第四代的朗伯比尔定律教学芯片教学实验改进

吴剑 张叶

摘 要：通过教学实践，我们对第四代教学微芯片中朗伯比尔定律教学微芯片的教学过程进行了研究，采用更为绿色环保的水溶性丙烯颜料等进行教学，避免了采用高锰酸钾等常规化学耗材时出现的易于腐蚀等缺陷，使得其更适用于课堂教学。

作为集成技术的代表，微流控芯片在很多领域得到应用[1-3]，其中教学微芯片是本课题组具有自主知识产权的研究成果，其成功的将微芯片技术引入了教育教学领域，由于微芯片具有的便携性好、试剂用量少、绿色环保等优点，使得教学微芯片可以方便的在课堂上直接进行理实一体化教学，该技术在教育教学领域具有广泛的应用前景[4]。我们开发了第四代教学微芯片[5]，并将其应用在了朗伯比尔定律的教学中[7]，在教学中我们发现了一些问题，对相关实验进行了改进使得其更适合课堂教学，特汇报如下：

1）郎伯-比尔定律及朗伯比尔定律教学微芯片

朗伯-比尔定律的表达式为：A=K×c×L

表示当一束平行单色光垂直通过某一具有一定光照面积的、含吸光物质的稀溶液时，若该溶液均匀、无散射，则在入射光波长、强度及溶液的温度等条件保持不变的情况下，该溶液中的吸光物质对单色光的吸光度 A 与溶液的浓度 c 及溶液液层厚度L的乘积成正比关系。我们将微型化化学实验的概念和微流控芯片的技术结合在一起，设计了一种能够演示朗伯-比尔定律的教学用芯片，采用能够构建浓度梯度和厚度梯度的微芯片，达到更好的教学效果。其是本课题组开发的第四代教学微芯片（见图1）的组成之一。

2）教学反思

我们采用课本原有的实验——高锰酸钾的紫外可见分光光度法测定进行了实验教学具体过程参见文献[6]，在实践教学中我们发现相关方法存在如下缺陷：

（1）实验用高锰酸钾溶液容易氧化变质，在实验条件下（中性溶液）易于产生二氧化锰的沉淀，因此课程教学中如不能及时清洗芯片会导致后续班级实验效果差，微芯片管道易发生堵塞。

（2）高锰酸钾溶液使用时需防止弄到手上和身上，因其腐蚀性较强，在衣服手上还会产生二氧化锰的沉淀，使用时需要极为小心。但是微芯片在课堂上大规模使用时往往会出现意外情况如芯片漏液，学生打翻芯片等情况。

（3）高锰酸钾溶液的氧化性对微芯片管道有一定影响，在使用后如未能及时清洗会导致芯片变色，如相关变色在朗伯比尔芯片的浓度和厚度梯度部分则导致芯片观察存在问题。

（4）在课堂上进行理实一体化教學时芯片往往不能及时得到清洗，这加重了相关缺陷。

3）实验的改进

从上述描述可见，采用高锰酸钾进行教学实验存在较大的问题，而这些问题的来源均在于高锰酸钾本身，因此我们拟对该实验进行调整。从朗伯比尔定律来说只要在可见光区有颜色的物质应该均可以用于教学，为此我们准备了如下有色物质：

五水硫酸铜（蓝色）、铁氰化钾溶液、氯化钴溶液、水溶性丙烯颜料、胡萝卜提取液。

用上述物质进行朗伯比尔实验，结果如下：

五水硫酸铜（蓝色）可以较为明显的看到浓度和厚度的变化，长久放置易析出硫酸铜晶体，且硫酸铜有生物毒性，使用时需注意不可入口。

铁氰化钾溶液可以看到不同厚度的变化（颜色加深）但是不同浓度的铁氰化钾溶液颜色溶液颜色由黄色至红褐色有黄绿色荧光，且因为强氧化性，易于分解且生成物有剧毒，铁氰化钾溶液必须现用现配。因此除非进行铁氰化钾溶液颜色的教学工作，不宜采用该溶液进行上述实验。

氯化钴溶液，采购了比色用氯化钴溶液标准物质进行实验，效果较好，且配合芯片集成的加热模块，相关溶液可以通过加热转变为蓝色，对钴离子的颜色教学较为有利，实验现象较为明显，易引起学生的兴趣，但是、钴离子存在健康危害：吸入该品粉尘对呼吸道有刺激性。长期吸入引起严重肺疾患。对敏感个体，吸入该品粉尘可致肺部阻塞性病变，出现气短等症状。粉尘对眼有刺激性，长期接触可致眼损害。对皮肤有致敏性，可致皮炎。摄入引起恶心、呕吐、腹泻;大量摄入引起急性中毒，引起血液、甲状腺和胰脏损害。其有毒，具刺激性，具致敏性。因此在教学中不宜大规模使用，可用于做好防护的课外兴趣小组进行探究式教学工作。

采用水溶性丙烯颜料进行实验效果较好，丙烯颜料是采用聚丙烯酸乳液为粘合剂，主要组分是聚合物和水，有轻微毒性，但只要不误食，就不会对人体产生伤害。但是要注意及时清洗管道，否则如颜料沉降后容易着色，严重的甚至堵塞管道。

将胡萝卜榨汁后过滤获得胡萝卜提取液，其进行上述实验效果较好，且胡萝卜提取液对人体无害，具有绿色环保的效果，用于课堂的大规模教学效果良好，缺陷在于胡萝卜素易于氧化变质，需要现配现用，对实验带来了困难。

4）结论

通过上述对比，比较适合进行大规模教学应用的是水溶性丙烯颜料和胡萝卜提取液，胡萝卜提取液还可以在生物化学课程教学中使用（胡萝卜素为维生素A原），但是考虑到水溶性丙烯颜料可以较长时间保存，使用时无需进行榨汁等工作因此使用水溶性丙烯颜料进行教学微芯片实验较为方便。

参考文献

[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，张琳，施亦斌，陈缵光. 微流控芯片非接触电导法测定左卡尼汀注射液的含量[J]. 药物分析杂志，2015，35（04）：728-731.

[3]王鹤辰，包永睿，王帅，李天娇，孟宪生. 基于微流控芯片技术的中药小蓟诱导肺癌A549细胞凋亡用药部位精准分析[J]. 药物分析杂志， 2019， 39（03）：393-397.

[4]吴剑，张叶，高焕.教学微芯片在郎伯-比尔定律教学中的应用[J].科教导刊（下旬），2020（03）：133-134.

[5]吴剑，康浩，张叶，孙小敏，王睿萱，刘志华，唐玲，张梦雨. 一种绿色多功能教学微芯片[P]. 安徽省：CN209373894U，2019-09-10.

[6]吴剑，张叶，高焕. 教学微芯片在郎伯-比尔定律教学中的应用[J]. 科教导刊（下旬），2020，（03）：133-134.

基金项目：

2019 年安徽省教育厅重点教学研究项目“第四代教学微芯片在教学中的应用研究”（2019jyxm0552）

作者简介：

吴剑，博士，教授，研究方向为分析化学、药物分析化学。