利用太陽(yáng)光作為UV 光源展示天然植物提取物熒光現(xiàn)象

王國(guó)富，劉麗，付強(qiáng)

（江西中醫(yī)藥高等專(zhuān)科學(xué)校，江西撫州，344000）

0 引言

當(dāng)物質(zhì)吸收光子能量被激發(fā)，之后從激發(fā)態(tài)的最低能級(jí)返回基態(tài)時(shí)所發(fā)射出的光稱(chēng)為熒光?；谀承┯袡C(jī)物的分子在用紫外-可見(jiàn)光激發(fā)時(shí)發(fā)射的熒光稱(chēng)為分子熒光。由于發(fā)射光的波長(zhǎng)通常大于吸收光，這就使得一些原本無(wú)色的物質(zhì)通過(guò)紫外光的照射而呈現(xiàn)出有色的熒光或者是改變?cè)瓉?lái)的顏色，這是判斷物質(zhì)是否存在熒光的簡(jiǎn)便方法。不管是熒光的發(fā)射光譜還是吸收光譜都反映了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，再加上熒光分析法具有靈敏度高、先擇性好的優(yōu)點(diǎn)，因此，熒光分析法（Fluorometry）在物質(zhì)分析中有著特殊的重要性［1-3］，在化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［4-7］。

能發(fā)射熒光的有機(jī)分子在結(jié)構(gòu)上往往存在多個(gè)共軛π 鍵，且大多具有苯環(huán)或雜環(huán)，同時(shí)，具有剛性平面結(jié)構(gòu)。外部環(huán)境如溶劑、溫度、pH 值、氫鍵等也會(huì)影響熒光波長(zhǎng)及強(qiáng)度。因此，熒光分析不僅可用于定性分析，還可用于定量分析。由于太陽(yáng)輻射主要集中在可見(jiàn)光部分，紅外線和紫外線的部分少，同時(shí)受地球大氣中臭氧、水氣和其它大氣分子的強(qiáng)烈吸收，在地面上能觀測(cè)的紫外線較少，因此，我們很難在太陽(yáng)光下直接觀察到物質(zhì)的熒光現(xiàn)象。本文使用太陽(yáng)光作為紫外光源，通過(guò)放大鏡的匯聚作用，非常順利地觀察到了葉綠素、秦皮提取物、銀杏葉提取物等物質(zhì)的熒光現(xiàn)象。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

本演示選擇葉綠素、秦皮提取物、銀杏葉提取物觀察是因?yàn)檫@些物質(zhì)很容易得到，我們身邊的植物中就能獲取，且這些物質(zhì)的熒光現(xiàn)象很強(qiáng)烈，能帶來(lái)視覺(jué)上的沖擊感。 葉綠素家族有五大類(lèi)，它們的吸收光譜和熒光發(fā)射光譜雖各不相同，但吸收峰主要在400~450nm 之間，最大發(fā)射峰主要在650~710nm 之間，并且隨著溫度、溶劑、其它離子的不同而稍有不同［8-10］，因此它們的熒光顏色基本是一樣的。秦皮為木樨科植物苦櫪白蠟樹(shù)（Fraxinus rhynchophylla Hance）的干燥枝皮或干皮，其主要化學(xué)成分為秦皮乙素（Aesculetin）、秦皮甲素（Aesculin）等香豆素類(lèi)物質(zhì)，在紫外光下有強(qiáng)烈的藍(lán)色熒光。銀杏為銀杏科植物銀杏（Ginkgo biloba L.）的干燥葉，其中含有黃酮類(lèi)（Flavones）物質(zhì)，黃酮類(lèi)物質(zhì)是一類(lèi)含苯環(huán)的多共軛體系，大多顯灰黃色至黃色，也具有熒光現(xiàn)象。雖然其熒光現(xiàn)象不如香豆素類(lèi)物質(zhì)強(qiáng)烈，但可以用來(lái)比較、認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)熒光現(xiàn)象的影響，而且其在Al3+的作用下，熒光現(xiàn)象會(huì)有所增強(qiáng)。

1.2 藥品和儀器

用來(lái)觀察的這三種物質(zhì)都是從我們周?chē)闹参镏胁杉崛《?，提取方法使用水或乙醇，此外不需要其他試劑，三?lèi)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 葉綠素、秦皮提取物、銀杏葉提取物的結(jié)構(gòu)

準(zhǔn)備一個(gè)便于全班觀察的連接電腦的攝像系統(tǒng)，便于實(shí)時(shí)觀察。可以利用智能手機(jī)自帶的投屏功能實(shí)現(xiàn)這一目的（如圖2 所示），其間要求電腦和手機(jī)必須連接在同一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下，電腦的操作系統(tǒng)在Win10以上。也可以直接將攝像頭連接在電腦上，不過(guò)缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，使用距離比較短，當(dāng)太陽(yáng)的光線不能射入教室時(shí)，很難滿足使用要求。

圖2 將手機(jī)屏幕投影到電腦上

準(zhǔn)備5 個(gè)100mL 試劑瓶，用來(lái)提取并盛放提取液，7 個(gè)50mL 小燒杯，用來(lái)盛放提取液并觀察太陽(yáng)光下的熒光。

準(zhǔn)備一個(gè)家用放大鏡，用來(lái)匯聚太陽(yáng)光，如圖3 所示，來(lái)自太陽(yáng)的自然光通過(guò)放大鏡匯聚到溶液的表面。

圖3 熒光觀察示意圖

秦皮，直接購(gòu)自藥店，使用之前不需要進(jìn)行任何處理；香樟樹(shù)葉，直接采自樹(shù)上，使用之前新鮮采摘；銀杏樹(shù)葉，提前采自銀杏樹(shù)，并曬干，以去除其中的葉綠素。

1.2.1 提取液的準(zhǔn)備

秦皮的提?。悍謩e采用水和95%乙醇兩種溶劑作為提取劑提取。在兩個(gè)100mL 的試劑瓶中，各加入大約10g 的秦皮，分別加入大約40mL 去離子水和95%乙醇，使之淹沒(méi)秦皮，大約1h 后待用。

葉綠素的提?。河捎谌~綠素不溶于水，因此葉綠素的提取采用95%的乙醇提取。摘取大約10g 新鮮的綠色樹(shù)葉（任意，本實(shí)驗(yàn)采用的是香樟葉），洗凈后置于100mL 試劑瓶中，加入大約40mL95%乙醇，使之淹沒(méi)樹(shù)葉，大約1h 后待用。

黃酮的提?。簩⑿迈r采摘的銀杏葉曬干至葉片完全黃透以破壞其中的葉綠素，取大約10g 的干銀杏葉置于100mL 試劑瓶中，加入大約40mL95%乙醇，使之淹沒(méi)銀杏葉，大約1h 后待用。

本實(shí)驗(yàn)中用到的所有試劑均無(wú)毒、無(wú)腐蝕性，所以不需要特殊的防護(hù)。但由于太陽(yáng)匯聚光有燒傷的危險(xiǎn)，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)要小心，最好戴上防護(hù)手套。

1.2.2 課堂實(shí)驗(yàn)前實(shí)驗(yàn)裝置的準(zhǔn)備

上課之前將手機(jī)的無(wú)線投屏功能調(diào)試好，安裝在手機(jī)支架上，對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)溶液，在窗戶(hù)邊太陽(yáng)光可以照射到的地方依次擺上準(zhǔn)備好的各提取液，用放大鏡將太陽(yáng)光匯聚到溶液表面，檢查投屏效果。

2 課堂演示

2.1 演示前的準(zhǔn)備

本次課采用POE 教學(xué)策略展開(kāi)教學(xué)。

在演示之前，先向?qū)W生介紹熒光現(xiàn)象產(chǎn)生的原理及應(yīng)用，然后引導(dǎo)學(xué)生思考物質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)熒光產(chǎn)生的影響，并提出如下問(wèn)題供學(xué)生思考：

熒光物質(zhì)應(yīng)具有怎樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)？

給出本實(shí)驗(yàn)中的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)式及不在本實(shí)驗(yàn)中的一些物質(zhì)的結(jié)構(gòu)式（包括有機(jī)物及無(wú)機(jī)物），并讓學(xué)生判斷哪些物質(zhì)能產(chǎn)生熒光，哪些物質(zhì)不能產(chǎn)生熒光，強(qiáng)度如何？

學(xué)生分組討論各自的觀點(diǎn)及理由，最后統(tǒng)一結(jié)果，挑選幾組宣布他們的結(jié)果及理由，實(shí)驗(yàn)完成之后進(jìn)行打分，對(duì)分?jǐn)?shù)高的組給予一定的獎(jiǎng)勵(lì)。

2.2 演示過(guò)程

每組選派一名代表來(lái)做演示實(shí)驗(yàn)，演示之前，教師先介紹演示需要做的工作，然后給學(xué)生分配好工作，由他們分工協(xié)作完成本次演示實(shí)驗(yàn)。具體演示過(guò)程如下：

將上述提取液用濾紙過(guò)濾出來(lái)，取上述過(guò)濾液秦皮水提取液、秦皮乙醇提取液、秦皮乙醇提取液10 倍水稀釋液、葉綠素提取液、銀杏葉水提取液、銀杏葉乙醇提取液適量，分別裝于6 個(gè)50mL 的小燒杯中，編號(hào)分別為a—f。將太陽(yáng)光用一個(gè)放大鏡匯聚到上述溶液中，依次觀察其熒光現(xiàn)象。其間，學(xué)生們記錄下各溶液及對(duì)應(yīng)的熒光及強(qiáng)度，并當(dāng)場(chǎng)對(duì)前述給出答案的同學(xué)打分。之后，教師請(qǐng)同學(xué)們來(lái)解釋所觀察到的現(xiàn)象。最后，教師分析總結(jié)如下：

秦皮水提液在太陽(yáng)匯聚光下出現(xiàn)藍(lán)色熒光，秦皮乙醇提取液也出現(xiàn)藍(lán)色熒光，但由于光線進(jìn)入溶液內(nèi)部變成紅色，因此從上面看很像紫色（圖4 b）。我們把秦皮乙醇提取液稀釋10 倍，不管是用水稀釋還是用乙醇稀釋都出現(xiàn)藍(lán)色熒光，這時(shí)，把稀釋液直接放在太陽(yáng)光下就可出現(xiàn)藍(lán)色熒光（圖4 g）。這說(shuō)明溶劑不會(huì)對(duì)熒光發(fā)射波長(zhǎng)造成很大的影響。適當(dāng)?shù)南♂層欣跓晒獾某霈F(xiàn)，這一方面說(shuō)明秦皮提取液的熒光現(xiàn)象非常強(qiáng)烈，另一方面也說(shuō)明濃度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)熒光猝滅現(xiàn)象。

圖4 在太陽(yáng)匯聚光下的熒光現(xiàn)象

葉綠素醇提液出現(xiàn)紅色熒光。葉綠素?zé)晒獍l(fā)射光譜大約在700nm 左右，因此出現(xiàn)紅色熒光。將其稀釋也沒(méi)有出現(xiàn)更明顯的熒光現(xiàn)象，這說(shuō)明葉綠素的熒光現(xiàn)象不如秦皮提取液強(qiáng)烈。葉綠素的卟啉環(huán)通過(guò)和Mg2+配位形成一個(gè)很大的共軛環(huán)，但由于其環(huán)太大，因此很難保證其完全的共平面結(jié)構(gòu)，從而影響了其熒光效應(yīng)。銀杏葉水提物出現(xiàn)微弱淡藍(lán)色熒光。銀杏葉乙醇提取物出現(xiàn)淡藍(lán)色熒光是因?yàn)殂y杏葉的主要成分之一是黃酮類(lèi)化合物，其一般易溶于乙醇，當(dāng)形成糖苷后在水中的溶解度增大，其水提液會(huì)出現(xiàn)熒光現(xiàn)象。黃酮類(lèi)化合物雖然比香豆素類(lèi)化合物多了一個(gè)苯環(huán)，但比較銀杏葉醇提取物與秦皮醇提取物在太陽(yáng)匯聚光下的熒光現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，秦皮醇提物的熒光現(xiàn)象更強(qiáng)烈。這是因?yàn)辄S酮2-位的苯環(huán)可以沿著單鍵旋轉(zhuǎn)，從而失去共軛、失去剛性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其熒光效應(yīng)較低。如果將2-位的苯環(huán)換成甲基、丙基等，則其熒光量子產(chǎn)率將大幅提高，這說(shuō)明2-位的苯環(huán)對(duì)熒光是猝滅的。對(duì)此，教師可鼓勵(lì)學(xué)生記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)與熒光強(qiáng)度的關(guān)系，完成表1。

表1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與熒光強(qiáng)度的關(guān)系

熒光性物質(zhì)必須具有如下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）具有芳香的共軛體系；（2）具有平面結(jié)構(gòu)或近乎平面結(jié)構(gòu)；（3）連有-OH、-NH2等助色基團(tuán)，有利于熒光的發(fā)射。

2.3 課堂反饋

筆者在2023 級(jí)藥學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生中進(jìn)行了該教學(xué)，參與學(xué)生共計(jì)107 人，其中女生72 人，男生35 人，從課堂氣氛、回答問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)參與等過(guò)程來(lái)看，大部分同學(xué)都比較活躍，展示出較強(qiáng)的興趣。本次教學(xué)雖然不是《有機(jī)化學(xué)》必修的內(nèi)容，但對(duì)擴(kuò)大學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的思考能力起到了積極的作用。

3 結(jié)語(yǔ)

熒光性物質(zhì)廣泛存在于自然界，如葉綠素類(lèi)、香豆素類(lèi)、黃酮類(lèi)等。通常，熒光的觀察需要一個(gè)紫外燈，以及一間暗室，這就給課堂演示帶來(lái)了不便。本演示利用太陽(yáng)光作為紫外光源，可在自然光條件下操作，具有儀器簡(jiǎn)單、操作方便的特點(diǎn)。本演示觀察了秦皮提取物、綠葉提取物及銀杏葉提取物等三類(lèi)物質(zhì)，均有明顯的熒光現(xiàn)象。本次展示了一種可靠的、便捷的以綠色化學(xué)為指導(dǎo)的觀察生活中一些天然提取物熒光的簡(jiǎn)單演示，該演示簡(jiǎn)單、直觀，有利于學(xué)生對(duì)于熒光概念的學(xué)習(xí)與理解，以及分析結(jié)構(gòu)對(duì)熒光效應(yīng)的影響，從而預(yù)測(cè)未知物質(zhì)的熒光效應(yīng)。

由于本次演示實(shí)驗(yàn)的紫外線直接采自自然光，沒(méi)有將其中的可見(jiàn)光過(guò)濾掉，因此當(dāng)溶液中含有固體小顆粒時(shí)，將使太陽(yáng)光發(fā)生反射、折射、衍射等，進(jìn)而干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，本演示實(shí)驗(yàn)只對(duì)熒光發(fā)射能力比較強(qiáng)的物質(zhì)有效。