板將蛋殼固定于大試管下部，這樣蛋殼就能更充分地與酸反應。試劑也可有多種選擇，如用醋酸、檸檬酸等代替鹽酸。無論用何種酸進行反應，其關鍵在于通過調節酸的濃度控制反應速率，使反應不至過快或過慢，從而得到有區分度的測定數據。

總體而言，本實驗的開放度較高，有足夠的空間供學生發揮主動性和創造性。此外，實驗還可依據學生的知識水平和動手能力進一步拓展，如用氟離子選擇性電極定量測定含氟牙膏中氟離子的濃度或者通過光度法測定氟離子的含量等。

參 考 文 獻

[1] 王子華,石四箴.牙體牙髓牙周病學雜志,2002,12(8):455

[2] 陳舟,羅宗蓮,楊松.華西口腔醫學雜志,2001,19(1):20

[3] 張瓊,鄒靜.國際口腔醫學雜志,2008,35(4):49

[4] Rao S K,Bhat G S,Aradhya S,etal.JEvidBasedDentPract,2010,10(3):154

[5] 熊正慧,夏露,梅蕾.中華口腔醫學雜志,2011,46(4):214