含氟牙膏对预防龋齿作用的体外模拟——推荐一个针对非化学专业学生的普通化学设计实验

胡锴 田秋霖 丁琼 陶海燕

(武汉大学化学与分子科学学院 湖北武汉 430072)

设计实验既能有效地培养学生实际分析问题和解决问题的能力，又能满足学生对实验新颖性和学习主动性的需求，被认为是一种有效培养学生自主学习能力和创新意识的实验教学模式。对于非化学专业的学生，因受到实验学时和知识背景的限制，开设设计实验存在一些困难，并且针对性不强。基于此，本文推荐一个针对非化学专业(尤其是医学和药学相关专业)学生开设的普通化学设计实验。

实验研究对象是含氟牙膏。通过互动提问方式引导学生进行实验设计，进而半定量地探究含氟牙膏预防龋齿的效果。实验贴近生活，材料易得，器材简单，拓展性强，能很好地吸引不同层次学生的兴趣。实验内容涉及了诸多化学的基本原理和实验相关操作，如化学反应平衡、反应速率的影响因素、酸碱反应、样品的前处理、指示剂的选择等。考虑到低年级非化学专业学生化学理论和实践知识不足的现状，实验讲义采用互动提问方式。这种做法一方面能促进学生对实验原理的理解；另一方面通过对实验过程中一些关键性细节的提问为学生设计实验提供指导，使学生能有的放矢地设计实验。

实验讲义分两部分：一为学生讲义，主要针对实验设计提问，希望通过回答问题引导学生设计实验；二为一种设计方案示例，主要为教师的实验指导提供参考，不提供给学生。学生依据自行设计的实验方案,与教师进行讨论并修订，然后进行实验。

1 学生讲义

20世纪口腔医学发展的一个重要贡献就是发现氟化物的防龋作用。大量研究表明，使用含氟牙膏刷牙可以有效预防龋齿[1]。WHO也将推广使用含氟牙膏作为21世纪预防龋齿的基本策略之一。

针对含氟牙膏是否能对牙齿起保护作用，以及不同类型和品牌的含氟牙膏在保护牙齿免受酸腐蚀上是否存在差别等问题，本实验以蛋壳作为牙齿的替代物，设计实验测定用含氟牙膏和非含氟牙膏处理后蛋壳抗酸腐蚀的效果。牙膏的保护作用可以通过不同的物理量来体现，如不同蛋壳经过酸处理后质量变化的差异，或者是与酸反应后溶液体系中溶出的钙离子浓度差异[2]等。本实验要求从测定蛋壳与酸反应的产物CO2的性质入手，利用所学的普通化学及实验相关知识，半定量地探究含氟牙膏对蛋壳受酸侵蚀作用的保护，从而间接评价含氟牙膏的护齿作用。

在设计实验方案前，请学生通过查阅资料回答下列问题：

(1) 基本原理问题：

① 牙齿的主要成分是什么？

② 产生龋齿的原因有哪些？通常如何预防龋齿？

③ 市售含氟牙膏中氟有哪些存在形式？从化学原理分析，影响含氟牙膏防龋效果的主要因素有哪些？

④ 通过了解蛋壳的主要成分，说明为什么可用蛋壳代替牙齿来测定牙膏的防龋效果？蛋壳代替牙齿作为测试对象有何优缺点？

(2) 样品前处理问题：

① 做测试前需对蛋壳进行预处理以除去蛋壳膜，如何有效去除蛋壳膜？

② 由于牙膏中氟含量有限，结合牙膏防龋的原理和一些基本化学原理，从牙膏与蛋壳的作用方式及蛋壳的性状分析如何能更好地让牙膏中的氟离子与蛋壳均匀作用，从而提高其保护作用以便于测定。

③ 样本上所黏附的牙膏有效防蛀组分的浓度和厚度等不均匀性因素会影响实验测定。如何从样品处理入手消除不均匀性问题给实验带来的偶然误差？

④ 牙膏中的其他主要成分是否会对实验测定造成影响？如果会，如何将这些影响降到最低或消除？

(3) 测定方法问题：

① 实验中利用了CO2的什么性质来间接测定反应的相对速率？

② 使用量气法时，需要控制哪些变量和实验条件才能使实验数据尽可能真实地反映实际状况，减少人为因素的影响？

③ 除量气法外，是否还可以利用CO2的其他性质，如酸性等进行测定？如利用CO2的酸性进行间接测定，选择什么方式能清楚、明了、快速、准确地间接反映出蛋壳处理前后腐蚀程度的差异？

④ 从理论上分析含氟牙膏处理后的蛋壳与酸作用的反应速率较之未处理的蛋壳是快还是慢，为什么？这种速率上的差异是在反应之初表现显著还是反应进行到一定程度之后？针对上述问题，在设计实验评价含氟牙膏作用效果时，蛋壳与酸作用时间的设计应注意什么？

⑤ 含氟牙膏是否产生保护效用的参考标准是什么？实验中的参考组用什么处理比较好？

⑥ 决定实验准确性的关键步骤有哪些？

⑦ 蛋壳处理和测定过程中需要用哪些仪器和药品？通过理论计算，推测各物质的浓度和用量，并通过预实验检测用量是否合适。

2 实验方案示例(教师指导参考)

2.1 蛋壳前处理

(1) 将约5g蛋壳洗净，掰成近似1cm×1cm的小块，放入10mL 2mol·L-1NaOH溶液中，煮沸约10min，待壳内蛋膜完全脱离蛋壳后，停止加热。用冷水将蛋壳洗净，擦干。将其碎成大小近似的小块，备用。并将NaOH溶液倒入指定的回收容器内。

(2) 分别称取自备的不同待测牙膏(包括含氟和不含氟的牙膏)约1.50g(记录牙膏准确用量)，加入10mL水搅拌混合均匀成浆液。向其中加入处理后的蛋壳1.00g，保证蛋壳浸没在牙膏水溶液中。此外，制备一样本，将牙膏水直接换为蒸馏水，其余不变，作为对照标准之一。

(3) 待蛋壳浸泡40min后，将蛋壳上多余的牙膏冲洗掉(先用自来水冲洗，后用蒸馏水冲洗)。

(4) 在110℃烘箱中烘约15min，取出静置冷却。

(5) 将处理好的蛋壳用研钵碾碎，备用。

2.2 牙膏预防龋齿功效测定

(1) 先向烧杯中加入35mL 约0.005mol·L-1NaOH，然后加入3滴0.1%酚酞指示剂，此时溶液呈淡紫红色。

(2) 移取5.00mL NaOH-酚酞溶液于试管中，利用固液反应制备气体的装置(图1)进行测试。检验装置气密性后，准确称取约0.3g 处理好的碎蛋壳于干燥大试管中，量取25mL 1.00 mol·L-1HCl于滴液漏斗中。

图1 反应装置图

(3) 打开滴液漏斗活塞，同时迅速按下秒表。此时蛋壳与HCl发生反应，有气泡从NaOH-酚酞溶液中冒出。不断摇动装有NaOH-酚酞溶液的试管。待溶液刚好由红色褪至无色时按停秒表，记录反应所需的时间。

(4) 重复以上3个步骤，对同样前处理得到的碎蛋壳至少测定3次，取其平均值。

为了减少蛋壳样品差异对实验结果的影响，可重复上述步骤进行反复测定。

3 结语

本设计实验已开设2年，在实际教学中取得了较好的效果。首先，因为实验内容贴近生活，能很好地调动学生实验的积极性和创造性；其次，通过提问方式，间接帮助并指导学生如何进行设计实验；再次，通过查阅资料、实验设计、方案修改与实施、方案的再优化和论文撰写等一系列过程，学生能深刻体会化学实验的科学性和严谨性，并从中初步体验科学研究的基本过程；最后，此实验有助于学生理解一些化学的基本原理并促使他们将所学的化学知识应用于生活实践中，提高实际分析问题和解决问题的能力。

根据讲义，学生会给出许多不同的测定方法，如用排水法测定单位时间内产生的CO2的体积，用pH计法测定CO2引起溶液pH的变化等。无论采取何种方法，都能很好地锻炼学生解决实际问题的能力和实验设计的能力。学生可根据自己设计的方案进行实验，教师也可根据学生的设计方案给出指导性意见和建议。相对而言，本文所提供的教师指导参考方案具有以下优点：① 操作简单，实验效果明显，可重复性较强。例如依照上述方案，空白对照组为蒸馏水时酚酞褪色时间约为12s，而含氟牙膏组的褪色时间可达到20s，两者有较明显的差别。通常不含氟牙膏褪色时间较含氟牙膏要短，更接近蒸馏水的褪色时间。但如果某牙膏中添加了某些特殊成分如CPPs(酪蛋白磷酸肽)、NovaMin或Pro-Argin等具有防龋固齿的成分[3-5]，虽牙膏本身不含氟但也表现出较好的抗酸作用，可使酚酞褪色时间超过20s。② 从设计思路上看，巧妙地利用了CO2溶于水后体系pH变化的特点，以酚酞做指示剂，终点变化明显，大大地减少了人为因素引起的误差。另外此方法能很好地扩展学生对于酸碱反应以及性质检测的理解。③ 实验的可改造性很强，可适应不同知识背景学生的要求。在实验装置上，如无滴液漏斗则可采取大试管套小试管的方法使固液在反应前分离，从而对装置进行简化。针对反应过程中碎蛋壳易被产生的CO2气体带到试管上部使之无法更充分地与酸反应的问题，可设计小瓷板或其他隔板将蛋壳固定于大试管下部，这样蛋壳就能更充分地与酸反应。试剂也可有多种选择，如用醋酸、柠檬酸等代替盐酸。无论用何种酸进行反应，其关键在于通过调节酸的浓度控制反应速率，使反应不至过快或过慢，从而得到有区分度的测定数据。

总体而言，本实验的开放度较高，有足够的空间供学生发挥主动性和创造性。此外，实验还可依据学生的知识水平和动手能力进一步拓展，如用氟离子选择性电极定量测定含氟牙膏中氟离子的浓度或者通过光度法测定氟离子的含量等。

参 考 文 献

[1] 王子华,石四箴.牙体牙髓牙周病学杂志,2002,12(8):455

[2] 陈舟,罗宗莲,杨松.华西口腔医学杂志,2001,19(1):20

[3] 张琼,邹静.国际口腔医学杂志,2008,35(4):49

[4] Rao S K,Bhat G S,Aradhya S,etal.JEvidBasedDentPract,2010,10(3):154

[5] 熊正慧,夏露,梅蕾.中华口腔医学杂志,2011,46(4):214