《Journal of Chemical Education》：Introducing Acid–Base Titration on Paper-Based Analytical Devices in a High-School Chemistry Laboratory for the Determination of Acetylsalicylic Acid
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摘要翻译：在本研究中，研究人员采用纸基分析装置（PADs）在高中化学实验室中引入一种简单、快速、便携且低成本的酸碱滴定方法。学生们分别进行了传统滴定和纸基滴定，以测定阿司匹林?药片中乙酰水杨酸（ASA）的含量。该学习型实验旨在向学生介绍PADs的概念和酸碱滴定
摘要翻译：在本研究中，研究人员采用纸基分析装置（PADs）在高中化学实验室中引入一种简单、快速、便携且低成本的酸碱滴定方法。学生们分别进行了传统滴定和纸基滴定，以测定阿司匹林?药片中乙酰水杨酸（ASA）的含量。该学习型实验旨在向学生介绍PADs的概念和酸碱滴定基本原理，并通过问卷评估他们对两种滴定方法在便携性、废物产生、溶液消耗量等方面的认知，以及这些方法对其学习体验和技能提升的贡献。2025年第二学期，32名高中生在四次90分钟的课程中完成了该实验。学生的评价非常满意，总体而言，该实验有助于他们在高中阶段的学习体验。
论文解读：基于纸基分析装置的高中化学酸碱滴定实验研究
研究背景与意义：在过去的二十年中，纸基分析装置（PADs）因其轻质、廉价、便携、生物相容性好等优势，在临床诊断、治疗药物监测、食品质量控制、法医筛查、环境监测及化学教育等多个领域得到广泛应用。纸的多孔结构可通过毛细作用自发输运溶液，无需外部设备，这使其成为低资源教学实验室的理想平台。尽管已有研究将纸基滴定引入本科教学，但在高中化学实验室中利用PADs进行定量分析的案例仍然较少。传统酸碱滴定需要玻璃滴定管、移液管、锥形瓶等设备，对实验条件要求较高，且样品和试剂消耗量大、废液多，不利于在资源有限的高中实验室开展。因此，本研究旨在开发一种基于蜡打印PADs的微型酸碱滴定方法，用于测定阿司匹林?药片中的乙酰水杨酸（ASA）含量，并评估该方法在高中化学教学中的可行性与学生接受度。
研究内容与结论概览：研究人员设计了包含微孔阵列的蜡打印纸基装置，通过加热使蜡渗透形成疏水屏障，并利用该装置进行强酸-强碱滴定及弱酸（ASA）-强碱滴定。实验中，学生先在微孔中滴加含指示剂的酸溶液，再逐滴加入氢氧化钠（NaOH）溶液，通过肉眼观察整个微孔颜色变化确定滴定终点。32名高中生在四节90分钟课程中完成了从理论学习、传统滴定实践到纸基滴定操作的全过程。结果显示，纸基滴定在分析时间、成本、样品体积、废物产生、便携性、安全性等方面均显著优于传统滴定。通过纸基滴定测得两种品牌阿司匹林药片中ASA质量分别为479 ± 46 mg和448 ± 35 mg，与标示量500 mg的相对误差低于约10%；而传统滴定所得结果误差约为20%，这主要归因于学生对玻璃器皿操作不熟练及终点判断偏差。问卷调查表明，100%的学生认为纸基滴定有趣且低消耗，93.7%认为其用时更短，所有学生均表示该实验增强了动手能力并促进了绿色化学理念的理解。
主要技术方法概述：本研究采用蜡打印技术制造纸基分析装置，使用Corel Draw设计微孔阵列（直径10 mm），通过Xerox ColorQube 8570蜡打印机将图案打印在Whatman? 1号色谱纸上，随后在120°C加热2分钟使蜡熔化并穿透纸孔形成疏水屏障，最后用热覆膜或透明胶带层压防漏液。定量分析中，学生使用数字微量移液器（0.5–10 μL）向微孔中加入5 μL含1%酚酞的ASA溶液（或HCl溶液），干燥后逐次加入0.5–5 μL的NaOH溶液（0.5 μL梯度），通过肉眼观察终点，并利用图像分析软件提取颜色强度和颜色梯度辅助判断。实验所用样品为购自巴西Goiania当地药店的两种品牌阿司匹林?药片（标示含500 mg ASA），NaOH溶液以邻苯二甲酸氢钾（KHP）标准溶液标定。
研究结果分述：
1. 纸基装置的制造优化：研究者测试了不同加热时间对疏水屏障质量的影响。加热1分钟时屏障不完整，出现漏液；加热3分钟和5分钟时蜡过度横向扩散，微孔直径从10 mm缩小至6 mm和5 mm。最终确定120°C加热2分钟为最佳条件，可获得有效屏障并保持微孔尺寸。
2. 强酸-强碱模型滴定：以0.1 mol L?1 HCl（5 μL）和0.1 mol L?1 NaOH进行滴定，分别使用甲基红（红变黄）和酚酞（无色变粉红）作指示剂。结果表明，加入5 μL NaOH时恰好达到终点，符合1:1化学计量关系，清晰展示了滴定剂体积与终点颜色变化的关系。
3. 弱酸（ASA）-强碱滴定：对0.1 mol L?1 ASA标准溶液（5 μL）滴定，同样需要5 μL 0.1 mol L?1 NaOH完全中和，表明该方法可扩展至弱酸体系。
4. 药片中ASA含量的测定：学生分别对两种品牌样品进行纸基滴定（n=16），测得消耗NaOH体积分别为3.4 ± 0.3 μL和3.2 ± 0.3 μL，对应ASA质量479 ± 46 mg和448 ± 35 mg。通过颜色强度曲线和颜色梯度分析，发现在3.5 μL NaOH后颜色强度达到平台，颜色梯度降至10%以下，可辅助判定终点并减少肉眼读数误差。
5. 与传统滴定的比较：定性比较显示，纸基滴定分析时间更快、成本更低、样品体积小（μL级）、仪器简单、废物少、便携性高、技术要求低，可由单人独立完成，且因不涉及大量玻璃器皿而更安全。传统滴定则需要滴定管、移液管、锥形瓶等多种玻璃器材，耗时长，更适合分组进行。
6. 学生反馈：32名学生全部完成问卷。100%学生认为纸基滴定有趣且吸引人，93.7%认为其时间上更具优势，100%认可其低消耗（样品和NaOH）特性，并认为这有助于学习绿色化学和环境化学原理。所有学生均表示此类实验可增强高中学习体验，并且他们的手动操作技能（尤其是微量移液管操作）得到提升。
讨论与结论总结：研究人员指出，纸基滴定在低资源高中实验室中具有巨大潜力，可作为传统玻璃器皿滴定的经济、可持续替代方案。该方法不仅在定量分析上准确度较高（误差<10%），还能通过视觉辅助工具（颜色强度、梯度）降低终点判断难度，甚至对色盲学生有一定辅助作用。研究还提出，基于纸基平台还可拓展其他化学实验，如化学计量学、限制试剂、化学合成、化学平衡移动、反应动力学等，从而推动高中化学教学向主动学习和绿色实践转型。论文发表在《Journal of Chemical Education》，其核心贡献在于为中学化学教育提供了一种创新、可行且环保的实验教学模式。
