自制教具“吸光度測量儀”在生物學實驗中的應用

摘 要：本文利用自制的簡易色素吸光度測量儀，開展“綠葉中色素的提取和分離”實驗，促進實驗結果的觀察實現由定性到定量、由教材化到生活化的轉變，旨在將該儀器遷移應用于其他高中生物學實驗，推動項目化學習，進而指導生產生活實踐。

關鍵詞：吸光度測量儀；自制教具；高中生物學實驗

文章編號：1003-7586（2024）11-0043-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

“綠葉中色素的提取和分離”實驗屬于人教版《生物學·必修1·分子與細胞》第5章第4節“能量之源——光與光合作用”中的學生分組探究環節。該實驗不僅有助于學生掌握科學探究的基本思路、方法和步驟，提升自身的創新實踐能力，還能夠幫助學生理解生物學的重要概念“葉綠體通過光合色素捕獲光能”。《普通高中生物學課程標準（2017 年版2020 年修訂） 》建議：在重視定性實驗的同時，也應重視定量實驗，讓學生在量的變化中了解事物的本質。因此，筆者自制了簡易的色素吸光度測量儀，定量地測定各種光合色素的吸光值及含量，從而推動實驗由定性向定量轉變。

1 實驗背景

教材中觀察“綠葉中色素的提取和分離”實驗結果時，主要依賴肉眼判斷色素的種類和含量，極易受到觀察者主觀意識的影響。在該科研實驗中，量化該實驗結果需要使用分光光度計；但是由于分光光度計的價格昂貴，基礎教育階段的生物學實驗室通常難以配備。因此，自制的色素吸光度測量儀可以代替分光光度計，定量地分析色素的濃度和含量。

2 儀器的制作和原理

2.1 材料及制作步驟

材料：

光照強度測量儀一個、比色皿若干、能發出不同波長光束的手電筒一個、不透光的厚泡沫箱（帶蓋）一個，硬紙板一塊。學生在硬紙板上根據比色皿的形狀和大小挖取一個凹槽，用于固定比色皿，在泡沫箱的一側挖取一個與光照強度測量儀的感光探頭同等大小的凹槽，用于固定探頭。最后學生將以上材料

進行組裝（見圖1），確保手電筒的光束、比色皿和光照強度測量儀的感光探頭三者位于同一條直線上，最后蓋上泡沫蓋子待用。

2.2 實驗原理

手電筒能發出不同波長的光束，而葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素分別在669 nm、645 nm、470 nm這三個波長下有最大吸收波峰。比色皿中盛放體積分數為96％的乙醇溶液（對照組）或不同葉片的色素混合濾液（實驗組），不同波長的光束通過比色皿的溶液后均會被吸收一部分，光照強度測量儀上顯示的數據即為被部分吸收之后剩余的光照強度，實驗組與對照組的數據差異即為被色素吸收的光照強度值。學生通過記錄并對比各組的光照強度測量值，根據張立軍等人編寫的《植物生理學實驗教程》中提供的公式，計算出每種色素的最大吸光值，從而推算出色素的濃度，并結合體積和濃度計算出每種色素的具體含量。^［1］

3 實驗流程

3.1 選取實驗材料

為了使測量的數據更加真實有效，實驗選擇了新鮮菠菜葉和娃娃菜葉作為實驗材料，并用教材中推薦的方法對兩種葉片進行色素的提取和分離。

通過對比兩種葉片研磨過濾所得新鮮濾液的顏色和層析所得的色素條帶可知，傳統方法屬于定性分析，局限于對色素濾液顏色深淺的對比，并通過色素條帶分析4種色素的顏色及含量。

定性觀察方法雖然較為直觀，但是極易受到實驗者的主觀因素干擾，從而影響實驗過程的嚴謹性和實驗數據的說服力。

3.2 測定色素含量

為了提高實驗數據的嚴謹性并實現實驗結果由定性向定量的轉變，學生采用自制的色素吸光度測量儀來探究兩種葉片中各種色素的濃度及含量，具體步驟如下。

（1）調整好各裝置的位置，使光源、比色皿和光照強度測量儀的探頭三點一線，確保光源發出的光通過比色皿中的溶液后能準確照射在光照強度測量儀的探頭上。整個測量過程在不透光的紙盒中進行，以避免環境中的其他光源對實驗結果造成干擾。

（2）取一個潔凈的比色皿，盛放體積分數為96％的乙醇溶液作為對照組。

（3）另取兩個比色皿，分別盛放菠菜和娃娃菜的葉片色素濾液，讓光源通過濾液并照射在光照強度測量儀的探頭上。依次調整光源的波長為669 nm、645 nm、470 nm，讀取光照強度測量儀數據并記錄。

（4）重復3次實驗，記錄每組實驗所得的數據并計算平均值。

3.3 處理實驗數據

根據張立軍等人編寫的《植物生理學實驗教程》一書中介紹的“朗伯—比爾定律”，可以計算出色素吸光度、色素濃度以及色素含量。^［1］

3.4 歸納實驗結論

結果表明菠菜葉中葉綠素a和葉綠素b的含量明顯高于娃娃菜葉，尤其葉綠素a的含量在兩組中差異較大。菠菜葉中類胡蘿卜素的含量低于娃娃菜葉。由此，學生可以對“菠菜葉呈綠色，娃娃菜葉呈黃色”的生活現象做出科學的解釋。

4 本儀器的創新點及拓展點

4.1 創新點總結

4.1.1 變廢為寶，提升環保意識

學生使用自制色素吸光度測量儀測定吸光度時，需要將其置于不透光的泡沫盒中，以營造黑暗的環境，減少環境光線對測量數據的干擾。不透光的泡沫盒和硬紙板成本低廉，來源廣泛，易于獲取。“變廢為寶”的理念能夠促進學生養成從生活中尋找實驗素材和資源的習慣，提升學生“綠色、低碳”的環保意識。自制的吸光度測量儀所需材料基本無消耗，均可以重復使用，從而將資源的價值發揮到最大化。

4.1.2 操作簡單，節約時間成本

自制吸光度測量儀中的光源所發出的光束極細，且波長數據顯示精確，不僅提升了實驗數據的精確度，也省去了測量光束波長的步驟。此外，按動手電筒的按鈕即可更換不同波長的光源，控制變量的操作簡單易行，使得本實驗能夠與“色素的提取與分離”實驗在同一節課內完成，有效縮短實驗時間。

4.1.3 輕巧便攜，優化實驗場景

本實驗中的自制儀器搭建簡單、便于攜帶，手電筒光源內置電池，無需外接電源即可操作，簡化了實驗設備。教師可將儀器帶入課堂并邀請學生上臺演示，甚至可以將裝置借給學生進行課外拓展和興趣探究，作為課堂教學過程的補充和延續。自制儀器不僅能激發學生的科研興趣，還能培養學生的動手能力，真正貫徹“教學過程重實踐”的教學理念。

4.1.4 定量測量，提升科學思維

通過使用自制儀器，教師將原本定性的實驗結果轉變為定量的實驗結果，有效避免肉眼觀察給實驗結果帶來的誤差，提高了實驗結果的嚴謹性和可推廣性。此外，自制色素吸光度測量儀解決了實驗室缺乏分光光度計的問題，使得本實驗在普通學校也能正常開展。這有助于培養學生“創造條件做實驗”的科研意識，進而培養學生的科學思維并提升學生的實踐能力。

4.2 拓展點總結

自制吸光度測量儀具有功能多樣性的特點，除了用于測定色素的吸光度之外，還能應用于多種實踐探究活動。

4.2.1 推動項目學習

在實驗教學過程中，教師通過項目式實驗教學的方式，借助自制的吸光度測量儀，引導學生探究一系列以“光照強度”“溶液吸光度”為關鍵詞的項目子課題。教師鼓勵學生根據實驗所需自由設計實驗，并自主解決問題，從而提升學生的主體意識，提高學生獲取知識的主動性。

學生可選的探究主題豐富多樣，包括但不限于以下方面：①探究不同光照強度對同一植株光合作用強度的影響；②探究不同植物在同一光照強度下的光合作用強度；③探究同一植株的不同葉齡的葉片、不同部位的葉片在不同光照強度下的光合作用強度；④探究不同植物類型在不同光照強度下的光合作用強度；⑤探究同一植株的綠葉和黃葉中光合色素的種類與含量，并解釋秋天樹葉變黃的內在原因；⑥探究同一塊田里間作套種的植株（如玉米和大豆）在不同光照強度下的凈光合作用速率變化。自制簡易儀器可以幫助學生進行項目式實驗探究，培養學生終身學習的能力。

4.2.2 指導生活實踐

自制吸光度測量儀能應用于生活中的多個方面，有利于學生用生物學學科知識指導生活實踐，實現學以致用。

（1）測定有色溶液的濃度。人教版普通高中教科書《生物學·選擇性必修3·生物技術與工程》中的第1章“發酵工程”介紹了傳統泡菜的制作方法，可以利用自制的吸光度測量儀來測定泡菜中亞硝酸鹽的含量。其原理是亞硝酸鹽與特定試劑反應會產生玫瑰紅色的顏色反應，通過測定泡菜溶液的吸光度來確定亞硝酸鹽的濃度。同理，在鑒定還原糖、脂肪以及蛋白質的顯色實驗中，也可以通過自制的吸光度測量儀來測定顯色后溶液的吸光度，從而定量判斷待測物質的含量。據此原理，可以比較不同品牌奶粉中的蛋白質含量。同樣的原理還可應用于“溫度影響淀粉酶活性”實驗的定量測定，以及在“探究酵母菌種群數量變化”實驗中構建酵母菌溶液的吸光值隨時間變化的動態曲線。

（2）測定防曬霜的防曬效果。紫外線變色珠在受到不同強度的紫外線照射時，會呈現不同深度的顏色。學生通過往紫外線變色珠上涂抹不同品牌或不同防曬指數的防曬霜，并利用自制的吸光度測量儀來測定變色珠的吸光度變化，可以判斷不同防曬霜的防曬效果。

（3）測定水中的金屬離子含量。向待測水樣中放入與待測金屬離子產生反應的顯色劑，使其呈現出特定顏色，然后測定有色溶液的吸光度，并與標準比色溶液所得的曲線進行比對，從而定量地測量出不同待測水樣中該種金屬離子的濃度。

當然，利用自制的吸光度測量儀測出的數據對現實生活有一定的參考意義，但是如果需要對污染水源、重金屬水樣等進行科研分析，仍需要更為精密高端的分光光度計進行精準測定。制作和使用自制儀器需要融合物理、化學等多學科知識，從而可以拓寬學生的知識領域，提升學生的生物學學科核心素養。

參考文獻

［1］張立軍，樊金娟.植物生理學實驗教程［M］.北京：中國農業大學出版社，2007：36-40.