關(guān)于光合色素分離實(shí)驗(yàn)中所剪角的傾斜程度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響及其原因的研究結(jié)果

杜沛陽

（浙江省柯橋中學(xué) 浙江紹興 312030）

1 問題來源

高中生物教材的“光合色素的提取與分離”采用了紙層析法，在操作過程中要求在底端剪去兩個(gè)角。上課時(shí)，生物老師解釋：如果不剪去2個(gè)角，4條色素帶中部向下凹陷，使得色素帶寬度難以比較，且色素帶有發(fā)生重疊的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)效果不好。因此，筆者自然產(chǎn)生疑問：怎樣剪實(shí)驗(yàn)效果是最好的？

首先確定最好效果是客觀存在的。如圖1所示當(dāng)傾角α為0°時(shí)，是效果較差的時(shí)候；當(dāng)普通實(shí)驗(yàn)時(shí)，αx時(shí)效果較好，（這是已經(jīng)證明了的事實(shí)），當(dāng)α為90°與0°時(shí)相似，也應(yīng)當(dāng)效果較差的時(shí)候。這樣即可以說明在α處于［0°，90°］時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)角度 α=α0，使效果最佳。所以最佳效果對(duì)應(yīng)最佳角度是客觀存在的。

圖1 濾紙條示意圖

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明所剪角的傾斜程度對(duì)結(jié)果效果的影響。因?yàn)?，?0°與α=90°時(shí)，底端與濾液細(xì)線之間距離發(fā)生改變，故要將其考慮在實(shí)驗(yàn)的自變量?jī)?nèi)。以新鮮的菠菜葉為實(shí)驗(yàn)材料，用體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇溶液，加入二氧化硅和碳酸鈣提取光合色素，置于SBB層析液（C2H5OH∶H2O∶C6H6=210∶15∶25）。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

3 實(shí)驗(yàn)過程

①取新鮮菠菜綠葉，放入微波爐中小火烘烤至干燥。

②將烘干的綠葉用剪刀剪成小塊，加入到研缽中，并同時(shí)加入一定量二氧化硅（SiO2）和碳酸鈣（CaCO3），加入2 mL酒精，快速研磨，研磨至酒精蒸發(fā)完全，即綠葉成為干粉狀粉末。

③準(zhǔn)備好過濾裝置，將單層尼龍布放入漏斗中，漏斗放入鐵架臺(tái)上的鐵圈中，漏斗下放一支較小的試管（帶有配套橡皮塞）。

④向研缽中加入3 mL酒精，快速研磨。研磨充分后，快速將糊狀混合物轉(zhuǎn)移到漏斗中的單層尼龍布上，用塑料保鮮膜覆蓋并加壓，直至沒有濾液流出。迅速塞緊試管，整理器材。

⑤取一大試管，向其中加入SBB層析液，塞緊瓶塞備用。

⑥將定性濾紙剪成長(zhǎng)條狀并用鉛筆畫好原直線，用蓋玻片蘸取濾液，用蓋玻片一側(cè)在鉛筆標(biāo)記上摁上濾液，晾干以后重復(fù)幾次，得到紙層析樣本。

⑦在橡皮塞上面用小刀劃一條縫，插入回形針用于固定定性濾紙，使濾液細(xì)線下端浸入層析液中；片刻后拿出濾紙，即成紙層析結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)及理由

該實(shí)驗(yàn)與浙科版高中生物《必修1·分子與細(xì)胞》中的“光合色素提取與分離”實(shí)驗(yàn)相比，有以下區(qū)別：

①烘干裝置使用微波爐。微波加熱對(duì)葉綠素等光合色素破壞比較小，而且容易使用。

②將加入酒精研磨直接過濾改為分兩次加入。第一次研磨考慮到酒精易揮發(fā)的特性，迅速研磨至酒精揮發(fā)完，做到充分研磨；第二次研磨將研磨出的脂溶性色素充分溶解，使得光合色素濃度更高。

③用塑料保鮮膜覆蓋并加壓，使得在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成過濾，又避免因抽濾從而導(dǎo)致的溶劑因?yàn)槠湟讚]發(fā)的特性而大量丟失。

④用蓋玻片代替毛細(xì)管劃濾液細(xì)線。實(shí)踐證明，毛細(xì)管仍然做不到極細(xì)、濃度又極高的濾液細(xì)線。而蓋玻片上面的總濾液量可以控制，使得濾液細(xì)線的寬度得到控制，并通過多次劃線而使得濾液細(xì)線上光合色素濃度升高，效果更好。

⑤在橡皮塞上面用小刀劃一條縫，插入回形針用于固定定性濾紙，可以避免因?yàn)闈駶?rùn)導(dǎo)致定性濾紙底端變軟，容易變形，使濾液細(xì)線浸沒在層析液中。而且，若直接放入，不方便將濾紙取出，此操作比較容易取出。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在10組實(shí)驗(yàn)中，前六組的結(jié)果可以看出③、④號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果較其余四組實(shí)驗(yàn)結(jié)果效果較好。這說明在濾液細(xì)線底端1 cm時(shí)，傾斜角居于5°～20°（偏向于10°～15°時(shí)），效果較好。在后四組實(shí)驗(yàn)中，效果均較好，沒有出現(xiàn)明顯中部凹陷的情況，說明底端距離濾液細(xì)線的距離較大時(shí)，傾斜角的改變對(duì)效果的影響較小。

6 實(shí)驗(yàn)分析

紙層析實(shí)驗(yàn)的原理是毛細(xì)現(xiàn)象。簡(jiǎn)而言之，就是具有細(xì)微縫隙的物質(zhì)或者直徑很小的細(xì)管（稱毛細(xì)管）與液體接觸時(shí)，液體會(huì)沿著縫隙或者細(xì)管向上或者向下運(yùn)動(dòng)，在浸潤(rùn)狀態(tài)下是向上運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)液體與固體表面接觸時(shí)，在兩者接觸的表面上，厚度等于分子作用半徑的一層液體稱為附著層，在附著層中的液體分子與附著層外的液體分子的受力并不相同。如圖1所示，如果組成容器壁固體分子對(duì)附著層內(nèi)分子的作用力——附著力大于液體內(nèi)部對(duì)附著層內(nèi)分子的作用力——內(nèi)聚力時(shí)，則附著層內(nèi)的分子所受合力垂直于附著層表面指向固體。此時(shí)若將液體內(nèi)的分子移到附著層時(shí)，分子力做正功，該分子勢(shì)能減少。一個(gè)系統(tǒng)處于平衡時(shí)，應(yīng)具有最小勢(shì)能（即能量最低狀態(tài)），因此液體內(nèi)部分子要盡量擠入附著層，使附著層有伸長(zhǎng)的趨勢(shì)，從而使得附著層內(nèi)分子盡量沿著接觸面向外延伸。這時(shí)，液體就會(huì)順著濾紙條向上運(yùn)動(dòng)。

圖1 固液接觸面力的作用分析示意圖

在紙層析試驗(yàn)中，載體是濾紙。濾紙的主要成分是纖維素，纖維素上有很多羥基，纖維素上的羥基和水有較強(qiáng)的親和力，導(dǎo)致纖維素能吸收約22%的水，其中6%～7%的水以氫鍵形式與纖維素的羥基結(jié)合，在一般條件下難以脫去。紙層析就是利用了這一點(diǎn)，將水作為固定相，而和濾紙沒有很強(qiáng)相互作用力的有機(jī)溶劑（本實(shí)驗(yàn)中是酒精與苯）作為流動(dòng)相。在水不斷上升的過程中，帶動(dòng)著有機(jī)溶劑上升。這里層析液里面用到酒精的原因是水與乙醇中的羥基也有氫鍵的相互作用，而乙醇中的乙基能和苯相互作用，使得三種液體一起向上運(yùn)動(dòng)，而不至于只有水上升，有機(jī)溶劑沒有上升。液體上升時(shí)（沿濾紙）受到一些阻力，其中最重要的影響最為顯著的是對(duì)干燥濾紙的空氣進(jìn)行排出時(shí)受到的阻力。

濾紙是由一些纖維縱橫而成的，溶液上升時(shí)受到的阻力可以是自身重力、纖維阻力、排氣阻力等。重力不會(huì)引起實(shí)驗(yàn)最終效果，因?yàn)闊o論在邊緣還是中間，單位體積中液體受到重力是極其相近的，因纖維吸附而產(chǎn)生的阻力也基本一樣。故影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大的必然是排氣阻力。在邊緣排氣阻力幾乎為零，因?yàn)橹苯优c外界空氣接觸；而在內(nèi)部，需要將氣體壓到濾紙表面才算排氣完成，速率必將減慢。因?yàn)橐后w向上流動(dòng)速度與排氣速度成正相關(guān)，故邊緣速度必將大于中心液體流動(dòng)速率。

剪后邊緣的液體經(jīng)過更長(zhǎng)的路徑才能到達(dá)，而中間路徑則較短，就可以使液體到達(dá)同一高度時(shí)，時(shí)間差減小，從而使一條色素帶基本在水平線上。不同斜角使得路徑發(fā)生變化，從而有一個(gè)最佳角度有最佳效果。當(dāng)?shù)锥司酁V液細(xì)線距離遠(yuǎn)后，角度對(duì)路程影響較小，且越高速率都相應(yīng)變小，使速率差與路程差值不明顯，從而使實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差不明顯。