“探秘生活中常见荧光物质与荧光现象”活动案例*
2022-06-08
摘要：介绍了在教师指导下学生开展对“荧光现象”探秘的综合实践活动。具体包括文献研究荧光现象发生的机理；寻找生活中常见的荧光物质：叶绿素a、原卟啉IX、维生素B2、奎宁、荧光增白剂、罗丹明B等；利用这些物质完成趣味荧光实验；调查荧光现象在生产、生活中的应用，并最终在实验研究和理论研究的基础上准确评价荧光现象的意义。
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词：荧光物质；荧光现象；中学化学综合实践活动
文章编号：1005–6629（2014）2–0031–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
综合实践活动是区别于学科课程的一门非学术性课程，主要是通过学生的亲身实践，学习科学研究的方法、增强科学探究的能力、加深对社会的了解、加强课堂知识和社会生活的联系[1]。目前综合实践活动作为国家规定学校必须执行的一门课程，已受到各个学校的重视，我们也在摸索和探寻中尝试开展化学综合实践活动，并力求在活动与实践中培养学生的化学科学素养。
2011年关于“纸巾荧光剂超标”[2]以及“猪肉发荧光”[3]等新闻报道频频见诸各类媒体，学生因这类新闻而激发出了对于荧光现象以及荧光物质的强烈好奇心。鉴于此，我们在参加化学竞赛的学生中开展了“探秘生活中常见荧光物质与荧光现象”这一密切联系生活实际的化学综合活动。活动开展的过程中不仅提升了学生的化学研究能力，拓展了学生的化学视野、增强了学生的社会责任感，更为今后进一步开展其他化学综合实践活动积累了一些实用的经验。现介绍如下。
1 实施方案
1.1 知识和技能准备
综合实践活动指导教师首先对参加实践活动的学生进行“图书馆资料如何查询”、“中国知网如何使用”、“网络搜索引擎介绍”等几方面内容的讲授，使学生了解获取基本知识的来源和方法。然后结合中学实际介绍“苯环的芳香性”、“刚性平面”、“电子跃迁”等基础化学知识，为学生阅读与“荧光”相关文献打下基础。最后综合实践指导老师还必须对需要进行实验操作的学生进行基本的实验操作训练，以使学生掌握该综合实践活动所需的基本实验操作技能。
1.2 综合实践小组的划分及研究内容和方案
为使得综合实践活动能够在学校规定的课程实施时间内顺利完成，并使得学生学会团队分工合作，我们在实施该综合实践活动时按照学生个人兴趣爱好以及课题研究的几个具体方面将参加该综合实践活动的学生分为四个小组。
第一组负责查阅文献获知荧光现象产生的基本原因及荧光物质的基本结构特点。要求将文献结果整理成文并制作相应PPT在整个课程实践小组展示。
第二组学生结合文献查阅和调查，寻找日常生活及自然界中常见具有荧光特性的物质。要求查阅清楚所寻找到的荧光物质的结构，以及产生荧光的原因，并收集含有荧光物质的实物若干，于整个实践组展示。
第三组学生利用第二组同学寻找到的具有荧光特性的物质设计完成引发这些物质荧光现象的实验，完成相应实验报告，并拍摄实验视频或照片若干。
第四组学生通过文献分析并结合另三组同学研究成果，撰写“我眼中的荧光现象”综述。要求通过调查了解荧光现象目前在日常生活各个层面的应用实例，并结合调查的结果阐述如何正确地看待荧光现象。
2 成果呈现
2.1 第一组报告——荧光现象产生的原因及荧光物质的结构特点
该组同学利用搜索引擎以“荧光”为关键词搜索了网络资料，弄清了荧光产生的相关机理。并利用校图书馆馆藏大学教材找到了荧光物质所有具有的结构特征。在实践中提升了资料获取能力以及信息整合能力。
2.1.1 什么是荧光
常温下，当某种物质被某种波长的入射光（通常是紫外线或X射线）照射，吸收光能后即进入激发态，并发出比入射光的波长长的出射光（通常波长在可见光波段，波长400～700 nm），具有这种性质的出射光就被称之为荧光[5]。而萤火虫以及荧光棒则是通过化学物质发生化学反应而产生发光的现象，一般称为“化学发光”或“生物发光”，不属于我们此处研究的“荧光现象”。
2.1.2 荧光现象产生的光物理过程
具有荧光性的分子吸收入射光的能量后（如图1所示），该物质中电子从基态S0
（通常为自旋单重态）跃迁至具有相同自旋多重度的激发态S1或
S2
。处于激发态的电子可以通过各种不同的途径释放其能量回到基态。如激发态S2 的电子可经由非常快的（短于10-12秒）内转换过程无辐射跃迁至能量稍低并具有相同自旋多重度的激发态S1 ，紧接着以发光的方式释放出能量回到基态S0 ，这里发出的光就是荧光，其频率即为νF 。由于S1 激发态的能量相对低，故在这一过程中发出的荧光的频率νF 低于入射光的频率νA。荧光态的寿命为10-8至10-5秒。
此外，电子也可以先从激发态经由系间跨越过程无辐射跃迁至能量较低且具有不同自旋多重度的激发态S1 （通常为自旋三重态），再经由系间窜跃等方式无辐射跃迁至激发态T1 ，最后以发光的方式释放出能量而回到基态S0 。由于激发态和基态S0 具有不同的自旋多重度，这一跃迁过程是被跃迁选择规则禁戒的，因而需要比释放一般荧光更长的时间（从10-4秒到数分钟乃至数小时不等）来完成该过程；当停止入射光后，物质中还有相当数量的电子继续保持在亚稳态上并持续发光直至所有的电子回到基态，这种缓慢释放的光通常被称为磷光，磷光频率为νp 。 2.1.3 具有荧光现象物质的结构特点
发荧光的物质一般具有下列结构特点：（1）分子中含有共轭双键等强吸收基团，且在一定程度上共轭体系越大，π电子的离域性越强，越易被激发而产生荧光。（2）分子的刚性平面有利于荧光产生。刚性平面结构主要可以减少分子的振动和碰撞去活的可能，有利于荧光的产生。（3）诸如-OH、-NH2、-OR等给电子取代基可使共轭体系增强，导致荧光增强[7]。
2.2 第二组报告——调查寻找生活中存在的典型荧光物质
该组同学首先通过网络和图书馆相关资料查询具有荧光性质的物质名称和结构，再分析这些物质可能存在于哪些日常生活常见的物品，最后再实地寻查菜场、药店、超市等多个场地收集含有荧光物质的具体物品。通过不懈的努力共寻得日常生活中含有荧光特性物质多种（如表1所列）。
该组同学在完成本组任务的过程中不仅充分锻炼了信息获取能力，更走入了社会提升了沟通和交流的能力。
2.3 第三组汇报——利用生活中常见荧光物质引发荧光实验
第三小组是由整个实践小组实验能力最强，且最喜欢动手操作的学生组成的。他们不仅要设计不同的实验方案将第二小组同学收集来的含有荧光物质的各种日常物品中的荧光物质释放，还要多次实验从而摸索出观察到荧光现象的最佳途径。多次的实验不仅是实验能力的提升，更是意志的锻炼，荧光实验的成功不仅证实第二组同学研究结果的真实性，更让学生进一步理解实验是化学的基础。
2.3.1 实验1 叶绿素荧光实验
所需仪器与试剂：紫外光源（波长315～400 nm）、研钵和研杵、100 mL烧杯、3～5片菠菜叶子、95%乙醇。（此处使用紫外光源为网购一般驱虫用的黑光灯）
实验过程：取2～3片菠菜叶在研钵中磨碎，然后将研碎的菠菜叶溶解在50 mL 95%乙醇中，过滤得滤液。在暗室用紫外光源照射菠菜汁，观察荧光。如果观察不到荧光，加入乙醇稀释该溶液。实验观察到绿色溶液在紫外灯照射下呈现红色荧光。
2.3.2 实验2 原卟啉荧光实验
所需仪器与试剂：紫外光源（波长315～400 nm）、100 mL烧杯、棕色壳鸡蛋2只、0.1 mol/L盐酸。
实验过程：将2只棕色蛋壳放入50 mL 0.1 mol/L盐酸中，盐酸与蛋壳中的碳酸钙反应，鸡蛋壳表面立即产生大量的气泡，待碳酸钙反应完毕后，蛋壳中的原卟啉被释放出来。在暗室中用紫外灯照射含有原卟啉的溶液，可以观察到绿色荧光现象。
2.3.3 实验3 维生素B2荧光实验
所需仪器与试剂：紫外光源（波长315～400 nm）、100 mL烧杯、研钵和研杵。
实验过程：在研钵中将复合维生素片研磨成粉末，并将粉末转移到烧杯中加50 mL水溶解，随后在暗室中用紫外光照射，可观察到黄绿色荧光现象。
2.3.4 实验4 奎宁荧光实验
所需仪器与试剂：紫外光源（波长315～400 nm）、100 mL烧杯、黑松汽水或通力水。
实验过程：将黑松汽水倒入烧杯中，直接在暗室中用紫外灯照射，可观察到红色荧光。
2.4 第四组汇报——如何正确看待荧光现象
第四组同学通过网络和各类期刊文献调查荧光现象的应用范围、应用实例以及应用原理，并将所调查的结果写成综述，在整个综合实践小组展示。学生在综述的过程中学习了科技文献的写作，提升了资料整合能力。
2.4.1 荧光现象的应用综述
2.4.2 对于荧光现象的评价
荧光现象是特殊结构的物质产生的特殊光化学现象，广泛存在于我们的生活之中。此类现象并不神秘，我们应从容看待，遇到诸如“猪肉荧光”等新闻报道时不应为事物表面的“神秘”所蒙蔽，而应具有从事物本质看待具体问题的基本观念。此外，正确利用荧光物质和荧光现象可更多发展科技，造福人类。如奎宁等物质本身具有荧光性，但人们关注这类物质荧光性以外的用途，也是对物质应用的不同方面。同时也应注意荧光现象使用的适度问题，如利用荧光物质给纸类等增白不应一味追求“白”而忽略荧光物质给人类健康带来的危害。只有根据生产生活实际，合理适度利用荧光现象才是科学的做法。
3 总结与反思
本综合实践活动，是我们尝试在学生中开展的一个较具学科深度的研究课题。通过该课题的开展，我们认为化学综合实践活动课题的选择应充分关注生产生活热点与学生的兴趣点，兼顾这两点的课题能够充分激发学生自主学习的热情，为活动的顺利开展提供的动力与激情。
本活动的开展教师并未完全放手，而是在最初的知识准备阶段和活动小组建立过程中发挥了主导作用，教师有效的组织和引导是顺利开展综合实践活动的重要保障。
该综合实践活动从内容上看，涉及理论的学习，文献的查找、实验的开展、物质的寻求等多个方面，要求学生通力合作方可完成。多方面能力的培养是综合实践活动开展的宗旨，综合实践活动的设计应兼顾以上所述各个层面。
从最终呈现的活动成果来看，我们的研究并未能涵盖“荧光现象”的所有问题，研究的结果也未能提出创新的观点。但综合实践活动侧重于学生科研意识、分析问题能力以及实践操作能力的培养，为今后发展打下基础。
参考文献：
[1]阎蒙钢，马旭明.综合实践活动中培养学生化学科学素养的探讨[J].化学教育，2008，（2）：29～30.
[2] http：//finance.jrj.com.cn/consumer/2011/11/22151411619339. shtml.
[3] http：//www.apsafe.cn/zhuanti/fgzr/.
[4]许世生，董占伟等.因地制宜地开展自主研究性学习——化学综合实践活动教学案例[J].化学教育，2010，（8）：28～31.
[5][6]荧光（百度互动百科）http：//www.hudong.com/wiki/%E8-%8D%A7%E5%85%89.
[7]华中师范大学等编.分析化学（下册）（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2001：53～55.
[8][12]张奚宁，马君等.激光诱导荧光光谱中内源性原卟啉Ⅸ对胃癌生长状态的标示作用[J].激光生物学报，2008，（6）：720～722.
[9]田兰，孔彬等.固相萃取结合HPLC-荧光法测定人血浆中维生素B2 含量[J].药物分析杂志，2012，（12）：2150～2153.
[10]马明阳，屈颖娟，李晨露.荧光光谱法测定多种复杂样品中的维生素B2 [J].光谱实验室，2011，（3）：1138～1141.
[11]陈默，尹世久.防伪印刷技术与化学[J].化学教育，2008，（2）：1～3.
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词：荧光物质；荧光现象；中学化学综合实践活动
文章编号：1005–6629（2014）2–0031–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
综合实践活动是区别于学科课程的一门非学术性课程，主要是通过学生的亲身实践，学习科学研究的方法、增强科学探究的能力、加深对社会的了解、加强课堂知识和社会生活的联系[1]。目前综合实践活动作为国家规定学校必须执行的一门课程，已受到各个学校的重视，我们也在摸索和探寻中尝试开展化学综合实践活动，并力求在活动与实践中培养学生的化学科学素养。
2011年关于“纸巾荧光剂超标”[2]以及“猪肉发荧光”[3]等新闻报道频频见诸各类媒体，学生因这类新闻而激发出了对于荧光现象以及荧光物质的强烈好奇心。鉴于此，我们在参加化学竞赛的学生中开展了“探秘生活中常见荧光物质与荧光现象”这一密切联系生活实际的化学综合活动。活动开展的过程中不仅提升了学生的化学研究能力，拓展了学生的化学视野、增强了学生的社会责任感，更为今后进一步开展其他化学综合实践活动积累了一些实用的经验。现介绍如下。
1 实施方案
1.1 知识和技能准备
综合实践活动指导教师首先对参加实践活动的学生进行“图书馆资料如何查询”、“中国知网如何使用”、“网络搜索引擎介绍”等几方面内容的讲授，使学生了解获取基本知识的来源和方法。然后结合中学实际介绍“苯环的芳香性”、“刚性平面”、“电子跃迁”等基础化学知识，为学生阅读与“荧光”相关文献打下基础。最后综合实践指导老师还必须对需要进行实验操作的学生进行基本的实验操作训练，以使学生掌握该综合实践活动所需的基本实验操作技能。
1.2 综合实践小组的划分及研究内容和方案
为使得综合实践活动能够在学校规定的课程实施时间内顺利完成，并使得学生学会团队分工合作，我们在实施该综合实践活动时按照学生个人兴趣爱好以及课题研究的几个具体方面将参加该综合实践活动的学生分为四个小组。
第一组负责查阅文献获知荧光现象产生的基本原因及荧光物质的基本结构特点。要求将文献结果整理成文并制作相应PPT在整个课程实践小组展示。
第二组学生结合文献查阅和调查，寻找日常生活及自然界中常见具有荧光特性的物质。要求查阅清楚所寻找到的荧光物质的结构，以及产生荧光的原因，并收集含有荧光物质的实物若干，于整个实践组展示。
第三组学生利用第二组同学寻找到的具有荧光特性的物质设计完成引发这些物质荧光现象的实验，完成相应实验报告，并拍摄实验视频或照片若干。
第四组学生通过文献分析并结合另三组同学研究成果，撰写“我眼中的荧光现象”综述。要求通过调查了解荧光现象目前在日常生活各个层面的应用实例，并结合调查的结果阐述如何正确地看待荧光现象。
2 成果呈现
2.1 第一组报告——荧光现象产生的原因及荧光物质的结构特点
该组同学利用搜索引擎以“荧光”为关键词搜索了网络资料，弄清了荧光产生的相关机理。并利用校图书馆馆藏大学教材找到了荧光物质所有具有的结构特征。在实践中提升了资料获取能力以及信息整合能力。
2.1.1 什么是荧光
常温下，当某种物质被某种波长的入射光（通常是紫外线或X射线）照射，吸收光能后即进入激发态，并发出比入射光的波长长的出射光（通常波长在可见光波段，波长400～700 nm），具有这种性质的出射光就被称之为荧光[5]。而萤火虫以及荧光棒则是通过化学物质发生化学反应而产生发光的现象，一般称为“化学发光”或“生物发光”，不属于我们此处研究的“荧光现象”。
2.1.2 荧光现象产生的光物理过程
具有荧光性的分子吸收入射光的能量后（如图1所示），该物质中电子从基态S0
（通常为自旋单重态）跃迁至具有相同自旋多重度的激发态S1或
S2
。处于激发态的电子可以通过各种不同的途径释放其能量回到基态。如激发态S2 的电子可经由非常快的（短于10-12秒）内转换过程无辐射跃迁至能量稍低并具有相同自旋多重度的激发态S1 ，紧接着以发光的方式释放出能量回到基态S0 ，这里发出的光就是荧光，其频率即为νF 。由于S1 激发态的能量相对低，故在这一过程中发出的荧光的频率νF 低于入射光的频率νA。荧光态的寿命为10-8至10-5秒。
此外，电子也可以先从激发态经由系间跨越过程无辐射跃迁至能量较低且具有不同自旋多重度的激发态S1 （通常为自旋三重态），再经由系间窜跃等方式无辐射跃迁至激发态T1 ，最后以发光的方式释放出能量而回到基态S0 。由于激发态和基态S0 具有不同的自旋多重度，这一跃迁过程是被跃迁选择规则禁戒的，因而需要比释放一般荧光更长的时间（从10-4秒到数分钟乃至数小时不等）来完成该过程；当停止入射光后，物质中还有相当数量的电子继续保持在亚稳态上并持续发光直至所有的电子回到基态，这种缓慢释放的光通常被称为磷光，磷光频率为νp 。 2.1.3 具有荧光现象物质的结构特点
发荧光的物质一般具有下列结构特点：（1）分子中含有共轭双键等强吸收基团，且在一定程度上共轭体系越大，π电子的离域性越强，越易被激发而产生荧光。（2）分子的刚性平面有利于荧光产生。刚性平面结构主要可以减少分子的振动和碰撞去活的可能，有利于荧光的产生。（3）诸如-OH、-NH2、-OR等给电子取代基可使共轭体系增强，导致荧光增强[7]。
2.2 第二组报告——调查寻找生活中存在的典型荧光物质
该组同学首先通过网络和图书馆相关资料查询具有荧光性质的物质名称和结构，再分析这些物质可能存在于哪些日常生活常见的物品，最后再实地寻查菜场、药店、超市等多个场地收集含有荧光物质的具体物品。通过不懈的努力共寻得日常生活中含有荧光特性物质多种（如表1所列）。
该组同学在完成本组任务的过程中不仅充分锻炼了信息获取能力，更走入了社会提升了沟通和交流的能力。
2.3 第三组汇报——利用生活中常见荧光物质引发荧光实验
第三小组是由整个实践小组实验能力最强，且最喜欢动手操作的学生组成的。他们不仅要设计不同的实验方案将第二小组同学收集来的含有荧光物质的各种日常物品中的荧光物质释放，还要多次实验从而摸索出观察到荧光现象的最佳途径。多次的实验不仅是实验能力的提升，更是意志的锻炼，荧光实验的成功不仅证实第二组同学研究结果的真实性，更让学生进一步理解实验是化学的基础。
2.3.1 实验1 叶绿素荧光实验
所需仪器与试剂：紫外光源（波长315～400 nm）、研钵和研杵、100 mL烧杯、3～5片菠菜叶子、95%乙醇。（此处使用紫外光源为网购一般驱虫用的黑光灯）
实验过程：取2～3片菠菜叶在研钵中磨碎，然后将研碎的菠菜叶溶解在50 mL 95%乙醇中，过滤得滤液。在暗室用紫外光源照射菠菜汁，观察荧光。如果观察不到荧光，加入乙醇稀释该溶液。实验观察到绿色溶液在紫外灯照射下呈现红色荧光。
2.3.2 实验2 原卟啉荧光实验
所需仪器与试剂：紫外光源（波长315～400 nm）、100 mL烧杯、棕色壳鸡蛋2只、0.1 mol/L盐酸。
实验过程：将2只棕色蛋壳放入50 mL 0.1 mol/L盐酸中，盐酸与蛋壳中的碳酸钙反应，鸡蛋壳表面立即产生大量的气泡，待碳酸钙反应完毕后，蛋壳中的原卟啉被释放出来。在暗室中用紫外灯照射含有原卟啉的溶液，可以观察到绿色荧光现象。
2.3.3 实验3 维生素B2荧光实验
所需仪器与试剂：紫外光源（波长315～400 nm）、100 mL烧杯、研钵和研杵。
实验过程：在研钵中将复合维生素片研磨成粉末，并将粉末转移到烧杯中加50 mL水溶解，随后在暗室中用紫外光照射，可观察到黄绿色荧光现象。
2.3.4 实验4 奎宁荧光实验
所需仪器与试剂：紫外光源（波长315～400 nm）、100 mL烧杯、黑松汽水或通力水。
实验过程：将黑松汽水倒入烧杯中，直接在暗室中用紫外灯照射，可观察到红色荧光。
2.4 第四组汇报——如何正确看待荧光现象
第四组同学通过网络和各类期刊文献调查荧光现象的应用范围、应用实例以及应用原理，并将所调查的结果写成综述，在整个综合实践小组展示。学生在综述的过程中学习了科技文献的写作，提升了资料整合能力。
2.4.1 荧光现象的应用综述
2.4.2 对于荧光现象的评价
荧光现象是特殊结构的物质产生的特殊光化学现象，广泛存在于我们的生活之中。此类现象并不神秘，我们应从容看待，遇到诸如“猪肉荧光”等新闻报道时不应为事物表面的“神秘”所蒙蔽，而应具有从事物本质看待具体问题的基本观念。此外，正确利用荧光物质和荧光现象可更多发展科技，造福人类。如奎宁等物质本身具有荧光性，但人们关注这类物质荧光性以外的用途，也是对物质应用的不同方面。同时也应注意荧光现象使用的适度问题，如利用荧光物质给纸类等增白不应一味追求“白”而忽略荧光物质给人类健康带来的危害。只有根据生产生活实际，合理适度利用荧光现象才是科学的做法。
3 总结与反思
本综合实践活动，是我们尝试在学生中开展的一个较具学科深度的研究课题。通过该课题的开展，我们认为化学综合实践活动课题的选择应充分关注生产生活热点与学生的兴趣点，兼顾这两点的课题能够充分激发学生自主学习的热情，为活动的顺利开展提供的动力与激情。
本活动的开展教师并未完全放手，而是在最初的知识准备阶段和活动小组建立过程中发挥了主导作用，教师有效的组织和引导是顺利开展综合实践活动的重要保障。
该综合实践活动从内容上看，涉及理论的学习，文献的查找、实验的开展、物质的寻求等多个方面，要求学生通力合作方可完成。多方面能力的培养是综合实践活动开展的宗旨，综合实践活动的设计应兼顾以上所述各个层面。
从最终呈现的活动成果来看，我们的研究并未能涵盖“荧光现象”的所有问题，研究的结果也未能提出创新的观点。但综合实践活动侧重于学生科研意识、分析问题能力以及实践操作能力的培养，为今后发展打下基础。
参考文献：
[1]阎蒙钢，马旭明.综合实践活动中培养学生化学科学素养的探讨[J].化学教育，2008，（2）：29～30.
[2] http：//finance.jrj.com.cn/consumer/2011/11/22151411619339. shtml.
[3] http：//www.apsafe.cn/zhuanti/fgzr/.
[4]许世生，董占伟等.因地制宜地开展自主研究性学习——化学综合实践活动教学案例[J].化学教育，2010，（8）：28～31.
[5][6]荧光（百度互动百科）http：//www.hudong.com/wiki/%E8-%8D%A7%E5%85%89.
[7]华中师范大学等编.分析化学（下册）（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2001：53～55.
[8][12]张奚宁，马君等.激光诱导荧光光谱中内源性原卟啉Ⅸ对胃癌生长状态的标示作用[J].激光生物学报，2008，（6）：720～722.
[9]田兰，孔彬等.固相萃取结合HPLC-荧光法测定人血浆中维生素B2 含量[J].药物分析杂志，2012，（12）：2150～2153.
[10]马明阳，屈颖娟，李晨露.荧光光谱法测定多种复杂样品中的维生素B2 [J].光谱实验室，2011，（3）：1138～1141.
[11]陈默，尹世久.防伪印刷技术与化学[J].化学教育，2008，（2）：1～3.