實(shí)驗(yàn)三十四 植物葉綠體色素的提取、分離、表征及含量測(cè)定_第1頁
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1、摘自王尊本主編,綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)(第二版),第226-244頁,北京:科學(xué)出版社,2007年9月。實(shí)驗(yàn)三十四 植物葉綠體色素的提取、分離、 表征及含量測(cè)定1-27一、葉綠體色素的提?。ㄒ唬?實(shí) 驗(yàn) 目 的1)掌握有機(jī)溶劑提取葉綠體色素等天然化合物的原理和實(shí)驗(yàn)方法。2)了解皂化-萃取提取b-胡蘿卜素的原理。3)了解1,4-二氧六環(huán)沉淀法提取葉綠素的原理。(二) 實(shí) 驗(yàn) 原 理植物光合作用是自然界最重要的現(xiàn)象,它是人類所利用能量的主要來源。在把光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的光合作用過程中,葉綠體色素起著重要的作用。高等植物體內(nèi)的葉綠體色素有葉綠素和類胡蘿卜素兩類,主要包括葉綠素a、葉綠素b、b-胡蘿卜素和葉黃素四

2、種。它們所呈現(xiàn)的顏色和在葉綠體中含量大約比例見表34.1。 表34.1 高等植物體內(nèi)葉綠體色素的種類、顏色及含量項(xiàng) 目葉綠素類胡蘿卜素葉綠素a葉綠素bb-胡蘿卜素葉黃素顏色藍(lán)綠色黃綠色橙黃色黃色在葉綠體內(nèi)各色素含量比例312131 葉綠素(chlorophylls)是葉綠酸的酯,它在植物進(jìn)行光合作用中吸收可見光,并將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能。葉綠素是植物進(jìn)行光合作用所必需的催化劑。在綠色植物中葉綠素主要以葉綠素a(C55H72O5N4Mg)和葉綠素b(C55H70O6N4Mg)兩種結(jié)構(gòu)相似的形式存在,其差別僅是葉綠素a中一個(gè)甲基被葉綠素b中的甲?;〈?。葉綠素的基本結(jié)構(gòu)見圖34.1。在葉綠素分子結(jié)構(gòu)

3、中含有四個(gè)吡咯環(huán),它們由四個(gè)甲烯基聯(lián)結(jié)成卟啉環(huán),在卟啉環(huán)中央有一個(gè)鎂原子,它以兩個(gè)共價(jià)鍵和兩個(gè)配位鍵與4個(gè)吡咯環(huán)的氮原子結(jié)合成內(nèi)配鹽,形成鎂卟啉。在葉綠素分子中還有兩個(gè)羧基,其中一個(gè)與甲醇酯化成COOCH3,另一個(gè)與葉綠醇酯化成COOC20H39長(zhǎng)鏈。 類胡蘿卜素(carotenoids)是一類不飽和的四萜類碳?xì)浠衔铮ɡ绾}卜素,carotenes),或它們的氧化衍生物(例如葉黃素類,xanthophylls)。所有的類胡蘿卜素均源于非環(huán)狀的C40H56結(jié)構(gòu)。類胡蘿卜素在強(qiáng)光下可防止葉綠素的光氧化;在弱光下,可作為輔助色素吸收光能并傳遞給葉綠素分子。胡蘿卜素有3種異構(gòu)體,即a-、b-和 g

4、-胡蘿卜素,其中 b-胡蘿卜素含量最多,也最為重要。b- 胡蘿卜素還具有維生素A的生理活性,其結(jié)構(gòu)是由兩分子維生素A在端鏈?zhǔn)煞肿铀Y(jié)合而成。在生物體內(nèi),b-胡蘿卜素受酶催化氧化即形成維生素A。而葉黃素(3,3-二羥基-胡蘿卜素,lutein,C40H56O2)是一種常見的氧化型的類胡蘿卜素。 植物葉綠體色素的提取、分離、表征及含量測(cè)定在植物生理學(xué)、農(nóng)業(yè)和海洋科學(xué)研究中具有重要意義。同時(shí),葉綠素和胡蘿卜素等天然色素在食品工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)中也有廣泛的用途。圖34.1 葉綠素a、葉綠素b、b-胡蘿卜素、葉黃素和維生素A的結(jié)構(gòu)式葉綠素a和b都是吡咯衍生物與金屬鎂離子的配合物,盡管它們分子中含有一些極

5、性基團(tuán),但大的烷基結(jié)構(gòu)使它們易溶于丙酮、乙醇、乙醚和石油醚等有機(jī)溶劑中。而b-胡蘿卜素和葉黃素是典型的四萜化合物。與胡蘿卜素相比,葉黃素易溶于醇而在石油醚中的溶解度較小。由于葉綠體色素在植物細(xì)胞內(nèi)并非以游離態(tài)存在,而是與蛋白質(zhì)等結(jié)合存在于葉片中,在提取時(shí)應(yīng)先將植物細(xì)胞擊破,釋放出葉綠體色素,然后再根據(jù)色素的溶解特性,采用丙酮、乙醇、乙醚、丙酮-乙醚和甲醇-石油醚等有機(jī)溶劑提取。 由于粗提取液中還可能包括殘余植物組織和其它可溶性雜質(zhì),實(shí)驗(yàn)中應(yīng)對(duì)粗提液進(jìn)一步純化。(三)實(shí)驗(yàn)儀器與試劑1.儀器 研缽,量筒,分液漏斗等常用玻璃儀器一套,離心機(jī)一臺(tái)。2.試劑 丙酮,乙醇,乙醚,石油醚等有機(jī)溶劑。飽和氯化

6、鈉水溶液。碳酸鎂和無水硫酸鈉。(四)實(shí) 驗(yàn) 步 驟1葉綠體色素的提取方法一:新鮮綠葉蔬菜,如菠菜、空心菜等,洗凈后棄除葉柄和中脈,然后用吸水紙將菜葉表面的水分吸干。稱取處理過的菜葉5 g,剪碎后放在干凈的研缽內(nèi),加入0.1 g碳酸鎂,先將菜葉粗搗爛,然后加入10 mL乙醇 - 石油醚(2:3),迅速研磨5 min。用一不銹鋼網(wǎng)濾去菜葉殘?jiān)傺心ヌ崛∫淮?。最后再?0 mL乙醇 - 石油醚(2:3)洗滌研缽等容器,一并過濾。方法二:類似于方法一,采用丙酮提取,但在純化時(shí)應(yīng)事先在分液漏斗中加入15 mL石油醚。2粗提取液的純化 純化色素時(shí),將合并的濾液轉(zhuǎn)入分液漏斗,加入5 mL飽和的NaCl溶液

7、和45 mL蒸餾水,輕輕振蕩,放置分層。小心地把下層的含乙醇或丙酮水溶液放掉,余下的色素提取液進(jìn)一步采用離心分離。取上層有機(jī)相,加入少量無水Na2SO4除去殘余水分。若提取液色素濃度太低,可用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)(控制3035水?。┗蚶浯碉L(fēng)方式進(jìn)行適當(dāng)濃縮(約10 mL),轉(zhuǎn)入具塞的棕色瓶中置于暗處保存。3.皂化-萃取法提取b-胡蘿卜素將20 mL植物色素甲醇-石油醚提取溶液移入100 mL分液漏斗中,加入5 mL 30 % KOH甲醇溶液(將KOH加到90 %甲醇水溶液中配制),充分混合后避光放置1 h。葉綠素發(fā)生皂化反應(yīng)脫去甲基和葉醇基,生成葉綠酸。然后,加水25 mL,輕輕振蕩后靜置10 min分層

8、,除去水溶液,即得黃色的b-胡蘿卜素石油醚溶液。然后將石油醚溶液用100 mL蒸餾水分34次洗滌,再經(jīng)過適當(dāng)濃縮后移入分液漏斗,用10 mL 92 %甲醇洗滌,搖動(dòng)后靜置分離,葉黃素萃取進(jìn)入甲醇中。重復(fù)處理3次,合并所得b-胡蘿卜素石油醚溶液。往分離后的甲醇溶液加入等體積的乙醚和等體積的水。振蕩后用分液漏斗分出上層乙醚溶液,加入少量無水硫酸鈉進(jìn)行干燥。過濾后蒸去乙醚,即得深紅色的葉黃素軟膏狀物質(zhì)。4. 1,4-二氧六環(huán)沉淀法提取葉綠素綠色植物葉片的葉綠素用異丙醇提取。往 40 mL冷的濃縮粗提液中滴加 70 mL 1,4-二氧六環(huán)+ 200 mL 0.1 mol/L Na2HPO4 NaH2P

9、O4 緩沖液( pH 7.0 )混合液,然后放在 +5 冰箱過夜。由于1,4-二氧六環(huán)與葉綠素中心的Mg原子進(jìn)一步配合,降低了色素溶解度,析出葉綠素沉淀。離心分離后,可進(jìn)一步用水洗去葉綠素沉淀表面吸附的黃色的類胡蘿卜素。(五)注 意 事 項(xiàng)1)葉綠體色素對(duì)光、溫度、氧氣環(huán)境、酸堿及其它氧化劑都非常敏感。色素的提取和分析一般都要在避光、低溫及無酸堿等干擾的情況下進(jìn)行。乙醚使用前應(yīng)重蒸除去過氧化物。2)使用低沸點(diǎn)易揮發(fā)有機(jī)溶劑要注意實(shí)驗(yàn)室安全。實(shí)驗(yàn)室要保持良好的通風(fēng)條件,不得靠近明火操作。3)提取液不宜長(zhǎng)期存放,必要時(shí)應(yīng)抽干充氮避光低溫保存。(六)思 考 題1)什么是光合作用?2)試討論葉綠素、b

10、-胡蘿卜素的生理意義及實(shí)際應(yīng)用。3)綠色植物葉片的主要成分是什么?提取液可能含有哪些化合物?4)一般天然產(chǎn)物的提取方式有哪些?殘余的植物組織應(yīng)如何除去?5)直接用丙酮提取與用乙醇-石油醚混合溶劑提取對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)有什么影響?二、葉綠體色素的色譜分離(一)實(shí) 驗(yàn) 目 的1)掌握紙色譜分離原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。2)掌握薄層色譜分離原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。3)掌握快速柱色譜分離原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。(二)實(shí) 驗(yàn) 原 理 色譜法是與植物天然色素的分離提取同時(shí)發(fā)展起來的。色譜法(紙色譜、薄層色譜和柱色譜)至今仍然是分離葉綠素等天然色素最有效的方法。 色譜法分離葉綠體色素的基本原理是利用不同色素在各種有機(jī)溶劑中的分配系數(shù)或

11、在吸附劑上的吸附能力的不同,當(dāng)它們通過色譜柱/床時(shí),這種分配或吸附過程反復(fù)多次地進(jìn)行,最后將它們一一分離開來。 通常認(rèn)為,紙色譜屬于分配色譜。它是以濾紙為惰性支持物,濾紙纖維一般能吸收約20 % 的水分,其中有6%7 % 以氫鍵形式與纖維素上的羥基結(jié)合,構(gòu)成紙色譜的固定相。在展開過程中,被分離組分在展開劑和固定相之間不斷進(jìn)行分配,達(dá)到相互分離。薄層色譜和柱色譜的吸附劑(固定相)有硅膠、氧化鋁、硅藻土等無機(jī)物,也有糖類、纖維素、聚酰胺、C18和離子交換樹脂等有機(jī)物。它們的分離機(jī)理也各不相同,如吸附、分配,氫鍵、正相和反相色譜等。對(duì)于紙色譜或薄層色譜,毛細(xì)管作用是推動(dòng)溶劑展開的動(dòng)力。被分離物質(zhì)在圖

12、譜上的位置,可用比移值Rf表示 (34.1)比移值的大小與被分離物質(zhì)的分配系數(shù)大小有關(guān),它是紙色譜法和薄層色譜法實(shí)驗(yàn)中唯一可用數(shù)值表示的重要參數(shù)。在一定的色譜系統(tǒng)中,在確定的溫度下,Rf是被分離物質(zhì)的特征常數(shù)。Rf值差別越大,則分離越完全。對(duì)于相同的色譜體系,薄層色譜的Rf值與液相色譜的容量因子k值之間有一定的關(guān)系 (34.2)即在薄層色譜中展開快的組分,在柱色譜中先出峰。通過薄層色譜實(shí)驗(yàn)可以探索高效液相色譜合適的流動(dòng)相組成。 值得一提的是快速柱色譜(flash chromatography),即加壓柱色譜技術(shù),它是介于經(jīng)典柱色譜和高效制備型液相色譜之間的一種實(shí)驗(yàn)室分離技術(shù),主要用于天然產(chǎn)物和

13、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的快速分離和純化工作。本實(shí)驗(yàn)通過紙色譜、薄層色譜和快速柱色譜方式,進(jìn)一步將植物色素提取液分離成葉綠素a、葉綠素b、b-胡蘿卜素和葉黃素幾個(gè)組分,并對(duì)其進(jìn)行光譜表征和純度鑒定。通過多次制備紙色譜方式也可以得到少量葉綠素a和葉綠素b純品。(三)實(shí)驗(yàn)儀器與試劑1儀器層析缸,大量筒,培養(yǎng)皿,自制的帶有加壓裝置的玻璃快速柱色譜裝置等。新華1號(hào)層析濾紙。2試劑1)CCl4,石油醚,乙醚,乙醇和甲醇等有機(jī)溶劑。2)硅膠G,中性氧化鋁等吸附劑。(四)實(shí) 驗(yàn) 步 驟1紙色譜分離 紙色譜展開方式有上升法、下降法、輻射法和雙向展開等形式。葉綠體色素的分離一般采用新華1# 層析濾紙,展開劑有CCl4、石油

14、醚-乙醚乙醇(30:10:0.5)等。(1)下降法采用2cm25 cm的新華1# 層析濾紙,用毛細(xì)管點(diǎn)樣,斑點(diǎn)不應(yīng)超過5 mm。晾干后,放入圓型層析缸,以CCl4(可選擇其它溶劑,下同)為展開劑展開,使藍(lán)綠色葉綠素a、黃綠色葉綠素b及黃色的類胡蘿卜素相互分開。當(dāng)展開結(jié)束時(shí),將濾紙取出放在通風(fēng)櫥中避光晾干,觀察斑點(diǎn)的顏色和形狀,計(jì)算各色素的Rf值。(2)上升法上升法可在大試管或250 mL的量筒中進(jìn)行。采用2cm30 cm的新華1# 層析濾紙,CCl4展開。(3)制備層析 方法一:取一張11cm層析濾紙,利用毛細(xì)管將色素提取液在濾紙的中心點(diǎn)樣,為提高制備量,吹干后反復(fù)點(diǎn)樣34次,斑點(diǎn)約1cm 。

15、吹干后,用另一干凈毛細(xì)管在樣斑中心斑點(diǎn)點(diǎn)12滴展開劑,讓樣品形成一均勻的樣品環(huán)。沿著濾紙斑點(diǎn)中心穿一個(gè)約3mm洞,做一2cm長(zhǎng)的濾紙芯穿過。取一對(duì)10cm培養(yǎng)皿,其中一個(gè)倒入約1/3的石油醚-乙醚-乙醇(30:10:0.5),放上層析濾紙,蓋好另一培養(yǎng)皿展開。為了減少葉綠素的分解,可將培養(yǎng)皿置于棕色干燥器中。本法可以很好的分離天然葉綠素a和葉綠素b,重現(xiàn)性較好。多次制備可以得到少量高純的天然葉綠素a和葉綠素b純品。 方法二:在一個(gè)半升大的層析缸里進(jìn)行,放入1.5 cm深的CCl4,并讓溶劑飽和一段時(shí)間。取一2020 cm層析濾紙,在濾紙的底部大約2.5 cm處畫一條鉛筆線。利用毛細(xì)管將色素提取

16、液沿著鉛筆線間斷劃一條大約23 cm長(zhǎng)的樣品線,然后使其晾干。必要時(shí)可重復(fù)點(diǎn)樣直至樣品帶呈深綠色。晾干后,將紙卷成一個(gè)松散的圓筒,上端用回型針固定,將其立在層析缸里展開。當(dāng)展開至靠近頂端時(shí),取出濾紙晾干。 紙色譜分離后,可將葉綠素a和葉綠素b色帶分別剪下,用90% 丙酮浸取色素,低溫避光保存,以備配制光譜標(biāo)準(zhǔn)液時(shí)使用。2薄層色譜 薄層色譜是一種常用的實(shí)驗(yàn)室分離技術(shù),具有快速、微量、靈敏度高、分離效率好等優(yōu)點(diǎn)。薄層色譜對(duì)天然產(chǎn)物的分離、鑒定更有獨(dú)到之處,在中草藥有效成分的純化鑒定中廣泛應(yīng)用。 分離葉綠體色素的薄層色譜吸附劑有硅膠、纖維素、聚酰胺和C18等。下面僅介紹常用的硅膠薄層色譜法。(1)薄

17、層板的制備取若干塊洗凈的載玻片(5cm20 cm ),采用硅膠G加適量蒸餾水調(diào)制后制成薄層板,晾干后在105活化0.5 h,放在干燥器內(nèi)備用。(2)點(diǎn)樣取制備好的薄層板一塊,在板兩側(cè)距底邊1.5 cm處各做一記號(hào),用玻璃毛細(xì)管吸取濃縮的色素石油醚提取液,從距兩側(cè)記號(hào)1.5 cm處,分別用毛細(xì)管點(diǎn)樣,斑點(diǎn)不應(yīng)超過5 mm,晾干。(3)展開分離葉綠體色素的展開劑有:石油醚(6090)-丙酮-乙醚(3:1:1);石油醚-丙酮(8:2);石油醚-乙酸乙酯(6:4)和石油醚(3060)-丙酮-正丁醇(90:10:4.5)等。 本實(shí)驗(yàn)將150 mL石油醚(6090)-丙酮-乙醚(3:1:1)展開劑倒入層析

18、缸中,并在層析缸的內(nèi)壁四周貼一張5 cm高的濾紙,濾紙下部浸在展開劑中,蓋好蓋子平衡1015 min。將點(diǎn)好樣的硅膠板放入展開缸里,液面不能超過點(diǎn)樣線,蓋好蓋子進(jìn)行上行層析。待展開劑前沿上升到距硅膠板上端1.52 cm時(shí),取出硅膠板置于通風(fēng)櫥里晾干,可看到層析板上出現(xiàn)若干色素帶,其排列順序一般是b-胡蘿卜素、去鎂葉綠素、葉綠素a、葉綠素b和葉黃素等多條色帶。用鉛筆標(biāo)記出樣品斑點(diǎn),計(jì)算各色素的比移值Rf。(4)樣品收集將層析板上分開的b-胡蘿卜素、葉綠素a、葉綠素b的色帶分別用干凈的刮刀刮入試管中,加入5 mL丙酮提取,低溫避光保存。(5)溫度對(duì)薄層色譜分離的影響 取兩塊1cm5 cm的商品硅膠

19、板,點(diǎn)樣后,以相同的展開劑,分別置于冰箱(4)和室溫(20以上)展開。觀察和對(duì)比它們的分離結(jié)果。3柱色譜(1)氧化鋁柱色譜 中性氧化鋁應(yīng)在500烘干4 h,然后冷卻至100,迅速裝瓶,置于干燥器中待用。 在直徑1.0 cm的層析柱底部放少量的玻璃絲,上面鋪一層0.5 cm高的海沙,然后加入10 cm高的中性氧化鋁(250目)。輕敲柱子將填料弄平,必要時(shí)可用吸氣機(jī)將氧化鋁填料吸實(shí)。然后再加上一層0.5 cm高的海沙。加入25 mL石油醚,用打氣球加壓浸濕氧化鋁填料。整個(gè)洗脫過程應(yīng)保持液面高于氧化鋁填料。當(dāng)液面接近氧化鋁填料時(shí),將2.0 mL植物色素的濃縮提取液小心地加到色譜柱頂部。加完后,打開下

20、端活塞,讓液面下降到高于氧化鋁填料1 mm左右,關(guān)閉活塞,加2 mL石油醚,打開活塞,使液面下降,經(jīng)幾次反復(fù)洗滌,使色素全部進(jìn)入氧化鋁柱體。 待色素全部進(jìn)入柱體后,在柱頂小心加入25 mL石油醚-丙酮(9:1)溶液,適當(dāng)加壓洗脫出第一個(gè)有色組分 橙黃色的b-胡蘿卜素溶液。然后用石油醚-丙酮(7:3)溶液洗脫出第二個(gè)色帶 葉黃素(黃色)和第三個(gè)色帶 葉綠素a(藍(lán)綠色)。最后用石油醚-丙酮(1:1)溶液洗脫葉綠素b(黃綠色)組分。收集各色帶后,轉(zhuǎn)入棕色瓶低溫保存。(2)蔗糖柱色譜 將市售白砂糖在粉碎機(jī)中磨碎,摻入3 % 的優(yōu)質(zhì)淀粉,充分混勻,以防止層析過程中糖粉結(jié)塊。糖粉須過140目分樣篩,裝柱前

21、放在70烘箱中干燥4 h。 小心將糖粉裝入色譜柱中,邊裝時(shí)邊敲柱外壁,隨后抽氣使糖柱緊實(shí)。最后制得糖柱高度約為15 cm,并在上面鋪一層海沙。用50 mL石油醚加壓浸濕糖柱。若色譜分離不在暗室中進(jìn)行,色譜柱外面應(yīng)用黑紙包住,以免光照破壞葉綠素。 取5 mL石油醚色素提取液加在柱上,用石油醚洗脫胡蘿卜素。接著用汽油-苯(10:1)洗脫葉黃素,用汽油-苯(1:2)洗脫葉綠素a,最后用乙醚洗脫葉綠素b。4樣品純度的鑒定 色譜法分離得到的樣品組分,可用吸收光譜(400700 nm)和熒光光譜進(jìn)行表征和鑒定。純度和含量參照后面介紹的三種分析技術(shù)進(jìn)行測(cè)定。(五)注 意 事 項(xiàng)1)強(qiáng)光會(huì)破壞色素,提取過程應(yīng)

22、盡可能在弱光或暗室中進(jìn)行。2)使用低沸點(diǎn)易揮發(fā)的有機(jī)溶劑要注意實(shí)驗(yàn)室安全。實(shí)驗(yàn)室要保持良好的通風(fēng)條件,使用有機(jī)溶劑不得靠近明火操作。3)分離后的單一色素提取液不宜長(zhǎng)期存放,必要時(shí)應(yīng)抽干充氮避光低溫保存。(六)思 考 題1)色譜法是一種高效分離技術(shù),其“高效性”在于獨(dú)特的色譜分離過程。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)觀察到的植物色素分離過程,聯(lián)想和體會(huì)GC和HPLC的分離過程。2) 試簡(jiǎn)述紙色譜分離色素的原理。3) 根據(jù)葉綠體色素的薄層色譜和柱色譜分離情況,試討論流出順序以及Rf和tr參數(shù)之間的關(guān)系。4)試比較葉綠素、胡蘿卜素和葉黃素三種色素的極性。為什么胡蘿卜素在氧化鋁色譜柱中移動(dòng)最快?5)為什么葉綠體色素在中性氧

23、化鋁吸附柱上會(huì)分離成不同的色帶?試從柱色譜原理和有關(guān)色素的化學(xué)結(jié)構(gòu)加以分析。6)有實(shí)驗(yàn)表明,葉綠體色素在硅膠薄板上用異辛烷丙酮乙醚(3:1:1)展開和在反相C18薄板上用甲醇丙酮水(20:4:3)展開的順序正好相反,試解釋這一現(xiàn)象。三、葉綠素a和葉綠素b的導(dǎo)數(shù)分光光度法同時(shí)測(cè)定(一)實(shí) 驗(yàn) 目 的1)了解導(dǎo)數(shù)分光光度法的基本原理和方法。2)掌握利用導(dǎo)數(shù)分光光度法同時(shí)測(cè)定葉綠素a和葉綠素b的方法。(二)實(shí) 驗(yàn) 原 理 取適量葉綠素a(Chl a)和葉綠素b(Chl b)以及類胡蘿卜素(R)的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液稀釋到適當(dāng)濃度,均以 600 nm/min的掃描速率在自動(dòng)掃描式分光光度計(jì)上繪制其吸收光譜,并均

24、以= 4 nm 轉(zhuǎn)換成一階導(dǎo)數(shù)光譜。三條導(dǎo)數(shù)光譜的重疊圖見圖34.2。由圖可見:在646 nm 波長(zhǎng)處葉綠素b的一階導(dǎo)數(shù)值為零,而在此波長(zhǎng)處葉綠素a有一定的負(fù)一階導(dǎo)數(shù)值;類似地,在635 nm 波長(zhǎng)處葉綠素a的一階導(dǎo)數(shù)值為零,而在此波長(zhǎng)處葉綠素b有一定的負(fù)一階導(dǎo)數(shù)值,因而在此兩波長(zhǎng)處進(jìn)行測(cè)定,兩者互不干擾。由于類胡蘿卜素(R)在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)的一階導(dǎo)數(shù)值均為零,因此也不干擾Chl a和Chl b的測(cè)定。分別以Chl a和Chl b的濃度(由分光光度法確定)為橫座標(biāo),以相應(yīng)的導(dǎo)數(shù)值為縱座標(biāo)繪制各自的工作曲線。由樣品溶液在相應(yīng)波長(zhǎng)處的導(dǎo)數(shù)值,從各自的工作曲線上即可查得樣品溶液中兩者的含量,再經(jīng)換算即

25、可求得蔬菜葉片樣品中Chl a和Chl b的百分含量。(三)實(shí)驗(yàn)儀器與試劑1.儀器1)自動(dòng)掃描式分光光度計(jì)。2)離心機(jī)。2.試劑1)Chl a、Chl b和類胡蘿卜素的標(biāo)準(zhǔn)溶液用購買來的純品試劑配制,或自行用波菜葉經(jīng)紙色譜分離提純后稀釋而得均可。2)丙酮溶液(90%)。 3)MgCO3 (AR)。(四)實(shí) 驗(yàn) 步 驟1)配制 Chl a 和 Chl b的標(biāo)準(zhǔn)溶液系列,應(yīng)用分光光度法確定其濃度。分別移取用購買來的純品試劑配制或用菜葉經(jīng)紙色譜分離提純稀釋而得的Chl a 標(biāo)準(zhǔn)溶液1.00mL、2.00mL、3.00mL、4.00mL和5.00 mL于5個(gè)10 mL的棕色容量瓶中,用90的丙酮溶液定

26、容,用分光光度法分別測(cè)定其在644 nm和662 nm 圖34.2 Chla、Chlb和類胡蘿卜素的一階導(dǎo)數(shù)光譜圖 1.Chla(2.815 g/mL);2.Chlb(2.787 g/mL );3.類胡蘿卜素(5.802 g/mL).處的吸光度,用CChla(g/mL) = 9.78 A662 - 0.99 A644 計(jì)算其濃度。再分別移取用購買來的純品試劑配制或用菜葉經(jīng)色譜分離提純稀釋而得的Chlb 標(biāo)準(zhǔn)溶液1.00mL、2.00mL、3.00mL、4.00mL和5.00 mL于5個(gè)10 mL的棕色容量瓶中,用90 的丙酮溶液定容,用分光光度法分別測(cè)定其在644 nm和662 nm 處的吸光

27、度,用CChlb (g/mL) = 21.43 A644 - 4.65 A662計(jì)算其濃度。2)繪制Chl a 和Chl b的一階導(dǎo)數(shù)譜圖,并確定其導(dǎo)數(shù)測(cè)定波長(zhǎng)。按實(shí)驗(yàn)原理中所闡述的方法繪制Chl a 和Chl b的一階導(dǎo)數(shù)譜圖,并按實(shí)驗(yàn)原理中所述的方法確定其可供測(cè)定的導(dǎo)數(shù)波長(zhǎng)。各組獲得的一階導(dǎo)數(shù)測(cè)定波長(zhǎng)可能略有不同,應(yīng)以自己測(cè)得的為準(zhǔn)。3)繪制Chl a 和Chl b的工作曲線。按上述方法操作,分別測(cè)量各份Chl a 標(biāo)準(zhǔn)溶液一階導(dǎo)數(shù)光譜中646.0 nm 處的導(dǎo)數(shù)峰值Ha(單位:cm)。以Chl a 的含量為橫坐標(biāo),以Ha為縱坐標(biāo)作圖即得Chl a的工作曲線。同樣按上述方法操作,分別測(cè)量各

28、份Chl b標(biāo)準(zhǔn)溶液一階導(dǎo)數(shù)光譜中635.0 nm 處的導(dǎo)數(shù)峰值Hb(單位:cm)。以Chl b 的含量為橫坐標(biāo),以Hb 為縱坐標(biāo)作圖即得Chlb的工作曲線。在計(jì)算機(jī)上分別求出Chl a 和Chlb的工作曲線的擬合方程和相關(guān)系數(shù)。將數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果填入表34.2和表34.3中。4)蔬菜葉片樣品中Chl a 和Chl b含量的測(cè)定。取0.5 g左右新鮮去脈的菜葉,準(zhǔn)確稱重。剪碎,置于研缽中,加0.15 g MgCO3和 3 mL 90% 丙酮,研磨至漿狀。抽濾,多次洗滌。濾液收集在 50 mL容量瓶中,以90% 丙酮定容。按上述方法以90 丙酮溶液作為參比溶液進(jìn)行測(cè)定,即可獲得樣品溶液的一階導(dǎo)數(shù)譜

29、圖。分別量取Ha和Hb,由Chl a和Chl b的標(biāo)準(zhǔn)曲線上即可查出樣品溶液中Chl a和Chl b的含量。將數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果填入表34.4中。 因?yàn)镃hl a和Chl b很容易受光分解,因此上述樣品溶液的制備過程應(yīng)盡可能快些。(五)數(shù)據(jù)記錄與處理 完成表34.2表34.4的填寫。表 34.2 Chl a 工作曲線的繪制 序號(hào) A644A662Cchla/(g/mL)H646/cm 1 2 3 4 5擬合方程: : 表 34.3 Chl b 工作曲線的繪制序號(hào)A644A662Cchlb/(g/mL)H435/cm12345擬合方程: 表 34.4 樣品測(cè)定結(jié)果( 樣品: 菜葉;稱重: g )H6

30、46/cmCchla/(g/mL)樣品中Cchla含量/%H635/cmCchlb/(g/mL)樣品中Cchlb含量/%(六)思 考 題1)既然文獻(xiàn)上可以用分光光度法的經(jīng)驗(yàn)公式測(cè)定Chl a和Chl b,為何還要用導(dǎo)數(shù)分光光度法測(cè)定蔬菜葉片中Chl a和Chl b的含量?2) 導(dǎo)數(shù)分光光度法有何特點(diǎn)?如何選擇Chl a和Chl b的測(cè)定波長(zhǎng)?3) 研磨菜葉樣品時(shí)為何要加入固體碳酸鎂?四、葉綠素a和葉綠素b的同步熒光法測(cè)定(一)實(shí) 驗(yàn) 目 的1)掌握同步熒光分析基本原理和測(cè)量方法。2)進(jìn)一步掌握熒光分光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。(二)實(shí) 驗(yàn) 原 理 同步熒光分析法是多組分同時(shí)分析的良好手段之一

31、,以其譜圖簡(jiǎn)單、選擇性高及散射光干擾少等優(yōu)點(diǎn)而引起人們的注意,獲得廣泛的應(yīng)用。 在常規(guī)熒光分析中,所獲得的兩種類型的光譜是熒光激發(fā)光譜和發(fā)射光譜。而同步熒光光譜是在同時(shí)掃描激發(fā)和發(fā)射兩個(gè)單色器波長(zhǎng)的情況下測(cè)繪光譜的,由測(cè)得的熒光強(qiáng)度信號(hào)與對(duì)應(yīng)的激發(fā)波長(zhǎng)(或發(fā)射波長(zhǎng))構(gòu)成光譜圖,稱為同步熒光光譜。根據(jù)單色器掃描方式的不同,同步熒光法又可分為恒波長(zhǎng)法、可變角法和恒能量法。最早提出、目前最廣為使用的恒波長(zhǎng)同步熒光分析法,即在掃描過程中使激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)兩者之間始終保持固定的波長(zhǎng)間隔(=em - ex)。對(duì)該法而言,波長(zhǎng)差是關(guān)鍵性的實(shí)驗(yàn)參數(shù)??勺兘峭綗晒夥ㄌ峁┝烁鼮殪`活的波長(zhǎng)掃描方式。該法激發(fā)和發(fā)

32、射單色器保持同時(shí)掃描,但掃描速率不同,所得的可變角同步熒光光譜常更能滿足體系中各組分的波長(zhǎng)要求,光譜選擇性更好, 但一般商品化熒光分光光度計(jì)上尚不具備該掃描功能。Lumex公司新近的Fluorat02-Panorama型熒光分光計(jì)可進(jìn)行線性可變角同步掃描。恒能量同步熒光法特別適于某些多環(huán)芳烴的分析,在掃描過程中保持激發(fā)和發(fā)射單色儀之間恒定的波數(shù)差關(guān)系,PERKIN ELMER 公司的LS50 B和 LUMEX公司的Fluorat02- Panorama等型號(hào)的熒光分光計(jì)己具備該功能。對(duì)于某種待測(cè)物質(zhì),在實(shí)驗(yàn)條件保持固定的情況下,同步熒光信號(hào)與待測(cè)物質(zhì)的濃度成正比。葉綠素a和葉綠素b的分子結(jié)構(gòu)相

33、似,它們的熒光激發(fā)光譜和發(fā)射光譜重疊嚴(yán)重,用常規(guī)熒光方法難以實(shí)現(xiàn)其同時(shí)測(cè)定。葉綠素a和葉綠素b的發(fā)射峰分別位于667 nm和650 nm;葉綠素a有兩激發(fā)峰,強(qiáng)峰在428 nm,次峰在409 nm,而葉綠素b的激發(fā)峰位于457 nm。本實(shí)驗(yàn)采用同步熒光測(cè)定技術(shù),用258 nm得到適宜于葉綠素a測(cè)定的同步熒光光譜,葉綠素b不干擾;用193 nm得到適宜于葉綠素b的同步熒光光譜,葉綠素a不干擾。然后根據(jù)各自的同步熒光峰強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)濃度的線性關(guān)系進(jìn)行定量測(cè)定。(三)實(shí)驗(yàn)儀器與試劑1.儀器1)自動(dòng)掃描式熒光分光光度計(jì)。2)離心機(jī)。2.試劑1)Chla、Chlb 和類胡蘿卜素的標(biāo)準(zhǔn)溶液用購買來的純品試劑配

34、制,或自行用波菜葉經(jīng)紙色譜分離提純后稀釋而得均可。 2)丙酮溶液(90%)。 3)MgCO3 (AR)。(四)實(shí) 驗(yàn) 步 驟1.標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備 取葉綠素a和b的儲(chǔ)備液,分別用90 %丙酮稀釋成O ng/mL、40.0 ng/mL、80.0 ng/mL、 120 ng/mL、160 ng/mL和200 ng/mL 的兩個(gè)系列標(biāo)準(zhǔn)溶液。2.熒光激發(fā)和發(fā)射光譜的測(cè)繪 葉綠素a:取葉綠素a 和葉綠素b 標(biāo)準(zhǔn)溶液各一份(以160 ng/mL為例), 定激發(fā)波長(zhǎng)為428 nm,在600800 nm 范圍內(nèi)掃描其熒光發(fā)射光譜;定發(fā)射波長(zhǎng)為667 nm,在350600 nm 范圍內(nèi)掃描其熒光激發(fā)光譜。 葉綠素

35、b:定激發(fā)波長(zhǎng)為457 nm,在600800 nm 范圍內(nèi)掃描其熒光發(fā)射光譜;定發(fā)射波長(zhǎng)為650 nm ,在350600 nm范圍內(nèi)掃描其熒光激發(fā)光譜。3.同步熒光光譜的測(cè)繪 測(cè)葉綠素a,排除葉綠素b的干擾:取葉綠素a和b標(biāo)準(zhǔn)溶液各一份(以160 ng/mL為例),用258 nm 在激發(fā)波長(zhǎng)350600 nm范圍內(nèi)進(jìn)行同步掃描,僅得葉綠素a的同步熒光光譜,葉綠素b幾乎無信號(hào)。 測(cè)葉綠素b,排除葉綠素a的干擾:取葉綠素a和b標(biāo)準(zhǔn)溶液各一份,用193 nm在激發(fā)波長(zhǎng)350600 nm范圍內(nèi)進(jìn)行同步掃描,僅得葉綠素b的同步熒光光譜,葉綠素a幾乎無信號(hào)。4.工作曲線 測(cè)葉綠素a: 以258 nm 對(duì)系

36、列葉綠素a標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行同步掃描,由同步熒光峰信號(hào)對(duì)濃度繪制成工作曲線。 測(cè)葉綠素b: 采用193 nm, 同上法繪制葉綠素b的工作曲線。5.菜葉中葉綠素a和b的測(cè)定取干凈新鮮菜葉0.5 g,剪碎置于研缽,加入0.1 g MgCO3和23 mL丙酮,研磨至漿狀,用濾紙過濾,以少量90% 丙酮多次洗滌,將丙酮萃取液收集于25 mL棕色容量瓶中,用90% 丙酮稀釋至刻度。取適量溶液再稀釋100倍。用與繪制工作曲線相同的方法分別測(cè)葉綠素a和b的同步熒光峰強(qiáng)度,查對(duì)工作曲線,求出濃度值,計(jì)算出菜葉中葉綠素a和b的含量。(五)注 意 事 項(xiàng)1)葉綠素見光易分解,注意避光操作。2)注意熒光分光光度計(jì)的開關(guān)機(jī)

37、順序。開機(jī)時(shí)主機(jī)電源需在確認(rèn)氙燈亮后才開啟。關(guān)機(jī)時(shí)則相反,主機(jī)電源先關(guān)。(六)思 考 題1)葉綠素同步熒光光譜和常規(guī)熒光光譜相比,有什么不同?2)討論同步熒光光譜分析方法的特點(diǎn)。如何選擇同步掃描波長(zhǎng)()?3)本實(shí)驗(yàn)采用恒波長(zhǎng)差方式進(jìn)行同步熒光法分析,經(jīng)兩次掃描步驟,直接測(cè)出植物提取液中葉綠素a和b的含量。能否采用一種更簡(jiǎn)便的方式,僅用一次掃描即可得到同步熒光光譜從而完成葉綠素a和b的測(cè)定?請(qǐng)加以解釋。五、高效液相色譜法同時(shí)測(cè)定葉綠素和類胡蘿卜素(一)實(shí) 驗(yàn) 目 的1)了解高效液相色譜在葉綠體色素全分析的應(yīng)用。2)掌握生物樣品的高效液相色譜實(shí)驗(yàn)技術(shù)。3)掌握二極管陣列檢測(cè)和串聯(lián)檢測(cè)器原理。4)初

38、步掌握梯度洗脫實(shí)驗(yàn)技術(shù)。(二)實(shí) 驗(yàn) 原 理 從植物提取液分離出來的葉綠素和胡蘿卜素已發(fā)現(xiàn)有多種異構(gòu)體,而且常常是同時(shí)存在的。因此對(duì)葉綠素和胡蘿卜素的深入研究較為困難。高效液相色譜既能對(duì)單一組分進(jìn)行定量,又能對(duì)混合物中的多組分在分離的基礎(chǔ)上進(jìn)行定量。既能用于主要成分的含量測(cè)定,又能用于微量和痕量組分的測(cè)定。高效液相色譜是一種準(zhǔn)確度好和精密度高的分析技術(shù)。因此,盡管難以得到所有的植物色素標(biāo)準(zhǔn)品,但高效液相色譜-光譜、質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)仍被認(rèn)為是研究葉綠素和胡蘿卜素的一種最有效手段。葉綠體色素提取液可以采用正相或反相高效液相色譜法分析,實(shí)驗(yàn)表明,反相高效液相色譜法更加方便。但由于色素提取液各組分的極性差

39、別較大,等度洗脫可能使某些組分的分離不夠完全。因此,對(duì)植物色素提取液的全分析應(yīng)采用梯度洗脫方式以改善分離和縮短分析時(shí)間。 本實(shí)驗(yàn)采用高效液相色譜法,結(jié)合二極管陣列和熒光檢測(cè)技術(shù)對(duì)綠色植物葉片提取液中的色素進(jìn)行較全面的分離和光譜鑒定,并可直接測(cè)定葉綠素a、葉綠素b和b-胡蘿卜素等植物色素的含量。(三)實(shí)驗(yàn)儀器與試劑1.儀器日本島津公司高效液相色譜儀: LC-10A TVP高壓梯度泵;DGU-12A在線脫氣機(jī);SPD-M10AVP二極管陣列檢測(cè)器;RF-10A XL熒光檢測(cè)器;CTO-10ASVP柱溫箱;Rheodyne 7725i 進(jìn)樣閥;CLASS-VP色譜工作站。Shim-pack VP-O

40、DS( 4.6mm150 mm)色譜柱,附加一Shim-pack GVP-ODS(4.6mm10 mm)保護(hù)柱。2.試劑葉綠素a、葉綠素b和b-胡蘿卜素純品為Sigma公司產(chǎn)品,甲醇和乙腈為液相色譜淋洗劑,二氯甲烷為AR試劑,實(shí)驗(yàn)用水為超純水。(四)實(shí) 驗(yàn) 步 驟1.色素的提取取0.5 g左右干凈的新鮮的去脈菜葉,準(zhǔn)確稱重。剪碎,置于研缽中,加少許MgCO3固體和 5 mL 90% 丙酮,研磨至漿狀,分次加入5 mL 丙酮,瀝出提取液。高速離心后,移出上清液。重復(fù)提取直至植物組織無色。合并上清液,轉(zhuǎn)入 25 mL容量瓶中,以90% 丙酮定容。試液經(jīng)過0.2 m 有機(jī)相針筒式微孔濾膜過濾器直接注

41、入色譜儀分析。 另取一菜葉在沸水中煮5 min,然后放入水中冷卻,用紙吸干后按上述方法提取色素,用于對(duì)照菜葉加熱后色素成分有否變化。2.流動(dòng)相的配制實(shí)驗(yàn)前,配制二氯甲烷-乙腈-甲醇(20:20:60,體積比)流動(dòng)相。流動(dòng)相需用0.45 mm微孔膜過濾和超聲波除氣后使用。3.色譜條件試驗(yàn)色譜柱為Shim-pack VP-ODS,另加一Shim-pack GVP-ODS(4.6mm10 mm)保護(hù)柱。流動(dòng)相為二氯甲烷-乙腈-甲醇(20:20:60,體積比),流速為1.5 mL/min,二極管陣列檢測(cè)范圍為370800nm(其他檢測(cè)器選擇440 nm和660 nm為檢測(cè)波長(zhǎng)),熒光檢測(cè)器激發(fā)波長(zhǎng)為4

42、40 nm,發(fā)射波長(zhǎng)為660 nm。進(jìn)樣體積為20 mL。如儀器正常,可進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化合物試液分析得到正確的色譜圖。標(biāo)準(zhǔn)試液組分的出峰順序依次為葉黃素、葉綠素b、葉綠素a和b-胡蘿卜素。如分離不理想,可適當(dāng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)條件,使之得到良好的分離度和重現(xiàn)性的色譜圖為止。可通過不同吸收波長(zhǎng)的色譜圖、二極管陣列光譜圖和熒光色譜圖討論葉黃素、葉綠素b、葉綠素a和b-胡蘿卜素的光譜特征和色譜定性技術(shù)。4.標(biāo)準(zhǔn)或參考色素混合樣測(cè)定本實(shí)驗(yàn)采用單點(diǎn)校正法測(cè)定樣品含量。對(duì)一已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)色素混合液或參考植物色素樣品液進(jìn)行2次平行分析,平均計(jì)算對(duì)應(yīng)于已知濃度的葉綠素b、葉綠素a和b-胡蘿卜素的峰面積。5.實(shí)際樣品測(cè)定油菜、小

43、白菜和生菜等的色素提取物經(jīng)0.2m針頭式過濾器直接進(jìn)樣分析。根據(jù)保留值定性,對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)樣計(jì)算各組分含量。6.植物色素提取液的全分析參考文獻(xiàn)25,26,設(shè)計(jì)一梯度洗脫程序,如流動(dòng)相A為甲醇-水(9:1,體積比),流動(dòng)相B為乙酸乙酯或二氯甲烷-乙腈-甲醇(20: 20 : 60,體積比),探索植物色素提取液的全分析。梯度洗脫條件應(yīng)包括流動(dòng)相A和B的溶劑組成、梯度曲線和平衡時(shí)間等。觀察并討論色譜圖變化和梯度洗脫原理。(五)注 意 事 項(xiàng)1)在所有的提取過程中,應(yīng)盡可能防止色素發(fā)生分解、氧化。操作過程中均應(yīng)在避免高溫、強(qiáng)光照射、高濕度、低pH值條件下迅速完成。2)色素提取液可能含有不溶物(如植物組織),

44、必須除去,否則將縮短柱壽命。實(shí)驗(yàn)過程采用保護(hù)柱和針頭過濾器保護(hù)色譜柱。3)開啟儀器應(yīng)按操作規(guī)程,觀察儀器參數(shù)是否在設(shè)定范圍內(nèi)。待儀器穩(wěn)定后,方可進(jìn)樣分析。4)每完成一種試液分析,應(yīng)用丙酮等溶劑將進(jìn)樣注射針徹底洗干凈。否則會(huì)引起樣品殘留,影響下一個(gè)樣品分析。5)實(shí)驗(yàn)結(jié)束,應(yīng)按規(guī)定清洗儀器,方能關(guān)機(jī)。(六)思 考 題1)在HPLC中,采用二極管陣列檢測(cè)有什么好處?如何確定色譜峰的純度?2)為什么要進(jìn)行梯度洗脫?在梯度洗脫過程中要注意哪些問題?3)對(duì)生物樣品進(jìn)行高效液相色譜分析,應(yīng)對(duì)進(jìn)樣溶液做那些預(yù)處理?4)如何確定待測(cè)組成的色譜峰及含量?5)為什么熒光檢測(cè)器要接在二極管陣列檢測(cè)器之后?6)在相同的

45、紫外或熒光波長(zhǎng)檢測(cè)條件下,為什么高效液相色譜法的濃度檢測(cè)靈敏度不如紫外吸收光譜法或熒光光譜法?7)對(duì)比同一份植物葉片試液的三種分析結(jié)果,簡(jiǎn)述導(dǎo)數(shù)分光光度法、同步熒光法和高效液相色譜法的分析原理和方法特點(diǎn)。8)在葉綠體色素含量測(cè)定過程中,應(yīng)如何保證導(dǎo)數(shù)分光光度法、同步熒光法和高效液相色譜法三種方法分析結(jié)果的可比性?參 考 文 獻(xiàn)1 . 列別捷夫.植物生理學(xué),楊漢金,衛(wèi)新中譯.廈門:廈門大學(xué)出版社,1991,77 2 Goodwin T W. Chemistry and Biochemistry of Plant Pigments, Vol.2, New York :Academic Press,

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47、學(xué)實(shí)驗(yàn)大全有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn).吳琪,王文紅.北京:科學(xué)普及出版社,1988,2359 Drexlor D. Ballschmiter K.,Separation of Chlorophyll a and Metalloporphyrins by HPLC in Normal-Phase Mode Using Adiol-Phase.Fresenius J Anal Chem. 1994, 348(8-9), 59059410 張志良,生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo),北京:高等教育出版社,1990,7811 薛應(yīng)龍,植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn),北京:高等教育出版社,1985,5912 Fried B, Sherma J,Thin Layer Chromatography, New

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