液氮凍干粉技術在改進小班化生物實驗中的應用

張淼

摘 要：高中生物學實驗是中學生物教學的重要組成部分，目的是提高學生的生物科學素養， 隨著高中課程改革的推進和我校小班化的實施，生物實驗所占的比例越來越重，但是由于課時的限制、生物實驗操作復雜、耗時、成功率低等原因，將高中生物實驗引進小班化常規課堂中仍存在不少難題。因此要從實驗材料、方法、設備上進行創新，節省課堂時間，化繁為簡顯得尤為重要。

關鍵詞：液氮；凍干粉技術；小班化；生物實驗

1液氮凍干粉技術在生物實驗中應用重要性

高中生物課本必修一中的綠葉中色素的提取和分離，是一個必修課程中的分組實驗，以往這個實驗的傳統操作方法需要老師帶領學生在學習完新課后用一個課時的時間到實驗室來操作，并且成功率還不是特別高，而進行改進后的實驗大大簡化了藥品儀器的使用，僅僅需要學生操作10分鐘左右，成功率非常高，可以伴隨教師授課一同進行，成功的引入到小班化常規教學中，同時節約了實驗成本、減輕實驗老師準備實驗的勞動量。實驗改進主要需要一種藥品液氮，液氮是一種極低溫液體，是惰性的，無毒，無色，無嗅，無腐蝕性，不可燃，在常壓下，液氮溫度為-196℃。我們利用液氮的極低溫瞬間就可以均勻的將菠菜綠葉的細胞冷凍粉碎成干燥細末形成凍干粉（圖1），而且低溫可破壞細胞壁和內膜系統使存在與菠菜葉綠體中的色素有效釋放，并且低溫可以保存葉綠體中各種色素不被破壞。

2 試驗分析

下面是傳統實驗和改進后實驗的對比：傳統的綠葉中色素的提取和分離實驗是由兩個基本步驟組成：一，研磨綠葉用無水乙醇提取綠葉中的色素；二，用層析液將綠葉中的色素層析。此實驗的弊端存在于第一個實驗步驟中，學生用研缽加入二氧化硅和碳酸鈣作為研磨顆粒增加研磨力來研碎菠菜葉，此過程由學生操作大概需要20分鐘甚至更多時間。由于在研磨過程中同時加入無水乙醇萃取色素，造成無水乙醇在研磨過程中揮發，氣味難聞有害師生健康，有安全隱患，同時又造成試劑的浪費。在準備一個級部做實驗時，最后幾個班級同學所剩的菠菜葉片往往不夠新鮮或者葉片失水，提取出的溶液色素含量少，直接影響下一步層析實驗結果。個別學生層析后葉黃素的細線基本看不出來，原因就是提取液中的色素含量太少不達標，而造成實驗失敗。傳統實驗還有一個問題就是污染環境，除了研磨過程中整間教室都是刺鼻的味道，個別學生研磨完畢還存在亂倒有機溶劑進下水道的陋習，污染寶貴的水源，有機溶劑揮發可燃，在下水道中遇到沼氣很可能發生爆炸事件。改進后的實驗由實驗教師來進行第一步操作，直接將符合標準的凍干粉色素提取液提供給學生，而學生僅需要操作的實驗第二步，用毛細吸管蘸取提取液涂于濾紙上，干燥后，放入層析液中進行層析觀察。此實驗的教學大綱要求學生需要通過觀察層析現象理解色素能夠溶于有機溶劑中，并且在層析液中的溶解度不同，溶解度高的隨層析液在濾紙上的擴散速度快；反之，則慢。這樣，僅僅需要幾分鐘之后，綠葉中的色素就會隨著層析液在濾紙上的擴散而分離開形成四條顏色不同的條帶（圖3）。因此改進后的學生實驗雖然沒有第一步操作，但不影響大綱要求，不但完全可以達到培養學生生物實驗素質的目的，而且可以培養學生節約資源，保護環境的好習慣。

具體實驗操作步驟是這樣改進的：

（1）實驗老師根據各班同學數目和分組情況（假設10組），每組3克綠葉共稱取30克綠葉，放入研缽中。

（2）在研缽中倒入適量液氮，以沒過菠菜葉為度，等待菠菜葉被冷凍粉碎，待液氮被揮發后，用研缽錘輕輕研磨，即可得到極細的綠葉凍干粉，收集放入密封容器中，冰箱零下20攝氏度儲存，可隨用隨取。

（3）實驗前稱取凍干粉以1g/2ml比例兌上無水乙醇溶解提取色素，300目過濾網過濾后分裝形成色素提取液（圖4），供學生實驗使用.

（4）在分裝時每一小組分裝5ml色素提取液，供層析的使用。

[注]：1.綠葉凍干粉乙醇溶解液還可以用于光合色素光譜實驗。

2. 傳統實驗操作方法：（1）每一小組稱取5克綠葉，剪碎，放入研缽。（2）向研缽中放入少許二氧化硅和碳酸鈣，再加入10 mL無水乙醇，進行迅速、充分的研磨。（二氧化硅有助于研磨的充分，碳酸鈣可防止研磨中色素被破壞。）（3）將研磨液迅速倒入玻璃漏斗（漏斗基部放一塊單層尼龍布）中進行過濾。將濾液收集到試管中，及時用棉塞將試管口塞嚴。

3試驗結果

實驗改進后的好處，除了節約實驗時間，可以將此實驗成功引入小班化常規教學，還能夠大大降低了成本，不需要提供碳酸鈣，二氧化硅，研缽等藥品和儀器，實驗材料菠菜葉也可以節省50%以上。并大大減少實驗教師勞動量，實驗教師僅需要購買500克新鮮的菠菜就足夠全級部大約500名的學生同時使用，因為液氮除了有冷凍粉碎的功能還有冷凍保存的功能，當制成的綠葉凍干粉后被立即放入冰箱冷凍室中，就可以保存葉綠素活性半年以上，同時可滿足開放實驗室使用，學生可以隨到隨取進行實驗。液氮制凍干粉對環境無污染，比較過去傳統實驗整間實驗室都是揮發的有機溶劑的味道，現在基本上不存在污染環境的問題。但是需要注意的是液氮是極低溫的液體，實驗教師操作時一定要帶厚棉手套進行操作，防止凍傷，此外操作間要通風，避免液氮揮發時引起室內缺氧而發生危險。當然根據學校情況不同，在一些實驗條件較好的學校，此過程也可以要求訓練有素的學生興趣小組進行操作，實現小班化的梯度教學，制作錄像供上課演示，效果也非常不錯。

4結論

液氮制作凍干粉技術，因其操作簡單，效果好，降低成本，保護環境等優點，在我校除了應用于色素提取實驗中，還可以應用到顏色反應和酶活性的實驗當中去，效果都非常好。此技術推進了我校將高中分組實驗融入小班化常規課堂中，實現授課時通過實驗得出結論，真正體現生物科學從實踐出真知的教學認知規律，與國際生物教學接軌，大幅度提高高中學生生物試驗操作素養，可以被廣泛推薦到高中實驗室中進行使用。

參考文獻：

[1]楊正平. 信息技術在生物實驗教學中的應用[J]. 中國培訓，2017，（06）：153.

[2]劉天宇. 凍干粉針劑凍干工藝及質量技術探討[J]. 黑龍江中醫藥，2015，（05）：67-68.