用于《生物化學實驗》教學的小型試管烘干器設計*

李吉馥

(西南大學蠶桑紡織與生物質科學學院，重慶 400715)

實驗教學作為現代大學發展水平的標志，是一流本科課程建設的重要內容，而培養專業基礎扎實、科研能力強、綜合素質高的創新型人才，又是當前高校教學改革和可持續發展的目標[1-3]?！渡锘瘜W》是生命科學領域的一門重要基礎課程，實驗教學作為整個生物化學課程體系的重要組成部分，既可以使學生掌握基本實驗技能，又能更好地幫助學生理解和記憶理論知識，提高知識的連貫性和系統性，而且最大限度地激發學生的科學探索能力[4-6]。如何在相對有限的實驗條件下開展《生物化學實驗》教學，如何提高實驗操作效率是教學人員一直思考的問題。為此，筆者期望通過實驗室小型儀器的創新改造，有效解決一些技術難度不高但費時費力的基礎操作，其中設計研制的一種教學用小型試管烘干器已獲得實用新型專利(專利號：ZL201921184234.0)，該烘干器能夠將試管烘干與存放集于一體，簡化了試管烘干與存放的操作過程，提升了試管烘干效率。

1 設計目的

試管是實驗室教學常用的器材，使用量較多[7-8]。在西南大學蠶桑紡織與生物質科學學院的本科《生物化學實驗》課程教學中，為了保證實驗數據的精確性，很多實驗項目均需嚴格控制試管的清潔度和干燥度，例如：在蛋白質及氨基酸的呈色反應實驗中，利用酒精燈加熱尿素以形成雙縮脲，如果試管中殘留有水分將影響反應的速率；在核酸的定量測定-定磷法實驗中，試管中殘留的水分會直接影響樣品的總容積，導致定量不準確，再就是自來水中含有的磷，還會直接與定磷試劑反應，影響實驗結果；許多生化實驗項目均需取用固體粉末至試管內參與反應，如試管不干燥，樣品加入后將粘貼于試管壁，阻礙下一步反應的進行，不僅影響實驗現象的觀察，還會因樣品緊貼于試管前緣，不能充分溶解而影響待測產物的含量[9-10]。因此，用于生物化學實驗的試管在使用前一般需經過嚴格的清洗及干燥，較傳統的方法就是在對試管進行徹底清洗后倒置于試管架進行自然風干，這樣既浪費時間，又不能保證清潔度。只有大型實驗室會有專門的烘箱，在試管清洗后可以直接整框放進烘箱，但這些烘箱一般較大，試管堆積烘干所需時間較長，并且容易損壞試管。此外，出于安全考慮，烘箱設備在使用時一般需有專人值守，這也嚴重降低了工作效率。

通常在實驗課程教學過程中，教師或學生需要在使用前重新清洗試管以保證實驗器具的清潔，但水洗后試管壁上的水分殘留又會影響使用。為了使殘留的水分盡快干燥，目前我們使用擦鏡紙來將試管逐個擦干，以便使試管內的水分盡快蒸發達到干燥的目的。然而這樣操作有時會因紙屑等殘留而影響實驗進程和效果，有時還會因操作不當導致紙團塞入試管難以取出，另外還有學生在使用玻璃棒輔助擦拭時易使玻璃棒折斷，存在安全隱患。再就是使用目前的方法擦拭試管時只能單只操作，不僅費時而且非常不便，在進行酶的基本性質觀察實驗中，一個實驗項目就需用到12支試管，繁瑣的準備操作嚴重影響學生的學習積極性。因此，用于《生物化學實驗》課程教學的實驗室迫切需要一款操作簡便，可快速高效烘干試管的設備。

2 設計方案

2.1 基本結構及工作原理

小型試管烘干器的整機結構如圖1所示，由21個部件組成。

(A)烘干器內部結構示意圖 (B)烘干器主視圖 (C)烘干器斜視圖-1 (D)烘干器斜視圖-2

該烘干器包括中空的烘箱和頂部試管架，烘箱內的裝置為試管的烘干提供熱能及風能，試管架則用于放置試管。烘箱內部包含一系列組件，其中電風扇能夠源源不斷地向風扇殼內鼓風，有助于空氣的流動，加熱管則將空氣加熱為熱風。儀器工作時，熱風沿著彎管進入密封隔板上方的空隙，進而順著試管架上的通氣孔均勻排出，對套在試管架上的試管內壁進行烘干。

2.2 基本結構的設計

2.2.1 外觀設計

小型試管烘干器包括中空的烘箱和均勻固定安裝在烘箱頂部外壁上的若干中空試管架，烘干器上部的圓周方向上均勻開設有若干通氣孔。

試管架的頂部呈圓弧狀，擬采用橡膠材質，不會對試管內壁造成損傷。試管架共12支，一次烘干即能滿足大多數實驗項目使用，試管架的尺寸參考15 mm試管設計，其規格為長度200 mm，外徑10 mm，內徑8 mm。試管架上擬開設通氣孔，孔徑為2 mm，有助于試管內壁的均勻烘干(圖1-C)。試管架的底部設計安裝有可拆卸的法蘭盤，試管架通過法蘭盤固定于上蓋板上，此外，法蘭盤與上蓋板安裝間隙設計了防水橡膠圈，避免試管內部的水漬流入烘箱內部。

烘箱外殼包括上蓋板、下蓋板、固定安裝在下蓋板左右兩側的左蓋板、右蓋板以及固定安裝在下蓋板前后兩側的前蓋板、后蓋板，其中上蓋板呈傾斜向下狀且上蓋板的圓周方向上一體成型安裝有擋水條，上蓋板較低一側的拐角處開設有瀝水孔(圖1-D)。由于清洗后的試管內壁上容易殘留水珠，將試管套在試管架上后，試管內壁的水珠會沿著試管內壁向下流，上蓋板圓周方向上的擋水條能夠防止水流從上蓋板四周溢出，上蓋板較低一側的瀝水孔則有助于殘留水流的排出。

烘箱底部四角處分別固定安裝有橡膠底座，有助于整個烘箱的穩固，防止試管烘干的過程中烘箱發生滑動。在左蓋板上開設有通風孔(圖1-D)，便于外界風依次進入風扇殼、加熱管、彎管以及密封隔板上方的空隙，對試管架上的試管進行烘干。左蓋板上還開設有電線孔，下蓋板右側開設有若干排氣孔便于排出試管烘干過程中可能存在的水汽。

2.2.2 內部結構設計

烘箱內腔頂部固定安裝有密封隔板，密封隔板與烘箱壁之間存在與試管架相通的空隙，密封隔板下方的烘箱內腔內依次固定安裝有管狀的風扇殼、加熱管和彎管，彎管的自由端與密封隔板之間卡接有密封環，風扇殼、加熱管和彎管與密封隔板上方的空隙相通，密封隔板的底部固定安裝有若干橫梁，風扇殼上方的橫梁上固定安裝有與風扇殼相通的熱風裝置，風扇殼內固定安裝有電風扇，風扇殼與烘箱接觸的烘箱內壁上開設有通風孔(圖1-A、B)。

其中，位于上蓋板較低一端的密封隔板上設計有用于卡接密封環的通孔，加熱管外套則通過一個固定座連接于下蓋板上，該固定座有助于整個烘干裝置的固定。

熱風裝置包括風機和安裝在風機外的風機罩，風扇殼內固定安裝有十字固定架，電風扇固定安裝在十字固定架上。風機罩起到集中風力及保護風機的作用，電風扇固定安裝在十字固定架的中部，起到加快空氣流動的作用。

3 樣機制作與性能測試

烘干器的上蓋板、下蓋板、左蓋板、右蓋板、前蓋板、后蓋板、橫梁、密封隔板均選用304不銹鋼于工廠定制完成，尺寸公差2 mm。固定座、密封環以及試管架圓柱中空管選擇耐高溫材料由3D打印機制作完成。樣機制作所需的其余材料如法蘭盤、熱風管、發熱芯等均通過市面采購獲得。整機由螺絲螺母固定完成拼接，無需焊接，機器內部的銜接處使用高溫膠密封。

在實際制作中，試管架頂部的橡膠密封環原設計為插入式橡膠圈，但密封性不太好，不利于排水，于是更改為橡膠密封帽，試管內壁的水珠可順管子流下，亦不會對試管內壁造成損傷。

圖2 小型試管烘干器樣機

綜合上述設計規格、制造技術完成制作的小型試管烘干器樣機見圖2。整個烘干器體積小巧，長348 mm，高約340 mm；整機約4.7 kg，質量適中。機體表面均為不銹鋼材質，不易生銹，不易留指紋。

與傳統烘干機相比，小型試管烘干機縮短了試管干燥等待的時間，對使用人員專業化程度要求不高，學生可輕松完成操作。該儀器可平放于實驗臺上使用，占用面積小，隨用隨烘，使用便捷。

使用操作時，將清洗后的試管倒置安放于試管架上，插上插頭，調節熱風或冷風按鈕，其中熱風及冷風按鈕各有2擋可調，第1擋的風力及溫度均小于第2擋，按壓即可開啟。烘干完畢后，將按鈕調回零擋，待試管冷卻后即可直接取下使用。

筆者測試了樣機對試管烘干的實用性能，結果顯示風機開啟5 min后即能將正常瀝水后的試管內壁烘干，與使用傳統烘干機的時間(1 h)相比，時間縮短到原來時間的1/12，達到設計效果。

4 小 結

綜上，研制的用于《生物化學實驗》教學的小型試管烘干器，體積適中，重心較穩，可直接放置于實驗教室實驗操作臺上使用，節約教室空間，同時該裝置能一次烘干較多試管，工作效率高，1～2次烘干的試管即可保證一個實驗項目所用。小型試管烘干器將試管的存放與烘干集為一體，簡化了試管烘干與存放的操作過程，提高了試管的烘干質量，省時省力，為實驗教學帶來了很大的便利，不僅可以服務于《生物化學實驗》教學，也可推廣應用于生物、化學、藥學等其他學科的專業課程實驗。從設備的實用性能測試結果來看，對比目前市場上同類烘干機，小型試管烘干器縮小了設備體積，縮短了實驗操作時間，同時能夠保證散熱及排水，因而在生物化學的教學實驗領域有較好的推廣及應用價值。