科普實驗
——熒撫波瀾，旖旎的化學發(fā)光*

趙 萌，商淑悅，高琛燁，朱心愿，顧雪松，楊 云，阮海華，王 倩

(天津商業(yè)大學 生物技術與食品科學學院，天津 300134)

化學發(fā)光又稱為冷光(cold light)，是由化學反應而產生的光輻射。我們生活中所見到的一些發(fā)光現(xiàn)象，如螢火蟲和熒光棒的光以及鈔票上的防偽標志在紫外線下發(fā)光，均屬于典型的化學發(fā)光。化學發(fā)光已在制藥工業(yè)、臨床科學、環(huán)境監(jiān)測、食品檢測和法庭科學等諸多領域得到應用[1]。目前，已有多種化學發(fā)光試劑被報道。魯米諾，又名發(fā)光氨，化學名稱為3-氨基-鄰苯二甲酰肼。因其結構簡單、易合成、水溶性好、發(fā)光量子效率高等特點，常被用作液相化學發(fā)光試劑[2]。維生素B2、湯力水在特定激發(fā)波長下可分別發(fā)射出綠色、藍色熒光。

結合專業(yè)知識，本科普方案提供了兩種可分別在實驗室和居家條件下“熒光海”的呈現(xiàn)方式。受眾既可通過實驗視頻感受化學發(fā)光帶來的視覺沖擊，亦可借助生活中的常見物品親身體驗化學發(fā)光的魅力。在互動展示方面，我們以銅絲(銅離子)催化分解過氧化氫得到的單線態(tài)氧氧化魯米諾，發(fā)出藍色熒光，展現(xiàn)熒光湍流現(xiàn)象；依托流體流動為本科普實驗添加“魔法特效”；將科學與藝術融合，制作“化學”、“chem”和中國陸地輪廓圖，以分子之光點亮化學、點亮偉大祖國；借助綠色熒光素，與魯米諾溶液相互交融，構造“動態(tài)地球”，在體悟化學之美、化學之趣的同時也傳遞出“你中有我，我中有你”的共同體理念。在此基礎上，以生活中常見的維生素B2、湯力水，來展現(xiàn)“熒光海”，便于公眾切身感受化學發(fā)光所帶來的奇幻。科普講解方面，選手多方面、多層次地向公眾采用趣味性方式講解其中化學發(fā)光原理。同時，結合紫外吸收光譜、熒光光譜等譜學技術向高中生、大學生等具有一定知識基礎的參與者展示如何通過現(xiàn)代科技手段解密現(xiàn)象背后的微觀機制。

通過本科普實驗，少年兒童可以感受化學的奇幻，在幼小的心靈中埋下科學的種子。初高中生可以通過動手參與感受化學的魅力，同時結合已有的化學知識，初步建立分子結構與發(fā)光特性間的關聯(lián)，進一步激發(fā)探索科學奧秘的欲望。大學生可以通過現(xiàn)代分析技術揭秘發(fā)光機制，在此基礎上運用所學知識，面向世界科技前沿，對已有分子進行改性研究，用化學改變世界；面向國民經濟主戰(zhàn)場，用化學創(chuàng)構未來；對于社會大眾，我們從化學發(fā)光在生活中的實際應用進行講解，使其感受化學與生活的密切聯(lián)系。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

1.1.1 魯米諾

魯米諾(luminol)，化學名稱3-氨基鄰苯二甲酰肼(3-aminophthalhydrazide)，其在反應中被氧化從而發(fā)出藍色熒光。其發(fā)光原理如圖1所示，首先銅絲催化過氧化氫分解產生單線態(tài)氧，單線態(tài)氧將3-氨基鄰苯二甲酰肼氧化為三重激發(fā)態(tài)的3-氨基鄰苯二甲酸根離子，該離子通過系間竄躍到達單重激發(fā)態(tài)，當其回落至基態(tài)時會發(fā)出波長為 420 nm 的藍色熒光。

圖1 魯米諾發(fā)光原理

1.1.2 維生素B2及湯力水

1)維生素B2

維生素B2溶液具有明顯的光致發(fā)光特性，在230～500 nm 波長范圍內，維生素B2溶液的激發(fā)光譜上均存在較強的激發(fā)峰。對應激發(fā)光可使維生素B2溶液發(fā)射出波長為 528 nm 的綠色熒光[4]。

2)湯力水

湯力水是由蘇打水、糖、水果提取物以及奎寧調配而成的軟性氣泡飲料，其中作為香料調味的奎寧可以發(fā)出熒光。與其他有熒光反應的物質一樣，奎寧在紫外燈的照射下吸收了能量進入激發(fā)態(tài)，由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，很快就會回到基態(tài)，因此會將能量以發(fā)光的形式釋放出去，所以我們會看到熒光現(xiàn)象[5]。

1.1.3 紫外(熒光)光譜分析

本實驗通過紫外(熒光)光譜儀對配制好的魯米諾溶液和維生素B2的水溶液進行分析，得到如圖譜(圖2)。由圖2(a)可知，魯米諾的紫外吸收帶位于240～380 nm 波長范圍內，峰值出現(xiàn)在 270 nm 處。維生素B2在 375 nm、450 nm 處均有明顯紫外吸收(圖2(b))。在波長為 340 nm 光的激發(fā)下，魯米諾溶液的發(fā)射出波長為 420 nm 的藍色熒光(圖2(c))。維生素B2溶液在 430 nm 光的激發(fā)下發(fā)出峰值為 525 nm 的黃綠色熒光(圖2(d))。

(a.魯米諾溶液的紫外吸收光譜；b.維生素B2溶液的紫外吸收光譜；c.魯米諾溶液的熒光光譜；d.維生素B2溶液的熒光光譜)圖2 魯米諾和維生素B2光譜分析

1.2 試劑與材料

蛇形冷凝管、燒杯、量筒、錐形瓶、培養(yǎng)皿、電子天平、玻璃棒、藥匙、一次性滴管等儀器均為實驗室常規(guī)型號，迷你紫外手電筒購自淘寶。實驗試劑如表1所示。

表1 實驗試劑

1.3 儀器和表征方法

實驗儀器如表2所示。

表2 實驗儀器

1.4 實驗內容

1.4.1 “熒光海”的溶液配制

1)實驗室“熒光海”

本實驗操作流程如圖3所示：

圖3 實驗流程圖

具體實驗步驟如圖4所示，首先稱取 0.02 g 的魯米諾黃色粉末，置于 250 mL 錐形瓶中，加入 10 mL 10%的NH3·H2O，攪拌溶解。加入 100 mL 蒸餾水稀釋；再加入 1 mL 醫(yī)用過氧化氫溶液，搖勻。將配置好的魯米諾溶液均分在兩個 100 mL 燒杯中，備用。

(a.稱量；b.量取；c.溶解；d.稀釋；e.搖勻；f.滴加)圖4 魯米諾溶液的配制

玻璃棒蘸取少量熒光素，攪拌溶解于一份配制好的魯米諾溶液中，得到熒光素-魯米諾溶液。

2)家庭“熒光海”

準備紫外光手電、維生素B2、湯力水、透明杯子A、B(杯身越高，視覺效果越佳)。

1.4.2 “熒光海”的引發(fā)

1)實驗室“熒光海”

黑暗條件下，將銅絲浸入魯米諾溶液、熒光素-魯米諾溶液，可引發(fā)藍色、綠色熒光(圖5)。

2)家庭“熒光海”

利用維生素B2/湯力水在特定波長下顯示出不同顏色熒光的特點，讓我們在家實現(xiàn)“熒光海”自由(圖6)，也傳達出“生活無處不化學”的學科特點。

將維生素B2研磨成粉末(顆粒)，透明杯A中加入適量清水，黑暗環(huán)境下打開紫外光手電筒照射杯底，將維生素B2粉末緩慢倒入透明杯A中，可觀察到綠色熒光現(xiàn)象。在透明杯B中加入適量湯力水，重復上述步驟，可觀察到藍色熒光(圖6)。

(a.魯米諾溶液；b.熒光素-魯米諾溶液；c.魯米諾溶液) 圖5 熒光湍流——模擬“熒光海”

(a.維生素B2“熒光海”；b.湯力水“熒光海”)圖6 家庭“熒光海”現(xiàn)象

2 科普展示和互動方案

2.1 科普地點及對象

本科普實驗對展示地點要求較低，寬敞室內場所(如教室、客廳等)和室外場所(如廣場、操場等)均可作為展示地點。

根據(jù)參與者知識水平、年齡層次及科普期望達到的效果，將科普對象劃分為——幼兒和小學生、中學生、大學生、社會大眾，以此做到梯度科普，力求科普覆蓋廣度、深度最大化。

2.2 科普內容

2.2.1 幼兒和小學生

此階段的人群對化學知之甚少。我們通過熒光棒來引入，進而展示魯米諾發(fā)光，演示維生素B2、湯力水在紫外光燈照射下漂亮的熒光現(xiàn)象來展示化學之美；通過一步步指導他們親手制作維生素B2與湯力水“熒光海”來感受化學的魅力，激發(fā)他們對化學的興趣與想象力。

2.2.2 中學生

此階段學生已有一定的化學知識儲備，具備基本的化學學科素養(yǎng)，具有較強的知識接受能力。基于此，我們將對本實驗的實驗原理進行生動講解，引導他們完成魯米諾“熒光海”的制作，加深學生對化學發(fā)光現(xiàn)象的理解，帶領學生開闊視野，領略化學風采，拓展其知識面。

2.2.3 大學生

此階段學生具有扎實的化學基礎，掌握了化學基本理論和實驗技能。我們將走進實驗室，帶領其通過光譜等現(xiàn)代分析技術，探究本實驗的發(fā)光機制。進一步地，結合最新期刊論文和最新生產工藝，引入當前研究熱點與應用前沿，讓學生體悟微觀結構與宏觀性質間的密切關聯(lián)。同時，引導學生根據(jù)已有知識設計新型發(fā)光分子(條件允許可進行制備)，深入體悟化學改變世界，創(chuàng)構未來。

2.2.4 社會大眾

此類人群化學基礎參差不齊，但具有一定生活經驗。我們將以化學發(fā)光為出發(fā)點，講解其在生活實際方面的具體應用。引導大眾發(fā)現(xiàn)生活中的“化學”，使其感受化學與生活的密切聯(lián)系，展現(xiàn)出化學無處不在的學科特點。

2.3 展示方案

2.3.1 銅粉魯米諾溶液用于體驗化學之 “魔法召喚術”

利用銅粉點亮魯米諾溶液，隨著攪拌子轉速的加快，如同 “漩渦星辰”，待其熒光消散，緩慢滴加醫(yī)用過氧化氫溶液，如同魔法一般，召喚 “熒光火焰”。 參與者可以體驗化學 “魔法”，感受化學魅力。 如圖7所示。

(a.自然光下：“魔法”溶液；b.黑暗條件：“魔法”溶液； c.“魔法召喚”)圖7 化學之“魔法召喚術”

2.3.2 銅絲點亮魯米諾溶液用于體現(xiàn)化學之觸手可及

利用銅絲的可塑性，我們將其箍作“化學”、“chem”，于托盤中倒入適量魯米諾溶液，黑暗條件下，通過銅絲在溶液中的上下浮動，點亮“化學”、“chem”(圖8)。用銅絲箍出所需形狀，可以讓參與者充分發(fā)揮想象力，感受到化學的變化莫測，趣味奇幻，同時又觸手可及。

(a、b.箍作“化學”、“chem”；c、d.點亮“化學”、“chem”)圖8 化學之觸手可及

2.3.3 化學之“中國&世界共同體”

利用銅絲箍作出中國陸地輪廓圖，浸入魯米諾溶液中，祖國的雄偉版圖便躍然于眼前；使用銅絲分別點亮魯米諾溶液、熒光素魯米諾溶液，待其熒光消散后，于培養(yǎng)皿中倒入適量含有銅離子的魯米諾溶液(此時，溶液為不發(fā)光狀態(tài))，黑暗條件下，分別取醫(yī)用過氧化氫溶液和熒光素魯米諾溶液，少量多次滴加于培養(yǎng)皿中，兩色熒光，相互交融，由此復刻出“動態(tài)地球”(圖9)。

用化學的畫筆，詮釋出“我們是同一片大海的海浪，同一棵樹上的樹葉，同一座花園里的花朵。”人類只有一個地球，各國共處一個世界。人類相互依存，休戚與共，早已成為你中有我，我中有你的命運共同體。

2.4 互動實踐

2.4.1 制作維生素B2與湯力水 “熒光海” (面向幼兒)

在教室中，首先我們?yōu)樾∨笥褌儼l(fā)放熒光棒，隨著各色熒光棒的亮起，引起了小朋友們對于熒光現(xiàn)象的好奇心(圖10(a))，緊接著引導他們自己動手將維生素B2粉末倒入水中，觀察在紫外燈下的現(xiàn)象(圖10b和圖c))，切身感受化學之美、化學之趣的同時，加強小朋友們的動手操作能力。最后，講解維生素B2的作用及其功能，拓寬其知識面。

(a、b.點亮中國輪廓；c-e.動態(tài)地球)圖9 化學之“中國&世界共同體”

圖10 制作維生素B2“熒光海”活動照片

2.4.2 親手點亮魯米諾“熒光海”(面向高中生)

在活動現(xiàn)場，我們首先對魯米諾的發(fā)光原理進行趣味性講解(圖11(a))，隨后提供試管、試劑、手套等實驗物品，讓學生親手點亮屬于自己的“熒光海”(圖11(b))。同時借助熒光素，創(chuàng)造出熒光間的色彩變化，感受化學發(fā)光的奇妙變幻。通過這項活動，不僅讓學生對化學產生濃厚的興趣，同時也能鍛煉學生的動手能力。

圖11 點亮魯米諾“熒光海”活動照片

2.4.3 生活小百科(面向社會大眾)

在展示化學發(fā)光的基礎上，采用卡通動畫的形式，為社會大眾科普生活中常見熒光物質——維生素B2的小常識(圖12)。趣味生動地闡釋了維生素B2缺乏與過量的危害以及科學的膳食攝入?yún)⒖剂浚诖嘶A上給出平衡膳食建議。生動形象，貼近生活。

3 結語

本實驗所用原料大部分為生活中常見物質，符合科普實驗綠色、安全、價廉的要求，是化學科普的優(yōu)選項目。同時，本實驗從顏色到形狀，運用多種展示形式，面向不同群體，梯度互動。利用魯米諾發(fā)光，體驗“魔法召喚術”，真實感受化學的奇幻魔力；點亮祖國陸地輪廓圖并利用熒光素的著色，描繪“動態(tài)地球”，展現(xiàn)出“你中有我，我中有你”的共同體理念，以此激發(fā)大家創(chuàng)造更加美好未來的強烈愿望。點亮“熒光海”活動可以讓參與者近距離感受化學的神奇魅力。此外，本科普實驗，引用專業(yè)相關知識，介紹維生素B2在生活中的實際應用，提醒大眾在日常生活中注重膳食均衡。在充分展示化學之美與化學之趣的同時，將化學與生活完美融合，賦予了本科普項目多層次的科學內涵。