大学化学, 2020, 35(9): 83-88 doi: 10.3866/PKU.DXHX201908054

化学实验

基于手机光线传感器为检测器的简易光度计的自组装设计

刘丰俊, 吴子瀚, 侯伯尚, 董志强,, 翁玉华, 潘蕊, 许振玲, 张春艳, 吕银云, 欧阳小清, 阮婵姿

Design and DIY of Simple Photometer Based on the Light Sensor of Cellphone

Liu Fengjun, Wu Zihan, Hou Boshang, Dong Zhiqiang,, Weng Yuhua, Pan Rui, Xu Zhenling, Zhang Chunyan, Lü Yinyun, Ouyang Xiaoqing, Ruan Chanzi

通讯作者: 董志强, Email: dzq8212@163.com

收稿日期: 2019-08-30   接受日期: 2019-09-24  

基金资助: 2018年度厦门大学教学改革研究项目.  JG20180132
国家基础科学人才培养基金项目.  J1310024
2017年福建省本科高校教育教学改革研究项目.  FBJG20170295
2018年福建省本科高校教育教学改革项目.  FBJG20180097

Received: 2019-08-30   Accepted: 2019-09-24  

摘要

利用手机光线传感器作为检测器搭建了一套可用于定量分析实验的简易光度计,将其用于邻二氮菲分光光度法测定铁的实验,进行了5次平行实验,每次实验拟合直线的R2值在0.999左右,待测样品中铁含量的RSD值为2.81%。将简易光度计用于邻二氮菲分光光度法测定铁的实验并与分光光度法进行对比,待测物铁含量分别为5.11和4.94 μg·mL-1。利用手机光线传感器作为检测器的自组装光度计实验,简单、方便、准确、易于实现,可替代传统的分光光度计;通过搭建简易光度计并进行测定实验,有利于增强学生对分光光度计的结构和原理的理解,激发学生的学习兴趣,提高实验教学的质量。

关键词: 光度计 ; 自主搭建 ; 手机光线传感器

Abstract

By using light sensors of the cellphone, we build a simple photometer which can be used in quantitative analysis experiments. We have performed 5 replicate measurements of iron with phenanthroline to verify reproducibility and stability. We find the absorbance of the sample has a good linear relationship with the concentrations of iron with a R2 value around 0.999 and the RSD of 2.81%. The result is 4.94 μg·mL-1 with spectrophotometer and 5.11 μg·mL-1 with our photometer. The photometer is simple, convenient, accurate and realistic by using a phone as detector, which can replace the traditional spectrophotometer in the laboratory class. The students can enhance their understanding of the structure and principle of spectrophotometer by the DIY photometer experiment.

Keywords: Photometer ; Self-built ; Light sensor of cellphone

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本文引用格式

刘丰俊, 吴子瀚, 侯伯尚, 董志强, 翁玉华, 潘蕊, 许振玲, 张春艳, 吕银云, 欧阳小清, 阮婵姿. 基于手机光线传感器为检测器的简易光度计的自组装设计. 大学化学[J], 2020, 35(9): 83-88 doi:10.3866/PKU.DXHX201908054

Liu Fengjun. Design and DIY of Simple Photometer Based on the Light Sensor of Cellphone. University Chemistry[J], 2020, 35(9): 83-88 doi:10.3866/PKU.DXHX201908054

1 引言

当前,智能手机作为一种工具已经极大地融入到了人们平时的生活中,在出行、购物、缴费、娱乐等方面都有着广泛的应用。同时智能手机具有强大的数码成像和运算功能,可进行图像、数据等的处理,且其具有多种的传感器,例如:磁力传感器、方向传感器、陀螺仪传感器、光线感应传感器、重力传感器、旋转矢量传感器等;利用这些传感器,通过利用各种不同APP,可以实现对长度、位置、方向、光强、重力、加速度等的测量。目前,Clifford等[1]利用手机拍照比色的方法测定了蛋白质的浓度;Patrick等[2]利用手机制作了简易的偏光计;Balraj等[3]利用手机及软件的帮助判断滴定的终点。现在手机已经应用于很多实验中,利用手机的各种功能开发更多不同形式的、与时俱进的基础实验项目,可能会成为一种新的趋势。

本实验以手机的光线传感器作为检测器,搭建能够应用于实验的自组装简易光度计,将搭建的简易光度计应用于邻二氮菲分光光度法测定铁的实验,考查了自组装简易光度计的重现性和准确性,并取得了较为满意的结果。本实验组装的简易光度计简单、方便、易于搭建,且具有开放式、模块化的特点,非常适合用于本科实验教学。这种自组装的实验形式可以增加学习的趣味性,激发学生的学习兴趣、调动学生的学习积极性,增强学生的动手能力,通过这种形式也可以更好地帮助学生理解分光光度计定量测量的原理以及仪器结构;除此以外自组装的实验形式也可以拓宽实验教学的思路,有利于开发更多不同形式的基础化学实验项目。

2 实验部分

2.1 实验原理

本实验搭建的简易光度计的测定原理与分光光度计相同,但是简化了结构。实验采用一个可以产生单色光的激光作为光源,使用狭缝来减小光斑、减弱光强,光线透过测试的样品后,部分光线会被样品吸收,最后进入手机光线检测器(图1),通过手机测光软件将手机传感器的数据读出。

图1

图1   自组装光度计结构示意图


由于手机传感器测得的数据为光强,不能直接应用于朗伯-比尔定律,可依据下列公式[4]将其转化为吸光度后,才能应用朗伯-比尔定律进行定量分析。

$A = {\rm{lg}}\frac{{{I_{in}}}}{{{I_{out}}}}$

其中A为吸光度;Iin为测试空白样品所得光强度;Iout为测试样品所得光强度。这样就可以将光强数据转化为吸光度。

本实验手机测光软件采用的是光强仪APP软件,其操作界面如图2所示。点击下部红色开始按钮,即可开始连续测量,其中REAL显示的是手机光线传感器处实时的光强值,MIN和MAX分别显示的是此次连续测量光强值的最小值和最大值。

图2

图2   光强仪APP操作界面

电子版为彩图


2.2 自组装光度计的搭建以及实验方法

实验采用的光源为510 nm的激光单色光源,狭缝为自制的孔径约为1 mm × 1 mm的小孔,比色皿槽来自报废的分光光度计,手机型号为:魅族pro5,垂直可调支架、水平位移板以及面包板购于深圳市恒誉电子有限公司。

搭建装置时先将狭缝固定在样品池上,使得狭缝位于样品池的中间位置,然后分别将光源、样品池以及手机(如图3所示)固定于面包板上。通过调节垂直可调支架以及水平位移板,将光源、狭缝、样品池、手机光线传感器调节至同一水平位置。

图3

图3   自组装光度计结构图


测量时,将手机屏幕调至不息屏模式,打开光强仪APP测量开关并将手机的亮度调至最低,然后通过投屏功能将手机屏显示的内容投屏至笔记本电脑[5],放入待测样品,用纸箱盖住装置,直至电脑显示屏中REAL处显示的数值稳定后读出此次测量数值。

2.3 实验

将搭建好的自组装光度计应用于经典实验邻二氮菲分光光度法测定铁,以验证搭建装置的测量效果,实验溶液的配制及实验过程请参照《基础化学实验(一)》(蔡维平主编) [6]一书,在这里就不过多赘述了。

3 结果与讨论

为了检验自组装光度计的可靠性,将搭建的装置应用于邻二氮菲分光光度法测定铁的实验,并做了5次平行实验,实验数据如表1所示。

表1   自组装简易光度计邻二氮菲法测定铁含量数据

cFe/(μg∙mL−1)12345
IAIAIAIAIA
0708701669688682
0.45780.0885950.0715660.0735620.0885450.097
0.84900.1605030.1444810.1434820.1554550.176
1.24010.2474220.2204120.2113950.2413960.236
1.63390.3203550.2953470.2853380.3093250.322
2.02800.4033000.3692910.3622810.3892730.398
待测物4700.1784790.1654570.1664490.1854410.189
R20.99920.99990.99940.99860.9978
cFe’/(μg∙mL−1)4.344.544.644.664.49

I为光强计示数,其值为光强仪APP所测光强值;A为吸光度,其计算公式如2.1所示;
cFe表示铁标准液浓度,cFe’表示铁未知液浓度;铁未知液的浓度为光度计测定的待测样品浓度的5倍

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从实验数据可以看出,5次平行实验标准曲线的相关系数在0.999左右,待测样品中铁浓度大小的平均相对偏差为2.81%。这表明实验搭建的自组装光度计是可靠的,且具有较好的重现性和精密度,可以应用于定量分析实验。

为了更好地说明实验搭建的自组装光度计的准确度,我们将自组装光度计邻二氮菲法测定铁含量的结果与分光光度法进行了比较,数据如表2所示。

表2   自组装简易光度计和分光光度计邻二氮菲法测定铁含量的数据

cFe/(μg·mL−1)IA1A2
09510
0.48040.0730.038
0.86750.1490.071
1.25730.2200.105
1.64820.2950.142
2.04040.3720.176
待测物6160.1890.088

cFe表示铁标准液浓度;I为光强计示数;A1为自组装光度计吸光度值,其计算公式如2.1所示;
A2为分光光度计吸光度值;铁未知液的浓度为光度计测定的待测样品浓度的5倍

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通过拟合的标准曲线方程(如图4图5所示),可以分别计算待测样品中铁的含量为5.11和4.94 μg∙mL−1,两种方法测得铁含量基本一致,并且两种方法标准曲线的R2都很好,这说明简易光度计法的测定结果是准确、可靠的。

图4

图4   自组装光度计法标准曲线


图5

图5   分光光度法标准曲线


通过上述实验,可以认为本实验搭建的自组装光度计准确、可靠,可用于定量分析实验。但是在实验中也发现,搭建的自组装光度计还存在着一些问题,例如长时间的测定后,手机光强仪APP的读数会出现缓慢的衰减。造成这种现象的原因可能是由于手机感光元件在长时间被强光照射后出现的感应疲劳,因此测定时应尽快完成测量,或是在实验中对每一个待测样品进行单独校准以尽量消除光强读数衰减所带来的误差。

4 应用于教学实验的可行性分析

本文所组装的简易光度计简单、方便、测量准确、且易于搭建,在普通的教学实验室就可以很方便地搭建。组装简易光度计所需的面包板、可调支架、水平位移板、单色光源、比色皿槽以及狭缝在网上均可购买,而手机几乎每个学生都有,只需安装相应的测光APP均可实现对光强的测量,这样就可以用很低的成本搭建一台能够满足实验教学需求的光度计。而简易光度计的组装、调试和测量的过程也不需很长,完全可以满足实验教学时长的要求。与传统的分光光度计实验中学生直接开机按流程使用相比,本文所述的这种开放式、模块化的仪器组装及测定实验具有以下优势:

1)学生通过自组装过程,可以更透彻地了解分光光度计的仪器构造,有助于学生更好地理解分光光度计的测量原理。

2)学生通过自组装过程,可以大大增加学习的趣味性、调动学生的积极性,通过不断解决优化实验过程中的问题,提高学生分析问题、解决问题的能力。

3)学生通过自组装过程,可以更好地锻炼学生的动手能力,启发其对仪器的兴趣,有助于学生创新意识的培养。

5 结语

本文通过将手机光线传感器作为检测器,成功搭建了能够用于定量分析实验的简易光度计,将搭建的简易光度计用于邻二氮菲法测定铁的实验中,并将测定结果与分光光度计进行了比较,得到了满意的结果。实验证明本文搭建的简易光度计简单、方便、测量准确、且易于搭建,适合应用于本科的实验教学中。与传统的实验形式相比,这种开放式、模块化的仪器组装及测定实验,可以激发学生的学习兴趣、调动学生的积极性,同时学生在实验过程中也会增强其对仪器的认识,有利于创新意识的培养。

参考文献

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奚忠华; 孔璇凤; 余晓冬; 章文伟. 大学化学, 2019, 34 (1), 56.

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手机怎么投屏到电脑上.[2019-08-26]. https://jingyan.baidu.com/article/2f9b480de667b741cb6cc290.html.

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蔡维平. 基础化学实验(一), 北京: 科学出版社, 2004.

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