层析法提取和分离菠菜叶绿体中色素的实验研究

层析法提取和分离菠菜叶绿体中色素的实验研究 层析法提取和分离菠菜叶绿体中色素的实 验研究 化学教育2011年第2期 层析法提取和分离菠菜叶绿体中色素的实验研究 龚正元柏如意 (『丰j京师范大学化学与材料科学学院210097) 摘要高中化学新课程设置了层析实验,具体体现在各种版本,多个模块的化学教科 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 中.但 是在实践层面不少教师对层析实验有畏难情绪.为了解决实践的困惑,选取了典型 实验"层析法提 取和离菠菜叶绿体中的色素"进行了系统的实验研究,比较了几种方法的效果,对 某些实验操作和 宴了一定的改进. 键词层析法菠菜叶绿体层析分离实验化学 在《普通高中化学课程 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 (实验)》之"实验化 学"的"活动与探究建议"中,提出了"食用色素的提 视野,,栏目中介绍了色谱法,"实践活动"栏目则是 "用粉笔分离菠菜叶中的色素"l2];人教版《实验化 学》中编排了"纸上层析分离甲基橙和酚酞",以及拓 展实验"用粉笔对菠菜中的色素进行柱层析分 离"?3;苏教版《化学1》在"物质的分离与提纯"中以 "拓展视野"的栏目介绍了层析法[];苏教版《化学 与生活》中编排了"信息提示"栏日介绍纸层析法, "活动与探究"栏目则是"用纸层析法分析色素"_5]; 苏教版《实验化学》"课题二用纸层析法分离铁 离子和铜离子",拓展课题是"菠菜的叶绿体中色素 的提取和分离","用粉笔进行层析分离"l6]. 由此可见,不同版本,多个模块的化学教科书中 都有层析实验的内容,特别值得关注的是,都不约而 同地选择了菠菜的层析实验.但是,据笔者的了解, 不少化学教师遇到有关层析实验只是在课堂t口头 介绍而不做实验,学生更是没有亲自动手做层析实 验的机会.究其原因,有的教师反映层析实验操作 繁琐,有的教师反映层析实验现象不明显,总之是存 在着畏难情绪.鉴于此,笔者进行了有关菠菜的层 析实验的研究,分别用纸上层析法(条形滤纸法,圆 形滤纸法),柱层析法和薄层层析法进行了相关实 验,分析,比较几种层析法的实验效果. 1实验原理 叶绿体中的色素是植物吸收太阳能进行光合作 用的主要物质.菠菜的叶绿体中含有胡萝卜素(橙 黄色),叶黄素(黄色),叶绿素a(蓝绿色),叶绿素b (黄绿色)等色素_7].这4种色素都能溶于有机溶 乙醚,丙酮等,因此可利用这一特性用有 剂,如乙醇, 机溶剂来提取叶绿体中的色素,并用特定的有机溶 剂作展开剂来分离叶绿体中的色素.因为各种色素 在展开剂中的溶解度不同——溶解度高的随层析液 在滤纸上扩散得快,反之则慢.这样,几分钟后,色 素就会随着层析液在滤纸上的扩散而分离开. 2试剂与仪器 试剂:无水乙醇,95乙醇,石油醚,丙酮,苯,氯 仿,石英砂,碳酸钙(粉末),氯化钠,菠菜及苋菜的新 鲜叶片,薄层层析用硅胶,层析用滤纸,圆形定性滤 纸(直径1Icm). 仪器:烧杯,量筒,试管,橡皮塞,培养皿,滴管, 漏斗,研钵,玻棒,载玻片,天平,铁架台及附件,剪 刀,点样毛细管. 其他材料:粉笔,大头针,脱脂棉,棉线. 3实验步骤 3.1叶绿体色素的提取 (1)事先选取呈深绿色或墨绿色的菠菜,洗净后 放置1,2天,阴干或风干.称取5g,去中脉剪碎, 置于研钵. (2)研钵中加入少量(约小半药匙)石英砂 (SiO2)和CaCO.粉以及0.5gNaC1,5,8mL无水 乙醇,研磨至糊状,再加8,10mL无水乙醇,继续 研磨至溶液呈墨绿色,再用漏斗配以脱脂棉进行过 滤于试管中,过滤时可用研钵棒在脱脂棉上方轻压 以使滤液顺利滴下.提取液应避光保存,因提取量 较大,可用于其他相关实验. (3)若事先没有将菠菜阴干或风干,则可将新鲜 菠菜叶去中脉后于80~C下烘干,约需3O分钟,取 出将其粉碎,置于小烧杯中用无水乙醇浸泡,并不断 用玻璃棒搅动,待溶液呈墨绿色后以同样方法滤出 提取液备用. 3.2叶绿体色素的分离 3.2.1纸层析法(条形滤纸法) 高验学 通实科 普法 的析 本层 版第 衔 排础 编基眭都学 .中化 书机 ,,.?1一I喊验版 取中的 2011年第2期化学教育 (1)准备滤纸:将层析用滤纸顺纸纹方向裁成长 15CiTI,宽1.5CHI的长方形,在距离一端2crr/处用 铅笔画一条细的横线,并剪去这一端的两角(剪角时 最好使其与端线呈70.,8O.角)[9]. (2)配制展开剂:石油醚,丙酮,苯的混合液(石 油醚:丙酮:苯一20:2:1).用大试管作层析容 器,配上一合适的橡皮塞,并在橡皮塞上插入一端已 弯成小钩子的大头针以便将滤纸条挂在其上.将展 开剂转移至大试管时注意不要使液体沾在试管壁 上,亦可使用滴管来转移. (3)点样:用点样毛细管吸取少量提取液,沿铅 笔线均匀地画出一条细线.待提取液干后,再画3, 5次,晾干.细线要画得细,齐,直. (4)展开:将滤纸条挂在大头针上,将橡皮塞和 点有试样的滤纸条慢慢伸入试管内,使纸条末端浸 入展开剂中约0.5cm,注意不要让试样线接触展开 剂.塞紧橡皮塞,将试管垂直静置,等待展开剂展 开.约10415min后,展开剂上升到滤纸条的上 端. (5)显色:因各物质本身的颜色不同,在滤纸条 上有4条明显的不同颜色的色素带,从上往下依次 为橙黄色(胡萝卜素),黄色(叶黄素),蓝绿色(叶 绿素a),黄绿色(叶绿素b).如图l所示. 嬲麟 胡l,索(橙黄包) 叶赞索(黄包) 叶绿索a(蓝绿包) 叶绿索b(黄绿包) I条形摅纸法买验效果不意图 3.2.2纸层析法(圆形滤纸法) (1)点样:取直径为11cm的干燥圆形定性滤 纸,用毛细管吸取色素提取液,在距圆形滤纸中心约 1.5cm的圆周上均匀点样成一整齐细环,待干后, 再重复2,3次. (2)展开:取一枚缝衣针,穿一条棉细线,在棉线 末端打一个结,将针穿过滤纸中心点,在距离结约 2cm处剪断棉线,取直径10cm的培养皿加人约 10mL展开剂(石油醚:丙酮:苯一2O:2:1),把 无线结的一面朝 上述圆形滤纸扣在培养皿底上面, 下,棉线则浸没在展开剂中,再将培养皿盖盖在滤纸 上. (3)显色:约1O,15rain后,就可以观察到近似 同心圆的4个色素环,由内而外分别是黄绿色(叶绿 素b),蓝绿色(叶绿素a),黄色(叶黄素),橙黄色 (胡萝b素),实验效果非常明显,如图2所示. 一训萝b索(橙黄色1 叶萤索(黄色) 叶绿索(蓝绿色) 叶绿索I1(黄绿色) 图2圆形赫纸法买验效果示意图 3.2.3柱层析法 (1)点样:取一支干燥,洁净的粉笔,用铅笔在距 粉笔末端(粗的一端)约1cm处划上一周细线作标 记,用毛细管吸取色素提取液沿铅笔线点样一周,待 干后,重复3,5次,试样线宽度控制为0.4, 0.7cm. (2)展开:用小烧杯作层析容器,加入适量展开 剂(石油醚:丙酮:苯一20:2:1),高度约 0.5cm,将粉笔立在其中,注意不要让试样线接触 到展开剂. (3)显色:约10min后,可以观察到从上到下是 黄色,蓝绿色,黄绿色,但橙黄色不明显,且蓝绿色和 黄绿色即叶绿素a,b分界线不够清晰. 3.2.4薄层层析法 (1)若有硅胶预制板,则可直接点样进行实验. 若条件不允许,则需先自行制备薄层载片.用 4OmL95的乙醇和50ml三氯甲烷的混合液作 称取30g薄层层析用硅胶作吸附剂,将吸附 溶剂, 剂慢慢地加至溶剂中,边加边搅拌,得到黏稠度适中 的均匀糊状浆料.再选取2块大小一致的载玻片紧 贴在一起,2块同时浸涂,即用拇指和食指捏住玻片 上端缓慢地,均匀地将玻片浸入浆料中,并取出让多 余的浆料自动滴下,直至大部分溶剂已蒸发后将2 块玻片分开,放在水平板上晾干.随后将硅胶板置 于烘箱于105,110~C烘30min以活化薄层板待 用. (2)点样:同样是用毛细管点样法,类似于条形 滤纸层析法. (3)展开:用小烧杯作层析容器,加入适量展开 化学教育2011年第2期 剂(石油醚:丙酮:苯-二20:2:1),高度约 0.5cm,将薄层板倾斜置于小烧杯中,注意不要使 薄层脱落,不要让试样线接触到展开剂. (4)显色:约6,7rain后,即可观察到从上到下 是橙黄色,蓝绿色,黄色,黄绿色,其中蓝绿色,黄色 以及黄绿色较为密集且较靠近试样线,而橙黄色则 接近前沿. 4实验结果讨论 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 14种分离方法的效果比较 分离方法实验效果适用场合 4个色素带清晰町辨,学实验或教师演 纸层 条形简单易行示实验 析法4个色索环清晰可辨,学生实验或教师演圆形 明显目商观示实验 胡萝h素不明显,叶 柱层析法绿素a,b分界线不够学生趣味实验 清晰 4个色素带清晰可辨,学生活动课或教师薄层层析法 展开速度快演示实验 上述4种方法中,纸层析法因其简单易行最为 适合初学者,能够直观地帮助学生理解层析法的基 本原理.而柱层析法经过改进后,较之人教版《实验 化学》 教材 民兵爆破地雷教材pdf初中剪纸校本课程教材衍纸校本课程教材排球校本教材中国舞蹈家协会第四版四级教材 中给出的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,现象已经明显很多,虽然 还是不如纸层析法,但实验本身因为粉笔的应用而 使其很有趣味性,一定程度上能够给层析法的教学 锦上添花.薄层层析法的突出特点就是展开速度 快,节省实验中的等待时间,所以比较适合于课堂演 示实验,但若没有硅胶预制板则需先自行制备薄层 载片,准备工作比较繁琐,此实验可作为拓展内容之 一 以录像的方式介绍给学生. 5实验关键及改进措施 5.1材料的处理 材料中水分的存在增加了提取叶绿素的难度, 直接导致提取液中色素含量较低而影响实验效果. 叶绿体色素不溶于水,溶于酒精,丙酮等有机溶剂. 色素溶于有机溶剂时,各色素分子分散在有机溶剂 分子之间,它们之间的作用力是很微弱的范德华力, 色素可以很容易被提取出来.而当水和乙醇相遇 时,水分子和乙醇分子靠氢键相互吸引.这样,一方 面水分子和乙醇分子之间的引力远大于色素分子和 乙醇分子之问的引力,乙醇分子被水分子所吸附. 水分越多,乙醇分子被吸附的就越多.另一方面,水 分子又极力排斥色素分子.竞争的结果,水分子吸 附部分乙醇分子,这些乙醇分子就不能与色素分子 结合,导致部分乙醇不能溶解色素,水分越多,叶绿 体色素的提取越困难,过滤时留在滤渣中的色素也 就越多,滤渣呈深绿色.所以,要将菠菜放置1,2 天风干或阴干后再实验,或者就直接采用干叶粉. 除了用菠菜作为材料外,还可选取苋菜作为材 料进行实验.材料的处理以及叶绿素的提取,展开 剂的选择等等操作均与菠菜相同.显色后,同样得 到4个清晰可辨的色素带,但各色素带的宽度与菠 菜有所差异,也就表明不同种叶片中各色素的含量 不同,从而导致各植物叶片的颜色不一.苋菜叶片 中还呈现紫红色,这是因为其叶片中含有天然苋菜 红色素.但是,天然苋菜红色素易溶于水和甘油,不 溶于乙醇Ll】,所以在提取叶绿体色素时天然苋菜红 色素的存在对实验没有影响. 在研磨时加入石英砂的目的是加快研磨,促使 细胞破裂;加入(无水)CaCO.是为了中和细胞液中 的有机酸,防止叶绿素的破坏;而加入NaC1则是为 了沉淀胶体,释放色素. 5.2叶绿体色素提取溶剂及方法的选择 对于提取溶剂的选择,不仅要考虑其提取效果, 而且还要考虑经济节约,操作容易及污染程度小等 方面.采用元水乙醇作提取剂较之教材中的丙酮, 污染程度有所改善,且提取效果不错. 过滤操作时选用脱脂棉而非滤纸,主要是因为 色素分子大,不易透过滤纸,而且滤纸有较强的吸附 能力而使色素吸附在滤纸上从而降低其浓度,影响 实验效果,此外叶绿素等色素分子本身是脂溶性的, 根据相似相溶原理,选用脱脂棉可减少实验过程中 增强实验效果1.而"苏教版"教材中 色素的流失, 选用纱布来过滤也可以,但要注意选用较密的纱布 或者将纱布叠成数层以避免滤液中留有滤渣影响实 验效果. 5.3展开剂的选择 展开剂的选择要考虑到有利于色素迅速扩散. 经过比较,本实验所采用的石油醚,丙酮和苯的混合 溶液较之传统的石油醚和丙酮的混合液(石油醚; 丙酮===9:1),实验现象更加明显,色素带更加清晰 可辨,效果更加理想. 5.4点样操作 点样操作也是关键.分离出的色带不完整,不 整齐,清晰度差的原因,主要是试样线上色素的浓度 不均衡造成的.由于浓度的不同,色素展开的时问 不同,随展开剂移动的距离也不同,表现出不完整和 不清晰.点样方法还是以传统的毛细管点样法最 2011年第2期化学教育 佳,这样点样的量可以得到很好的控制. 实验结果表明,层析法提取和分离菠菜叶绿体 中色素时,真正用于层析的时问并不长(最短5rain, 最长15min),操作难度不大,现象也很明显,比较 适合于教师演示或学生实验.无需讳言,前期的准 备1二作(主要是菠菜叶的处理)的确要花费一定的时 问.但是,为了激发学生学习兴趣,培养学生实验技 能,帮助学生理解实验原理,进而增进教学效果,多 花点时间也是值得的. 参考文献 [1]中华人民共和国教育部制订.普通高中化学课程标准(实验). 北京:人民教育出版礼,2003:29 E2]普通高中课程标准实验教科书:有机化学基础.第2版,北京: 人民教育出版礼,2007:19 (上接第59页) E3]普通高中课程标准实验教科书:实验化学.第2版,北京:人民 教育出版社,2007:17—18 E4]王祖浩主编.普通高中课程标准实验教科书:化学l_第2版, 南京;风凰出版传媒集团,江苏教育j鹊版社,2005:18—19 E5]王祖浩主编.普通高中课程标准实验教科书:化学与生活.南 京:凤凰出版传媒集团,江苏教育出版社,2004:61 E63王祖浩主编.普通高中课程标准实验教科书:实验化学,南京: 凤凰出版传媒集团,江苏教育出版社,2006:7一l】 E7]李广洲,陆真编着.化学教学论实验.第2版,北京:科学出版 社,2006:95 Es]李玉明,林琳,陈坚刚等.生物学通报,2005,40(12):53—54 [9]郝琦蕾,姜晋国,刘艳芳.生物学通报,2006,41(4):55 ElO]王炳祥.有机化学实验.南京:南京师范大学出版社,2004: 79—85 [11]原毅.天然食用色素的生产和应用.北京:中国铁道出版社, 2004:35 E12]金轶梅.中小学实验与装备,2007,(1):21 3.2实验结果分析 (1)从表l可以看出:铁与硫质量比为14:8, 14:10和混合物质量不超过0.3g,试管不会炸裂; 当质量比为14:12414:14和混合物质量大于或 等于0.3g时,试管会发生炸裂.因此,可以初步确 定该实验中试管炸裂和铁与硫的质量比关系不大, 主要与混合物的质量大小有关.建议实验中取用混 合物质量为0.1,O.2g,试管不会炸裂. (2)从表2可以看出:2种冷却方式中,混合物 质量为0.1,0.2g,试管都不会炸裂;在第2种冷却 方式中,混合物质量为0.1,0.4g,试管都不会炸 裂.为了减少和防止试管炸裂,建议铁与硫混合物 质量为0.1,O.4g,采用反应结束再加热几秒钟后 移出火焰,并在空气中停留一段时问后再放置于石 棉网上冷却的方式,能够确保试管不会炸裂.因为 反应物质量比较大时,反应过程中放热比较多,如果 将试管迅速放置于石棉网上冷却,由于试管内生成 物温度很高,石棉网的温度较低,使得试管内外温差 较大而出现骤冷现象,从而使试管很容易发生炸裂; 反之,反应结束再加热几秒钟后移出火焰,试管内生 成物温度会降到与酒精灯火焰的温度接近,再在空 气中停留一段时间后,试管内生成物的大部分热量 被散失,然后放置于石棉网上冷却,试管就不会发生 炸裂.至于试管炸裂原因是否与生成物是FeS还 是FeS:有关,还有待于进一步研究. (3)从表3可以看出:采用第2种冷却方式,混 合物质量为0.1,0.4g时,试管都不会发生炸裂, 浸有品红溶液的棉花都不会褪色.当混合物质量为 0.5g时,不仅试管发生炸裂,同时放置在试管口浸 有品红溶液的棉花逐渐褪色.说明铁与硫发生反应 的过程中,虽然硫过量,当试管没有炸裂时,过量的 硫会发生升华而凝固于生成物上方的试管壁上,基 本上没有S0.生成;当试管发生炸裂时,已熔化成 液态的过量的硫,除了有一部分会发生升华而凝固 于生成物上方的试管壁上外,还有一部分会因从试 管破裂的缝隙处接触到加热的火焰而发生燃烧,生 成SO2. 4结论 为了防止实验过程中 通过对实验结果的分析, 出现试管炸裂,铁粉与硫粉反应实验的条件是: (1)在普通小试管里进行反应,铁与硫的质量比 为14:8,14:14均可; (2)采用反应结束后马上移出酒精灯火焰于石 棉网上冷却的方式,混合物质量控制在0.1,O.2g; 采用反应结束再加热几秒钟后移出酒精灯火焰,并 在空气中停留一段时间后再放置于石棉网上冷却的 方式,混合物质量控制在0.1,O.4g. 参考文献 Eli人民教育出版社化学室.高中化学(第二册).北京:人民教育 出版社,2003:56 E23袁龙燕.湖北中小学实验室,2001,(1,2):34 E3]齐俊林,刘广媛.化学教学,2002,(9):8 E43朱家风.内蒙古石油化工,2002,(2):59 [5]赵涌.教学仪器实验,2002,(2):33