對(duì)生物實(shí)驗(yàn)試劑---層析液配方改進(jìn)的探索與思考

1、對(duì)生物實(shí)驗(yàn)試劑-層析液配方改進(jìn)的探索與思考摘 要 關(guān)注人的發(fā)展是新課程的核心理念，這一理念要求生物實(shí)驗(yàn)員在實(shí)驗(yàn)室管理與教學(xué)中，既要掌握生物實(shí)驗(yàn)的基本操作技能，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，發(fā)展學(xué)生的智力，更要關(guān)心學(xué)生的身體健康，避免實(shí)驗(yàn)藥品的危害。苯是一種毒性很強(qiáng)的有機(jī)物，美國(guó)早在1992年就停止苯在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的使用。在光合色素的提取和分離實(shí)驗(yàn)中，筆者根據(jù)學(xué)?，F(xiàn)有的條件，經(jīng)過課余多次實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)用低毒性的甲苯代替苯對(duì)層析液的配方進(jìn)行改進(jìn)，不但可以減輕藥品苯對(duì)師生身體的危害，還可以使四條色素帶分離更明顯。因此，筆者建議用甲苯替代苯配制層析液，使實(shí)驗(yàn)更安全、環(huán)保，使實(shí)驗(yàn)效果更好。關(guān)鍵詞 苯 甲苯 層析液

2、色素分離 一、課題的提出 生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)和觀察為主的學(xué)科。生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、鞏固知識(shí)、開發(fā)智力和創(chuàng)新思維、形成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度以及協(xié)作精神等方面起著重要的作用，是實(shí)施素質(zhì)教育的最有效形式。生物課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出：生物教學(xué)要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)和其他實(shí)踐活動(dòng)的教學(xué)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生觀察能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α⑺季S能力和自學(xué)能力等能力的培養(yǎng)；要關(guān)注教學(xué)資源的開發(fā)，如利用替代物品、藥劑、儀器等，爭(zhēng)取創(chuàng)造性地增加低成本的實(shí)驗(yàn)和其他實(shí)踐活動(dòng)，消除生物實(shí)驗(yàn)的安全隱患，促進(jìn)學(xué)生的健康成長(zhǎng)與發(fā)展。作為一名已有20多年實(shí)驗(yàn)工作經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)員，深知學(xué)生才是教學(xué)過程的起點(diǎn)和終點(diǎn)，是教育的本體，關(guān)注人的發(fā)展是新

3、課程的核心理念；深知自己唯有高度重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，積極投身于新課程改革的大環(huán)境中，堅(jiān)持以“管理育人，服務(wù)育人”的理念，時(shí)刻為學(xué)生的終身發(fā)展服務(wù)，為提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)著想，才能應(yīng)對(duì)現(xiàn)代社會(huì)和教育發(fā)展對(duì)實(shí)驗(yàn)教師的需要。 然而生物實(shí)驗(yàn)中有不少藥品具有一定的刺激性、腐蝕性和毒性，如氫氧化鈉溶液呈強(qiáng)堿性，對(duì)人體健康具有負(fù)面影響，使用時(shí)務(wù)必小心，最好能戴上手套；過氧化氫具有強(qiáng)腐蝕性，對(duì)身體有害，經(jīng)人體皮膚吸收可造成傷害，最好戴好手套和護(hù)目鏡；丙酮、二苯胺具有一定的毒性，使用后務(wù)必洗手，等等。從學(xué)生的健康著想，筆者以為在生物實(shí)驗(yàn)中一方面要培養(yǎng)學(xué)生的衛(wèi)生與健康意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生良好的生活衛(wèi)生習(xí)慣，另一方面教師更應(yīng)

4、探索用低毒性或無毒性的藥品代替毒性較強(qiáng)的藥品，以減輕藥品對(duì)學(xué)生身體的危害，使實(shí)驗(yàn)更安全、環(huán)保，這也是每一位教師義不容辭的職責(zé)與任務(wù)。 高中生物光合色素的提取和分離實(shí)驗(yàn)中，由于層析液的成份苯對(duì)師生的健康危害較大，因此從學(xué)生、老師的身體安全考慮，多年來筆者一直在苦苦探索一種無毒性或低毒性的藥品來替換它。經(jīng)過課余時(shí)間多次的實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)，筆者發(fā)現(xiàn)用低毒性的甲苯代替苯對(duì)層析液的配方進(jìn)行改進(jìn)，不但可以減輕藥品苯對(duì)師生身體的危害，還可以使四條色素帶分離更明顯。為此筆者提出了用低毒性的甲苯代替苯對(duì)層析液配方進(jìn)行改進(jìn)的建議。下面就此問題談?wù)勛约旱膶?shí)踐探索與思考，以供同行參考。 二、課題研究的理論依據(jù)1. 苯在“光合

5、色素的提取和分離”中的作用光合色素在光合作用中起著吸收、傳遞與轉(zhuǎn)化光能的作用，為了能讓學(xué)生更深地理解葉綠體中色素的作用，葉綠體中色素的種類與顏色，高中生物新課程仍安排了“光合色素的提取和分離”實(shí)驗(yàn)。其實(shí)早在 1954年，生物化學(xué)家阿諾恩從菠菜葉細(xì)胞中獲得十分完整而且能夠把全部光合反應(yīng)進(jìn)行到底的葉綠素。絕大多數(shù)植物葉綠體中含有胡蘿卜素、葉黃素、葉綠素a和葉綠素b。其中葉綠素a存在于所有放氧生物中，葉綠素b存在于高等植物和綠藻中。在高中生物實(shí)驗(yàn)中，光合色素的提取和分離實(shí)驗(yàn)一直占有很重要的地位。實(shí)驗(yàn)要求將綠葉中的各種色素提取出來，并用紙層析法把各種色素在濾條上分離開，形成一條條不同色素相對(duì)應(yīng)的色帶。

6、實(shí)驗(yàn)的基本原理是：（1）綠葉中的色素能夠溶解在有機(jī)溶劑丙酮、乙醇中，因此，可以用丙酮、乙醇來提取綠葉中的色素。 （2）綠葉中的色素都能溶解在層析液中，不同的色素在層析液中的溶解度不同，溶解度高的色素隨層析液在濾紙上擴(kuò)散得快，反之則慢。所以，幾分鐘之后，綠葉中的色素就會(huì)隨著層析液在濾紙上的擴(kuò)散而分離開。由于苯是一種良好的有機(jī)溶劑，而且性質(zhì)相對(duì)比較穩(wěn)定。因此，苯一直以來被作為該實(shí)驗(yàn)的層析液材料。這種層析液的配置方法為：20份石油醚、2份丙酮、1份苯。2. 用甲苯代替苯對(duì)層析液配方進(jìn)行改進(jìn)的依據(jù)眾所周知，苯是一種毒性大、滲透性較強(qiáng)、易揮發(fā)的有機(jī)物。它可以通過皮膚、呼吸道進(jìn)入人體，而且難以排泄。短時(shí)間

7、內(nèi)吸入高濃度苯蒸氣可造成急性中毒，產(chǎn)生頭痛、頭暈、咳嗽、胸悶、興奮、步態(tài)蹣跚、神志模糊、血壓下降、肌肉震顫、呼吸淺快、脈搏快而弱等現(xiàn)象。早在1982年，醫(yī)學(xué)家首次發(fā)表了苯與白血病有關(guān)的研究報(bào)告。此后，許多國(guó)家相繼報(bào)道了由于接觸苯而發(fā)生再障淋巴瘤和白血病等造血系統(tǒng)的病例。無論是流行病學(xué)調(diào)查還是實(shí)驗(yàn)室研究，都證明大量接觸苯與白血病有因果關(guān)系。世界衛(wèi)生組織下屬國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)（IARC）1993年對(duì)苯的致癌性評(píng)級(jí)為：一類人類致癌物。其主要有以下四個(gè)方面：1、 直接致癌機(jī)制；2、 破壞骨髓微循環(huán)，導(dǎo)致造血干細(xì)胞分化和成熟遲緩，乃至凋亡； 3、 產(chǎn)生大量自由基并形成損傷；4、 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，苯代謝可與細(xì)

8、胞中的DNA結(jié)合，在組織中形成DNA化合物，并抑制DNA和RNA合成。2007年10月，有機(jī)化學(xué)博士、現(xiàn)任美國(guó)3M公司產(chǎn)品部門代表張亦帆先生來母校參觀實(shí)驗(yàn)室時(shí)，也嚴(yán)肅地指出：苯是一種毒性很強(qiáng)的有機(jī)物，美國(guó)早在1992年就禁止在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中使用苯。再說目前一般農(nóng)村高中生物實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)設(shè)備還比較差，除了開門窗通風(fēng)換氣以外，幾乎沒有其他通風(fēng)設(shè)備。盡管在層析液中苯的含量較少，但幾十個(gè)組合在一起，加上學(xué)生在操作中不小心打翻，清洗時(shí)殘液的揮發(fā)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)室還是充滿了苯蒸氣。苯主要是以蒸氣形態(tài)經(jīng)呼吸道進(jìn)入人體，這給學(xué)生、老師的身體健康帶來很大的危害。07學(xué)年實(shí)施的普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（生物）對(duì)該實(shí)驗(yàn)的安全性也有

9、所提高，已將溶解色素用的丙酮改為乙醇，但層析分離時(shí)所用的層析液仍采用毒性很強(qiáng)的苯進(jìn)行配制。本人在二十多年的生物實(shí)驗(yàn)工作經(jīng)歷中也發(fā)現(xiàn)，該層析液對(duì)學(xué)生和老師的健康危害較大，經(jīng)常會(huì)有頭疼、惡心現(xiàn)象發(fā)生，其首當(dāng)其沖的就是苯。而甲苯屬低毒，進(jìn)入人體后，可以在人體的NADP（轉(zhuǎn)酶）存在下被氧化成苯甲醇，再在NAD（轉(zhuǎn)酶）存在下氧化為苯甲醛，生成甲基苯甲酸，然后與甘氨酸結(jié)合形成甲基馬尿酸，在18小時(shí)內(nèi)幾乎全部排出體外。即使是吸入后殘留在肺部的少量的甲苯，也在接觸后3小時(shí)內(nèi)（半衰期為0.51小時(shí)）全部呼出體外。實(shí)驗(yàn)中殘留的甲苯，在清洗時(shí)進(jìn)入水體，由于甲苯在水溶液中揮發(fā)的較快，其在地表水中，不是持久性的污染物，

10、揮發(fā)到空氣中的甲苯也能被光解。因此，無論是安全方面，還是環(huán)保方面，該實(shí)驗(yàn)中使用甲苯都比使用苯更加合適。為學(xué)生、老師的身體健康考慮，根據(jù)學(xué)?，F(xiàn)有的條件，筆者通過多次實(shí)驗(yàn)探索，發(fā)現(xiàn)用低毒的甲苯取代苯來完成“光合色素的提取和分離”實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻玫礁玫男Ч?。三、用甲苯代替苯?duì)層析液配方進(jìn)行改進(jìn)的探索1.實(shí)驗(yàn)步驟筆者在每次試驗(yàn)中，為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可行可信，都統(tǒng)一采用了新鮮的菠菜葉作為提取色素的材料，用95乙醇作溶解色素的溶劑，將20份石油醚（6090下分餾）、2份丙酮、1份甲苯配制成層析液；每次試驗(yàn)都采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)；每次對(duì)比實(shí)驗(yàn)都采用同一磨制、過濾的色素溶解液與同時(shí)用苯和甲苯配制的不同的層析液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到

11、了非常理想的實(shí)驗(yàn)效果。具體操作過程如下： 將剪成一厘米寬十厘米長(zhǎng)的濾紙條放干燥箱進(jìn)行干燥處理。 分別用一份苯和甲苯與二份丙酮、二十份石油醚配制成兩種不同的層析液。 在研缽中放入5克剪碎的新鮮的菠菜葉子、0.5克碳酸鈣、0.5克二氧化硅，先將其快速研磨成漿狀，再放入12毫升95乙醇快速研磨使其混合均勻，靜置十幾秒鐘。 過濾提取上述中的濾液。 點(diǎn)樣。用自制的毛細(xì)吸管在干燥處理過的濾紙條上畫濾液細(xì)線。（為確保有足夠的色素，形成清晰的色素帶，有利于分析，在試驗(yàn)中每次待濾液干燥后再重復(fù)畫3次到5次直到8次。） 分離葉綠體中的色素。將點(diǎn)樣后的濾紙條一分為二，分別同時(shí)放入盛有不同的層析液的小燒杯中進(jìn)行層析。

12、 觀察小燒杯中濾紙條上色素分離的情況，并記錄所需時(shí)間。 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性，每次試驗(yàn)都采用足夠量的濾紙條，并且在不同的時(shí)間段反復(fù)進(jìn)行。同時(shí)對(duì)用甲苯配制而成的層析液的穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)，通過對(duì)其進(jìn)行連續(xù)七天的跟蹤實(shí)驗(yàn)，得知只要將該層析液保存在密閉容器里，一個(gè)星期內(nèi)其效果將始終保持不變。下表是生物實(shí)驗(yàn)教師與高一兩個(gè)班級(jí)學(xué)生進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果記錄：層析液20份石油醚 2份丙酮 1份甲苯 20份石油醚 2份丙酮 1份苯 實(shí)驗(yàn)材料新鮮不沾水菠菜葉子5克碳酸鈣0.5克二氧化硅0.5克無水乙醇12毫升新鮮不沾水菠菜葉子5克碳酸鈣0.5克二氧化硅0.5克無水乙醇12毫升畫濾液細(xì)線次數(shù)8次8次層析

13、時(shí)間5分5分實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)四條色素帶所占比例老師多次實(shí)驗(yàn)1000學(xué) 生實(shí) 驗(yàn)91.523只出現(xiàn)三條色素帶所占比例（無胡蘿卜素）老師多次實(shí)驗(yàn)0100學(xué) 生實(shí) 驗(yàn)8.577在學(xué)生的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，由于少數(shù)學(xué)生在層析時(shí)心太急，過早的從層析液中取出濾紙條，因此導(dǎo)致只出現(xiàn)了三條色素帶的情況。2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果中我們可以清楚地看到：1、用甲苯代替苯，沒有影響擴(kuò)散效果。兩種情況下，擴(kuò)散的速度基本一致。3分鐘時(shí)，用甲苯作層析液材料的濾紙條上，已清楚顯示出四條色素帶，5分鐘后逐步達(dá)到穩(wěn)定。2、用甲苯代替苯，實(shí)驗(yàn)?zāi)軌颢@得更明顯的四條色素帶。特別是第一條胡蘿卜素與第二條葉黃素之間，分離十分明顯。【見圖一】葉

14、黃素葉綠素b胡蘿卜素 葉綠素a層析液高度 圖一（圖中右邊三條層析時(shí)間為5分鐘，左邊三條層析時(shí)間為7分鐘。）這是筆者在層析液配方改進(jìn)試驗(yàn)中得到的又一大收獲。筆者從事生物實(shí)驗(yàn)工作二十余年，在輔導(dǎo)學(xué)生做該實(shí)驗(yàn)時(shí)從未發(fā)現(xiàn)過這么漂亮齊全的四條色素帶。一直以來，我們都采用苯配制層析液，通常只能比較清楚地看到葉黃素、葉綠素a、葉綠素b三條色素帶和一條擴(kuò)散的特別高（與層析液上升的高度平齊）、特別細(xì)、特別齊的橙黃色帶，往往被部分生物教師與學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為這是胡蘿卜素，其實(shí)這僅是一條層析高度的痕跡而已，并不是真正的胡蘿卜素，希望教師們引起注意?！疽妶D二】葉綠素b葉黃素層析液高度葉綠素a 圖二 （圖中右邊三條層析時(shí)間

15、為5分鐘，左邊三條層析時(shí)間為7分鐘。）由此可見，長(zhǎng)期以來本實(shí)驗(yàn)中其實(shí)根本沒有層析出真正的胡蘿卜素色素帶，難怪最上面的那條帶子由于其顏色、位置（特別是顏色）與胡蘿卜素色素帶非常相近，好多師生就以為這就是胡蘿卜素的色素帶了，因而始終認(rèn)為實(shí)驗(yàn)的成功率很高。但筆者始終早就覺得不對(duì)勁：為什么這條色素帶與下面三條色素帶的形狀完全不同？而且無論實(shí)驗(yàn)成功與否，哪怕其它三條色素帶都沒有層析出來，它始終是哪么整齊的存在在濾紙條上。為排除綠葉的問題，筆者采用不同的綠葉來提取色素濾液進(jìn)行反復(fù)層析試驗(yàn)，通過仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)這條其實(shí)并非胡蘿卜素，而是層析液上升的高度所留下的痕跡。那為什么沒有胡蘿卜素色素帶？實(shí)驗(yàn)之余也常與任課

16、老師探討此問題，但總是以胡蘿卜素是很難做出來的，胡蘿卜素與葉黃素是很難拉開的結(jié)果而告終。在這次試驗(yàn)中終于讓我、讓老師們清楚地看到這條實(shí)實(shí)在在的橙黃色的胡蘿卜素，清楚地看到這完整的四條色素帶。同時(shí)也徹底消除了過去的誤解。2008年11月11日11月14日，在我校高二年級(jí)光合色素的提取和分離學(xué)生實(shí)驗(yàn)中，全面采用用甲苯配制的層析液來做此實(shí)驗(yàn)，取得很好的實(shí)驗(yàn)效果。除了少數(shù)同學(xué)由于受時(shí)間的限制或操作不夠熟練而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)沒有成功外，基本上都獲得了四條清晰的色素帶。我們隨機(jī)統(tǒng)計(jì)了一個(gè)班，成功率達(dá)83。四、對(duì)用甲苯代替苯對(duì)層析液配方進(jìn)行改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論與思考1實(shí)驗(yàn)改進(jìn)建議由上實(shí)驗(yàn)可知，甲苯與苯對(duì)色素的溶解度雖然有

17、所不同，穩(wěn)定性也有所不同，但是用甲苯替代苯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)四條色素帶擴(kuò)散的時(shí)間沒有什么影響，而且四條色素帶的擴(kuò)散效果更好，實(shí)驗(yàn)也更加安全、環(huán)保。因此，筆者認(rèn)為在高中生物“光合色素的提取和分離”實(shí)驗(yàn)中可用甲苯替代苯配制層析液，這將有利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，有利于師生的身體健康。2實(shí)驗(yàn)探索思考本課題的實(shí)驗(yàn)探索對(duì)筆者的觸動(dòng)很大，從中筆者認(rèn)識(shí)到開展生物實(shí)驗(yàn)研究，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材與藥品，讓學(xué)生和老師在更加安全、更加環(huán)保的環(huán)境內(nèi)探究科學(xué)知識(shí)，切實(shí)值得生物實(shí)驗(yàn)員去探索與實(shí)踐。因?yàn)樯飳W(xué)不僅是一個(gè)知識(shí)體系，更是一個(gè)探究的過程，實(shí)驗(yàn)探究是生物科學(xué)的基本特征之一，是促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)與理解生物科學(xué)的必要條件。生物教師理應(yīng)在生

18、物教學(xué)中體現(xiàn)探究教學(xué)的特性，讓學(xué)生在探究中經(jīng)歷獲取知識(shí)的過程，在主動(dòng)學(xué)習(xí)中領(lǐng)悟科學(xué)研究的思維方法，培養(yǎng)科學(xué)的態(tài)度，發(fā)展知識(shí)與能力，提升生物學(xué)素養(yǎng)。作為生物實(shí)驗(yàn)員，也必須重視生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)，積極開展生物實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)（包括生物實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)試劑、藥品用量等）研究，為全面貫徹標(biāo)準(zhǔn)的基本要求，提高公民的生物科學(xué)素養(yǎng)，造就一支強(qiáng)有力的生物科技大軍添磚加瓦。在此，我建議同行們行動(dòng)起來，摒棄過于注重知識(shí)講授的教學(xué)觀，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。3后續(xù)研究展望還需要說明的是，在以往的學(xué)生實(shí)驗(yàn)中，用苯、石油醚、丙酮配制的層析液基本上不能層析出四條色素帶，絕大多數(shù)是三條色素帶。在07年11月至12月上旬教師的多次對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，用苯、石油醚、丙酮配制的層析液也層析不出四條色素帶。然而在08年1月9日的學(xué)生對(duì)比實(shí)驗(yàn)中,在用苯、石油醚、丙酮配制的層析液中卻層析出了少量的比較明顯的四條色素帶。在統(tǒng)計(jì)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)還發(fā)現(xiàn)：若用苯配制的層析液中能層析出四條色素帶，則用甲苯配制的層析液中一定能層析出四條色素帶，而當(dāng)用甲苯配制的層析液中能層析出四條色素帶時(shí)，用苯配制的層析