众寻“氧气”千百度：那厮显在斑斓处

胡永红，张晨，金靖雯，张林纯，陈曦,＊

1厦门华厦学院人文学院，高等教育研究所，福建 厦门 361024

2厦门华厦学院环境与公共健康学院，智能仪器与检测技术研究所，福建 厦门 361024

3厦门大学化学化工学院，福建 厦门 361005

“1、2、3、4……20……40……58、59、60”，屏幕上的秒表马不停蹄，憋气比赛的10个孩子，涨红小脸屏住呼吸，30 s、40 s，依次有孩子不得已松口大口呼吸，憋气时间最长者也未能突破60 s。

主持人笑容可掬登场现身，“孩子们，今天魔术专场表演的开场有点刺激，先缓缓气，怎么样，感受如何？”

“感觉喉咙被人掐住了。”小A边摸喉咙边说。

“头晕。”小B故作踉跄，“快倒下了。”

“能够自由呼吸真好，没有氧气的日子就像下地狱。”小C一脸庆幸地说。

主持人竖起大拇指，“很赞！小C提到氧气，这可是今天这场魔术表演的主角哦，下面，掌声有请特邀魔术师X博士闪亮登场！”

“大家好，今天就让我们一起在魔术变幻里玩转氧气的科学故事吧！”披着黑斗篷的X博士帅气地从天而降，引来孩子们一阵欢呼雀跃，掌声雷动里主持人继续介绍，“X博士不仅是聪明绝顶的化学博士，而且是技艺精湛的魔术师，他爱‘玩科学’，喜欢将高深莫测的科学研究以浅显易懂的语言与实验表达出来，下面，舞台就属于你们啦！”

1 “氧”在深闺——终识庐山真面目

博士摸摸自己聪明绝顶的头，“孩子们，今天的魔术表演与科学实验相关，科学离不开实验，初次见面，我们先来做一个X博士独创的‘三瓶子实验’。”只见博士的魔法棒一点，眼前出现了三个瓶子，“这三个瓶子里分别装着氧气、空气、氮气。有请三位同学上来，在同一时间，分别点燃一根火柴放入瓶子，大家睁大眼睛仔细观察，究竟发生了什么，学会精准描述实验可是做科学研究必需的基本技能之一哦。”

小D、小A与小F争先恐后举手获得优先权，三人同时点亮火柴，放入各瓶，“燃烧更亮了，有白烟！”“熄灭了！”“奇怪，好像没有变化。”孩子们充满惊奇的眼睛一眨不眨，熠熠闪光。

“为什么会产生不同的现象呢？”X博士追问。

“和里面的气体有关，氧气具有助燃性，所以，燃烧更旺了。”台下的小H抢答成功。

“这么快就发现了氧气的助燃性，不简单！助燃性是氧气的化学属性，那么你们现在看见氧气了吗？”博士略带诡异地问道。

“氧气不是无色无味吗，看不见呢。”“对呀，怎么可能看见！”孩子们面面相觑。

“那，不可见不可摸的氧气是如何被人类发现的呢？”博士的眼里都是问号。

看似司空见惯其实很深刻的问题问倒了所有孩子，博士说：“现在，大家闭上眼睛，我们穿越时光隧道，回到1774年，揭晓这个秘密。”

一阵清风拂过，孩子们腾云驾雾到了一个实验室，“嘘，保持安静，孩子们，你们看到了吗，那位正在做实验的就是闻名世界的法国化学家拉瓦锡(Antoine Laurent Lavoisier) (图1)，他正在做与人类发现氧气息息相关的‘20天实验’(图2)[1]。”

图1 安托万-洛朗·拉瓦锡[1]

图2 拉瓦锡“20天实验”的实验装置[1]

“难不成一个实验做了20天？”小A瞪大眼睛质疑。

博士点点头，“对，拉瓦锡是一位严谨缜密的科学家，科学实验要得出科学的结论，需要收集足够充分的数据进行定量分析。”

孩子们满眼崇拜，目不转睛地盯着拉瓦锡，只见他将装有水银的曲颈瓶通过水银槽与一个装有空气的钟形玻璃罩相通，不停加热曲颈瓶中的水银，渐渐出现了红色渣。拉瓦锡利用聚光镜一边高温加热红色渣一边收集产生的气体。

“他收集到的气体，会不会就是氧气？”小C自言自语。

“这可是个秘密！不过，拉瓦锡通过计算发现获得的气体体积与原来钟罩失去的气体相等。”博士补充道。

“根据质量守恒定律，那说明物质燃烧时增加的质量恰好是减少的气体质量。”一边的小B迫不及待地提出了自己的观点。

“你的理解是对的，正是这个结果让拉瓦锡确信燃烧时物质吸收了空气中的一种新元素，1779年，他取拉丁文‘Oxygenium'的首字母，正式将这种新元素命名为‘氧'，化学表征符号为‘O’。”

“原来，是拉瓦锡发现了氧啊，太伟大了！”孩子们惊叹着。

“是的，拉瓦锡是敢于挑战权威的科学家，他揭示了燃烧的本质，构建了燃烧理论的体系，因此被誉为‘近代化学之父'。”说到此，博士坏笑了一声，“考考你们，燃烧是分解反应还是化合反应？”

“刚才火柴燃烧产生了烟、热、灰，所以，我觉得应该是分解反应。”小C推理道。

“可是，物质燃烧时和氧气产生了关系，吸收了氧气生成了新物质，所以，应该是化合反应。”小A反驳道。

“哈哈哈，恭喜小A，答对了，你和拉瓦锡一样聪明！拉瓦锡发现金属单质与氧气化合反应后可以生成新物质，比如磷燃烧生成了五氧化二磷、硫燃烧生成了二氧化硫。燃烧这一普遍的现象被确定为化合反应具有非常重要的意义。”博士神采飞扬，“从此，氧气在各个领域海阔凭鱼跃，天高任鸟飞，大展身手。”

2 氧气神通无穷处——玩转乾坤任天真

离开拉瓦锡的实验室，博士领着孩子们辗转到了一片森林，“这里可是天然氧吧，氧气丰沛，空气清新！对了，说到氧气的神通，你们还知道氧气的哪些作用呢？”博士用魔法棒轻点每个孩子的脑门。

“嗯……我知道氧气是维持生命的必需物质，刚才的憋气比赛还记忆犹新呢。”

“对，氧气在体内各器官、各组织甚至是各个细胞中的含量是趋于稳定的[1]，血液循环系统是氧气输送到全身的管道，当身体里的氧气含量降低时，身体会有一个自动调节机制，通过增加血红素浓度和红血球数量进行补偿。当然，如果身体组织发生了病变或损坏，组织细胞会消耗氧气，无限制增长，病变组织细胞的微环境会因为缺氧促使肿瘤发生恶性循环[2]。当然，刚才你们觉得难受不是因为身体组织病变，只是氧气补偿暂时性缺失导致的。”

“原来氧气溶解在我们的血液中确保着我们生命的运转呀，这个作用可真巨大！博士，我有个问题。”小G举高了小手。

“哦，说来听听。”博士眼里满是鼓励。

“有时候会在湖水中看到很多绿藻，这是不是也可以看作湖水长出的恶性肿瘤呢？”小G的眼眸充满疑惑。

“你这个想象和比喻很有意思呢！绿藻过多是水体污染的一种，这也与溶解氧的浓度有关。一般在20 °C、1.013 ×105Pa的条件下，水中溶解氧的含量接近于饱和值9 mg·L−1，海水中的氧含量约为8 mg·L−1。但水体被营养丰富的有机物污染，藻类快速生长，溶解氧被过度消耗又无法及时补充时，水中的厌氧菌会大量快速繁殖[3]，当水中的溶解氧值小于5 mg·L−1，一些生物就会缺氧死亡。”博士的一番解释专业又通俗。

“原来，湖水、海水和我们的生命一样，都需要适量氧气啊！”孩子们恍然大悟。

“对的，如果氧含量超标，甚至可能造成爆炸等事件呢！”博士一激动魔法棒一挥，不小心把自己稀少的头发变成了一朵轻描淡写的蘑菇云。

“爆炸！真的爆炸了！”孩子们笑得前仰后翻，“博士，真有这么可怕吗？”

“不相信，那我们就去火力发电厂观摩吧。”博士的魔法棒轻扬飞舞，孩子们瞬间转场到了火力发电厂，出现在孩子们眼前的是构造复杂的几位“钢铁侠”，“这些钢铁侠是锅炉给水系统、凝结水系统、回水系统和热网水系统，火力发电可离不开它们的功劳。”博士一一介绍。

孩子们有点疑惑，“这和氧气有关系吗？”

“这个问题好！氧气很活泼，具有一定的水溶性，所以水中溶解氧含量的检测非常重要。这些设备都需要用水，如果水中溶解氧的含量过高，就很容易因为氧化反应被腐蚀，搞不好锅炉就会爆炸。”博士耐心解释。

“原来如此！氧气让人又爱又恨，简直就是天使与魔鬼的化身啊！”小G感叹。

“对的，所以，我们要研究清楚这个小精灵的含量问题。请问，你们有什么办法可以精准地测定氧气的含量，让这个调皮的小精灵无处遁形吗？”博士的问题可真是层出不穷。

“提取出来，称重？”“这个方法过程很复杂，不够直接吧？”孩子们不约而同地转向博士。

博士说：“这个方法确实过程比较复杂，不过，我们的科学家开发出了能够感应氧气的传感材料，并发展出了氧的可视化传感技术。”

“可视化？这可是个新名词呢！”遇到新东西，孩子们又开心起来了。

3 千呼万唤始出来——氧气的可视化传感研究

“孩子们，我们要开启下一段旅程啦！我们要利用高科技，让看不见摸不着的氧气现形，看得见，也就是‘可视化’。”博士神秘莫测地拿出两个小瓶，“你们现在看到的东西没有任何颜色，但是，一会儿，你们仔细观察，看看有何变化？”

“这两种东西会产生反应，对不对？”“肯定是变得有颜色了。”孩子们得意地嘀咕。

“是的，我们要一起做的小实验叫‘碘量滴定法’，这是德国化学家路德维希·威廉·温克勒(Ludwig Wilhelm Winkler)在1888年提出的，他用这个方法实现了水中溶解氧含量的定量分析[4]，开创了世界上首个氧的定量检测方法，也开辟了氧含量测定从定性到定量研究的途径。”博士的解释实在到位。

小A马上问道，“博士博士，您刚才说了三次‘定量’，看来这个词很重要，它是什么意思呢？”

“居然能够听出我说了三次这个词，你可真是厉害！这是一个很有深度的问题，值得点赞！定性与定量是我们在进行科学研究时，性质不同的两种方法，它们之间的区别我先不披露，等我们的实验一个一个推进时，可能你们自己就会慢慢悟出来。不过，定性定量一字之差，定性侧重‘性’，定量侧重‘量’，你们可以从汉字意思的角度进行思考。”博士启发孩子们。

“听您这么一说，真佩服温克勒，他实现了氧含量测定方法从定性到定量的跃升呢。我迫不及待地想体验当年他做的实验了！”小H跃跃欲试。

“不急不急，开始之前，先考考你们，如果碘遇到淀粉会怎样？”博士笑问道。

“我觉得可能会变色，我看过碘酒遇到很多东西都会变色。”“对呀，我也这么认为。”孩子们的猜测几乎都相近。

博士这才开始解释，“温克勒的实验就是以碘为氧化剂，利用淀粉与碘的变色机理——可溶性淀粉以弱键结合游离碘呈现蓝色的方式，实现了氧的可视化。咱们眼见为实吧！看，你们现在看到的颜色变化其实是氧与新制备的二价氢氧化锰沉淀反应生成高价的锰化合物，与溶液中的碘化物作用，碘单质就游离出来了。”

“让碘单质游离出来是为了什么呢？”小C问道。

“碘单质是中介，我们以硫代硫酸钠滴定碘单质，通过硫代硫酸钠的用量可以间接求出水体中的氧含量。”

“博士，我有个疑问，这个方法确实最后算出了氧气的含量，可是，我们并没有看到氧气含量变化的过程，所以，您说的可视化还是不过瘾。”小A可不服气了。

“应该为敢于质疑批判的你喝彩！”博士竖起大拇指，“这个实验方法比较复杂，不够简便直接，所以科学家们一直在开发新方法，这次他们尝试的是电。”

“电？通电，然后呢？”小H满脸期待。

“通电会产生化学反应，出现电流，这个实验叫电化学传感，不过，这个过程离不开这个小东西。”博士随手一变，手中多了一个烟斗样的家伙。

“这个小家伙好精致，黑乎乎的很可爱，是通电用的吗？”“高级烟斗，哈哈哈。”孩子们七嘴八舌说开了。

博士摇摇手，“非也非也！别小瞧了这小东西哦，它有一个响当当的专业名称‘电化学溶氧探头'(图3),它有银阳极、金阴极、氯化钾电解液以及透氧膜。氧气可以通过透氧膜，如果我们在电极两端施加一定电压，扩散到电解质中的氧立即在金电极表面发生还原反应，同时银电极表面发生氧化反应。两电极产生的电流大小与溶解氧浓度成正比，通过测定电流大小就可以得到溶液中氧的含量，也就是说，依靠这个小探头可以检测气体或液体中的氧浓度。”

图3 电化学溶氧探头结构示意图

“电化学检测法好像比较简单呢。”小G边说边看着博士。

“是的，这个方法速度快、操作简单。”博士话音未落，手里多了一台仪器，“你们看，这是一台小型电化学传感器，我们现场测试下这瓶水中的氧含量，让你们清晰地感受氧含量的可视化效果吧。”

“太神奇了，真的看见了！”博士接通电路的瞬间，孩子们清晰地看到了传感器指针的位移。惊叹声声中，博士与孩子们摇身一变，又来到了海边，“现在我们在现场测试海水的氧含量，看看结果是否有所不同。”博士将电探头插入海水，接通电路的瞬间，孩子们再次看到了指针的敏感移动，“指针移动的位置真的和刚才不同呢。”

“是的，所以，这就说明两种环境的氧含量是不同的。而且，这个探头可以直接放到水体中或者在现场检测，对地表水、地下水、生活污水、工业废水都适用，目前已经是氧浓度定量检测的最有效方法。2009年该方法成为我国环境保护标准中水质溶解氧的测定方法[5]。”博士滔滔不绝地进行着科普教育。

“成为标准那可不简单！”“这个方法好直接、好便捷呀！”孩子们喋喋不休。

“对的，这种方法不受水样色度、浊度的影响，检测便捷高效，但是，它需要消耗氧气，这也是一个不足，所以，科学家又在探索新的传感材料，你们猜猜这次会是什么呢？”博士有点调皮，总是话里有话。

孩子们你看我、我看你，抓耳挠腮，“会是什么呢？”

“不难为你们啦，孩子们，闭上眼睛，我数到3就睁开。”

“1、2、3。”博士语音刚落，孩子们看到屏幕上出现了数个红色圆圈，宛如红圈圆舞曲，颜色从鲜红往暗红递变，又从暗红往鲜红递变，孩子们又吃惊又困惑，“变色圆？”

“对呀，是什么在操纵着颜色变化呢？”博士摸摸这个孩子的头，点点那个孩子的小鼻子，孩子们估计真的被问住了，紧蹙眉头，默不作声。

“这下难倒你们了吧，科学是很深奥的呀！其实，这是荧光与氧气同台献舞的奇妙变化，并非颜色在改变，而是外部射入的荧光强度带来的效果。你们看，这是一层充斥着氧气的传感膜(图4)，我们将蓝色荧光照射到膜上，卟啉铂类化合物的荧光探针随之发生猝灭，如果我们照射395 nm蓝光，传感膜就会发射650 nm左右的红光。随着氧气含量的高低变化，荧光也随之或暗或明。”

图4 氧荧光传感膜传感过程示意图

“真的呀，这样就非常清晰地看到氧含量的变化啦，比刚才的电化学法先进直观多了！”“太神妙莫测了！”“太有智慧了！”孩子们从不吝啬自己的赞美与褒扬。

“可是，孩子们，毛主席告诉我们‘人类总是不断地总结经验，有所发现，有所发明，有所创造，有所前进。停止的论点，悲观的论点，无所作为和骄傲自满的论点都是错误的’。科学探究很神奇，永无止境，正是因为科学家止于至善的精神，才推动科学研究不断攀登科学的珠穆朗玛峰。”博士谆谆教诲。

小A频频点头，“所以，现在的科学研究还只是冰山一角，值得我们不断思考、探索发现。”

“孩子们，你们了解自己的眼睛吗？科学家们新开发的检测方法正是利用了我们眼睛的一个特点。”博士指着自己的眼睛，“人类的眼睛对哪些颜色比较敏感呢？”

机灵的小C马上说，“红色、绿色、黄色吧，信号灯都是红绿黄三色。”

爱辨析的小G反驳道，“我觉得是红绿蓝，刚才的魔术不是特别用到了蓝色荧光吗？”

“哈哈哈，孩子们真有智慧，你们的群体智慧推导出了正确答案，人眼共有1.2亿个视杆细胞、600-700万视锥细胞，人类主要靠分辨颜色能力强的锥状细胞进行颜色识别。锥状细胞分三种，各含不同的感光色素，分别对红、蓝、绿光刺激敏感，因为人眼对颜色的辨析远胜于对光的强度的辨析，科学家们就又想了一个新招。”博士颇沉醉地讲述着眼睛的特点，不知不觉眼睛也眯成了一条缝。

“从利用荧光强度到利用人眼的颜色辨析度，科学家们的慧眼真令人佩服！”孩子们的惊叹越来越多。

“所以，我们在生活中要培养善于发现的眼睛，现在你们闭上眼睛，我再变个魔术。1、2、3。”一幅绚丽多彩的光色交响乐图徐徐铺展在孩子们眼前，红、橙、棕、黄、黄绿、绿，缓缓变色，美轮美奂……

孩子们都看呆了，“科学家以红绿蓝三原色原理，将氧传感膜升级为比色传感器，引入背景颜色。使用红光和绿光发射的LED，逐次减少红光LED的电流，减弱红光强度，与此同时保持绿色LED的电流不变，就可以清晰地观察到红、橙、棕、黄、黄绿、绿色的变化(图5)。”博士的解释引导孩子们一点点接近真理。

图5 红色强度逐次减弱(左)及红绿光LED逐次减少红色发光强度(右)的视觉情况

“是不是氧浓度低时，比色氧传感器为鲜红色；当氧浓度高时，为绿色。”小F问道。

“太棒了，推理正确，你讲出了这个变化的科学规律！”博士点赞道。

“我感觉荧光在和颜色共舞，唱出了一曲曼妙绝伦的光色舞蹈。”想象力丰富的小I自言自语。

博士摸摸小I的头，“你的描述太美了！科学是需要想象力的，这是实现创新不可或缺的素质。正是因为科学家拥有丰富的想象力，他们才能在前人研究的基础上不断推陈出新，让我们越来越了解这个世界万事万物的真相。”

4 天生我才必有用——氧的荧光可视化传感应用

“科学研究充满了无尽的可能，只要我们善于观察、善于思考、善于总结。当然，科学并非高高在上，高不可攀，科学家们不断耕耘，在氧的荧光可视化传感研究中积累了丰富的理论成果，这些成果变成了论文、书籍广泛传播，但是，这些书架上的理论需要下沉到现实生活，为改善人类的生活做贡献，也就是科学家还需要实现从书架到货架的转移。”

“货架？”孩子们似懂非懂、一知半解。

“对，货架其实就是应用。在生活中，氧的荧光可视化传感研究有何用处呢？”博士提出问题的同时舞动了魔术棒，“变”，瞧，博士手里多了一件外套(图6)，“这件外套看似平常，不过，它可不是一般的外套，专供消防员、矿工等人使用哦。”

图6 绣有比色氧传感布标签的工作服

“它身上有氧气的符号，应该和氧气相关。”“可以提供氧气的服装吗？”“自己制造氧气？”孩子们你问我，我问你，乐不可支。

“你们都打了擦边球，这个橙色标签的科技含量很高呢，它利用了刚才的比色氧传感研究成果。”博士手指标签，“有了这个标签，矿工可以及时了解自己所处环境的含氧量，生命安全就有一定保障了。”

“这可是生命保障服啊！”在孩子们的感叹中，博士变出了一袋薯片，“其实，这个标签在食品包装中也可以使用，制作防伪标签[6]，放入无氧包装袋时显示红色，拆封后空气中的氧猝灭红光，标签显现蓝色(图7)。我们依靠目视就可以对产品的真伪进行有效辨别，也可以据此判断食品包装的气密性、完整性。”

图7 传感标签在密封和简单封装的塑封袋中时的紫外灯下照片

孩子们一边品尝美味安全的薯片一边听着博士继续解说，“除此之外，在生物化学领域，科学家构建了可逆的光学比色葡萄糖传感器[7]，保持绿色荧光背景信号不变，随着氧敏感探针的传感，随着溶解氧消耗的增减，葡萄糖浓度变化，颜色变化也逐渐丰富多彩(图8)。”

图8 比色葡萄糖传感器在不同葡萄糖浓度时所呈现出的颜色

“博士，您太博学多才了，这么多专业知识信手拈来，原来一个科学原理可以应用于这么多领域呢，太不可思议了！”孩子们膜拜博士的心情溢于言表。

“应用远远不止这些，医学领域也用得很广泛。不过，医学与生死相关，所以，对技术的精密度要求更高。那可是纳米级的传感材料啊！”博士又开始侃侃而谈了，“看，这张海拉细胞内氧含量成像图(图9)，科学家将肉眼看不见的细微氧比色传感器以合适的方法导入细胞，借助倒置光学显微镜，细胞内氧的浓度分布和细胞分裂过程中氧浓度的动态变化就近在眼前啦[8]。”

图9 海拉细胞内氧含量成像图

“真想眼见为实啊！”“我也想！”孩子们对纳米技术充满了向往！

“科学研究要从细微处着手，平时善于观察、乐于思考、敢于钻研就可以一步步接近真理。今天通过魔术表演让你们感知触摸这些科学研究，其实，这是我带着研究团队研究了30几年的成果，每一个成果都是孜孜不倦、求真求善的积淀。开场时，我们提到定性研究与定量研究，现在你们体会到了定量研究的特点吗？”

“从拉瓦锡到温克勒，每一个科学突破都有实验。”“从电到荧光，好像数据很重要。”“刚才测试海水氧含量时，好像要求数据很精准呢。”孩子们七嘴八舌抢言。

“孩子们，你们各抒己见、群策群力，携手同心通往一个逐渐完善的答案。定量研究最大的特点就是收集、梳理、分析科学实验的数据，获得量的判断，而定性则更偏重性质的分析。”博士欣慰极了。

“博士，我们做任何研究都需要阅读文献，所以，科学研究应该是定量研究与定性研究相结合的，对吧？”好学的孩子们似乎渐渐萌生了辩证统一的思维方式。

“是的，其实，无论任何研究都需要两种方法相结合，才能无限接近真相。孩子们，‘氧气的科学故事专场魔术表演’到此暂告一段落，关于氧气的研究，我也只是探索到了冰山很微小的一角。你们好学善思乐问，我很期待你们的智慧思考点亮氧气研究的世界。在司空见惯的日常生活里，多问‘为什么？'并通过力所能及的途径去触摸真相。当然，我也热烈欢迎你们随时与我探讨有趣的科学故事，我的电话是020202。”博士刚报完电话号码，有孩子马上发现了秘密，“博士的电话是三个氧分子！”“这太容易记了！”“谢谢氧博士！”“我爱3氧博士！”欢声笑语、意犹未尽里，博士带着孩子们返回舞台。

“孩子们，探索发现尽兴而归了吧？”主持人身着带有氧比色传告标签的外套出现在舞台中央。

“是的，博士的魔术表演太有魔幻性了，不可思议！”“博士把我们完全忽视的氧研究得好透彻，佩服！”“博士太有才了，讲解通俗易懂！”“博士聪明绝顶、幽默睿智！”“下次，我还要参加博士的魔术表演！”“我也要……”孩子们滔滔不绝，兴奋不已。

“孩子们，X博士今天只是抛砖引玉，带你们感受了氧气现形的旅程，未来，你们可能在此基础上深入拓展，为人类的氧传感可视化研究增添更高端、更细腻、更精美的舞曲。让我们一起遨游科学探索的海洋，齐心协力揭开这世界的奥妙，为改造世界献力吧！”伴随着主持人的话音落地，博士腾云驾雾消失在孩子们的视野里，“3氧分子”的电话号码深深刻在了孩子们的心里，激励着孩子们……