3D打印微型可见分光光度计的制作与应用

徐沛然 任红艳 凌一洲 张泽

摘要： 在了解色度学相关概念的基础上理解实验原理;用Solid Works软件建模并用3D打印技术制作实物微型可见分光光度计;以高锰酸钾溶液为例，通过衍射光栅获得溶液透射光的衍射谱图，用智能手机拍摄光带;用图像分析软件IMAGEJ获得各像素点的灰度值;最后用Excel表格绘制波长-吸光度散点图，并作进一步的分析。实验结果表明该装置可以用于测定物质的吸收曲线，确定最大吸收波长。

关键词： 3D打印; 微型可见分光光度计; STEAM理念; 项目学习; 实验探究

文章编号： 1005-6629（2019）12-0061-04            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

随着教育现代化的快速发展，3D打印作为新型课程资源开始步入中小学校，以促进学生跨科融合和创新设计能力。化学是一门中心学科，教师可尝试融合STEAM理念，开展基于3D打印的化学实验创新活动设计。

分光光度法是化学中重要的定性和定量分析方法，涉及化学、光学、色度学等多学科知识，但相关仪器价格昂贵，无法在中学大规模配备。因此，本文结合3D打印技術，设计了“3D打印微型可见分光光度计的制作与应用”这一STEAM项目，引导学生设计模型，创新光谱分析的方式，以强调学科的交叉与融合，着眼于创新型复合人才的培养[1，2]。

1  项目背景

为测量溶液的浓度，教材[3]中采用滴定法，但其操作难度较大、步骤繁琐、耗时较长，已经难以满足实际需要。人教版选修6《实验化学》[4]第三单元“物质的检测”课题二“物质含量的测定”中介绍了比色法，即利用溶液颜色的深浅变化测定物质含量的方法。在高等院校和科研单位，还广泛采用分光光度法[5]，其测量准确度进一步提高。比色法与分光光度法的基本原理都是吸收光谱，具有灵敏度高、操作简便、测定快速的特点，已经广泛应用于化学、生物、医学等领域。

2  项目目标

（1） 为3D打印技术与中学学科教学的融合提供可资借鉴的典型案例。

（2） 了解RGB、 HSL颜色模式的含义，理解分光光度法的基本原理，掌握吸收曲线的测定方法。

（3） 形成模型构建、实验操作、数学分析等能力，体验在接近真实的情境中跨学科应用知识和技能的过程。

3  过程设计

3.1  了解概念

本项目涉及大量与颜色相关的知识，需要一定的色度学基础[6]，尤其是颜色的RGB、 HSL模式。前者用红色（Red）、绿色（Green）、蓝色（Blue）来确定颜色，后者用色调（Hue）、饱和度（Saturation）、亮度（Luminance）来确定颜色。本项目所拍摄的光带从左到右是按照色调H值从大到小排列的，处理图像使用的IMAGEJ软件则是通过计算R、G、B的均值得到灰度值（GRAY VALUE）数据。学生可以利用Office办公软件自带的“自定义颜色”功能辅助理解，上下左右拖动调色盘中的颜色像素，选择不同的颜色模式，观察RGB和HSL值的规律性变化，尝试通过“颜色”选项将彩色图像转换为灰度图像，为后续的项目研究做铺垫。

3.2  理解原理

光源发出的白色光经过狭缝后，转变为长方形光束，见图1[7]。在通过装有样品溶液的比色皿后，特定波长的光被吸收，然后透过光栅，透射光会衍射为按波长分布的光带。用智能手机可以拍摄完整的光带，如图2所示。

图1  微型可见分光光度计工作原理简示图

图2  电脑屏幕（a）和柔光灯（b）的衍射光带

运用图像分析软件IMAGEJ，可以获得按照像素点分布的灰度值曲线和相应的数据。因为像素点的灰度值和光强成正比[8]，根据朗伯-比尔定律[9]：

A=lgI0I=εlc

式中： I0为入射光强度，I为透射光强度，ε为摩尔吸光系数，l为液层厚度，c为溶液浓度。

可以得到吸光度A和像素点灰度值的关系：

A=lgG0G

式中： G0为未经吸收的光带各像素的灰度值，G为经过溶液吸收后光带各像素的灰度值。由于本实验使用的光源为非单色光源，所以朗伯-比尔定律可能出现一定程度上的偏差。

因为光带图像从左到右的像素值和波长值都是均匀分布的，所以像素值可以按比例转换为对应的波长值λ。以波长λ为横坐标，吸光度A为纵坐标作图，即可得到样品对应的吸收曲线，进行一系列的分析。

3.3  制作装置

图3是用软件Solid Works构建的微型可见分光光度计三维模型，主要由光栅筒（左侧浅色段）、比色皿筒（右侧深色段）组成，包括可拆卸的狭缝插件（狭缝宽度0.6mm）、比色皿盖、光栅口（配有600线/mm光栅）等关键部位，光栅平面与水平夹角为45°。使用时将比色皿筒插入光栅筒，并保持比色皿竖直放置。图4是经3D打印后的实物图，为防止漏光，3D打印的材料优选不透明的黑色（但是成本较高），亦可用其他颜色的材料打印后涂黑处理。

图3  微型可见分光光度计的三维模型

图4  微型可见分光光度计的3D打印实物

测量时，首先将装有待测溶液的比色皿置于比色皿筒中，盖上比色皿盖;接着把狭缝、光栅插入装置;然后用光源从狭缝端射入装置;最后把手机固定在右侧，摄像头对准光栅口拍摄吸收光带。为获得更为清晰的吸收光带，可以调节比色皿筒插入光栅筒的深度，寻找光带图像最清晰的位置。

3.4  实际应用

微型可见分光光度计可以应用于物质吸收光谱的测定，确定最大吸收波长，本文例举“高锰酸钾溶液吸收曲线测定”实验展开介绍。

3.4.1  实验用品

高锰酸钾（A.R.）、蒸馏水、500mL容量瓶、移液管、烧杯、玻璃棒、比色皿、3D打印的微型可见分光光度计、光源、智能手机、计算机

3.4.2  实验步骤

（1） 溶液配制。用电子天平称量0.50g高锰酸钾固体，溶解于烧杯中，用500mL容量瓶定容，得到质量分数为0.10%的高锰酸钾溶液。稀释得到质量分数为0.002%、 0.004%、 0.006%的高锰酸钾溶液。

（2） 吸收光带拍摄。根据不同光源的吸收光带，本实验选择光区分界线较为明显，亮度适中的白色电脑屏幕作为光源，狭缝宽度为0.60mm。取装有蒸馏水的比色皿，放入筒中，盖上比色皿盖，使手机摄像头紧紧贴住衍射光栅，并保证没有外界的光从光栅处射入实验装置。将比色皿筒端口完全贴合在电脑屏幕上，以确保电脑屏幕发出的光是唯一射入装置的光源。待摄像头聚焦，按下拍摄键，得到未经吸收的光带图。按照上述方法，分别拍摄0.002%、 0.004%、 0.006%的高锰酸钾溶液吸收光带（见图5上排）。

（3） 图像分析和数据处理。将手机端拍摄的图像传到电脑端，分别重新命名为“蒸馏水”、“0.002%”、“0.004%”、“0.006%”。打开IMAGEJ，点击“File”，选择“open”分别打开蒸馏水、0.002%、 0.004%、 0.006%高锰酸钾溶液吸收光帶图。确认打开无误后，选择“image”对图片进行角度的调整，使吸收光带处于水平位置。调整图片中的黄色框，使得光带图周围的黑色区域尽可能少。点击“analyze”，选择“plot file”，可以得到灰度值按照像素排列的分布曲线（见图5下排）。

图5  4种溶液的吸收光带和灰度值分布（横轴为像素值，纵轴为灰度值）

点击图片下方的“list”可以得到所有像素点的灰度值数据，将所有数据复制到Excel中。四幅图片的数据都复制之后，使用Excel进行数据处理。根据公式A=lg（G0/G）

，计算出0.002%、 0.004%、 0.006%高锰酸钾溶液在所有像素点的吸光度数据，之后根据比例关系将像素转换为波长λ。

3.4.3  实验结果

计算共得到294种不同波长条件下，3种浓度的高锰酸钾溶液的吸光度，见表1。以下列举吸光度最大处的关键数据。

表1  不同波长条件下高锰酸钾溶液的吸光度

波长λ/nm

吸光度A

0.002%0.004%0.006%

360.0000.0140.1320.242

……………………

523.8980.2620.5070.972

续  表

波长λ/nm

吸光度A

0.002%0.004%0.006%

525.1120.2650.5170.982

526.3260.2680.5270.983

527.5400.2700.5340.983

528.7540.2690.5400.976

529.9680.2660.5450.969

……………………

549.3930.2380.5400.981

550.6070.2390.5400.996

551.8210.2420.5361.004

553.0350.2460.5341.006

554.2490.2480.5321.001

555.4630.2510.5300.996

……………………

715.7190.0540.1030.506

将表格转换为波长-吸光度散点图，可以得到三种浓度高锰酸钾溶液的吸收曲线（见图6）。结果表明，0.006%高锰酸钾溶液最大吸收波长约在526nm、 553nm;0.004%高锰酸钾溶液最大吸收波长约在535nm、 562nm;0.002%高锰酸钾溶液最大吸收波长约在527nm、 558nm。

图6  不同浓度的高锰酸钾溶液吸收曲线

3.4.4  误差分析

文献中记录的高锰酸钾溶液吸收峰出现在525nm和545nm左右[10]，与通过微型分光光度计实验得出的结论有一定的误差。笔者认为出现误差的主要原因有： 入射光为白光，不是单色光源，导致朗伯-比尔定律出现一定程度的偏差;在用IMAGEJ处理图像时，不同光带图像截取的部分有所差异，导致不同浓度的溶液最大吸收波长出现差别;手机拍摄的图像分辨率不够，软件灰度值分析精确度不高，导致两个吸收峰的距离偏大。

此外，由于使用的高锰酸钾溶液呈紫色，除了会对白光产生吸收外，还会使白光中的紫色光部分得到加强，导致450nm以下的吸光度出现负值。因为装置的低成本性，以及实验需要得到连续波长的彩色光带进行分析，所以本项目只能选择白光作为光源，这也是本项目的缺陷之一。

4  结论

实验结果表明，3D打印微型可见分光光度计可以实现对物质吸收光谱的绘制和最大吸收波长的测定，可以一定程度替代昂贵的大型光谱分析仪器。根据吸收光谱，还可以进一步测定溶液中物质的含量，该实验尚待后续研究。

运用3D打印技术制造实验装置，使用光学器件得到光的衍射谱图，再通过数据处理软件进行分析得出结论。整个实验过程把科学（光学、朗伯-比尔定律）、技术（3D打印）、工程（三维建模、分析图片、绘制图表）、艺术（色度学、摄影）、数学（公式的推导和计算）等多学科的知识与技能综合运用于真实的情境，可以引起学生极大的学习兴趣，并且能够进一步设计为适合中学化学的光谱分析课程。随着3D打印技术走进校园，教师需要思考如何充分利用这一教育资源，有机地融入日常教学和活动中。

参考文献：

[1]胡卫平， 首新， 陈勇刚. 中小学STEAM教育体系的建构与实践[J]. 华东师范大学学报（教育科学版）， 2017， 35（4）： 31～39， 134.

[2]严文法， 芦瑾， 金普军. 基于6E设计型学习模式的STEAM活动设计——以青铜器文物除锈为例[J]. 化学教学， 2018， （11）： 61～65.

[3]人民教育出版社课程教材研究所等. 普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理[M]. 北京： 人民教育出版社， 2006： 50.

[4]人民教育出版社课程教材研究所等. 普通高中课程标准实验教科书·实验化学[M]. 北京： 人民教育出版社， 2006： 46.

[5]刘亚荣， 熊传信， 谢晓兰等. 基于分光光度法的滴定终点判断仪设计[J]. 激光杂志， 2019， （2）： 141～144.

[6]潘忠诚. 色度学基本知识[J]. 针织工业， 1985， （3）： 56～60.

[7]Grasse E.K.， Torcasio M.H.， Smith A.W.. Teaching UV-Vis Spectroscopy with a 3D-Printable Smartphone Spectrophotometer [J]. Journal of Chemical Education， 2016， （1）： 146～151.

[8]胡放榮， 熊显名. 基于线偏振激光主动成像的目标探测与识别[M]. 激光与红外， 2017， （2）： 108～110.

[9]方国铭， 胡国成. 光电比色计和分光光度计[M]. 北京： 计量出版社， 1984： 6， 42～45.

[10]林树昌， 胡乃非等. 分析化学（第二版）（化学分析部分）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2004： 251.