第四代的朗伯比爾定律教學芯片教學實驗改進

吳劍 張葉

摘 要：通過教學實踐，我們對第四代教學微芯片中朗伯比爾定律教學微芯片的教學過程進行了研究，采用更為綠色環保的水溶性丙烯顏料等進行教學，避免了采用高錳酸鉀等常規化學耗材時出現的易于腐蝕等缺陷，使得其更適用于課堂教學。

作為集成技術的代表，微流控芯片在很多領域得到應用[1-3]，其中教學微芯片是本課題組具有自主知識產權的研究成果，其成功的將微芯片技術引入了教育教學領域，由于微芯片具有的便攜性好、試劑用量少、綠色環保等優點，使得教學微芯片可以方便的在課堂上直接進行理實一體化教學，該技術在教育教學領域具有廣泛的應用前景[4]。我們開發了第四代教學微芯片[5]，并將其應用在了朗伯比爾定律的教學中[7]，在教學中我們發現了一些問題，對相關實驗進行了改進使得其更適合課堂教學，特匯報如下：

1）郎伯-比爾定律及朗伯比爾定律教學微芯片

朗伯-比爾定律的表達式為：A=K×c×L

表示當一束平行單色光垂直通過某一具有一定光照面積的、含吸光物質的稀溶液時，若該溶液均勻、無散射，則在入射光波長、強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對單色光的吸光度 A 與溶液的濃度 c 及溶液液層厚度L的乘積成正比關系。我們將微型化化學實驗的概念和微流控芯片的技術結合在一起，設計了一種能夠演示朗伯-比爾定律的教學用芯片，采用能夠構建濃度梯度和厚度梯度的微芯片，達到更好的教學效果。其是本課題組開發的第四代教學微芯片（見圖1）的組成之一。

2）教學反思

我們采用課本原有的實驗——高錳酸鉀的紫外可見分光光度法測定進行了實驗教學具體過程參見文獻[6]，在實踐教學中我們發現相關方法存在如下缺陷：

（1）實驗用高錳酸鉀溶液容易氧化變質，在實驗條件下（中性溶液）易于產生二氧化錳的沉淀，因此課程教學中如不能及時清洗芯片會導致后續班級實驗效果差，微芯片管道易發生堵塞。

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

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

（4）在課堂上進行理實一體化教學時芯片往往不能及時得到清洗，這加重了相關缺陷。

3）實驗的改進

從上述描述可見，采用高錳酸鉀進行教學實驗存在較大的問題，而這些問題的來源均在于高錳酸鉀本身，因此我們擬對該實驗進行調整。從朗伯比爾定律來說只要在可見光區有顏色的物質應該均可以用于教學，為此我們準備了如下有色物質：

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

用上述物質進行朗伯比爾實驗，結果如下：

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

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，且因為強氧化性，易于分解且生成物有劇毒，鐵氰化鉀溶液必須現用現配。因此除非進行鐵氰化鉀溶液顏色的教學工作，不宜采用該溶液進行上述實驗。

氯化鈷溶液，采購了比色用氯化鈷溶液標準物質進行實驗，效果較好，且配合芯片集成的加熱模塊，相關溶液可以通過加熱轉變為藍色，對鈷離子的顏色教學較為有利，實驗現象較為明顯，易引起學生的興趣，但是、鈷離子存在健康危害：吸入該品粉塵對呼吸道有刺激性。長期吸入引起嚴重肺疾患。對敏感個體，吸入該品粉塵可致肺部阻塞性病變，出現氣短等癥狀。粉塵對眼有刺激性，長期接觸可致眼損害。對皮膚有致敏性，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。因此在教學中不宜大規模使用，可用于做好防護的課外興趣小組進行探究式教學工作。

采用水溶性丙烯顏料進行實驗效果較好，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，就不會對人體產生傷害。但是要注意及時清洗管道，否則如顏料沉降后容易著色，嚴重的甚至堵塞管道。

將胡蘿卜榨汁后過濾獲得胡蘿卜提取液，其進行上述實驗效果較好，且胡蘿卜提取液對人體無害，具有綠色環保的效果，用于課堂的大規模教學效果良好，缺陷在于胡蘿卜素易于氧化變質，需要現配現用，對實驗帶來了困難。

4）結論

通過上述對比，比較適合進行大規模教學應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課程教學中使用（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時間保存，使用時無需進行榨汁等工作因此使用水溶性丙烯顏料進行教學微芯片實驗較為方便。

參考文獻

[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法測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的中藥小薊誘導肺癌A549細胞凋亡用藥部位精準分析[J]. 藥物分析雜志， 2019， 39（03）：393-397.

[4]吳劍，張葉，高煥.教學微芯片在郎伯-比爾定律教學中的應用[J].科教導刊（下旬），2020（03）：133-134.

[5]吳劍，康浩，張葉，孫小敏，王睿萱，劉志華，唐玲，張夢雨. 一種綠色多功能教學微芯片[P]. 安徽省：CN209373894U，2019-09-10.

[6]吳劍，張葉，高煥. 教學微芯片在郎伯-比爾定律教學中的應用[J]. 科教導刊（下旬），2020，（03）：133-134.

基金項目：

2019 年安徽省教育廳重點教學研究項目“第四代教學微芯片在教學中的應用研究”（2019jyxm0552）

作者簡介：

吳劍，博士，教授，研究方向為分析化學、藥物分析化學。