自制教具“吸光度測量儀”在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

摘 要：本文利用自制的簡易色素吸光度測量儀，開展“綠葉中色素的提取和分離”實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察實(shí)現(xiàn)由定性到定量、由教材化到生活化的轉(zhuǎn)變，旨在將該儀器遷移應(yīng)用于其他高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，推動項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，進(jìn)而指導(dǎo)生產(chǎn)生活實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：吸光度測量儀；自制教具；高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)

文章編號：1003-7586（2024）11-0043-03 中圖分類號：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

“綠葉中色素的提取和分離”實(shí)驗(yàn)屬于人教版《生物學(xué)·必修1·分子與細(xì)胞》第5章第4節(jié)“能量之源——光與光合作用”中的學(xué)生分組探究環(huán)節(jié)。該實(shí)驗(yàn)不僅有助于學(xué)生掌握科學(xué)探究的基本思路、方法和步驟，提升自身的創(chuàng)新實(shí)踐能力，還能夠幫助學(xué)生理解生物學(xué)的重要概念“葉綠體通過光合色素捕獲光能”。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂） 》建議：在重視定性實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，也應(yīng)重視定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)。因此，筆者自制了簡易的色素吸光度測量儀，定量地測定各種光合色素的吸光值及含量，從而推動實(shí)驗(yàn)由定性向定量轉(zhuǎn)變。

1 實(shí)驗(yàn)背景

教材中觀察“綠葉中色素的提取和分離”實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，主要依賴肉眼判斷色素的種類和含量，極易受到觀察者主觀意識的影響。在該科研實(shí)驗(yàn)中，量化該實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要使用分光光度計(jì)；但是由于分光光度計(jì)的價(jià)格昂貴，基礎(chǔ)教育階段的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室通常難以配備。因此，自制的色素吸光度測量儀可以代替分光光度計(jì)，定量地分析色素的濃度和含量。

2 儀器的制作和原理

2.1 材料及制作步驟

材料：

光照強(qiáng)度測量儀一個(gè)、比色皿若干、能發(fā)出不同波長光束的手電筒一個(gè)、不透光的厚泡沫箱（帶蓋）一個(gè)，硬紙板一塊。學(xué)生在硬紙板上根據(jù)比色皿的形狀和大小挖取一個(gè)凹槽，用于固定比色皿，在泡沫箱的一側(cè)挖取一個(gè)與光照強(qiáng)度測量儀的感光探頭同等大小的凹槽，用于固定探頭。最后學(xué)生將以上材料

進(jìn)行組裝（見圖1），確保手電筒的光束、比色皿和光照強(qiáng)度測量儀的感光探頭三者位于同一條直線上，最后蓋上泡沫蓋子待用。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

手電筒能發(fā)出不同波長的光束，而葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素分別在669 nm、645 nm、470 nm這三個(gè)波長下有最大吸收波峰。比色皿中盛放體積分?jǐn)?shù)為96％的乙醇溶液（對照組）或不同葉片的色素混合濾液（實(shí)驗(yàn)組），不同波長的光束通過比色皿的溶液后均會被吸收一部分，光照強(qiáng)度測量儀上顯示的數(shù)據(jù)即為被部分吸收之后剩余的光照強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)組與對照組的數(shù)據(jù)差異即為被色素吸收的光照強(qiáng)度值。學(xué)生通過記錄并對比各組的光照強(qiáng)度測量值，根據(jù)張立軍等人編寫的《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教程》中提供的公式，計(jì)算出每種色素的最大吸光值，從而推算出色素的濃度，并結(jié)合體積和濃度計(jì)算出每種色素的具體含量。^［1］

3 實(shí)驗(yàn)流程

3.1 選取實(shí)驗(yàn)材料

為了使測量的數(shù)據(jù)更加真實(shí)有效，實(shí)驗(yàn)選擇了新鮮菠菜葉和娃娃菜葉作為實(shí)驗(yàn)材料，并用教材中推薦的方法對兩種葉片進(jìn)行色素的提取和分離。

通過對比兩種葉片研磨過濾所得新鮮濾液的顏色和層析所得的色素條帶可知，傳統(tǒng)方法屬于定性分析，局限于對色素濾液顏色深淺的對比，并通過色素條帶分析4種色素的顏色及含量。

定性觀察方法雖然較為直觀，但是極易受到實(shí)驗(yàn)者的主觀因素干擾，從而影響實(shí)驗(yàn)過程的嚴(yán)謹(jǐn)性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的說服力。

3.2 測定色素含量

為了提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)性并實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果由定性向定量的轉(zhuǎn)變，學(xué)生采用自制的色素吸光度測量儀來探究兩種葉片中各種色素的濃度及含量，具體步驟如下。

（1）調(diào)整好各裝置的位置，使光源、比色皿和光照強(qiáng)度測量儀的探頭三點(diǎn)一線，確保光源發(fā)出的光通過比色皿中的溶液后能準(zhǔn)確照射在光照強(qiáng)度測量儀的探頭上。整個(gè)測量過程在不透光的紙盒中進(jìn)行，以避免環(huán)境中的其他光源對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成干擾。

（2）取一個(gè)潔凈的比色皿，盛放體積分?jǐn)?shù)為96％的乙醇溶液作為對照組。

（3）另取兩個(gè)比色皿，分別盛放菠菜和娃娃菜的葉片色素濾液，讓光源通過濾液并照射在光照強(qiáng)度測量儀的探頭上。依次調(diào)整光源的波長為669 nm、645 nm、470 nm，讀取光照強(qiáng)度測量儀數(shù)據(jù)并記錄。

（4）重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，記錄每組實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)并計(jì)算平均值。

3.3 處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)張立軍等人編寫的《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教程》一書中介紹的“朗伯—比爾定律”，可以計(jì)算出色素吸光度、色素濃度以及色素含量。^［1］

3.4 歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)論

結(jié)果表明菠菜葉中葉綠素a和葉綠素b的含量明顯高于娃娃菜葉，尤其葉綠素a的含量在兩組中差異較大。菠菜葉中類胡蘿卜素的含量低于娃娃菜葉。由此，學(xué)生可以對“菠菜葉呈綠色，娃娃菜葉呈黃色”的生活現(xiàn)象做出科學(xué)的解釋。

4 本儀器的創(chuàng)新點(diǎn)及拓展點(diǎn)

4.1 創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)

4.1.1 變廢為寶，提升環(huán)保意識

學(xué)生使用自制色素吸光度測量儀測定吸光度時(shí)，需要將其置于不透光的泡沫盒中，以營造黑暗的環(huán)境，減少環(huán)境光線對測量數(shù)據(jù)的干擾。不透光的泡沫盒和硬紙板成本低廉，來源廣泛，易于獲取?！白儚U為寶”的理念能夠促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成從生活中尋找實(shí)驗(yàn)素材和資源的習(xí)慣，提升學(xué)生“綠色、低碳”的環(huán)保意識。自制的吸光度測量儀所需材料基本無消耗，均可以重復(fù)使用，從而將資源的價(jià)值發(fā)揮到最大化。

4.1.2 操作簡單，節(jié)約時(shí)間成本

自制吸光度測量儀中的光源所發(fā)出的光束極細(xì)，且波長數(shù)據(jù)顯示精確，不僅提升了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度，也省去了測量光束波長的步驟。此外，按動手電筒的按鈕即可更換不同波長的光源，控制變量的操作簡單易行，使得本實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚺c“色素的提取與分離”實(shí)驗(yàn)在同一節(jié)課內(nèi)完成，有效縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

4.1.3 輕巧便攜，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)場景

本實(shí)驗(yàn)中的自制儀器搭建簡單、便于攜帶，手電筒光源內(nèi)置電池，無需外接電源即可操作，簡化了實(shí)驗(yàn)設(shè)備。教師可將儀器帶入課堂并邀請學(xué)生上臺演示，甚至可以將裝置借給學(xué)生進(jìn)行課外拓展和興趣探究，作為課堂教學(xué)過程的補(bǔ)充和延續(xù)。自制儀器不僅能激發(fā)學(xué)生的科研興趣，還能培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，真正貫徹“教學(xué)過程重實(shí)踐”的教學(xué)理念。

4.1.4 定量測量，提升科學(xué)思維

通過使用自制儀器，教師將原本定性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)槎康膶?shí)驗(yàn)結(jié)果，有效避免肉眼觀察給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來的誤差，提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性和可推廣性。此外，自制色素吸光度測量儀解決了實(shí)驗(yàn)室缺乏分光光度計(jì)的問題，使得本實(shí)驗(yàn)在普通學(xué)校也能正常開展。這有助于培養(yǎng)學(xué)生“創(chuàng)造條件做實(shí)驗(yàn)”的科研意識，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維并提升學(xué)生的實(shí)踐能力。

4.2 拓展點(diǎn)總結(jié)

自制吸光度測量儀具有功能多樣性的特點(diǎn)，除了用于測定色素的吸光度之外，還能應(yīng)用于多種實(shí)踐探究活動。

4.2.1 推動項(xiàng)目學(xué)習(xí)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師通過項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式，借助自制的吸光度測量儀，引導(dǎo)學(xué)生探究一系列以“光照強(qiáng)度”“溶液吸光度”為關(guān)鍵詞的項(xiàng)目子課題。教師鼓勵學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需自由設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并自主解決問題，從而提升學(xué)生的主體意識，提高學(xué)生獲取知識的主動性。

學(xué)生可選的探究主題豐富多樣，包括但不限于以下方面：①探究不同光照強(qiáng)度對同一植株光合作用強(qiáng)度的影響；②探究不同植物在同一光照強(qiáng)度下的光合作用強(qiáng)度；③探究同一植株的不同葉齡的葉片、不同部位的葉片在不同光照強(qiáng)度下的光合作用強(qiáng)度；④探究不同植物類型在不同光照強(qiáng)度下的光合作用強(qiáng)度；⑤探究同一植株的綠葉和黃葉中光合色素的種類與含量，并解釋秋天樹葉變黃的內(nèi)在原因；⑥探究同一塊田里間作套種的植株（如玉米和大豆）在不同光照強(qiáng)度下的凈光合作用速率變化。自制簡易儀器可以幫助學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)的能力。

4.2.2 指導(dǎo)生活實(shí)踐

自制吸光度測量儀能應(yīng)用于生活中的多個(gè)方面，有利于學(xué)生用生物學(xué)學(xué)科知識指導(dǎo)生活實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用。

（1）測定有色溶液的濃度。人教版普通高中教科書《生物學(xué)·選擇性必修3·生物技術(shù)與工程》中的第1章“發(fā)酵工程”介紹了傳統(tǒng)泡菜的制作方法，可以利用自制的吸光度測量儀來測定泡菜中亞硝酸鹽的含量。其原理是亞硝酸鹽與特定試劑反應(yīng)會產(chǎn)生玫瑰紅色的顏色反應(yīng)，通過測定泡菜溶液的吸光度來確定亞硝酸鹽的濃度。同理，在鑒定還原糖、脂肪以及蛋白質(zhì)的顯色實(shí)驗(yàn)中，也可以通過自制的吸光度測量儀來測定顯色后溶液的吸光度，從而定量判斷待測物質(zhì)的含量。據(jù)此原理，可以比較不同品牌奶粉中的蛋白質(zhì)含量。同樣的原理還可應(yīng)用于“溫度影響淀粉酶活性”實(shí)驗(yàn)的定量測定，以及在“探究酵母菌種群數(shù)量變化”實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建酵母菌溶液的吸光值隨時(shí)間變化的動態(tài)曲線。

（2）測定防曬霜的防曬效果。紫外線變色珠在受到不同強(qiáng)度的紫外線照射時(shí)，會呈現(xiàn)不同深度的顏色。學(xué)生通過往紫外線變色珠上涂抹不同品牌或不同防曬指數(shù)的防曬霜，并利用自制的吸光度測量儀來測定變色珠的吸光度變化，可以判斷不同防曬霜的防曬效果。

（3）測定水中的金屬離子含量。向待測水樣中放入與待測金屬離子產(chǎn)生反應(yīng)的顯色劑，使其呈現(xiàn)出特定顏色，然后測定有色溶液的吸光度，并與標(biāo)準(zhǔn)比色溶液所得的曲線進(jìn)行比對，從而定量地測量出不同待測水樣中該種金屬離子的濃度。

當(dāng)然，利用自制的吸光度測量儀測出的數(shù)據(jù)對現(xiàn)實(shí)生活有一定的參考意義，但是如果需要對污染水源、重金屬水樣等進(jìn)行科研分析，仍需要更為精密高端的分光光度計(jì)進(jìn)行精準(zhǔn)測定。制作和使用自制儀器需要融合物理、化學(xué)等多學(xué)科知識，從而可以拓寬學(xué)生的知識領(lǐng)域，提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

［1］張立軍，樊金娟.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教程［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2007：36-40.