用乐高积木搭建的分光光度计：一款适合教学且易于使用的分子吸收光谱学工具

《Journal of Chemical Education》：A Lego-Built Spectrophotometer: An Accessible and Engaging Tool for Teaching Molecular Absorption Spectroscopy

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分光光度法是科学教育中的基本分析技术。由于商用仪器设计为即用型，通常被视为“黑盒子”，这限制了学生对工作原理的理解。虽然最近报道的基于智能手机探测器的三维（3D）打印分光光度计提供了低成本、易于使用的平台来探索内部组件，但其制造过程仍然耗时较长。在本文中，我们介绍了一种用乐高积木制造的分光光度计，这种仪器消除了对3D打印的需求，同时增强了学生参与构建过程的积极性。我们提供了该设计的全面概述，并讨论了其一些固有的局限性。学生对样品饮料中蓝色食用色素进行的定量分析显示出与商用仪器相当的准确性和精确度。实验后的调查显示，学生们认为这种乐高分光光度计是一种有效且引人入胜的教学工具。这项工作表明，在本科教学实验室中，模块化构建方法可以提供比商用仪器和3D打印仪器更易于获取的教育替代方案。

引言

在化学教育中，已经开发了多种自制的（DIY）、低成本的和学生自己制作的分光光度计，适用范围从K-12年级到高年级本科生实验室。许多学生自制的分光光度计使用可见光源，因为它们具有简单的光学系统、便宜的组件，并且与核心分析结果相符。(1,2) 这些实验对本科生教育非常有益，因为可以降低成本，并使仪器的“黑盒子”变得透明，让学生学习重要的分析概念，如比尔-朗伯定律、校准、光学以及商业仪器和自制仪器之间的实验结果比较。(1) 这些学生制作的仪器大致可以分为比色计和分光光度计。(1) 比色计测量特定颜色光的吸光度，例如使用彩色LED作为光源的仪器。(3?14) 分光光度计则允许在一系列波长范围内测量光强度，例如使用白光作为光源并结合色散元件的仪器。(15?26) 已经使用了多种光探测器：LED、(5,6,8,9) 光敏电阻（LDR，也称为光电池或光敏电阻器),(3,4,7,10,12,18) 光敏晶体管、(7,11) 光电二极管、(14,15,17) 网络摄像头、(21,22) 数码相机、(23?25) 智能手机的环境光传感器、(19,27) 以及智能手机摄像头。(13,16,19,20,24,26) 这些设备都有不同的设计考虑，各自具有不同的优势和局限性。基于数字图像的颜色分析已被整合到各种光度测量实验中，为教学和学习提供了一种易于获取且经济高效的方法。(2,28?37)

尽管3D打印因其灵活的设计和快速原型制作能力而成为低成本DIY设备的流行构建工具，(7,12,16,14,23,26) 但初始成本较高，复杂零件的打印可能需要很多小时或几天时间。另一方面，由于乐高积木的模块化特性和可用性，它们已被用作比色计和分光光度计的教学材料。(1) 一种由乐高积木、白色LED光源、衍射光栅和光电二极管探测器组成的定量可见分光光度计可以通过可旋转的探测器臂选择波长，并演示衍射和吸收概念。(15) 在中学阶段，另一种结合LED作为光源和探测器的乐高积木细胞室可以制成低成本的自制比色计。(5,9) 利用乐高的模块化特性，开发了一种组合的分光光度计和荧光计，通过改变某些积木和光源的位置，可以在一种配置下收集荧光成像，在另一种配置下进行吸收光谱测量。(21) 另一种低成本的开源设计结合了3D打印的光池支架和可更换的LED模块以及智能手机环境光传感器，提供了3D打印和乐高版本。(27) 此外，乐高构建提供了一种与标准分析化学实验室工作不同的动手活动类型。

受到Cokley等人开发的设备的启发，(26) 我们介绍了一种由学生自己制作的分光光度计及其在第二年分析化学课程中的实际表现。与商用Spectronic 200分光光度计相比，不同学生组获得的吸光度读数有所不同。校准灵敏度也较低。然而，他们在实际饮料中对蓝色染料的定量分析结果在统计上没有显著差异。结果表明，这种乐高分光光度计在促进学生参与度和教授分子吸收光谱学及仪器知识方面具有教育价值。

设备设计

分光光度计比较了通过参考光和通过样品的光在不同波长范围内的亮度。通常使用连续波长光源（如白炽灯泡）和光栅来分散光线。当入射光通过光栅分散时，可以使用智能手机或数码相机拍摄光谱图像。通过对拍摄的图像进行适当的校准，可以将像素位置转换为波长，并通过分析光谱图像上的RGB值获得每个波长的强度。关于吸光度和基于图像的分光光度法的理论原理在文献中已有详细介绍。(2,16,26)

所介绍的设备设计基于Cokley等人的工作。(26) 光水平进入并反射在一个相对于地平线倾斜角度β的镜子上（图1A和1B）。光栅狭缝水平放置以分散入射光。波长为λ的光以角度θ发生衍射，根据公式：
$$
\theta = \arcsin\left(\frac{\lambda}{d}\right)
$$
其中d是光栅线条之间的距离，m是表示衍射级别的整数。(38) 相机放置在光栅上方以记录光谱（图1A）。使用已知光源（如荧光灯泡）将像素位置转换为波长。(16,26)

图1
(A) 设备示意图。光线通过切割一块黑色构造纸制成的小水平狭缝被限制。角度β是镜子的安装角度，角度α是入射角。(B) 镜子放置在组件的内部以将光反射到光栅上。镜子的尺寸为2.5厘米×2.5厘米，厚度为2毫米。

设计考虑和局限性

所报告的乐高分光光度计是为标准1厘米光池设计的。根据公式1，设计需要考虑以下参数：θ、α、m和d。对于光栅的选择，基于Cokley等人的先前研究，选择了间距为1000纳米的光栅，这是考虑到可见光波长和设备尺寸的最佳选择。(26) 为了获得像素位置和波长之间的线性关系，衍射角θ必须很小。关于像素位置和波长线性的讨论包含在支持信息中。这意味着光谱的中心（大约530纳米）应位于屏幕的中心，一阶衍射光谱（m = ?1）可以被成像。然后，为了确定角度α，我们将530纳米光的衍射角设置为零。相应的入射角为：
$$
\alpha = \arcsin\left(\frac{\lambda}{d}\right) = \arcsin\left(\frac{530\纳米}{1000\纳米}\right) = 32^\circ
$$
最后，入射角（α）与安装角度（β）的关系为：
$$
\beta = 90^\circ + \alpha
$$
因此，理想的安装角度β为61°。Cokley等人设计的设备的安装角度为59.5° ± 0.2°，而本研究中使用的乐高组件和2毫米厚的镜子产生的安装角度为62.8° ± 0.2°。

安装角度β不仅会改变获取图像上的光谱位置，还会改变像素-波长校准。如果可见光谱（大约400到660纳米）仍在较小的衍射角θ范围内，校准将保持近似线性。可以进行更高阶的多项式校准，(16) 但这可能会让学生在课堂上感到困惑。我们确定可接受的安装角度在57°到67°之间，在这个范围内，像素-波长校准仍然近似线性，如支持信息中所示。在这个范围内，光谱仅在屏幕上的位置发生变化。

安装角度β的灵活性使得教育者可以选用不同制造商生产的不同厚度的镜子。例如，可以使用钼（Mo）镜子或镀银镜子以获得更清晰的反射光，因为普通镜子由于多个反射表面可能会产生多次反射。然而，即使安装角度β有灵活性，不同的光栅间距也不合适。较大的光栅间距会降低角灵敏度（光谱图像较小）并引入更高的衍射级别。较小的光栅间距会使图像位置偏离中心，且由于较大的衍射角，像素-波长校准将不再线性。如果增加安装角度β以补偿衍射角θ，光路会改变，导致设备长度过短，无法满足要求。因此，所描述的设计适用于光栅间距为1000纳米的情况。

图2显示了组装好的乐高分光光度计的渲染图像。该设计可以修改以适应不同型号的智能手机。使用蓝色调制的特殊积木来定位其他组件。例如，1厘米的光池垂直放置在平铺的砖块上，并由两侧带有突起的积木固定。这一特性使得取出和插入光池时位置一致。光栅可以通过一对倒置的斜坡积木固定到位。这些积木可以重新定位以适应不同尺寸的光栅。

通过使用智能手机的相机作为探测器，从文件中获得的RGB值与输入亮度不成线性比例。记录的RGB值通常遵循幂律分布，这是由于数码相机图像处理算法中的伽马编码。(39) 伽马编码的目的是将较宽的动态范围压缩到标准格式（如JPEG）的8位（0–255）RGB值中。在线性响应系统中，动态范围受到显著限制；例如，假设噪声底值为10，意味着最小信号为25（信噪比约为2–3），则动态范围被限制在255以内。(25) 使用伽马编码（γ ≈ 0.45），(40) 动态范围可以提高到约160。(25)

伽马值不仅对于每个设备都是独特的，而且在RGB通道之间也可以独立变化。(41) 如果通过实验确定伽马值，可以校正RGB值以获得线性响应。(40,41) 然而，对于定量浓度测定，伽马校正并不关键。尽管与商用仪器获得的斜率值较小，但吸光度与浓度之间的关系仍然是线性的，如先前报道的。(16,18,26) 因此，在学生使用说明中未包括相机中的伽马编码和亮度伽马校正。

使用8位量化和伽马编码不会显著降低测量灵敏度，(2,35) 因为根据比尔-朗伯定律得到的吸光度测量值通常在0到1的范围内。对于真实吸光度为1.0的样品，使用0.45的伽马压缩的系统得到的表观吸光度为1.0 × 0.45 = 1.0。如果空白样本的强度记录为200/255，那么该样品的强度将为200 × 0.45 = 71。数字截断的误差（±1）相当于确定的表观吸光度的约1%的误差。

实验部分

来自两个连续学期的学生以3人小组的形式进行了这项实验，作为第二年分析化学课程的一部分：(1) 化学专业和(2) 食品科学与技术专业。在此课程之前，学生们已经完成了两门普通化学课程和一门实验化学实验室课程。T3/2024学期的第一学期有12名学生分为4个小组。T1/2025第二学期的实验中，有19名学生被分成6组。学生们大约花费了3小时完成实验并进行了一些数据分析。实验结束后，学生们被要求完成一份简短的调查问卷，用1-5的分值来评价他们对Lego光谱仪的使用体验，并附上一些评论。该研究已经获得了玛希隆大学中央机构审查委员会（MU-CIRB）的批准，批准号为2024/057.1902。学生们的数据分析是用JASP（版本0.19.3）软件进行的。本次实验的目的是构建一个Lego光谱仪，并用它来确定蓝色软饮料中亮蓝色FCF（FD&C Blue No. 1, E133）的浓度，并将结果与使用商用光谱仪（Spectronic 200）获得的结果进行比较。通过自己组装Lego光谱仪，学生们学习了吸收光谱法的基本原理和组成部分。他们还利用比尔-朗伯定律来测定未知浓度，并将Lego光谱仪的性能与Spectronic光谱仪进行了比较。实验分为四个部分：（1）Lego光谱仪的组装；（2）光谱校准；（3）标准溶液的制备；（4）使用Lego光谱仪进行图像采集、处理和分析。

实验前一周，学生们根据提供的Lego积木、一块2.5厘米×2.5厘米、厚度为2毫米的镜子以及一个光栅，被指导如何组装Lego光谱仪。详细的组装说明可以在支持性资料中找到。完整的设备部件清单和Lego积木清单及其价格也包含在支持性资料中。学生手册和报告模板同样可以在支持性资料中找到。为了设置Lego光谱仪，学生们用一张折叠成U形的黑色建筑材料纸来遮挡光线路径以减少反射。学生们还需要切割一块黑色纸张并将其粘贴在Lego光谱仪的前面作为狭缝。虽然提供的指南建议狭缝宽度应小于或等于1毫米，但鼓励学生们探索不同狭缝宽度对荧光光谱图像的影响，并选择最适合他们实验设置的狭缝宽度。

接下来，学生们按照指示使用Eve 23 W型、1400流明、6500开尔文的紧凑型荧光灯泡来获取像素-波长校准图像。灯泡被固定在一个金属支架上，并用铝箔包裹起来以限制杂散光的影响（见图3）。需要注意的是，在整个实验过程中必须关闭手机的自动对焦或HDR功能，且手机的位置要保持不变以确保像素-波长转换的准确性。可以使用胶带或额外的Lego积木来固定手机的位置。

学生们准备了1毫摩尔的亮蓝色FCF（CAS号3844–45–9，TCI化学品）溶液，方法是将大约0.04克的染料加入容量瓶中，用蒸馏水稀释至100.00毫升，然后再稀释10倍。共制备了五种工作标准溶液，浓度分别为2、4、6、8和10微摩尔，这些溶液在最大吸收波长（630纳米）下的吸光度值大约在0.2到1.0吸光度单位之间。为了去除气泡，蓝色饮料（Mirinda蓝莓橙味）被放入超声波清洗槽中处理1小时。学生可以根据自己的需要设计不同的稀释方案以促进自主探究。

使用Eve 25 W型、220流明、2700开尔文的白炽灯泡和标准的1厘米塑料比色皿来获取工作标准溶液的图像。光谱处理和数据分析是通过ImageJ软件以及Cokley等人提供的电子表格模板完成的。在这里，灰度值是通过RGB值的简单平均值计算得出的。然而，在ImageJ中使用加权RGB转换函数（0.30, 0.59, 0.11）可以得到与商用光谱仪更相似的吸收光谱。

亮蓝色FCF在全球范围内被认为是安全用于食品、药品和化妆品的。所使用的灯泡工作在标准电压下，可能存在触电危险。所有电源线和连接处使用前都必须检查是否有损坏。所有灯泡在运行时都非常热，因此在通电时或使用后立即不应触碰。电气连接应远离水溶液。操作电气设备时手部不能潮湿，处理手机前必须脱掉手套以防止化学污染。实验结束后，设备应用70%的酒精擦拭干净，以防止化学物质污染皮肤和个人物品。

从Spectronic光谱仪获得的校准斜率为0.108 ± 0.008吸光度单位/微摩尔（7.41%RSD），而Lego光谱仪的校准斜率范围为0.021到0.098吸光度单位/微摩尔（见图4A）。由于缺乏伽玛校正，Lego光谱仪的校准斜率通常较低。Lego光谱仪的精确度和重复性也较低，因为测量结果受到多种因素的影响，包括光源亮度、狭缝宽度、智能手机型号、图像质量以及用于分析的图像区域选择等。

从Spectronic光谱仪获得的决定系数（R2）为0.996 ± 0.004（0.402% RSD），而从Lego光谱仪获得的决定系数为0.942 ± 0.081（8.60% RSD）（见图4B）。结果表明，所有的学生小组都具备制备溶液和使用Spectronic光谱仪获取数据的能力，因为他们之前已经多次进行过相关操作。因此，Lego光谱仪较低的R2值是由于操作、图像采集和数据分析过程中的误差造成的。

使用Spectronic光谱仪测得的稀释饮料中亮蓝色染料的浓度为5.2 ± 0.4微摩尔（8.4% RSD），而使用Lego光谱仪测得的浓度为5.2 ± 1.8微摩尔（34.5% RSD）（n = 10）（见图4C）。Shapiro-Wilk正态性检验显示，Spectronic光谱仪的测量结果呈正态分布（p = 0.22），而Lego光谱仪的测量结果则不符合正态分布（p = 0.02）。两种方法之间的配对差异也不符合正态性假设（p = 0.008）。因此，采用了Wilcoxon符号秩检验来比较两种方法，结果显示两者之间没有统计学上的显著差异（p = 0.43）。十组学生的实验结果中有八组的结果相似，表明Lego光谱仪的表现是可靠的。

图5A展示了一组学生使用Lego光谱仪确定饮料中亮蓝色FCF浓度的结果。随着浓度的增加，光谱中的红色带变得更宽（由iPhone 15 Pro拍摄）。相应的吸收光谱显示在630纳米处的吸光度逐渐增加（见图5B）。由于手机摄像头的光谱带宽有限，450纳米以下和680纳米以上的数据非常嘈杂。与商用光谱仪获得的吸收光谱相比（见图5I），Lego光谱仪的光谱在560纳米处有一个较小的峰值，这可能是由于R通道和G通道的伽玛值不同造成的。校准曲线呈线性，且y轴截距较小（见图6A）。Spectronic系统的斜率高于Lego光谱仪，这意味着其灵敏度较低（见图6A）。

图5C至图5H展示了三个学生实验结果的例子。第一个例子是用华为P30 Pro智能手机获得的（见图5C），相应的吸收光谱显示在630纳米处的吸光度逐渐增加（见图5D）。虽然700纳米附近的负吸光度是由于相机位置移动造成的，但校准曲线仍然是线性的，斜率相似（见图6D）。

第二个例子是用iPhone 16 Pro获得的（见图5E），虽然图像比前两个例子暗淡，但不同标准品的吸收光谱峰值对齐得较好，不过在700纳米附近出现了一些噪声（见图5F）。校准曲线呈线性，y轴截距接近于零（见图6C）。最后一个例子由于图像质量较差（基线偏负且吸光度峰值在20纳米处有红移，见图5G和5H），可能是由于三星Galaxy S24 Plus的曝光设置变化导致的。这种基线偏移可能是由于空白样品和标准样品之间的光学放大设置不同所致。

这些例子清楚地表明，不同的智能手机型号会影响实验结果，因为它们可能配备不同的传感器和图像处理算法。不正确的图像分析也会降低Lego光谱仪的校准灵敏度。通过检查学生们的图像可以发现，有些光线通过了比色皿外部的空间和光谱仪的侧面，这也导致每个样本的平均吸光度偏低。尽管存在一些意外的实验变化，但Lego光谱仪在定量分析中仍表现出足够的可靠性。

在本次实验中，Lego光谱仪被用来定量测定亮蓝色FCF的浓度。其他在450–680纳米范围内吸收可见光谱的样品也适用于此方法。还分析了其他食品色素（如赤藓素和胭脂红），结果表明它们也适合使用Lego光谱仪进行定量分析。关于其他分析物的更多讨论见支持性资料。

学生对实验的参与度评分最高，平均分为4.39分（满分5分）。90%的学生给出了4分或5分的评价（见图7）。Lego光谱仪的DIY特性非常有效，能够保持学生的参与度。使用智能手机作为探测器可以让实验过程更加直观，从而有效地促进学生的参与和基于探究的学习。教育价值的平均评分为3.77分（满分5分），大多数学生认为光谱仪在帮助他们理解光谱概念方面效果中等。68%的学生认为光谱仪在增强理解方面效果良好，因为他们之前已经多次使用过它来准备溶液和测量吸光度。他们注意到随着蓝色染料浓度的增加，红色条带的亮度会减弱。然而，学生也提到图像分析部分比较复杂，因为他们是第一次使用ImageJ软件。

学生们认为实验的趣味性最高，平均评分为4.39分（满分5分）。90%的学生给出4分或5分的评价。学生们认为，通过自己组装光谱仪的过程非常能激发他们的兴趣。教育价值的平均评分为3.77分，表明大多数学生认为光谱仪在帮助他们理解光谱概念方面有一定的效果。他们能够观察到随着蓝色染料浓度增加，红色条带的亮度会减弱。不过，他们也表示图像分析部分比较复杂，因为他们之前没有使用过ImageJ软件。学生对Lego分光光度计的评价。高分辨率图片下载MS PowerPoint幻灯片

Lego仪器的组装和操作难度获得了3.74分（满分5分）的中等评级，其中74%的学生给予4分或5分（图7）。学生们表示，组装这个设备既简单又有趣，并且提供的图文一步步的组装指南非常容易理解。他们还指出，在制作狭缝和用黑色纸覆盖光路时需要更多的说明。然而，操作Lego分光光度计也存在挑战性，因为在数据收集过程中手机可能会移动。

性能和准确性的方面获得了最低的评级3.32分（满分5分）。这表明尽管学生们认为这个实验很有价值且引人入胜，但他们认为Lego分光光度计的性能和准确性不如商用仪器。大多数学生给出了3分的评价。他们提到的问题包括Lego分光光度计的精度和灵敏度较低、难以控制杂散光，以及不同手机摄像头之间的差异。学生们的这种看法可能源于校准曲线的斜率较小（这可能是由于伽马校正所致）。事后看来，讨论数字信号处理中的伽马编码会很有帮助，因为这种斜率的降低并不会显著影响未知浓度的测定准确性。通过用纸板箱覆盖实验装置并使用遥控触发器拍照，可以进一步减少杂散光的影响。

结论：一个功能性的分光光度计成功地利用Lego积木以及其他低成本部件（如黑色彩纸、荧光灯和白炽灯以及衍射光栅）设计和制造出来。学生们的智能手机摄像头被用作检测器，可以实时显示样品浓度变化时光强度的变化情况。尽管存在一些实际限制（如灵敏度和重复性较低），但学生的评价结果仍然显示出Lego分光光度计作为学习分子吸收光谱学和仪器使用的教学工具的优势。