辛國秦

？背景與設(shè)計思路

除了計算機及有關(guān)軟件外，決定化學(xué)（或生物）氣/液相數(shù)字化實驗的因素有二：一是傳感器產(chǎn)品的品種和質(zhì)量；二是能將理化信息源與相應(yīng)傳感器配套放置的容器。本文就研制“通用型多功能化學(xué)、生物氣/液相數(shù)字化實驗采集罐”的構(gòu)想與創(chuàng)意作一些探討。

我的設(shè)計構(gòu)想是：

若要將化學(xué)、生物實驗項目數(shù)字化，將傳統(tǒng)的定性實驗躍升到精準定量的現(xiàn)代化實驗平臺，必須設(shè)計與數(shù)字化實驗系統(tǒng)完美接軌的實驗操作與數(shù)據(jù)采集裝置。通用型多功能化學(xué)、生物氣/液相數(shù)字化實驗采集罐構(gòu)想模型設(shè)計與研制則應(yīng)運而生。

？采集罐根據(jù)化學(xué)、生物實驗的基本特點設(shè)計。由于絕大多數(shù)實驗均在燒杯、試管內(nèi)進行，且多為氣/液相實驗，因此，需要密閉的實驗操作與傳感器探頭匹配的實驗采集罐。

？根據(jù)實驗所使用的材料、試劑及實驗產(chǎn)物的量，需要采集罐容積適宜并可方便改變罐容，滿足各類實驗包括微型微量化實驗的需求。

？根據(jù)實驗載體一般使用燒杯或試管的特點，罐內(nèi)應(yīng)能方便置放各種規(guī)格的燒杯、試管。

？由于一些實驗需要加溫（罐體可以承受高達80℃的溫度），需要在罐內(nèi)方便置放電加熱裝置。

？由于植物光合作用等實驗需要光照，并為了便于觀察，罐壁必須透明且透光性良好。光合作用實驗還需配置較強光源。

？由于某些實驗需要攪拌、振搖，采集罐應(yīng)可以置放在攪拌器上。

？根據(jù)某些霧化實驗需求，采集罐應(yīng)可以方便安裝試劑霧化裝置。

？為防止某些試劑對傳感器探頭的腐蝕損毀，需設(shè)置防護裝置。

？根據(jù)“綠色化學(xué)、環(huán)保實驗”的原則，必須嘗試以“安全、人本、環(huán)保、節(jié)約、節(jié)能、低毒（無毒）、低排、低廉、微量、簡便、精準、快捷、效顯”為理念的實驗設(shè)計、實驗方法、實驗材料、實驗試劑、實驗裝置及實驗條件等系列創(chuàng)新。采集罐也須符合相應(yīng)要求。

？采集罐應(yīng)能滿足包括實驗教學(xué)在內(nèi)的，生活、生產(chǎn)實踐、青少年科技創(chuàng)新活動中涉及的化學(xué)、生物檢測或?qū)嶒灥男枨蟆?/p>

？化學(xué)、生物的數(shù)字化實驗不僅是精確測定氣液相反應(yīng)的數(shù)據(jù)，還需要測定反應(yīng)是在容器的何種容積下測得的，因此，容器需要標(biāo)注容量刻度。

？制作

本著“棄物利用、因材制宜、方便耐用、新穎精巧”的制作理念，結(jié)合前述設(shè)計思路，筆者做了一些嘗試，研制出“采集罐”（見圖1），經(jīng)試用效果頗佳。

？ 罐體制作

罐體采用瓶裝酒透明有機玻璃外包裝罐（伊力特水晶版）改制。該罐大小適中，經(jīng)加工可用于多數(shù)化學(xué)、生物數(shù)字化實驗，透明且透光性良好，比較適用于植物光合作用實驗。罐高23 cm，罐內(nèi)直徑12 cm，罐容約2 600 mL。罐體外壁上標(biāo)有容量刻度。

？ 可變罐容

？增容可以通過在罐體上端加裝等直徑塑料盒解決，見圖2。例如，用普通光碟包裝盒加工后就可以實現(xiàn)增容。光碟包裝盒內(nèi)高6 cm，內(nèi)徑12 cm，可利用容積約350 mL。一個光碟包裝盒可使罐容增加到約2 950 mL。增容用于傳感器量程較大的實驗。

？縮容通過在罐體內(nèi)的燒杯、試管支架上置放“隔片”（由廢棄光碟片加工）來實現(xiàn)，見圖3。例如，將反應(yīng)控制在罐容的1/2、1/3、…、1/6或2/3、3/4，等等。縮容用于傳感器量程較小的實驗，也可以滿足微量化實驗需求。因為可以在縮小的罐容內(nèi)采集到高濃度反應(yīng)產(chǎn)物數(shù)據(jù)，因此縮容可以提高實驗比對性。

？ 罐蓋制作

罐蓋是采集罐密閉和各種傳感器探頭插接的關(guān)鍵?？梢栽谄渖霞庸こ龆鄠€直徑不同的適合不同探頭密閉插入的“探頭孔”，以保證采集罐的密閉性。每個罐蓋可置放4？5個常用的探頭，省去了多數(shù)實驗需多個鐵架臺架設(shè)傳感器探頭的繁瑣操作，并節(jié)省了實驗臺空間，見圖4。？ 加熱

在采集罐中采用市售小號“電暖寶”加熱?！半娕瘜殹敝睆?1.5 cm，高4.5 c m，正好置于采集罐內(nèi)。經(jīng)過測試，30？60℃4個溫度段均能保溫8 min以上。

？ 霧化反應(yīng)

為了防止某些產(chǎn)生有毒有害氣體的實驗對環(huán)境的污染，同時為在瞬間觀察到實驗現(xiàn)象，采用霧化法可使試劑用量降到最低水平，觀察到最佳實驗現(xiàn)象。？ 攪拌和振搖

可以使用磁力攪拌器，亦可以輕輕晃動采集罐。

專家評語

該項目通過在生物學(xué)和化學(xué)實驗中引入多種理化傳感器，配備適應(yīng)多種實驗教學(xué)的采集罐，并通過計算機對測試指標(biāo)統(tǒng)計分析，為實驗教學(xué)的數(shù)字化和科學(xué)化起到引領(lǐng)作用。該項目原理科學(xué)、概念清晰、構(gòu)思巧妙、設(shè)計合理。項目選題新穎，具有實質(zhì)性創(chuàng)新，對傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著、教育性強、制作規(guī)范，具有示范推廣價值。