3D打印微型可見分光光度計的制作與應用

徐沛然 任紅艷 凌一洲 張澤

摘要： 在了解色度學相關概念的基礎上理解實驗原理;用Solid Works軟件建模并用3D打印技術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，并作進一步的分析。實驗結果表明該裝置可以用于測定物質的吸收曲線，確定最大吸收波長。

關鍵詞： 3D打印; 微型可見分光光度計; STEAM理念; 項目學習; 實驗探究

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

隨著教育現代化的快速發展，3D打印作為新型課程資源開始步入中小學校，以促進學生跨科融合和創新設計能力。化學是一門中心學科，教師可嘗試融合STEAM理念，開展基于3D打印的化學實驗創新活動設計。

分光光度法是化學中重要的定性和定量分析方法，涉及化學、光學、色度學等多學科知識，但相關儀器價格昂貴，無法在中學大規模配備。因此，本文結合3D打印技術，設計了“3D打印微型可見分光光度計的制作與應用”這一STEAM項目，引導學生設計模型，創新光譜分析的方式，以強調學科的交叉與融合，著眼于創新型復合人才的培養[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，已經難以滿足實際需要。人教版選修6《實驗化學》[4]第三單元“物質的檢測”課題二“物質含量的測定”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]，其測量準確度進一步提高。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，已經廣泛應用于化學、生物、醫學等領域。

2? 項目目標

（1） 為3D打印技術與中學學科教學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） 形成模型構建、實驗操作、數學分析等能力，體驗在接近真實的情境中跨學科應用知識和技能的過程。

3? 過程設計

3.1? 了解概念

本項目涉及大量與顏色相關的知識，需要一定的色度學基礎[6]，尤其是顏色的RGB、 HSL模式。前者用紅色（Red）、綠色（Green）、藍色（Blue）來確定顏色，后者用色調（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）數據。學生可以利用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值的規律性變化，嘗試通過“顏色”選項將彩色圖像轉換為灰度圖像，為后續的項目研究做鋪墊。

3.2? 理解原理

光源發出的白色光經過狹縫后，轉變為長方形光束，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的數據。因為像素點的灰度值和光強成正比[8]，根據朗伯-比爾定律[9]：

A=lgI0I=εlc

式中： I0為入射光強度，I為透射光強度，ε為摩爾吸光系數，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系：

A=lgG0G

式中： G0為未經吸收的光帶各像素的灰度值，G為經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換為對應的波長值λ。以波長λ為橫坐標，吸光度A為縱坐標作圖，即可得到樣品對應的吸收曲線，進行一系列的分析。

3.3? 制作裝置

圖3是用軟件Solid Works構建的微型可見分光光度計三維模型，主要由光柵筒（左側淺色段）、比色皿筒（右側深色段）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3D打印后的實物圖，為防止漏光，3D打印的材料優選不透明的黑色（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;最后把手機固定在右側，攝像頭對準光柵口拍攝吸收光帶。為獲得更為清晰的吸收光帶，可以調節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? 實際應用

微型可見分光光度計可以應用于物質吸收光譜的測定，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、計算機

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，得到質量分數為0.10%的高錳酸鉀溶液。稀釋得到質量分數為0.002%、 0.004%、 0.006%的高錳酸鉀溶液。

（2） 吸收光帶拍攝。根據不同光源的吸收光帶，本實驗選擇光區分界線較為明顯，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） 圖像分析和數據處理。將手機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。確認打開無誤后，選擇“image”對圖片進行角度的調整，使吸收光帶處于水平位置。調整圖片中的黃色框，使得光帶圖周圍的黑色區域盡可能少。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“list”可以得到所有像素點的灰度值數據，將所有數據復制到Excel中。四幅圖片的數據都復制之后，使用Excel進行數據處理。根據公式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據，之后根據比例關系將像素轉換為波長λ。

3.4.3? 實驗結果

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鍵數據。

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? 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

文獻中記錄的高錳酸鉀溶液吸收峰出現在525nm和545nm左右[10]，與通過微型分光光度計實驗得出的結論有一定的誤差。筆者認為出現誤差的主要原因有： 入射光為白光，不是單色光源，導致朗伯-比爾定律出現一定程度的偏差;在用IMAGEJ處理圖像時，不同光帶圖像截取的部分有所差異，導致不同濃度的溶液最大吸收波長出現差別;手機拍攝的圖像分辨率不夠，軟件灰度值分析精確度不高，導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，除了會對白光產生吸收外，還會使白光中的紫色光部分得到加強，導致450nm以下的吸光度出現負值。因為裝置的低成本性，以及實驗需要得到連續波長的彩色光帶進行分析，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? 結論

實驗結果表明，3D打印微型可見分光光度計可以實現對物質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。根據吸收光譜，還可以進一步測定溶液中物質的含量，該實驗尚待后續研究。

運用3D打印技術制造實驗裝置，使用光學器件得到光的衍射譜圖，再通過數據處理軟件進行分析得出結論。整個實驗過程把科學（光學、朗伯-比爾定律）、技術（3D打印）、工程（三維建模、分析圖片、繪制圖表）、藝術（色度學、攝影）、數學（公式的推導和計算）等多學科的知識與技能綜合運用于真實的情境，可以引起學生極大的學習興趣，并且能夠進一步設計為適合中學化學的光譜分析課程。隨著3D打印技術走進校園，教師需要思考如何充分利用這一教育資源，有機地融入日常教學和活動中。

參考文獻：

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