對生物實驗試劑---層析液配方改進的探索與思考

1、對生物實驗試劑-層析液配方改進的探索與思考摘 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驗員在實驗室管理與教學(xué)中，既要掌握生物實驗的基本操作技能，提高學(xué)生的實驗?zāi)芰Γl(fā)展學(xué)生的智力，更要關(guān)心學(xué)生的身體健康，避免實驗藥品的危害。苯是一種毒性很強的有機物，美國早在1992年就停止苯在學(xué)生實驗中的使用。在光合色素的提取和分離實驗中，筆者根據(jù)學(xué)校現(xiàn)有的條件，經(jīng)過課余多次實驗試驗，發(fā)現(xiàn)用低毒性的甲苯代替苯對層析液的配方進行改進，不但可以減輕藥品苯對師生身體的危害，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，使實驗更安全、環(huán)保，使實驗效果更好。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)是一門以實驗和觀察為主的學(xué)科。生物實驗教學(xué)在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)習(xí)動機、鞏固知識、開發(fā)智力和創(chuàng)新思維、形成實事求是的科學(xué)態(tài)度以及協(xié)作精神等方面起著重要的作用，是實施素質(zhì)教育的最有效形式。生物課程標準明確提出：生物教學(xué)要加強實驗和其他實踐活動的教學(xué)，加強對學(xué)生觀察能力、實驗?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，爭取創(chuàng)造性地增加低成本的實驗和其他實踐活動，消除生物實驗的安全隱患，促進學(xué)生的健康成長與發(fā)展。作為一名已有20多年實驗工作經(jīng)驗的實驗員，深知學(xué)生才是教學(xué)過程的起點和終點，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驗教學(xué)，積極投身于新課程改革的大環(huán)境中，堅持以“管理育人，服務(wù)育人”的理念，時刻為學(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)對現(xiàn)代社會和教育發(fā)展對實驗教師的需要。 然而生物實驗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堿性，對人體健康具有負面影響，使用時務(wù)必小心，最好能戴上手套；過氧化氫具有強腐蝕性，對身體有害，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，筆者以為在生物實驗中一方面要培養(yǎng)學(xué)生的衛(wèi)生與健康意識，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的藥品，以減輕藥品對學(xué)生身體的危害，使實驗更安全、環(huán)保，這也是每一位教師義不容辭的職責與任務(wù)。 高中生物光合色素的提取和分離實驗中，由于層析液的成份苯對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)過課余時間多次的實驗試驗，筆者發(fā)現(xiàn)用低毒性的甲苯代替苯對層析液的配方進行改進，不但可以減輕藥品苯對師生身體的危害，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層析液配方進行改進的建議。下面就此問題談?wù)勛约旱膶嵺`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”實驗。其實早在 1954年，生物化學(xué)家阿諾恩從菠菜葉細胞中獲得十分完整而且能夠把全部光合反應(yīng)進行到底的葉綠素。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。在高中生物實驗中，光合色素的提取和分離實驗一直占有很重要的地位。實驗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應(yīng)的色帶。

6、實驗的基本原理是：（1）綠葉中的色素能夠溶解在有機溶劑丙酮、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散得快，反之則慢。所以，幾分鐘之后，綠葉中的色素就會隨著層析液在濾紙上的擴散而分離開。由于苯是一種良好的有機溶劑，而且性質(zhì)相對比較穩(wěn)定。因此，苯一直以來被作為該實驗的層析液材料。這種層析液的配置方法為：20份石油醚、2份丙酮、1份苯。2. 用甲苯代替苯對層析液配方進行改進的依據(jù)眾所周知，苯是一種毒性大、滲透性較強、易揮發(fā)的有機物。它可以通過皮膚、呼吸道進入人體，而且難以排泄。短時間

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)的研究報告。此后，許多國家相繼報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)查還是實驗室研究，都證明大量接觸苯與白血病有因果關(guān)系。世界衛(wèi)生組織下屬國際癌癥研究機構(gòu)（IARC）1993年對苯的致癌性評級為：一類人類致癌物。其主要有以下四個方面：1、 直接致癌機制；2、 破壞骨髓微循環(huán)，導(dǎo)致造血干細胞分化和成熟遲緩，乃至凋亡； 3、 產(chǎn)生大量自由基并形成損傷；4、 動物實驗表明，苯代謝可與細

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，有機化學(xué)博士、現(xiàn)任美國3M公司產(chǎn)品部門代表張亦帆先生來母校參觀實驗室時，也嚴肅地指出：苯是一種毒性很強的有機物，美國早在1992年就禁止在學(xué)生實驗中使用苯。再說目前一般農(nóng)村高中生物實驗室的通風(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，但幾十個組合在一起，加上學(xué)生在操作中不小心打翻，清洗時殘液的揮發(fā)，整個實驗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)年實施的普通高中生物課程標準（生物）對該實驗的安全性也有

9、所提高，已將溶解色素用的丙酮改為乙醇，但層析分離時所用的層析液仍采用毒性很強的苯進行配制。本人在二十多年的生物實驗工作經(jīng)歷中也發(fā)現(xiàn)，該層析液對學(xué)生和老師的健康危害較大，經(jīng)常會有頭疼、惡心現(xiàn)象發(fā)生，其首當其沖的就是苯。而甲苯屬低毒，進入人體后，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小時內(nèi)（半衰期為0.51小時）全部呼出體外。實驗中殘留的甲苯，在清洗時進入水體，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，該實驗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，筆者通過多次實驗探索，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”實驗?zāi)軌虻玫礁玫男Ч?。三、用甲苯代替苯對層析液配方進行改進的探索1.實驗步驟筆者在每次試驗中，為確保實驗結(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；每次試驗都采用對比實驗；每次對比實驗都采用同一磨制、過濾的色素溶解液與同時用苯和甲苯配制的不同的層析液進行實驗，得到

11、了非常理想的實驗效果。具體操作過程如下： 將剪成一厘米寬十厘米長的濾紙條放干燥箱進行干燥處理。 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。 點樣。用自制的毛細吸管在干燥處理過的濾紙條上畫濾液細線。（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。將點樣后的濾紙條一分為二，分別同時放入盛有不同的層析液的小燒杯中進行層析。

12、 觀察小燒杯中濾紙條上色素分離的情況，并記錄所需時間。 分析實驗結(jié)果。為保證實驗結(jié)果的正確性，每次試驗都采用足夠量的濾紙條，并且在不同的時間段反復(fù)進行。同時對用甲苯配制而成的層析液的穩(wěn)定性進行試驗，通過對其進行連續(xù)七天的跟蹤實驗，得知只要將該層析液保存在密閉容器里，一個星期內(nèi)其效果將始終保持不變。下表是生物實驗教師與高一兩個班級學(xué)生進行對比實驗的結(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 實驗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毫升畫濾液細線次數(shù)8次8次層析

13、時間5分5分實驗結(jié)果出現(xiàn)四條色素帶所占比例老師多次實驗1000學(xué) 生實 驗91.523只出現(xiàn)三條色素帶所占比例（無胡蘿卜素）老師多次實驗0100學(xué) 生實 驗8.577在學(xué)生的對比實驗中，由于少數(shù)學(xué)生在層析時心太急，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. 實驗結(jié)果分析從以上實驗結(jié)果中我們可以清楚地看到：1、用甲苯代替苯，沒有影響擴散效果。兩種情況下，擴散的速度基本一致。3分鐘時，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分鐘后逐步達到穩(wěn)定。2、用甲苯代替苯，實驗?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?！疽妶D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間為5分鐘，左邊三條層析時間為7分鐘。）這是筆者在層析液配方改進試驗中得到的又一大收獲。筆者從事生物實驗工作二十余年，在輔導(dǎo)學(xué)生做該實驗時從未發(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散的特別高（與層析液上升的高度平齊）、特別細、特別齊的橙黃色帶，往往被部分生物教師與學(xué)生錯誤地認為這是胡蘿卜素，其實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間

15、為5分鐘，左邊三條層析時間為7分鐘。）由此可見，長期以來本實驗中其實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，因而始終認為實驗的成功率很高。但筆者始終早就覺得不對勁：為什么這條色素帶與下面三條色素帶的形狀完全不同？而且無論實驗成功與否，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行反復(fù)層析試驗，通過仔細觀察發(fā)現(xiàn)這條其實并非胡蘿卜素，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？實驗之余也常與任課

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。在這次試驗中終于讓我、讓老師們清楚地看到這條實實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，在我校高二年級光合色素的提取和分離學(xué)生實驗中，全面采用用甲苯配制的層析液來做此實驗，取得很好的實驗效果。除了少數(shù)同學(xué)由于受時間的限制或操作不夠熟練而導(dǎo)致實驗沒有成功外，基本上都獲得了四條清晰的色素帶。我們隨機統(tǒng)計了一個班，成功率達83。四、對用甲苯代替苯對層析液配方進行改進的實驗結(jié)論與思考1實驗改進建議由上實驗可知，甲苯與苯對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行實驗，對四條色素帶擴散的時間沒有什么影響，而且四條色素帶的擴散效果更好，實驗也更加安全、環(huán)保。因此，筆者認為在高中生物“光合色素的提取和分離”實驗中可用甲苯替代苯配制層析液，這將有利于學(xué)生對實驗現(xiàn)象的觀察，有利于師生的身體健康。2實驗探索思考本課題的實驗探索對筆者的觸動很大，從中筆者認識到開展生物實驗研究，改進實驗器材與藥品，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，切實值得生物實驗員去探索與實踐。因為生物學(xué)不僅是一個知識體系，更是一個探究的過程，實驗探究是生物科學(xué)的基本特征之一，是促進學(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)歷獲取知識的過程，在主動學(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)展知識與能力，提升生物學(xué)素養(yǎng)。作為生物實驗員，也必須重視生物實驗教學(xué)，積極開展生物實驗的改進（包括生物實驗材料、實驗試劑、藥品用量等）研究，為全面貫徹標準的基本要求，提高公民的生物科學(xué)素養(yǎng)，造就一支強有力的生物科技大軍添磚加瓦。在此，我建議同行們行動起來，摒棄過于注重知識講授的教學(xué)觀，加強實驗教學(xué)研究。3后續(xù)研究展望還需要說明的是，在以往的學(xué)生實驗中，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比實驗中，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)生對比實驗中,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、分析實驗結(jié)果時還發(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，而當用甲苯配制的層析液中能層析出四條色素帶時，用苯配制的層析