高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中顏色反應(yīng)原理歸類探析

安徽

顏色反應(yīng)在高中生物教材中分布廣泛，是高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常見的類型之一，其相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)比較受命題專家的青睞，關(guān)于顏色反應(yīng)的歸類總結(jié)很多，但時(shí)間長(zhǎng)了師生很容易忘記或記混淆，究其原因主要是實(shí)驗(yàn)原理沒(méi)有掌握清楚：實(shí)驗(yàn)原理是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的靈魂，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理確定實(shí)驗(yàn)材料和工具的選擇，進(jìn)而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)思路的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)期。因此在高中生物教學(xué)尤其是一輪復(fù)習(xí)中對(duì)某一相似或相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行歸類解析能提高學(xué)生學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)的效率。

1.顯色規(guī)律一：某些化學(xué)試劑能夠使生物組織中的有關(guān)有機(jī)物產(chǎn)生特定的顏色反應(yīng)

1.1 還原糖與斐林試劑的顏色反應(yīng)原理

還原糖是指能使氧化劑還原的糖，常見的還原糖主要指醛糖（如葡萄糖、半乳糖等）和多數(shù)酮糖（如果糖等，其在堿性溶液中能異構(gòu)化為醛糖）。斐林試劑中的酒石酸鉀鈉用作螯合劑，與Cu2+絡(luò)合以防止形成Cu（OH）2而使Cu2+沉淀（如圖所示）。因此現(xiàn)用現(xiàn)配、混合使用的斐林試劑在水浴加熱的條件下與還原糖反應(yīng)的顏色變化是由藍(lán)色逐漸變化為磚紅色。

醛糖和斐林試劑的反應(yīng)式圖解

1.2 脂肪與蘇丹Ⅲ（蘇丹Ⅳ）的顏色反應(yīng)原理

脂肪是由甘油和脂肪酸組成的甘油三酯，可溶于多種有機(jī)溶劑，但不溶解于水。蘇丹紅屬于親脂性偶氮類染料，在高中生物實(shí)驗(yàn)中常用到蘇丹Ⅲ和蘇丹Ⅳ染液，其中蘇丹Ⅲ染液染色脂肪顯橘黃色，蘇丹Ⅳ染液染色脂肪顯紅色。但要注意在用顯微鏡觀察子葉細(xì)胞的著色情況時(shí)，染色后要滴加1～2滴體積分?jǐn)?shù)為50%的酒精溶液洗去浮色（沒(méi)有與脂肪結(jié)合的蘇丹Ⅲ染液或蘇丹Ⅳ染液所呈現(xiàn)的顏色），因?yàn)樘K丹Ⅲ染液易溶于酒精，可以避免蘇丹Ⅲ染液自身顏色干擾實(shí)驗(yàn)。但若酒精濃度太高，會(huì)影響脂肪本身的著色效果，反之則洗去浮色效果較差。

1.3 蛋白質(zhì)與雙縮脲試劑的顏色反應(yīng)原理

雙縮脲試劑本是用來(lái)檢測(cè)雙縮脲（NH2CONHCONH2）的：在堿性溶液中，雙縮脲與CuSO4形成紫色絡(luò)合物。由于蛋白質(zhì)分子中含有很多與雙縮脲結(jié)構(gòu)相似的肽鍵（至少含兩個(gè)肽鍵即三肽及以上），因此也能與銅離子在堿性溶液中發(fā)生雙縮脲反應(yīng)，檢測(cè)蛋白質(zhì)用的試劑之所以叫雙縮脲試劑，是因?yàn)闄z測(cè)原理和雙縮脲的形成（兩分子尿素經(jīng)180℃左右加熱，放出一分子氨后得到的產(chǎn)物）相似。

1.4 淀粉與碘的顏色反應(yīng)原理

天然的淀粉一般包括直鏈淀粉和支鏈淀粉。碘和淀粉的顯色除吸附原因外，主要是由于生成包合物。直鏈淀粉遇碘呈藍(lán)色：據(jù)X射線衍射分析，直鏈淀粉的二級(jí)結(jié)構(gòu)（指多糖鏈的折疊方式）是一個(gè)左手螺旋，其螺旋結(jié)構(gòu)并不十分穩(wěn)定。當(dāng)不與碘相互作用時(shí)，直鏈淀粉很可能是以無(wú)規(guī)則卷曲形式存在。碘分子正好能嵌入螺旋中心空道，每圈可容納一個(gè)碘分子，通過(guò)朝向圈內(nèi)的羥基氧（提供未共享電子對(duì)）和碘（提供空軌道）之間的相互作用形成穩(wěn)定的深藍(lán)色淀粉-碘絡(luò)合物；支鏈淀粉遇碘呈紫紅色：支鏈淀粉螺旋中的短串碘分子比直鏈淀粉螺旋中的長(zhǎng)串碘分子吸收光的波長(zhǎng)更短，因此支鏈淀粉遇碘呈紫色到紫紅色。

【例1】下列關(guān)于實(shí)驗(yàn)材料的選擇和試劑的使用敘述正確的是（ ）

A.還原糖的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中選擇蘋果汁做材料

B.蛋白質(zhì)的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中雙縮脲試劑的A液、B液混合使用

C.淀粉的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中斐林試劑水浴加熱

D.脂肪的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中用鹽酸洗去浮色

【答案】A

【解題策略】蘋果汁中含有還原糖且接近無(wú)色，可以作為還原糖的檢測(cè)材料，A正確。在使用雙縮脲試劑時(shí)，必須先加A液后加B液以保證堿性環(huán)境，若先加入B液后加A液，則無(wú)法充分制造堿性環(huán)境，此時(shí)CuSO4會(huì)與NaOH發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)，生成藍(lán)色Cu（OH）2沉淀，導(dǎo)致現(xiàn)象不準(zhǔn)確，無(wú)法較好地達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模珺錯(cuò)誤。淀粉的檢測(cè)用碘液，C錯(cuò)誤。脂肪檢測(cè)中洗去浮色應(yīng)用體積分?jǐn)?shù)為50%的酒精，D錯(cuò)誤。對(duì)于這類檢測(cè)分析型實(shí)驗(yàn)，復(fù)習(xí)策略的要點(diǎn)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理合理選擇實(shí)驗(yàn)材料，正確使用相關(guān)檢測(cè)試劑。如還原糖檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中材料的選擇要遵循兩個(gè)原則：一是材料中要含有還原糖，二是材料本身最好無(wú)色或接近無(wú)色。因此不選擇甘蔗汁（雖無(wú)色但含的蔗糖不是還原糖）、西瓜和西紅柿汁（雖含還原糖但本身是紅色會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果）等作為實(shí)驗(yàn)材料。

2.顯色規(guī)律二：染色劑能夠與細(xì)胞內(nèi)某種物質(zhì)或結(jié)構(gòu)結(jié)合產(chǎn)生特定的顏色

2.1 甲基綠和吡羅紅的染色原理

甲基綠有兩個(gè)正電荷，易與聚合程度高的雙鏈DNA分子結(jié)合，使DNA呈現(xiàn)綠色。吡羅紅有一個(gè)正電荷，易與RNA結(jié)合，使RNA或者解聚的DNA呈現(xiàn)紅色。甲基綠-吡羅紅又稱甲基綠-派洛寧，兩者對(duì)DNA和RNA的親和力不同且現(xiàn)配現(xiàn)用。另外二苯胺也可以作為鑒定DNA的試劑，在沸水浴的條件下，DNA與二苯胺反應(yīng)呈現(xiàn)藍(lán)色。

2.2 臺(tái)盼藍(lán)鑒別細(xì)胞死活的染色原理

臺(tái)盼藍(lán)是細(xì)胞活性染料，常用于檢測(cè)細(xì)胞膜的完整性，檢測(cè)細(xì)胞是否存活。正常的活細(xì)胞，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整且具有選擇透過(guò)性，能夠排斥臺(tái)盼藍(lán)，使之不能夠進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)；喪失活性或細(xì)胞膜不完整的細(xì)胞，細(xì)胞膜的通透性增加，可被臺(tái)盼藍(lán)染成藍(lán)色。因此，借助臺(tái)盼藍(lán)染色劑可以非常簡(jiǎn)便、快速地區(qū)分活細(xì)胞和死細(xì)胞。

2.3 健那綠染液的染色原理

健那綠染液是可將活細(xì)胞中線粒體染色的專一性染料，可以使活細(xì)胞中的線粒體呈現(xiàn)藍(lán)綠色。原因是線粒體內(nèi)膜的嵴上有許多排列規(guī)則的顆粒，稱為線粒體基粒，實(shí)際上是ATP合酶的頭部，ATP合酶的頭部是一個(gè)多組分的酶復(fù)合物，內(nèi)膜的標(biāo)志酶是細(xì)胞色素氧化酶。線粒體內(nèi)膜上的細(xì)胞色素氧化酶能使健那綠染液保持氧化狀態(tài)（即有色狀態(tài)）呈藍(lán)綠色，而在周圍的細(xì)胞質(zhì)中染液被還原，成為無(wú)色狀態(tài)。

2.4 龍膽紫溶液的染色原理

染色質(zhì)（體）容易被堿性染液染成深色。其中龍膽紫溶液是將龍膽紫溶解于醋酸溶液中制得的，配制后的龍膽紫溶液pH約小于7。但酸性（堿性）染色劑的界定并非由染液溶液的pH決定，而是根據(jù)染液物質(zhì)中助色基團(tuán)電離后所帶的電荷來(lái)決定。一般來(lái)說(shuō)，助色基團(tuán)帶正電荷的染色劑為堿性染色劑，反之則為酸性染色劑，而龍膽紫染液的助色基團(tuán)帶正電荷，因此龍膽紫溶液為堿性染色劑。

【例2】下列對(duì)于實(shí)驗(yàn)染色原理的描述，正確的是（ ）

A.染色口腔上皮細(xì)胞時(shí)先加甲基綠再加吡羅紅

B.臺(tái)盼藍(lán)不能進(jìn)入活細(xì)胞體現(xiàn)了細(xì)胞膜的選擇透過(guò)性

C.健那綠染液能殺死細(xì)胞，從而保證染色成功

D.龍膽紫染液染色細(xì)胞可在解離步驟之前

【答案】B

【解題策略】甲基綠和吡羅紅要混合使用、現(xiàn)配現(xiàn)用，利用的是兩者對(duì)DNA和RNA的親和力不同這一原理，A錯(cuò)誤。活細(xì)胞對(duì)所需要的物質(zhì)有選擇性，臺(tái)盼藍(lán)不是細(xì)胞的需求物質(zhì)，正常情況下不允許其進(jìn)入細(xì)胞，B正確。健那綠染液是活性染色劑，且線粒體能在健那綠染液中維持活性數(shù)小時(shí)，C錯(cuò)誤。解離是使細(xì)胞彼此分離，解離后細(xì)胞死亡有利于龍膽紫溶液進(jìn)入細(xì)胞，從而染色，D錯(cuò)誤。對(duì)于這類染液染色實(shí)驗(yàn)，復(fù)習(xí)策略的要點(diǎn)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理合理準(zhǔn)確理解和記憶染色條件、染色對(duì)象和染色結(jié)果。

3.顯色規(guī)律三：被檢測(cè)物質(zhì)與某種試劑反應(yīng)或使某種指示劑產(chǎn)生特定顏色

3.1 酒精檢測(cè)的顏色反應(yīng)原理

重鉻酸鉀（橙紅色）在酸性條件下氧化性更強(qiáng)，能和酒精發(fā)生氧化還原反應(yīng)被還原成硫酸鉻（灰綠色），反應(yīng)式為因此可以根據(jù)上述反應(yīng)原理判斷酒精的產(chǎn)生。

3.2 CO2 檢測(cè)的顏色反應(yīng)原理

酵母菌細(xì)胞的無(wú)氧呼吸和有氧呼吸均能產(chǎn)生CO2，但同樣條件下產(chǎn)生CO2的速率和量不同，可以通過(guò)溴麝香草酚藍(lán)水溶液或澄清的石灰水檢測(cè)CO2的產(chǎn)生情況。溴麝香草酚藍(lán)（BTB）是一種非常靈敏的酸堿指示劑，變色的pH范圍為6.0～7.6 ：中性呈淡藍(lán)色，酸性呈黃色，堿性呈藍(lán)色。細(xì)胞呼吸釋放的CO2溶于水后變成H2CO3，并進(jìn)一步解離成H+與HCO3-，酸度的變化能使BTB變色。因此可以根據(jù)溴麝香草酚藍(lán)水溶液由藍(lán)變綠再變黃的時(shí)間長(zhǎng)短檢測(cè)酵母菌培養(yǎng)液中CO2的產(chǎn)生情況，進(jìn)而確定酵母菌細(xì)胞的呼吸方式。

3.3 微生物培養(yǎng)時(shí)的顏色反應(yīng)原理

在用以尿素為唯一氮源的培養(yǎng)基中加入酚紅指示劑，培養(yǎng)基中分解尿素的細(xì)菌所合成的脲酶可以將尿素分解成氨，即氨會(huì)使培養(yǎng)基的堿性增強(qiáng)，即，OH-使培養(yǎng)基的pH升高，從而使酚紅指示劑變紅；在通過(guò)濾膜法測(cè)定飲用水中大腸桿菌的數(shù)目時(shí)，將濾膜放在伊紅美藍(lán)培養(yǎng)基上培養(yǎng)，大腸桿菌的代謝產(chǎn)物（有機(jī)酸）與伊紅美藍(lán)結(jié)合使菌落呈現(xiàn)黑色。根據(jù)培養(yǎng)基上黑色菌落的數(shù)目，計(jì)算出水樣中的大腸桿菌的數(shù)量。在用以纖維素為唯一碳源的培養(yǎng)基中加入剛果紅染料，剛果紅能與培養(yǎng)基中的纖維素形成紅色復(fù)合物，但不與纖維二糖和葡萄糖發(fā)生這種反應(yīng)。培養(yǎng)基中分解纖維素的細(xì)菌合成的纖維素酶（包括C1酶、CX酶和葡萄糖苷酶，其中C1酶和CX酶使纖維素分解成纖維二糖，葡萄糖苷酶將纖維二糖分解成葡萄糖）分解后，剛果紅-纖維素的復(fù)合物便無(wú)法形成，培養(yǎng)基中會(huì)出現(xiàn)以纖維素分解菌為中心的透明圈，通過(guò)是否產(chǎn)生透明圈來(lái)篩選纖維素分解菌。

【例3】物質(zhì)X是一種含氮有機(jī)物，會(huì)污染土壤。X在培養(yǎng)基中達(dá)到一定量時(shí)培養(yǎng)基表現(xiàn)為不透明。某研究小組欲從土壤中篩選出能降解X的細(xì)菌。回答下列問(wèn)題：

（1）實(shí)驗(yàn)時(shí)培養(yǎng)基中出現(xiàn)多種菌落，要想從土壤中分離能降解X的細(xì)菌并進(jìn)一步純化，選擇的依據(jù)是______________________________。

（2）土壤中的某些微生物可以利用空氣中的氮?dú)庾鳛榈础Ｈ粢O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定甲、乙菌能否利用空氣中的氮?dú)庾鳛榈矗?qǐng)簡(jiǎn)要寫出實(shí)驗(yàn)思路、預(yù)期結(jié)果和結(jié)論：________________________________________________________。

【答案】（1）菌落周圍出現(xiàn)透明圈，說(shuō)明該菌能降解X （2）思路：將甲、乙菌分別接種在無(wú)氮源的培養(yǎng)基上，觀察生長(zhǎng)情況。預(yù)期結(jié)果和結(jié)論：若細(xì)菌能生長(zhǎng)，則說(shuō)明該細(xì)菌能利用空氣中的氮?dú)庾鳛榈?/p>

【解題策略】由于X在培養(yǎng)基中達(dá)到一定量時(shí)培養(yǎng)基表現(xiàn)為不透明，所以培養(yǎng)基中能降解X的菌落處因X消失或剩余很少而出現(xiàn)透明圈。若要確定甲、乙菌能否利用空氣中的氮?dú)猓瑒t培養(yǎng)基中不能含有氮源，因此，實(shí)驗(yàn)思路為將甲、乙菌分別接種在無(wú)氮源的培養(yǎng)基上，若細(xì)菌能生長(zhǎng)，則說(shuō)明該細(xì)菌能利用空氣中的氮?dú)庾鳛榈础?duì)于這類實(shí)驗(yàn)，復(fù)習(xí)策略的要點(diǎn)是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)思路，預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論，特別是對(duì)信息遷移能力的考查在高考中多次出現(xiàn)，應(yīng)多關(guān)注、多練習(xí)、多引導(dǎo)。

總之，作為教師，深挖實(shí)驗(yàn)原理則能更好地把握實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高教學(xué)效果。在高中生物教學(xué)尤其是一輪復(fù)習(xí)中，應(yīng)適度引導(dǎo)學(xué)生對(duì)相關(guān)聯(lián)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行“歸類”，既可以拓展學(xué)生的知識(shí)面還可以提高學(xué)生的綜合概述能力。在“互聯(lián)網(wǎng)+”高速發(fā)展的信息時(shí)代，教師可以充分發(fā)揮智慧校園的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)并借助多媒體軟件制作和播放微課、課件和實(shí)驗(yàn)視頻等方式提高教學(xué)效果，利用微信公眾平臺(tái)適時(shí)發(fā)布生物學(xué)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)歸類教學(xué)信息，使學(xué)生多途徑獲取知識(shí)。