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從LEGO到LIFGO：模塊化理念的延續(xù)

激光誘導(dǎo)熒光檢測（LIF）是最敏感的光譜檢測技術(shù)之一，檢測限可達(dá)到亞皮摩爾級(jí)。作為精密光學(xué)儀器，LIF系統(tǒng)的搭建通常依賴于光學(xué)調(diào)控平臺(tái)，需要在專業(yè)的光電機(jī)械實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行，門檻高，耗時(shí)長，裝配和光路調(diào)校難度較大。

方群教授研究組對基于LIF技術(shù)的毛細(xì)管電泳系統(tǒng)進(jìn)行了長達(dá)二十余年的研究，在LIF的設(shè)計(jì)、組裝和微型化方面已具備堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。對于LIF系統(tǒng)的搭建，方群教授研究組從樂高（LEGO）積木上獲得了靈感——樂高積木具有組裝方便、靈活的突出優(yōu)勢，而這一優(yōu)勢的背后，是其所采取的模塊化組裝理念。那么，模塊化理念是否能引入LIF系統(tǒng)的搭建過程，賦予其優(yōu)越的靈活性與自由度？鑒于此，研究組開始著手開發(fā)一種基于商品化樂高積木的模塊化LIF系統(tǒng)。

開發(fā)過程并非一帆風(fēng)順。其中最大的難點(diǎn)是如何在保證光學(xué)系統(tǒng)精度的前提下，使形狀不規(guī)則的光學(xué)器件與樂高積木匹配。而解決這一難題的秘訣在于3D 打印技術(shù)。經(jīng)測試，3D 打印而成的積木塊可保證各光學(xué)元件之間的對準(zhǔn)，滿足所需的定位精度。這種由商品化樂高積木與3D打印積木共同促成的模塊化搭建模式極大地簡化了LIF系統(tǒng)的搭建過程，LIFGO系統(tǒng)也由此誕生。與常規(guī)的LIF系統(tǒng)相比，LIFGO無需專業(yè)光學(xué)平臺(tái)即可搭建，體積小，成本低，操作簡易，其鮮明的用戶友好特色為長達(dá)8年的 LIFGO本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)埋下了伏筆。

LIFGO—用樂高積木搭建起來的激光誘導(dǎo)熒光檢測系統(tǒng)

從科研到教學(xué)：Play Well, Study Well

LEGO之名源自丹麥語“Leg Godt”，意為“Play Well”。那么，像“搭積木”一樣地“搭儀器”，能否像益智游戲引導(dǎo)兒童探索世界那樣，讓本科生充滿樂趣與向往地投入實(shí)驗(yàn)，探索科研呢？

2013年，研究組將LIFGO系統(tǒng)的構(gòu)建引入到本科生儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。迄今，這個(gè)實(shí)驗(yàn)在化學(xué)系本科二年級(jí)學(xué)生的儀器分析教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中已經(jīng)進(jìn)行了8年。經(jīng)過歷年的優(yōu)化與調(diào)整，如今，大部分參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生都可以在 3 小時(shí)內(nèi)完成LIFGO 系統(tǒng)的構(gòu)建和測試。

 LIFGO系統(tǒng)的搭建實(shí)驗(yàn)采取了開放的教學(xué)模式。指導(dǎo)老師鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)，自由地選擇與組合不同的樂高積木或3D打印積木，用以構(gòu)建具有不同光學(xué)結(jié)構(gòu)和配置的LIFGO 系統(tǒng)。學(xué)生不僅認(rèn)識(shí)和理解了LIF 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與熒光分析原理，鍛煉了動(dòng)手能力和解決問題的能力，更難能可貴的是，他們從多彩而童趣的“搭積木”式實(shí)驗(yàn)中獲得了探索和創(chuàng)造的樂趣。

學(xué)生以小組為單位，合作搭建實(shí)驗(yàn)裝置

從LEGO到LIFGO，從科研到教學(xué)，從中可以看到，嚴(yán)肅的實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)造性的趣味游戲之間不存在重重壁壘，科研也從來不會(huì)是一潭死水。創(chuàng)新意識(shí)的萌芽，科研思維的成長，可能就從一場小組合作的儀器搭建實(shí)驗(yàn)、從自主設(shè)計(jì)的趣味實(shí)踐開始，或者說——從這樣的一次搭積木開始。

該工作近期發(fā)表于 Talanta（https://doi.org/10.1016/j.talanta.2021.123063）。以上工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。