开放式仪器分析教学实验设计...激光诱导荧光检测系统的构建_潘建章.pdf
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1、 Univ.Chem.2023,38(4),291299 291 收稿:2023-01-26;录用:2023-03-09;网络发表:2023-03-29*通讯作者,Emails:(方群);(潘建章)基金资助:浙江省“领雁”研发攻关计划(2022C10140);国家自然科学基金(21974122,21827806,2234007)化学实验 doi:10.3866/PKU.DXHX202301019 开放式仪器分析教学实验设计基于开放式仪器分析教学实验设计基于LEGO积木的模块化激光诱导荧光检测系统的构建积木的模块化激光诱导荧光检测系统的构建 潘建章1,2,*,张梦婷1,张箫扬1,廖育城1,徐欣然
2、1,方群1,2,*1浙江大学化学系,杭州 310058 2浙江大学杭州国际科创中心,杭州 311200 摘要:摘要:基于市售乐高(LEGO)积木和3D打印积木构建的光学模块,发展了适用于本科生仪器分析教学实验的模块化激光诱导荧光(Laser induced fluorescence,LIF)检测系统。将该系统的构建过程引入本科生仪器分析的实验教学中,指导学生基于不同功能的积木块,实现LIF系统的组装和搭建,并应用于对荧光素钠溶液浓度的测定。该系统具有成本低、易构建、操作灵活等特点,模块化的构建形式大大降低了仪器搭建门槛,即使没有前期经验的本科生也可在3 h内搭建完成。将模块化构建思想引入开放式
3、教学环节,可激发学生对仪器分析课程的兴趣和热情,同时有助于加深学生对荧光分析原理和LIF检测系统结构的理解,在系统构建过程中还能锻炼学生的动手能力,提高学生发现问题和和解决问题的能力。关键词:关键词:激光诱导荧光检测;模块化设计;乐高积木;3D打印;开放式教学 中图分类号:中图分类号:G64;O6 Open Laboratory Teaching Design of Instrumental Analysis:Construction of a Modular Laser-Induced Fluorescence Detection System Based on LEGO Blocks Ji
4、anzhang Pan 1,2,*,Mengting Zhang 1,Xiaoyang Zhang 1,Yucheng Liao 1,Xinran Xu 1,Qun Fang 1,2,*1 Department of Chemistry,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China.2 Hangzhou International Science and Innovation Center of Zhejiang University,Hangzhou 311200,China.Abstract:In this work,a modular Laser-i
5、nduced fluorescence(LIF)detection system LEGO LIF for undergraduate laboratory course was developed based on optical modules constructed from commercially available LEGO blocks and 3D-printed blocks.The system was applied to the laboratory teaching of undergraduate instrumental analysis,and the stud
6、ents were instructed to build the LIF system based on functional building blocks and apply it to the determination of sodium fluorescein solutions.The system is characterized by low cost,easy construction and flexible operation.The way of modular construction greatly reduced the threshold of instrum
7、ent construction,and can be completed within 3 h by undergraduate students without experience.The introduction of the LIF modular construction design into the open teaching session can inspire students interest and enthusiasm in the instrumental analysis course,and help deepen students understanding
8、 of fluorescence analysis principles and LIF detection system structure,exercise students hands-on ability as well as improve students ability to find and solve problems during the process of system construction.292大 学 化 学Vol.38Key Words:Laser-induced fluorescence detector;Modular design;LEGO blocks
9、;3D printing;Open teaching 1 引言引言 荧光分析是本科生分析化学课程中重要的学习内容,以往的荧光分析法教学实验主要采用商品化荧光光谱仪进行,学生操作集中于样品配制与荧光测定环节,过程相对简单,仪器的内部结构对于学生相当于一个黑箱。课程结束后学生普遍存在印象不深、原理掌握不扎实的情况。如果将实验从单纯的荧光测定环节改进为从学生自己动手搭建仪器,再到评估仪器性能,最终再将仪器用于样品荧光测定,则可以极大地提高实验的趣味性,锻炼学生的动手能力,又打开了黑箱,实现从了解基本科学原理到构建分析仪器的跨越。激光诱导荧光检测(LIF)是最灵敏的光学检测技术之一,其检测限度可以达到
10、亚皮摩尔级1,2,是荧光分析法的重要组成部分。LIF检测毛细管电泳技术成为了基因测序的金标准,LIF还可与流式细胞仪和高效液相色谱仪(HPLC)结合作为在线检测器使用35,目前LIF检测技术已成功应用于氨基酸、脂类、多糖、肽、蛋白质和核酸的分离分析及细菌细胞等微粒的分选分析69,是当今生命科学领域应用最广泛的检测技术之一。但是,LIF系统属于精密光学仪器,体积大、构建成本高,通常需要在光学实验室内进行搭建,依靠精密的机械部件进行光路的调校,因此存在系统成本高、搭建耗时长、装配和光路调校难度大等问题。乐高积木以其结构精度高、组装方便灵活等特点著称。近年来,已有一些研究报道将乐高积木用于构建低成本
11、设备和实验教学仪器1013。作者研究组自2013年起,在浙江大学化学系求是班仪器分析教学中,尝试将积木模块化的概念应用于LIF系统的构建实验。在后续多年的实验中,根据实验中出现的问题,我们不断地对系统的结构、搭建方法、性能评估方法,以及实验教学方法进行针对性的优化和改进14,已形成一套完整的适合于本科生实验教学的系统和教学方案。该系统利用乐高和3D打印的功能积木块,构建微型化的LIF系统,具有成本低、易构建、操作灵活等特点,其实验开放性和趣味性强,在最近几年的教学实践中,均获得参加实验学生的好评。2 实验部分实验部分 2.1 试剂和材料试剂和材料 试剂:荧光素钠(上海生工,分析纯),去离子水。
12、实验前,用天平准确称取荧光素钠适量,加水溶解,制成1.00 102 molL1荧光素钠的储备溶液。用去离子水逐级稀释1.00 102 molL1荧光素钠原液至1.00 106 molL1,备用。浓度低于1.00 106 molL1的荧光素钠宜现配现用,在实验开始前1 h,再由助教将1.00 106 molL1溶液逐级稀释,得到系列浓度荧光素钠溶液。零件:LEGO积木(LEGO,丹麦),3D打印积木(三维猴,深圳),透明紫外熔融石英毛细管(锐沣,河北),迷你隔膜泵(Kamoer,上海),450 nm激光器(PL450B,欧司朗,德国),DM505二向分色镜(汇博光学,沈阳),聚焦透镜(焦距8 m
13、m,1.0 NA,雷迈电子,广州),滤光片(BP525,汇博光学,沈阳),光电二极管(S8745-01,滨松光电,日本),自制控制电路板。2.2 共焦激光诱导荧光检测系统的光路结构和模块共焦激光诱导荧光检测系统的光路结构和模块 模块化LIF检测系统光路结构如图1所示。系统由激光二极管光源、滤光片、二向分色镜、两个聚光透镜、光电二极管检测器构成。波长450 nm的激光二极管作为光源水平放置,激光束被505 nm二向分色镜反射至垂直方向,经聚焦透镜聚焦到毛细管通道的中央,焦点处的激光斑点激发毛细管内样品溶液的荧光分子。荧光分子发出的荧光,经同一聚焦透镜收集后,沿垂直方向向下通过二向分色镜,再经52
14、5 nm带通滤光片滤除干扰光线,最后经底部的荧光汇聚透镜后,到达检测模块的光电二极管,荧光被光电二极管转换为电信号后由控制电路采集并保存。常规LEGO积木的最小标准构建单元的长宽高为8 mm 8 mm 3.2 mm,因此本工作所有的No.4doi:10.3866/PKU.DXHX202301019293 LEGO积木均基于该基本单元进行尺寸的描述。为实现光学原件的积木式结合,工作中进一步设计了定制化积木,并采用3D打印技术进行了加工,以固定光源、透镜、毛细管、二向分色镜和检测器。这些积木使用聚乳酸材料(PLA)制作,这些模块同样采用LEGO积木的标准进行尺寸描述,这些PLA积木底部采用了与LE
15、GO积木相同的插拔式结构,因此可与LEGO积木之间实现精密匹配和固定。图图1 模块化模块化LIF系统的光路结构图系统的光路结构图 光源模块(图2A)包括一个激光二极管及其固定块。固定块包括一个8 4 6单元底座和一个8 4 3单元盖板,在底座的中心设计有直径12.9 mm、长19 mm的圆柱形空腔,用于固定激光二极管。底座的前后端留有两个小孔,以引出激光束和电源线。图图2 基于乐高积木和基于乐高积木和3D打印积木相结合构建的打印积木相结合构建的LIF光学模块光学模块(A)光源模块,包括光源模块示意图(A1)、实物零件图(A2)和装配图(A3);(B)二向分色镜模块,包括模块示意图(B1)、实物
16、零件图(B2)和装配图(B3);(C)毛细管固定与微调模块,包括模块示意图(C1)、观察用毛细管与模块实物装配图(C2)、检测用毛细管与 模块实物装配图(C3);(D)检测器模块,包括模块示意图(D1)、实物零件图(D2)和装配图(D3)294大 学 化 学Vol.38二向分色镜模块(图2B)用于分离入射到样品溶液的激光束和样品溶液发出的荧光,它包括具有45斜面的6 6 12单元积木块和固定于斜面上的二向分色镜(505 nm,DM505,汇博光学,沈阳),二向分色镜正下方依次安装荧光窄带滤光片(525 nm带通,BP525,汇博光学,沈阳)和荧光汇聚透镜(焦距8 mm,1.0 NA,雷迈电子,
17、广州)。该积木块的中心垂直方向底部留有深度为12 mm的M9螺纹孔,用于固定和调节底部的荧光汇聚透镜,螺纹孔上方为直径10 mm的通光孔。毛细管固定与微调模块(图2C)用于固定激光聚焦透镜(1.0 NA,雷迈电子,广州)和快速固定与调节毛细管,下半部分8 4 3单元积木中心留有螺纹孔(M9 0.5 mm),带同样规格外螺纹的聚焦透镜可以通过旋转实现上下位置的移动,以实现垂直方向上激光束在毛细管通道中心的聚焦。毛细管固定部分用于快速固定毛细管,由2 6 3单元的底板和4个1 2 1单元乐高块组成。底板的中心开有直径9 mm的通孔,用于通过激发光和荧光;在板侧面的小圆柱上打孔安装一个M1.2的小螺
18、丝,螺丝前端顶在毛细管侧面,通过旋转该螺丝可微调毛细管的水平位置,以实现激光束在水平面到毛细管通道中心的对准。检测器模块(图2D)用于安装光电二极管检测器,由大小两个腔体构成,小腔体(约3 3 2)用于安装光电二极管(S8745-01,滨松光电,日本滨松),大腔体(8 8 2)用于固定控制电路板,上方配有薄积木板上盖。2.3 实验教学步骤和方法实验教学步骤和方法 2.3.1 实验前分组及助教培训实验前分组及助教培训 根据以往数年的经验,为保证实验效率和教学效果,通常将参加实验的学生分为24人一组,并为每组配备研究生助教一名。在正式实验前,还需组织各组的助教按照实验流程进行预先培训,使每名助教均
19、具有能够自行搭建系统完成实验的能力,并能解决实验中经常出现的问题。2.3.2 实验原理和操作讲解实验原理和操作讲解 课堂上,正式搭建系统前,由一名助教根据实验教学安排,采用PPT讲解的方式,介绍实验目的、实验原理、实验操作、数据处理、结果分析与实验报告撰写等内容。2.3.3 模块化模块化LIF系统搭建及荧光观察系统搭建及荧光观察 由助教指导学生使用提供的实验材料搭建模块化LIF系统(图3),并对其荧光光路进行观察。图图3 荧光观察光路荧光观察光路(A1A6)与与LIF系统系统(B1B4)搭建流程搭建流程 No.4doi:10.3866/PKU.DXHX202301019295(1)将光电二极管
20、模块安装在底层,并在其上放置多个LEGO积木块(图3A1)。将光源模块和二向分色镜模块固定在一块底部有4 mm通光孔的8 16 3 LEGO积木底板上(图3A2)。(2)将3A2模块直接安放在3A1模块上方(图3A3),利用积木的结构定位功能即可实现光路的对齐。(3)聚焦透镜和毛细管固定与微调模块安装在二向分色镜模块的上方,聚焦透镜与二向分色镜的中心对齐,毛细管与透镜中心对齐(图3A4)。(4)系统构建完成后,连接电源,实验人员戴上护目镜,点亮激光器,在毛细管固定积木上安装固定预充有1.00102 molL1荧光素钠溶液的观察用毛细管,即可观察到毛细管通道内荧光素钠溶液受激光激发处有荧光发出(
21、图3A5)。(5)在检测器检测窗口上方倾斜放置一小块白纸片,可以观察到明显的黄绿色荧光斑点(图3A6)。2.3.4 模块化模块化LIF系统调试系统调试 系统荧光光路观察完毕后,将为方便观察用于架高的LEGO积木部分拆除,并将流体动力部分连接好,即构成完整的模块化LIF系统,搭建过程示意如图3B13B4。取一根长度为16 cm的具有透明涂层的熔融石英毛细管(内径150 m,外径375 m),将其固定在毛细管固定模块上,使用Tygon管(内径190 m)、注射器针头、鲁尔接头和软管,将毛细管与迷你隔膜泵连接起来,构成流路系统(如图4)。取一块宽4 mm、长15 mm的半透明胶带,沿着激光束方向上下
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