3D打印微型可見分光光度計的制作與應(yīng)用

徐沛然 任紅艷 凌一洲 張澤

摘要： 在了解色度學(xué)相關(guān)概念的基礎(chǔ)上理解實驗原理;用Solid Works軟件建模并用3D打印技術(shù)制作實物微型可見分光光度計;以高錳酸鉀溶液為例，通過衍射光柵獲得溶液透射光的衍射譜圖，用智能手機(jī)拍攝光帶;用圖像分析軟件IMAGEJ獲得各像素點的灰度值;最后用Excel表格繪制波長-吸光度散點圖，并作進(jìn)一步的分析。實驗結(jié)果表明該裝置可以用于測定物質(zhì)的吸收曲線，確定最大吸收波長。

關(guān)鍵詞： 3D打印; 微型可見分光光度計; STEAM理念; 項目學(xué)習(xí); 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2019）12-0061-04? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

隨著教育現(xiàn)代化的快速發(fā)展，3D打印作為新型課程資源開始步入中小學(xué)校，以促進(jìn)學(xué)生跨科融合和創(chuàng)新設(shè)計能力?；瘜W(xué)是一門中心學(xué)科，教師可嘗試融合STEAM理念，開展基于3D打印的化學(xué)實驗創(chuàng)新活動設(shè)計。

分光光度法是化學(xué)中重要的定性和定量分析方法，涉及化學(xué)、光學(xué)、色度學(xué)等多學(xué)科知識，但相關(guān)儀器價格昂貴，無法在中學(xué)大規(guī)模配備。因此，本文結(jié)合3D打印技術(shù)，設(shè)計了“3D打印微型可見分光光度計的制作與應(yīng)用”這一STEAM項目，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計模型，創(chuàng)新光譜分析的方式，以強(qiáng)調(diào)學(xué)科的交叉與融合，著眼于創(chuàng)新型復(fù)合人才的培養(yǎng)[1，2]。

1? 項目背景

為測量溶液的濃度，教材[3]中采用滴定法，但其操作難度較大、步驟繁瑣、耗時較長，已經(jīng)難以滿足實際需要。人教版選修6《實驗化學(xué)》[4]第三單元“物質(zhì)的檢測”課題二“物質(zhì)含量的測定”中介紹了比色法，即利用溶液顏色的深淺變化測定物質(zhì)含量的方法。在高等院校和科研單位，還廣泛采用分光光度法[5]，其測量準(zhǔn)確度進(jìn)一步提高。比色法與分光光度法的基本原理都是吸收光譜，具有靈敏度高、操作簡便、測定快速的特點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

2? 項目目標(biāo)

（1） 為3D打印技術(shù)與中學(xué)學(xué)科教學(xué)的融合提供可資借鑒的典型案例。

（2） 了解RGB、 HSL顏色模式的含義，理解分光光度法的基本原理，掌握吸收曲線的測定方法。

（3） 形成模型構(gòu)建、實驗操作、數(shù)學(xué)分析等能力，體驗在接近真實的情境中跨學(xué)科應(yīng)用知識和技能的過程。

3? 過程設(shè)計

3.1? 了解概念

本項目涉及大量與顏色相關(guān)的知識，需要一定的色度學(xué)基礎(chǔ)[6]，尤其是顏色的RGB、 HSL模式。前者用紅色（Red）、綠色（Green）、藍(lán)色（Blue）來確定顏色，后者用色調(diào)（Hue）、飽和度（Saturation）、亮度（Luminance）來確定顏色。本項目所拍攝的光帶從左到右是按照色調(diào)H值從大到小排列的，處理圖像使用的IMAGEJ軟件則是通過計算R、G、B的均值得到灰度值（GRAY VALUE）數(shù)據(jù)。學(xué)生可以利用Office辦公軟件自帶的“自定義顏色”功能輔助理解，上下左右拖動調(diào)色盤中的顏色像素，選擇不同的顏色模式，觀察RGB和HSL值的規(guī)律性變化，嘗試通過“顏色”選項將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，為后續(xù)的項目研究做鋪墊。

3.2? 理解原理

光源發(fā)出的白色光經(jīng)過狹縫后，轉(zhuǎn)變?yōu)殚L方形光束，見圖1[7]。在通過裝有樣品溶液的比色皿后，特定波長的光被吸收，然后透過光柵，透射光會衍射為按波長分布的光帶。用智能手機(jī)可以拍攝完整的光帶，如圖2所示。

圖1? 微型可見分光光度計工作原理簡示圖

圖2? 電腦屏幕（a）和柔光燈（b）的衍射光帶

運用圖像分析軟件IMAGEJ，可以獲得按照像素點分布的灰度值曲線和相應(yīng)的數(shù)據(jù)。因為像素點的灰度值和光強(qiáng)成正比[8]，根據(jù)朗伯-比爾定律[9]：

A=lgI0I=εlc

式中： I0為入射光強(qiáng)度，I為透射光強(qiáng)度，ε為摩爾吸光系數(shù)，l為液層厚度，c為溶液濃度。

可以得到吸光度A和像素點灰度值的關(guān)系：

A=lgG0G

式中： G0為未經(jīng)吸收的光帶各像素的灰度值，G為經(jīng)過溶液吸收后光帶各像素的灰度值。由于本實驗使用的光源為非單色光源，所以朗伯-比爾定律可能出現(xiàn)一定程度上的偏差。

因為光帶圖像從左到右的像素值和波長值都是均勻分布的，所以像素值可以按比例轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的波長值λ。以波長λ為橫坐標(biāo)，吸光度A為縱坐標(biāo)作圖，即可得到樣品對應(yīng)的吸收曲線，進(jìn)行一系列的分析。

3.3? 制作裝置

圖3是用軟件Solid Works構(gòu)建的微型可見分光光度計三維模型，主要由光柵筒（左側(cè)淺色段）、比色皿筒（右側(cè)深色段）組成，包括可拆卸的狹縫插件（狹縫寬度0.6mm）、比色皿蓋、光柵口（配有600線/mm光柵）等關(guān)鍵部位，光柵平面與水平夾角為45°。使用時將比色皿筒插入光柵筒，并保持比色皿豎直放置。圖4是經(jīng)3D打印后的實物圖，為防止漏光，3D打印的材料優(yōu)選不透明的黑色（但是成本較高），亦可用其他顏色的材料打印后涂黑處理。

圖3? 微型可見分光光度計的三維模型

圖4? 微型可見分光光度計的3D打印實物

測量時，首先將裝有待測溶液的比色皿置于比色皿筒中，蓋上比色皿蓋;接著把狹縫、光柵插入裝置;然后用光源從狹縫端射入裝置;最后把手機(jī)固定在右側(cè)，攝像頭對準(zhǔn)光柵口拍攝吸收光帶。為獲得更為清晰的吸收光帶，可以調(diào)節(jié)比色皿筒插入光柵筒的深度，尋找光帶圖像最清晰的位置。

3.4? 實際應(yīng)用

微型可見分光光度計可以應(yīng)用于物質(zhì)吸收光譜的測定，確定最大吸收波長，本文例舉“高錳酸鉀溶液吸收曲線測定”實驗展開介紹。

3.4.1? 實驗用品

高錳酸鉀（A.R.）、蒸餾水、500mL容量瓶、移液管、燒杯、玻璃棒、比色皿、3D打印的微型可見分光光度計、光源、智能手機(jī)、計算機(jī)

3.4.2? 實驗步驟

（1） 溶液配制。用電子天平稱量0.50g高錳酸鉀固體，溶解于燒杯中，用500mL容量瓶定容，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%的高錳酸鉀溶液。稀釋得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.002%、 0.004%、 0.006%的高錳酸鉀溶液。

（2） 吸收光帶拍攝。根據(jù)不同光源的吸收光帶，本實驗選擇光區(qū)分界線較為明顯，亮度適中的白色電腦屏幕作為光源，狹縫寬度為0.60mm。取裝有蒸餾水的比色皿，放入筒中，蓋上比色皿蓋，使手機(jī)攝像頭緊緊貼住衍射光柵，并保證沒有外界的光從光柵處射入實驗裝置。將比色皿筒端口完全貼合在電腦屏幕上，以確保電腦屏幕發(fā)出的光是唯一射入裝置的光源。待攝像頭聚焦，按下拍攝鍵，得到未經(jīng)吸收的光帶圖。按照上述方法，分別拍攝0.002%、 0.004%、 0.006%的高錳酸鉀溶液吸收光帶（見圖5上排）。

（3） 圖像分析和數(shù)據(jù)處理。將手機(jī)端拍攝的圖像傳到電腦端，分別重新命名為“蒸餾水”、“0.002%”、“0.004%”、“0.006%”。打開IMAGEJ，點擊“File”，選擇“open”分別打開蒸餾水、0.002%、 0.004%、 0.006%高錳酸鉀溶液吸收光帶圖。確認(rèn)打開無誤后，選擇“image”對圖片進(jìn)行角度的調(diào)整，使吸收光帶處于水平位置。調(diào)整圖片中的黃色框，使得光帶圖周圍的黑色區(qū)域盡可能少。點擊“analyze”，選擇“plot file”，可以得到灰度值按照像素排列的分布曲線（見圖5下排）。

圖5? 4種溶液的吸收光帶和灰度值分布（橫軸為像素值，縱軸為灰度值）

點擊圖片下方的“l(fā)ist”可以得到所有像素點的灰度值數(shù)據(jù)，將所有數(shù)據(jù)復(fù)制到Excel中。四幅圖片的數(shù)據(jù)都復(fù)制之后，使用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。根據(jù)公式A=lg（G0/G）

，計算出0.002%、 0.004%、 0.006%高錳酸鉀溶液在所有像素點的吸光度數(shù)據(jù)，之后根據(jù)比例關(guān)系將像素轉(zhuǎn)換為波長λ。

3.4.3? 實驗結(jié)果

計算共得到294種不同波長條件下，3種濃度的高錳酸鉀溶液的吸光度，見表1。以下列舉吸光度最大處的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

表1? 不同波長條件下高錳酸鉀溶液的吸光度

波長λ/nm

吸光度A

0.002%0.004%0.006%

360.0000.0140.1320.242

……………………

523.8980.2620.5070.972

續(xù)? 表

波長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

將表格轉(zhuǎn)換為波長-吸光度散點圖，可以得到三種濃度高錳酸鉀溶液的吸收曲線（見圖6）。結(jié)果表明，0.006%高錳酸鉀溶液最大吸收波長約在526nm、 553nm;0.004%高錳酸鉀溶液最大吸收波長約在535nm、 562nm;0.002%高錳酸鉀溶液最大吸收波長約在527nm、 558nm。

圖6? 不同濃度的高錳酸鉀溶液吸收曲線

3.4.4? 誤差分析

文獻(xiàn)中記錄的高錳酸鉀溶液吸收峰出現(xiàn)在525nm和545nm左右[10]，與通過微型分光光度計實驗得出的結(jié)論有一定的誤差。筆者認(rèn)為出現(xiàn)誤差的主要原因有： 入射光為白光，不是單色光源，導(dǎo)致朗伯-比爾定律出現(xiàn)一定程度的偏差;在用IMAGEJ處理圖像時，不同光帶圖像截取的部分有所差異，導(dǎo)致不同濃度的溶液最大吸收波長出現(xiàn)差別;手機(jī)拍攝的圖像分辨率不夠，軟件灰度值分析精確度不高，導(dǎo)致兩個吸收峰的距離偏大。

此外，由于使用的高錳酸鉀溶液呈紫色，除了會對白光產(chǎn)生吸收外，還會使白光中的紫色光部分得到加強(qiáng)，導(dǎo)致450nm以下的吸光度出現(xiàn)負(fù)值。因為裝置的低成本性，以及實驗需要得到連續(xù)波長的彩色光帶進(jìn)行分析，所以本項目只能選擇白光作為光源，這也是本項目的缺陷之一。

4? 結(jié)論

實驗結(jié)果表明，3D打印微型可見分光光度計可以實現(xiàn)對物質(zhì)吸收光譜的繪制和最大吸收波長的測定，可以一定程度替代昂貴的大型光譜分析儀器。根據(jù)吸收光譜，還可以進(jìn)一步測定溶液中物質(zhì)的含量，該實驗尚待后續(xù)研究。

運用3D打印技術(shù)制造實驗裝置，使用光學(xué)器件得到光的衍射譜圖，再通過數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行分析得出結(jié)論。整個實驗過程把科學(xué)（光學(xué)、朗伯-比爾定律）、技術(shù)（3D打?。⒐こ蹋ㄈS建模、分析圖片、繪制圖表）、藝術(shù)（色度學(xué)、攝影）、數(shù)學(xué)（公式的推導(dǎo)和計算）等多學(xué)科的知識與技能綜合運用于真實的情境，可以引起學(xué)生極大的學(xué)習(xí)興趣，并且能夠進(jìn)一步設(shè)計為適合中學(xué)化學(xué)的光譜分析課程。隨著3D打印技術(shù)走進(jìn)校園，教師需要思考如何充分利用這一教育資源，有機(jī)地融入日常教學(xué)和活動中。

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