跨學(xué)科融合視域下的實驗改進(jìn)研究

汪阿戀+張云

摘 要 通過實踐發(fā)現(xiàn)教材泡菜中亞硝酸鹽含量測定實驗存在的一些問題，參考國標(biāo)的方法進(jìn)行改進(jìn)，以紫外分光光度計為檢測儀器，建立了標(biāo)準(zhǔn)曲線，研究了絡(luò)合物加入時間、顯色時間、顯色液的穩(wěn)定性及活性炭脫色效果。

關(guān)鍵詞 泡菜 亞硝酸鹽 分光光度計

中圖分類號 Q-33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

1 引言

發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)被置于課程改革的基礎(chǔ)地位，其中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力是重要的組成部分?！爸谱髋莶瞬z測亞硝酸鹽含量”是人教版高中生物教材《選修1·生物技術(shù)實踐》中的一個實驗，該實驗與現(xiàn)實生活緊密相連，具有很強(qiáng)的實踐性。學(xué)生通過主動參與科學(xué)探索過程，在實踐中加深對知識的理解，掌握科學(xué)方法，學(xué)會科學(xué)地認(rèn)識世界。生物學(xué)科的發(fā)展和進(jìn)步離不開其他學(xué)科，尤其是數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、信息學(xué)及技術(shù)，因此學(xué)科素養(yǎng)融合對于發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)至關(guān)重要。教師要充分挖掘有理科共性的思維和方法，把相關(guān)的學(xué)科素養(yǎng)融合起來，匯成個體的核心素養(yǎng)。而該實驗很好地融合了其他理科學(xué)科，尤其是運用到了化學(xué)的一些定量分析方法，例如樣品的前處理、移液管的使用等，把生物和化學(xué)相關(guān)的知識融合起來，更好地促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

蔬菜容易富集硝酸鹽，若在其生長過程中大量使用了氮肥，則所含硝酸鹽的含量就會更高。硝酸鹽本身對人體無害或毒害性相對較低，然而人體攝入的硝酸鹽可在細(xì)菌的作用下還原成亞硝酸鹽，亞硝酸鹽可導(dǎo)致高鐵血紅蛋白癥。當(dāng)人體攝入的亞硝酸鹽總量達(dá)到0.3～0.5 g時，會引起中毒；當(dāng)攝入總量達(dá)到3 g時，會引起死亡。另一方面，亞硝酸鹽可在一定的條件下形成亞硝胺，從而誘發(fā)消化系統(tǒng)癌變，對人體健康構(gòu)成了潛在的威脅。故需要檢測蔬菜及蔬菜制品中亞硝酸鹽的含量。

廖德豐對硝酸鹽和亞硝酸鹽的毒理學(xué)效應(yīng)及檢測技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理，主要針對水體亞硝酸鹽和硝酸鹽污染對水生生物及人體的毒理學(xué)效應(yīng)進(jìn)行闡述，并羅列了檢測硝酸鹽和亞硝酸鹽的新方法，對中學(xué)教師深入認(rèn)識該實驗有很大的幫助。盡管此實驗為定量檢測實驗，但教材中采用的是誤差較大的目視比色法，故有人采用分光光度計進(jìn)行精確測定，讓學(xué)生體會現(xiàn)代實驗設(shè)備在生物學(xué)課堂中的應(yīng)用。肖安慶等研究了貯藏條件和時間對蔬菜中亞硝酸鹽含量的影響。下面著重從化學(xué)的視角來對該實驗進(jìn)行深入分析，利用精密分析儀器——分光光度計進(jìn)行實驗探究，探討存在的問題并提出解決方案。

2 實驗原理

在弱酸性條件下，亞硝酸鹽與對氨基苯磺酸溶液發(fā)生重氮反應(yīng)后，與萘乙二胺鹽酸偶聯(lián)形成紫紅色的偶氮染料（圖1），將顯色后的樣品與已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)顯色液進(jìn)行比較，可以采用目視比色法和光電比色法。

3 實驗部分

3.1 儀器與試劑

主要儀器：容量瓶，移液管，漏斗，50 mL比色管，723型分光光度計，電子分析天平，攪拌機(jī)，離心機(jī)，pH計。

試劑：亞鐵氰化鉀溶液（106 g/L）；乙酸鋅溶液（220 g/L）；飽和硼砂溶液（50 g/L）：對氨基苯磺酸溶液（4 g/L）；N-1-萘基乙二胺鹽酸鹽溶液（2 g/L）；亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液（200 μg /mL）；亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)使用液（5.0 μg/mL）；氫氧化鋁乳液；氫氧化鈉溶液（2.5 mol/L）。本方法所用試劑均為分析純，水為去離子水。

泡菜的制作：將白菜洗凈，切成小塊，晾曬過夜，放入泡菜壇中，加入煮沸并冷卻的食鹽水，浸沒蔬菜，密封發(fā)酵，3 d后取用。

提取劑：50 g氯化鎘與50 g氯化鋇，溶解于1 000 mL蒸餾水中，用濃鹽酸調(diào)節(jié)pH至1。

3.2 實驗步驟

3.2.1 操作過程

稱取5 g試樣，在研缽中研磨成勻漿，加12.5 mL飽和硼砂溶液，攪拌均勻，以300 mL 70 ℃左右的水將試樣洗入500 mL容量瓶中，于沸水浴中加熱15 min，取出置冷水浴中冷卻，并放置至室溫。

振蕩上述提取液時，加入5 mL 亞鐵氰化鉀溶液，搖勻，再加入5 mL 乙酸鋅溶液，以沉淀蛋白質(zhì)。加水至刻度，搖勻，放置30 min，上清液用濾紙過濾，棄去初濾液30 mL，濾液備用。

吸取40 mL上述濾液于50 mL帶塞比色管中，另吸取0.00、0.20、0.40、0.60、0.80、1.0、1.5 mL亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)使用液（相當(dāng)于0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、7.5 μg亞硝酸鈉），分別置于50 mL帶塞比色管中。于標(biāo)準(zhǔn)管與試樣管中分別加入2.0 mL對氨基苯磺酸溶液，混勻。靜置3～5 min 后，各加入1.0 mL鹽酸萘乙二胺溶液，加水至刻度，混勻，靜置3 min后，用1 cm比色皿，以零管調(diào)節(jié)零點，于波長538 nm處測吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，同時做試劑空白。

3.2.2 結(jié)果計算

用下式進(jìn)行計算亞硝酸鹽（以亞硝酸鈉計）的含量：

X1=■

式中：

X1——試樣中亞硝酸鈉的含量，單位為毫克每千克（mg/kg）；

A1——測定用樣液中亞硝酸鈉的質(zhì)量，單位為微克（μg）；

m——試樣質(zhì)量，單位為克（g）；

V1——測定用樣液體積，單位為毫升（mL）；

V0——試樣處理液總體積，單位為毫升（mL）。

4 結(jié)果與討論

4.1 高中生物教材中“制作泡菜并檢測亞硝酸鹽含量”解析

在對高中生物教材中“制作泡菜并檢測亞硝酸鹽含量”的亞硝酸鹽含量測定方法實驗過程中，發(fā)現(xiàn)了如下問題：

（1） 溶液配制：亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)液配制采用的是硅膠干燥器中干燥24 h的亞硝酸鈉，以硅膠干燥劑進(jìn)行吸濕干燥，但是亞硝酸鹽含水量不大，放置于硅膠干燥器中24 h干燥效果并不明顯。此外，亞硝酸鹽只有在320℃以上才會發(fā)生分解，所以完全可以在烘箱中用110℃烘干到恒重后，再進(jìn)行稱量和溶液配制，最終配制好的溶液的濃度才會更精確。

（2） 樣品前處理：教材中關(guān)于樣品處理液的制備方法存在較多問題，見表1。

綜上所述，高中生物教材中“制作泡菜并檢測亞硝酸鹽含量”這一實驗存在較多問題。在高中階段就應(yīng)該讓學(xué)生形成定量的概念，培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神，故而參考國標(biāo)中檢測亞硝酸鹽的方法對這個實驗進(jìn)行改進(jìn)，具體操作方法如3.2所示。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

以亞硝酸鹽質(zhì)量（x）為橫坐標(biāo)，對應(yīng)的吸光度（y）為縱坐標(biāo)，繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線，計算曲線斜率，得出二者的關(guān)系式為：y=0.1565x，相關(guān)系數(shù)R2=0.9995，線性關(guān)系良好（圖2）。

4.3 絡(luò)合物加入時間及顯色時間的確定

取0.5 mL濃度為5.0 μg/mL的亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液，置于50 mL的比色管中，接著按以下四種方案進(jìn)行實驗：① 同時加入2 mL的對氨基苯磺酸溶液和1 mL 的萘乙二胺鹽酸溶液；② 先加入2 mL的對氨基苯磺酸溶液，3 min后加入1 mL 的萘乙二胺鹽酸；③ 先加入2 mL的對氨基苯磺酸溶液，5 min后加入1 mL 的萘乙二胺鹽酸；④ 先加入2 mL的對氨基苯磺酸溶液，7 min后加入1 mL 的萘乙二胺鹽酸。之后加水至刻度，混勻，分別取靜置2、5、10、15、20、 30、60、120、180 min 后的溶液，以試劑空白作參比，在538 nm測得吸光度值，如圖3所示。同時加入對氨基苯磺酸溶液和萘乙二胺鹽酸整體發(fā)光值較低，絡(luò)合物在顯色反應(yīng)3 min時發(fā)光值已趨于穩(wěn)定，且顯色液在幾個小時內(nèi)相對穩(wěn)定。故選擇先加入2 mL的對氨基苯磺酸溶液，3 min后再加入1 mL 的萘乙二胺鹽酸，定容后顯色反應(yīng)3 min后進(jìn)行測定。

4.4 活性炭脫色實驗

參考國標(biāo)的方法進(jìn)行測定，在樣品前處理時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選用樣品顏色較深時，處理過后的溶液依然存在較深的顏色，影響結(jié)果測定?；钚蕴磕茌^好地吸附植物中的色素，故選擇用活性炭對最后的樣品液進(jìn)行脫色處理，可以有效地消除測定時產(chǎn)生的誤差，并對加入活性炭之后的實驗進(jìn)行回收率測定。稱取4份5 g樣品，分別加入0、1、3、5 mL的5.25 μg/mL 亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照3.2進(jìn)行處理，只是在沸水浴后分別加入2 g活性炭繼續(xù)加熱2 min，其余步驟同3.2。最后測定吸光度，結(jié)果見表2，加入活性炭進(jìn)行脫色的回收率在87.9%～94.6%之間，證明該方法具有較高的回收率。

4.5 小結(jié)

通過在實際操作發(fā)現(xiàn)高中生物教材中“制作泡菜并檢測亞硝酸鹽含量”實驗中存在的一些問題，故而參考國標(biāo)的方法對這個實驗進(jìn)行改進(jìn)。通過紫外分光光度計對實驗結(jié)果進(jìn)行精密測量，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，考查了反應(yīng)溶液的穩(wěn)定性，希望能讓廣大中學(xué)教師對此實驗的原理、樣品的前處理、實驗的操作、實驗結(jié)果的處理等方面能有更深入的認(rèn)識，從而更好地應(yīng)用到實驗教學(xué)中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱正威，孫萬儒，趙占良.生物1·生物技術(shù)實踐（選修）[M].北京：人民教育出版社，2007：9-10.

[2] 劉杏認(rèn)，任建強(qiáng)，甄蘭.蔬菜硝酸鹽累積及其影響因素的研究[J].土壤通報，2003，34（4）：354-361.

[3] 廖德豐.硝酸鹽和亞硝酸鹽的毒理學(xué)效應(yīng)及檢測技術(shù)研究進(jìn)展[J]..生物學(xué)教學(xué)，2013，38（12）：4-6.

[4] 張旭，張瑾，畢詩秀.光電比色在“泡菜亞硝酸鹽含量測定”中應(yīng)用[J]..生物學(xué)教學(xué)，2013，38（8）：34-35.

[5] 杜偉，孫存華.752型分光光度計定量測定泡菜亞硝酸鹽含量[J]..教學(xué)儀器與實驗，2010，26（1）：38-39.

[6] 肖安慶，吳宇.貯藏條件和時間對蔬菜中亞硝酸鹽含量的影響[J]..中學(xué)生物學(xué)，2011，27（9）：37-40.