待分析的樣品為加入花青素顯色的六管buffer,pH值分別為3、4、5、7、8、9。今有紅、藍、綠顏色的LED燈與一個光電感測器,使用純水校正光電流電壓為1.2V後,我們將令三種不同色光分別通過六管裝有buffer的比色管,量測光電感測器產生的電壓,與純水比較後得知六管溶液的吸光程度。
得知各管的吸光程度後,資料將被輸入軟體製作成圖表並進行數據分析。藉此,希望能找出經驗公式,將未知溶液經由光電分析後,數據代入公式即能求出正確的pH值。
使用Excel將數據轉換為散布圖(表一),橫軸為pH值,縱軸為樣品與純水的電壓差(即 1.2 - 樣本電壓)。使用線性的趨勢線分析。
在我們的實驗數據中,紅色LED不論是全部一起或是依酸鹼分開來看皆是高度相關;然而,我們發現在綠色與藍色的圖表有一些問題。在綠色LED(全部資料中度相關)的數據裡,若單獨看pH7、8、9三筆資料,三筆資料其實是低度相關;在藍色LED,宏觀來看是低度相關,然而若將酸性的資料與其他資料(中性與鹼性)分開,兩組都將是高度相關。所以我們嘗試將酸性與其他資料分開比較,得到表二。
在表二中,除了綠色LED鹼性組的資料是低度相關外,其他組的資料皆是高度相關,所以綠色鹼性組被捨棄。
鹼性公式選擇相關程度最高的藍色LED鹼性組;而酸性公式的部分,原應也依相關程度選擇綠色LED酸性組,但是試驗結果顯示並不符合。試驗了其他LED的酸性組(同樣也是高度相關)後,發現酸性組全軍覆沒。其中紅色LED酸性組的關係式最接近答案,但是相對誤差仍達到了13%。
試驗結果如下表。得到關係式:
【鹼性+中性】:pH = 18.13Vd – 1.1264,為藍色LED鹼性組的結果。
【酸性】:沒有得到準確的關係式,僅能有最接近的式子:pH = 7.89Vd – 1.816 ,為紅色LED酸性組的結果。
上述兩式中的Vd為量測電壓值與純水電壓值(標準1.2V)的差。
使用兩管未知溶液進行光電分析,所得到的電壓數據依樣本酸鹼性分別代入上述兩個關係式,得到的答案是8.36以及2.9,而正確答案是8.5和3.3。
▲選擇相關程度最高的藍色LED鹼性組為鹼性公式,合乎期待得到準確的值;然而酸性公式選擇的組皆未符合期待,得到錯誤值。其中最接近者為2.92。
鹼性公式得到了一個相對準確的值,然而酸性公式很明顯是不準確的,也許有以下原因:
這次實驗就是一個小研究,讓我們真正從實驗數據和現象推理,最後導出研究結果。也許這才算是真正的「實驗」吧!平常的「實驗」裡,我們總是清楚每一個步驟,也早就知道了實驗結果,若有不符合便是「做錯了」。這樣的活動應該稱為「實作」。當年密立坎發表了油滴實驗的研究,將電量量子化;而其他的科學家也依照他的模式,進行油滴實驗的再現。然而,許多人做出來的結果與密立坎有一些出入,到最後才證實,其實密立坎當初使用了不精確的空氣黏滯係數。如果當初科學家們都抱著「實作」的心態,今天也不會有精確的電子電量。這堂課完全必須使用科學素養,以及求精確、求合理脈絡的實驗精神,這才是一個謹慎的研究者必備的基本心態。
來到科培課程的同學,大多有先修或本身是資優班、科學班,論知識,應比一般學生來得多;然而論起實驗精神以及研究心態,我們確確實實的經驗不足。即使被教授轟炸,這堂課也應是所有課程中,讓我們學到最多的一堂。