科普实验
——荧抚波澜，旖旎的化学发光*

赵 萌，商淑悦，高琛烨，朱心愿，顾雪松，杨 云，阮海华，王 倩

(天津商业大学 生物技术与食品科学学院，天津 300134)

化学发光又称为冷光(cold light)，是由化学反应而产生的光辐射。我们生活中所见到的一些发光现象，如萤火虫和荧光棒的光以及钞票上的防伪标志在紫外线下发光，均属于典型的化学发光。化学发光已在制药工业、临床科学、环境监测、食品检测和法庭科学等诸多领域得到应用[1]。目前，已有多种化学发光试剂被报道。鲁米诺，又名发光氨，化学名称为3-氨基-邻苯二甲酰肼。因其结构简单、易合成、水溶性好、发光量子效率高等特点，常被用作液相化学发光试剂[2]。维生素B2、汤力水在特定激发波长下可分别发射出绿色、蓝色荧光。

结合专业知识，本科普方案提供了两种可分别在实验室和居家条件下“荧光海”的呈现方式。受众既可通过实验视频感受化学发光带来的视觉冲击，亦可借助生活中的常见物品亲身体验化学发光的魅力。在互动展示方面，我们以铜丝(铜离子)催化分解过氧化氢得到的单线态氧氧化鲁米诺，发出蓝色荧光，展现荧光湍流现象；依托流体流动为本科普实验添加“魔法特效”；将科学与艺术融合，制作“化学”、“chem”和中国陆地轮廓图，以分子之光点亮化学、点亮伟大祖国；借助绿色荧光素，与鲁米诺溶液相互交融，构造“动态地球”，在体悟化学之美、化学之趣的同时也传递出“你中有我，我中有你”的共同体理念。在此基础上，以生活中常见的维生素B2、汤力水，来展现“荧光海”，便于公众切身感受化学发光所带来的奇幻。科普讲解方面，选手多方面、多层次地向公众采用趣味性方式讲解其中化学发光原理。同时，结合紫外吸收光谱、荧光光谱等谱学技术向高中生、大学生等具有一定知识基础的参与者展示如何通过现代科技手段解密现象背后的微观机制。

通过本科普实验，少年儿童可以感受化学的奇幻，在幼小的心灵中埋下科学的种子。初高中生可以通过动手参与感受化学的魅力，同时结合已有的化学知识，初步建立分子结构与发光特性间的关联，进一步激发探索科学奥秘的欲望。大学生可以通过现代分析技术揭秘发光机制，在此基础上运用所学知识，面向世界科技前沿，对已有分子进行改性研究，用化学改变世界；面向国民经济主战场，用化学创构未来；对于社会大众，我们从化学发光在生活中的实际应用进行讲解，使其感受化学与生活的密切联系。

1 实验部分

1.1 实验原理

1.1.1 鲁米诺

鲁米诺(luminol)，化学名称3-氨基邻苯二甲酰肼(3-aminophthalhydrazide)，其在反应中被氧化从而发出蓝色荧光。其发光原理如图1所示，首先铜丝催化过氧化氢分解产生单线态氧，单线态氧将3-氨基邻苯二甲酰肼氧化为三重激发态的3-氨基邻苯二甲酸根离子，该离子通过系间窜跃到达单重激发态，当其回落至基态时会发出波长为 420 nm 的蓝色荧光。

图1 鲁米诺发光原理

1.1.2 维生素B2及汤力水

1)维生素B2

维生素B2溶液具有明显的光致发光特性，在230～500 nm 波长范围内，维生素B2溶液的激发光谱上均存在较强的激发峰。对应激发光可使维生素B2溶液发射出波长为 528 nm 的绿色荧光[4]。

2)汤力水

汤力水是由苏打水、糖、水果提取物以及奎宁调配而成的软性气泡饮料，其中作为香料调味的奎宁可以发出荧光。与其他有荧光反应的物质一样，奎宁在紫外灯的照射下吸收了能量进入激发态，由于激发态不稳定，很快就会回到基态，因此会将能量以发光的形式释放出去，所以我们会看到荧光现象[5]。

1.1.3 紫外(荧光)光谱分析

本实验通过紫外(荧光)光谱仪对配制好的鲁米诺溶液和维生素B2的水溶液进行分析，得到如图谱(图2)。由图2(a)可知，鲁米诺的紫外吸收带位于240～380 nm 波长范围内，峰值出现在 270 nm 处。维生素B2在 375 nm、450 nm 处均有明显紫外吸收(图2(b))。在波长为 340 nm 光的激发下，鲁米诺溶液的发射出波长为 420 nm 的蓝色荧光(图2(c))。维生素B2溶液在 430 nm 光的激发下发出峰值为 525 nm 的黄绿色荧光(图2(d))。

(a.鲁米诺溶液的紫外吸收光谱；b.维生素B2溶液的紫外吸收光谱；c.鲁米诺溶液的荧光光谱；d.维生素B2溶液的荧光光谱)图2 鲁米诺和维生素B2光谱分析

1.2 试剂与材料

蛇形冷凝管、烧杯、量筒、锥形瓶、培养皿、电子天平、玻璃棒、药匙、一次性滴管等仪器均为实验室常规型号，迷你紫外手电筒购自淘宝。实验试剂如表1所示。

表1 实验试剂

1.3 仪器和表征方法

实验仪器如表2所示。

表2 实验仪器

1.4 实验内容

1.4.1 “荧光海”的溶液配制

1)实验室“荧光海”

本实验操作流程如图3所示：

图3 实验流程图

具体实验步骤如图4所示，首先称取 0.02 g 的鲁米诺黄色粉末，置于 250 mL 锥形瓶中，加入 10 mL 10%的NH3·H2O，搅拌溶解。加入 100 mL 蒸馏水稀释；再加入 1 mL 医用过氧化氢溶液，摇匀。将配置好的鲁米诺溶液均分在两个 100 mL 烧杯中，备用。

(a.称量；b.量取；c.溶解；d.稀释；e.摇匀；f.滴加)图4 鲁米诺溶液的配制

玻璃棒蘸取少量荧光素，搅拌溶解于一份配制好的鲁米诺溶液中，得到荧光素-鲁米诺溶液。

2)家庭“荧光海”

准备紫外光手电、维生素B2、汤力水、透明杯子A、B(杯身越高，视觉效果越佳)。

1.4.2 “荧光海”的引发

1)实验室“荧光海”

黑暗条件下，将铜丝浸入鲁米诺溶液、荧光素-鲁米诺溶液，可引发蓝色、绿色荧光(图5)。

2)家庭“荧光海”

利用维生素B2/汤力水在特定波长下显示出不同颜色荧光的特点，让我们在家实现“荧光海”自由(图6)，也传达出“生活无处不化学”的学科特点。

将维生素B2研磨成粉末(颗粒)，透明杯A中加入适量清水，黑暗环境下打开紫外光手电筒照射杯底，将维生素B2粉末缓慢倒入透明杯A中，可观察到绿色荧光现象。在透明杯B中加入适量汤力水，重复上述步骤，可观察到蓝色荧光(图6)。

(a.鲁米诺溶液；b.荧光素-鲁米诺溶液；c.鲁米诺溶液) 图5 荧光湍流——模拟“荧光海”

(a.维生素B2“荧光海”；b.汤力水“荧光海”)图6 家庭“荧光海”现象

2 科普展示和互动方案

2.1 科普地点及对象

本科普实验对展示地点要求较低，宽敞室内场所(如教室、客厅等)和室外场所(如广场、操场等)均可作为展示地点。

根据参与者知识水平、年龄层次及科普期望达到的效果，将科普对象划分为——幼儿和小学生、中学生、大学生、社会大众，以此做到梯度科普，力求科普覆盖广度、深度最大化。

2.2 科普内容

2.2.1 幼儿和小学生

此阶段的人群对化学知之甚少。我们通过荧光棒来引入，进而展示鲁米诺发光，演示维生素B2、汤力水在紫外光灯照射下漂亮的荧光现象来展示化学之美；通过一步步指导他们亲手制作维生素B2与汤力水“荧光海”来感受化学的魅力，激发他们对化学的兴趣与想象力。

2.2.2 中学生

此阶段学生已有一定的化学知识储备，具备基本的化学学科素养，具有较强的知识接受能力。基于此，我们将对本实验的实验原理进行生动讲解，引导他们完成鲁米诺“荧光海”的制作，加深学生对化学发光现象的理解，带领学生开阔视野，领略化学风采，拓展其知识面。

2.2.3 大学生

此阶段学生具有扎实的化学基础，掌握了化学基本理论和实验技能。我们将走进实验室，带领其通过光谱等现代分析技术，探究本实验的发光机制。进一步地，结合最新期刊论文和最新生产工艺，引入当前研究热点与应用前沿，让学生体悟微观结构与宏观性质间的密切关联。同时，引导学生根据已有知识设计新型发光分子(条件允许可进行制备)，深入体悟化学改变世界，创构未来。

2.2.4 社会大众

此类人群化学基础参差不齐，但具有一定生活经验。我们将以化学发光为出发点，讲解其在生活实际方面的具体应用。引导大众发现生活中的“化学”，使其感受化学与生活的密切联系，展现出化学无处不在的学科特点。

2.3 展示方案

2.3.1 铜粉鲁米诺溶液用于体验化学之 “魔法召唤术”

利用铜粉点亮鲁米诺溶液，随着搅拌子转速的加快，如同 “漩涡星辰”，待其荧光消散，缓慢滴加医用过氧化氢溶液，如同魔法一般，召唤 “荧光火焰”。 参与者可以体验化学 “魔法”，感受化学魅力。 如图7所示。

(a.自然光下：“魔法”溶液；b.黑暗条件：“魔法”溶液； c.“魔法召唤”)图7 化学之“魔法召唤术”

2.3.2 铜丝点亮鲁米诺溶液用于体现化学之触手可及

利用铜丝的可塑性，我们将其箍作“化学”、“chem”，于托盘中倒入适量鲁米诺溶液，黑暗条件下，通过铜丝在溶液中的上下浮动，点亮“化学”、“chem”(图8)。用铜丝箍出所需形状，可以让参与者充分发挥想象力，感受到化学的变化莫测，趣味奇幻，同时又触手可及。

(a、b.箍作“化学”、“chem”；c、d.点亮“化学”、“chem”)图8 化学之触手可及

2.3.3 化学之“中国&世界共同体”

利用铜丝箍作出中国陆地轮廓图，浸入鲁米诺溶液中，祖国的雄伟版图便跃然于眼前；使用铜丝分别点亮鲁米诺溶液、荧光素鲁米诺溶液，待其荧光消散后，于培养皿中倒入适量含有铜离子的鲁米诺溶液(此时，溶液为不发光状态)，黑暗条件下，分别取医用过氧化氢溶液和荧光素鲁米诺溶液，少量多次滴加于培养皿中，两色荧光，相互交融，由此复刻出“动态地球”(图9)。

用化学的画笔，诠释出“我们是同一片大海的海浪，同一棵树上的树叶，同一座花园里的花朵。”人类只有一个地球，各国共处一个世界。人类相互依存，休戚与共，早已成为你中有我，我中有你的命运共同体。

2.4 互动实践

2.4.1 制作维生素B2与汤力水 “荧光海” (面向幼儿)

在教室中，首先我们为小朋友们发放荧光棒，随着各色荧光棒的亮起，引起了小朋友们对于荧光现象的好奇心(图10(a))，紧接着引导他们自己动手将维生素B2粉末倒入水中，观察在紫外灯下的现象(图10b和图c))，切身感受化学之美、化学之趣的同时，加强小朋友们的动手操作能力。最后，讲解维生素B2的作用及其功能，拓宽其知识面。

(a、b.点亮中国轮廓；c-e.动态地球)图9 化学之“中国&世界共同体”

图10 制作维生素B2“荧光海”活动照片

2.4.2 亲手点亮鲁米诺“荧光海”(面向高中生)

在活动现场，我们首先对鲁米诺的发光原理进行趣味性讲解(图11(a))，随后提供试管、试剂、手套等实验物品，让学生亲手点亮属于自己的“荧光海”(图11(b))。同时借助荧光素，创造出荧光间的色彩变化，感受化学发光的奇妙变幻。通过这项活动，不仅让学生对化学产生浓厚的兴趣，同时也能锻炼学生的动手能力。

图11 点亮鲁米诺“荧光海”活动照片

2.4.3 生活小百科(面向社会大众)

在展示化学发光的基础上，采用卡通动画的形式，为社会大众科普生活中常见荧光物质——维生素B2的小常识(图12)。趣味生动地阐释了维生素B2缺乏与过量的危害以及科学的膳食摄入参考量，在此基础上给出平衡膳食建议。生动形象，贴近生活。

3 结语

本实验所用原料大部分为生活中常见物质，符合科普实验绿色、安全、价廉的要求，是化学科普的优选项目。同时，本实验从颜色到形状，运用多种展示形式，面向不同群体，梯度互动。利用鲁米诺发光，体验“魔法召唤术”，真实感受化学的奇幻魔力；点亮祖国陆地轮廓图并利用荧光素的着色，描绘“动态地球”，展现出“你中有我，我中有你”的共同体理念，以此激发大家创造更加美好未来的强烈愿望。点亮“荧光海”活动可以让参与者近距离感受化学的神奇魅力。此外，本科普实验，引用专业相关知识，介绍维生素B2在生活中的实际应用，提醒大众在日常生活中注重膳食均衡。在充分展示化学之美与化学之趣的同时，将化学与生活完美融合，赋予了本科普项目多层次的科学内涵。