“模擬生物體維持pH的穩(wěn)定”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

張志祥 呂妍 倪嘉恒 岳昊巖

摘 要 “模擬生物體維持pH的穩(wěn)定”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)中，新增實(shí)驗(yàn)材料和能夠精確測(cè)定pH值的生物傳感器，并通過(guò)繪制實(shí)驗(yàn)記錄表和曲線圖更加直觀地反應(yīng)pH值的變化趨勢(shì)，通過(guò)定量測(cè)定、定性分析，有效提升了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐和數(shù)據(jù)處理與分析的能力。

關(guān)鍵詞 pH變化 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

中圖分類號(hào) Ｇ633. 91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

1 引言

為探究人和動(dòng)物代謝產(chǎn)生的酸性或堿性物質(zhì)進(jìn)入內(nèi)環(huán)境后使機(jī)體的pH發(fā)生的變化，人教版2019年版高中生物學(xué)《選擇性必修1·穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》中設(shè)置有“模擬生物體維持pH的穩(wěn)定”實(shí)驗(yàn)。在教材設(shè)置的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過(guò)比較自來(lái)水、緩沖液和肝勻漿在加入酸或堿后pH的變化推測(cè)生物體如何維持pH穩(wěn)定。教材實(shí)驗(yàn)選用25 mL的上述三種材料，以5滴為梯度分6次滴加0.1 mol/L的HCl和NaOH溶液并測(cè)出其pH值。預(yù)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)若完全按照教材實(shí)驗(yàn)中的材料和劑量開展，材料的需求量極大，特別是需要消耗大量的肝臟。且肝勻漿會(huì)散發(fā)較重的氣味，影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)的效率和態(tài)度，導(dǎo)致本實(shí)驗(yàn)的開出率不高。

為了強(qiáng)化學(xué)生對(duì)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的理解，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)用雞蛋清、人血漿、狗血漿等多種材料替代肝勻漿，并調(diào)整樣品的用量和試劑的滴加量，以降低實(shí)驗(yàn)材料的損耗，減少時(shí)間的耗時(shí)，提高實(shí)驗(yàn)的有效性和開出率。

2 實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和優(yōu)化

2.1 待測(cè)樣品劑量的優(yōu)化

教材中使用50 mL的燒杯，加25 mL的待測(cè)液。HCl和NaOH組分別設(shè)置三個(gè)重復(fù)的情況下，每種待測(cè)液需要150 mL。在預(yù)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)由于實(shí)驗(yàn)樣品有限，分離得到的待測(cè)液無(wú)法滿足此要求。正式實(shí)驗(yàn)中學(xué)生選擇了10 mL的燒杯，加5 mL的待測(cè)液，在既確保分組實(shí)驗(yàn)中待測(cè)液有效供應(yīng)的情況下，又能使pH傳感器的探頭充分浸潤(rùn)在待測(cè)液中，保證測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2 待測(cè)樣品種類的優(yōu)化

教材中選用的生物組織材料為肝勻漿，具有特殊氣味，部分學(xué)生不能適應(yīng)。且肝勻漿的制備需要經(jīng)歷清洗、剝離、剪碎、反復(fù)洗滌等步驟，操作難度大，實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)對(duì)待測(cè)樣品種類進(jìn)行了優(yōu)化，增加了狗血液和人血液組，獲取血液樣品后只需離心提取上清液血漿即可，操作簡(jiǎn)便，節(jié)約時(shí)間。樣品的改進(jìn)與學(xué)生的實(shí)際生活更為接近，學(xué)生興趣高，主動(dòng)探究意愿強(qiáng)。人教版教材本節(jié)“問(wèn)題探討”欄目給出的即為人血液的生化檢測(cè)結(jié)果，并要求學(xué)生分析探討，因此本實(shí)驗(yàn)血液樣品的實(shí)驗(yàn)也能更好地對(duì)接課堂教學(xué)。

2.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法的優(yōu)化

學(xué)生預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：如果先測(cè)定 HCl 組再測(cè)定NaOH組，血漿會(huì)因長(zhǎng)期暴露在空氣中被氧化，導(dǎo)致待測(cè)液的起始pH值與實(shí)驗(yàn)開始時(shí)存在較大差異。此種方法下的測(cè)定的數(shù)值存在較大誤差，實(shí)驗(yàn)的有效性和科學(xué)性會(huì)大打折扣。因此在正式實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)滴加HCl的同時(shí)滴加NaOH，始終保持待測(cè)液滴加試劑的同步性，盡量減少待測(cè)液組間滴加時(shí)間的差異和與空氣接觸的時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)流程

3.1 實(shí)驗(yàn)材料和用具

實(shí)驗(yàn)用具：離心機(jī)、pH傳感器、移液槍、250 mL、50 mL、10 mL燒杯、量筒、滴管、試劑瓶、護(hù)目鏡、防護(hù)服等。

實(shí)驗(yàn)試劑和材料：純水、pH為7.0的磷酸鹽緩沖液、新鮮雞蛋、新鮮人血液和狗血液（經(jīng)三甲醫(yī)院和寵物醫(yī)院允許于化驗(yàn)部門取得，已加入抗凝劑）、分析純鹽酸、NaOH固體等。

3.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）酸堿試劑的配制

分別配制物質(zhì)的量濃度均為0.1 mol/L的HCl和NaOH溶液，盛于試劑瓶中備用。

（2）待測(cè)樣品的配制

對(duì)照組：純水30 mL，磷酸鹽緩沖液30 mL；雞蛋清組：將雞蛋清從雞蛋中分離出來(lái)，置于燒杯中，用5倍純水稀釋并攪拌均勻；血漿組：分別將冷藏的狗血液和人血液倒至10 ml的離心管，對(duì)稱放置于離心機(jī)中，以3800轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速離心5 min，用移液槍提取得到血漿。

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

取6個(gè)10 mL燒杯，分別標(biāo)記為1至6號(hào)，用量筒分別量取5 mL人血漿待測(cè)液依次加入不同的燒杯，用pH傳感器測(cè)定初始pH值，記錄數(shù)據(jù)。1、2和3燒杯中滴加一滴0.1 mol/L的HCl，輕輕搖動(dòng)，測(cè)定pH值。重復(fù)此步驟，直至每個(gè)燒杯加入6滴為止，記錄所有測(cè)定數(shù)據(jù)。同時(shí)，4、5和6燒杯中滴加0.1 mol/L的NaOH，其他操作同HCl組。狗血漿、雞蛋清、純水和磷酸鹽緩沖液的pH值測(cè)定方法相同。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 加入HCl后的pH值變化

加入不同數(shù)量HCl液滴后的pH變化見(jiàn)表1，繪制pH變化曲線圖如圖1所示。

由表1可知，向純水中滴加HCl，pH值呈現(xiàn)大幅度的下降趨勢(shì)，說(shuō)明純水對(duì)酸幾乎沒(méi)有緩沖能力。向磷酸鹽緩沖液中滴加HCl，由于有較易接納一定量H +的 HPO 4 2- ，所以pH值的變化較小，僅從初始狀態(tài)的7.00變化為6.86，波動(dòng)值為0.14，說(shuō)明緩沖液對(duì)酸的緩沖能力較強(qiáng)。

向狗血漿與人血漿中滴加鹽酸，pH值均呈現(xiàn)一定程度的下降趨勢(shì)（圖1），滴加6滴后變化值分別達(dá)到0.34和0.40，平均每滴分別下降0.8%和0.9%，可知狗血漿與人血漿對(duì)酸都具有一定的緩沖能力且緩沖作用相當(dāng)。雞蛋清緩沖能力一般，平均每滴下降了8.1%，介于血漿和純水之間。

4.2 加入NaOH后的pH值變化

加入不同數(shù)量NaOH液滴后的pH變化見(jiàn)表2，并繪制pH變化曲線圖如圖2所示。

結(jié)果顯示：向純水中滴加NaOH，pH值呈現(xiàn)大幅度的上升趨勢(shì)，說(shuō)明純水對(duì)堿同樣沒(méi)有緩沖能力。向磷酸鹽緩沖液中滴加NaOH，由于有較易電離出H + 的H 2 PO 4 - ，所以pH值變化較小，僅從初始狀態(tài)的7.00變化為7.28，波動(dòng)值為0.28，說(shuō)明緩沖液對(duì)堿的緩沖能力也較強(qiáng)。

向狗血漿與人血漿中滴加NaOH，pH值均呈現(xiàn)一定程度的上升趨勢(shì)（圖2），滴加6滴后變化值分別達(dá)到 1.13 和 0.99，平均每次滴加分別上升了 2.4%和2.1%。可知狗血漿與人血漿對(duì)堿也都具有一定的緩沖能力。雞蛋清緩沖能力一般，平均每次滴加上升了2.7%，介于血漿和純水之間，但相比對(duì)酸的緩沖能力較強(qiáng)，這與其本身pH值是堿性有關(guān)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與討論

待測(cè)樣品劑量、種類和實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法的創(chuàng)新優(yōu)化使得實(shí)驗(yàn)效果更顯著。其中，選擇容量更小的燒杯和劑量更小的待測(cè)液，既確保待測(cè)樣品有效供應(yīng)，又能使pH傳感器的探頭充分浸潤(rùn)在待測(cè)液中，保證測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；增加了狗血漿和人血漿組，在獲取血液樣品后只需離心提取上清液血漿即可，與肝勻漿的預(yù)處理相比操作簡(jiǎn)便，耗時(shí)較短；將HCl與NaOH同時(shí)加入待測(cè)液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，減少了待測(cè)液與空氣接觸時(shí)間，進(jìn)而減小實(shí)驗(yàn)誤差。緩沖液對(duì)酸堿的緩沖能力很強(qiáng)，其原因是緩沖液既有較易接納一定量 H+ 的HPO 4 2- ，又有較易電離出 H + 的H 2 PO 4 - ，這兩種離子稱為緩沖離子對(duì)。

狗血漿與人血漿之所以具有一定程度的緩沖能力，是因?yàn)樯矬w內(nèi)存在著類似的緩沖離子對(duì)（HCO 3 - /H 2 CO 3 、HPO 4 2- / H 2 PO 4 - 等），它們能夠在一定范圍內(nèi)具有對(duì)酸或堿的緩沖能力，并維持機(jī)體pH的相對(duì)穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，學(xué)生能快速解答人體內(nèi)環(huán)境的酸堿度基本不受飲食酸堿度的影響；并聯(lián)系已知思考得到：內(nèi)環(huán)境中的酸堿物質(zhì)可來(lái)自飲食和代謝，產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物（CO2、碳酸鹽或碳酸氫鹽等）可分別通過(guò)呼吸系統(tǒng)與泌尿系統(tǒng)等排出體外。由此深刻理解內(nèi)環(huán)境酸堿平衡的維持，不僅僅依靠酸堿緩沖對(duì)，還依賴于呼吸、消化、循環(huán)、泌尿等多個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合。

雞蛋清的緩沖能力在本實(shí)驗(yàn)的所有生物材料中最弱，學(xué)生討論后得出合理解釋：可能是由于雞蛋清只是小雞胚胎發(fā)育階段直接接觸的環(huán)境，而在小雞胚胎發(fā)育階段過(guò)程中物質(zhì)的變化相對(duì)較小，因而緩沖能力較弱；而狗血漿、人血漿涉及的生物體的物質(zhì)變化較大，對(duì)于緩沖能力要求較高。

6 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)增加的狗血漿和人血漿組，目的是更直觀地反應(yīng)出哺乳動(dòng)物血漿的緩沖能力，最終引導(dǎo)學(xué)生得出重要生物學(xué)概念：為保證生物體各項(xiàng)生理活動(dòng)的正常進(jìn)行，機(jī)體的體液必須維持相對(duì)穩(wěn)定的酸堿度。后續(xù)教學(xué)中，教師也可結(jié)合生活實(shí)際提出問(wèn)題啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考，并鼓勵(lì)學(xué)生在本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上繼續(xù)探究魚類、爬行類、鳥類等動(dòng)物的血液緩沖能力，鍛煉學(xué)生的自主探究能力、動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力，切實(shí)提升生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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