“檢測生物組織中的蛋白質(zhì)”實驗試劑改進研究

韓代富

（福建省武夷山市第二中學，福建 武夷山 354300）

“檢測生物組織中的蛋白質(zhì)”是人教版“生物”課程教學的重要組成部分，是學生必須掌握的知識點。隨著核心素養(yǎng)教育的深入實施，尤其是新高考改革方案的實施，要求在高中生物實驗教學中必須突出學生的主體性，提升學生的實踐操作與思考能力。生物實驗操作有著嚴格的規(guī)范要求，例如在課本教材中對檢測生物組織蛋白質(zhì)實驗操作提出了明確的操作規(guī)范要求，學生按照相應(yīng)的操作流程可以清晰地看到實驗現(xiàn)象。雙縮脲試劑是鑒定蛋白質(zhì)存在的重要材料，但是在實驗操作中存在強刺激性和腐蝕性的缺陷，因此，筆者結(jié)合多年工作經(jīng)驗，提出改進雙縮脲試劑的具體方法。

1 “檢測生物組織中的蛋白質(zhì)”實驗試劑改進的原因

雙縮脲是兩個分子脲經(jīng)180 ℃左右加熱，放出一個分子氨后得到的產(chǎn)物（圖1）。這是一種鑒定蛋白質(zhì)的常見分析化學方法所用試劑，是堿性含銅試液，在外觀上呈現(xiàn)為藍色，遇到蛋白質(zhì)時會呈現(xiàn)為紫色[1]。雙縮脲試劑由雙縮脲試劑A和雙縮脲試劑B兩種試劑組成，其中，雙縮脲試劑A液是質(zhì)量濃度為0.100 g/mL的氫氧化鈉（NaOH）溶液，雙縮脲試劑B液是質(zhì)量濃度為0.010 g/mL的硫酸銅（CuSO4）溶液。

圖1 雙縮脲反應(yīng)過程

由于雙縮脲試劑可以測定1～10 mg蛋白質(zhì)且操作相對簡單，成為高中生物蛋白質(zhì)檢測實驗教學中常用的化學試劑。但是由于NaOH具有腐蝕性，在具體的實驗過程中需要學生現(xiàn)場調(diào)試，在某種程度上存在安全隱患。為了提升課堂實驗教學質(zhì)量、降低實驗成本、保護學生的人身安全，對“檢測生物組織中的蛋白質(zhì)”實驗試劑進行改進。

具體原因如下：一是出于節(jié)約實驗成本的考慮。傳統(tǒng)的生物組織蛋白質(zhì)檢測實驗試劑采用雙縮脲試劑，但是需要現(xiàn)場調(diào)制，容易與外界環(huán)境發(fā)生化學反應(yīng)，容易出現(xiàn)變質(zhì)。為了節(jié)約成本，需要對實驗試劑進行改進。二是基于學生身心健康的考慮。傳統(tǒng)的生物組織蛋白質(zhì)檢測采用雙縮脲試劑，但是其主要由NaOH構(gòu)成，而該化學試劑具有強腐蝕性，甚至會因操作不當而引起灼燒傷害。因此，需要改變實驗試劑的化學成分，降低實驗試劑的危害性。

2 “檢測生物組織中的蛋白質(zhì)”實驗試劑的改進方案

2.1 實驗試劑改進的原理

雙縮脲分子（H2NCO—NH—CONH2）在堿性環(huán)境中可與Cu2+發(fā)生雙縮脲反應(yīng)，生成紫色絡(luò)合物。實踐證明，凡分子中含有兩個或兩個以上酰胺鍵（肽鍵）的化合物，如多肽、蛋白質(zhì)等，都能與雙縮脲劑發(fā)生紫色反應(yīng)。這是因為蛋白質(zhì)及多肽的肽鍵與雙縮脲的結(jié)構(gòu)類似，也能與Cu2+形成紫紅色絡(luò)合物，而蛋白質(zhì)分子中的肽鍵與雙縮脲分子結(jié)構(gòu)非常相似，因此，其在堿性溶液中也會與Cu2+產(chǎn)生紫色絡(luò)合物。由此可見，生物組織蛋白質(zhì)的檢測主要依靠“堿性環(huán)境”和“Cu2+”兩個要素[2]。基于使用雙縮脲存在的腐蝕性與強刺激性問題，在保證實驗結(jié)果準確性的基礎(chǔ)上，從堿性溶液和Cu2+兩個方面進行優(yōu)化。綜合相關(guān)研究和文獻資料，本研究選擇將現(xiàn)場配制雙縮脲試劑所用的NaOH替換為水溶液為堿性的Na2CO3，為實驗提供堿性環(huán)境。這是因為陳永群[1]曾經(jīng)在改進斐林試劑的過程中使用Na2CO3替換NaOH，提供了堿性環(huán)境。

由于在生物組織蛋白質(zhì)檢測中使用的雙縮脲試劑需要現(xiàn)調(diào)現(xiàn)用，如果試劑放置時間過長，就會產(chǎn)生Cu(OH)2沉淀[3]，導致試劑變質(zhì)，不僅增加了實驗的成本，還會影響實驗的成效。綜合考慮，本研究擬將CuSO4溶液替換為在堿性環(huán)境中不易變質(zhì)的乙酸銅，延長雙縮脲試劑的保存時間，消除現(xiàn)調(diào)現(xiàn)用的弊端。

2.2 實驗材料及試劑

在“檢測生物組織中的蛋白質(zhì)”實驗中需要開展以下工作：（1）準備一袋500 mL的純牛奶。（2）準備20個500 mL燒杯、1個10 mL量筒、40個試管、試管架以及藥匙等實驗儀器設(shè)備。（3）準備NaOH、Na2CO3、乙酸銅以及蒸餾水[4]。

選擇上述實驗材料主要是因為其相比于傳統(tǒng)的實驗材料優(yōu)點顯著，具體見表1。

表1 實驗材料的優(yōu)點

2.3 實驗試劑改進操作

由于改進后的實驗試劑需要對溶液質(zhì)量濃度進行優(yōu)化，在具體的溶液質(zhì)量濃度配制過程中，根據(jù)顏色對比進行確定（替換后的溶液與原溶液在堿性程度等方面存在差異）。由于本次實驗試劑改進主要采用乙酸銅和Na2CO3，需要從以下兩個方面進行質(zhì)量濃度設(shè)計。

2.3.1 乙酸銅溶液的最適質(zhì)量濃度

為了保證實驗的準確性，需要對乙酸銅溶液的質(zhì)量濃度進行合理設(shè)計，保證其符合實驗要求。本研究設(shè)計的乙酸銅溶液質(zhì)量濃度以人教版中的0.100 g/mL NaOH溶液質(zhì)量濃度為準。結(jié)合實驗操作要求，本次主要選擇0.01、0.05、0.10、0.20、0.30 g乙酸銅，同時在上述乙酸銅中加入10 mL的蒸餾水，將其配制成質(zhì)量濃度為0.001、0.005、0.010、0.020、0.030 g/mL的乙酸銅溶液。

完成上述操作之后，分別在預先做好編號的5個試管內(nèi)注入2 mL純牛奶，隨后加入1 mL NaOH溶液。與此同時，實驗操作人員將預先配制的不同質(zhì)量濃度的乙酸銅溶液滴入試管中（用滴管滴入4滴即可），然后實驗人員將試管搖均。

搖均之后發(fā)現(xiàn)，試管內(nèi)的顏色發(fā)生變化，溶液質(zhì)量濃度為0.010 g/mL和0.020 g/mL的試管內(nèi)出現(xiàn)紫色（符合鑒定蛋白質(zhì)的特征要求），而溶液質(zhì)量溶度為0.001、0.005 g/mL的試管中的顏色較淺，質(zhì)量濃度為0.030 g/mL的試管中的顏色呈紫色偏藍，表明改進后的實驗試劑應(yīng)選擇0.010～0.020 g/mL。為了更加準確地設(shè)定乙酸銅溶液的質(zhì)量濃度，需要在0.010～0.020 g/mL確定更小范圍的質(zhì)量濃度[5]。

采取上述實驗方法，分別選取0.15、0.16、0.17、0.18、0.19、0.20 g乙酸銅，各加蒸餾水至10 mL，配制成質(zhì)量濃度分別為0.015、0.016、0.017、0.018、0.019、0.020 g/mL的乙酸銅溶液，分別將其放入剩余的試管內(nèi)，為其編號（6～11），同樣向試管內(nèi)注入2 mL純牛奶，然后在試管內(nèi)注入1 mL NaOH溶液，實驗操作人員將預先配制的不同質(zhì)量濃度的乙酸銅溶液滴入試管中（用滴管滴入4滴即可），然后將試管搖勻。

通過觀察發(fā)現(xiàn)，試管內(nèi)的顏色發(fā)生了變化，所有的試管顏色都呈紫色，表明檢測出了蛋白質(zhì)，但是質(zhì)量濃度為0.020 g/mL的乙酸銅溶液試管的紫色更加明顯，由此可以確定，0.020 g/mL是乙酸銅溶液的最佳實驗質(zhì)量濃度[6]。

2.3.2 Na2CO3溶液的最適質(zhì)量濃度

以0.020 g/mL乙酸銅質(zhì)量濃度為準，探究Na2CO3的最適質(zhì)量濃度。分別稱取0.50、1.00、1.50、2.00、2.50、3.00 g Na2CO3，加蒸餾水至10 mL，配制成質(zhì)量濃度分別為0.050、0.100、0.150、0.200、0.250、0.300 g/mL的Na2CO3溶液。取6支試管分別編號A～F，并向每支試管內(nèi)注入2 mL純牛奶，再向每支試管中分別注入1 mL不同質(zhì)量濃度的Na2CO3溶液，最后注入0.020 g/mL乙酸銅溶液4滴，搖勻。觀察試管中的顏色變化，實驗效果如圖2所示。

圖2 試管顏色

實驗結(jié)果：所有Na2CO3溶液質(zhì)量濃度下的顯色反應(yīng)都為紫色，其中，編號為C和D的試管紫色現(xiàn)象最明顯，所以用Na2CO3溶液替換NaOH溶液時，0.150 g/mL和0.200 g/mL兩種質(zhì)量濃度最好[7]。

3 結(jié)果與分析

3.1 實驗結(jié)果

通過使用改進后的實驗試劑對生物組織蛋白質(zhì)進行檢測，發(fā)現(xiàn)采取此種實驗試劑溶液質(zhì)量濃度所達到的實驗效果與采用傳統(tǒng)雙縮脲實驗試劑的效果一致。由此可見，用0.020 g/mL乙酸銅溶液代替0.010 g/mL CuSO4溶液和用0.150 g/mL Na2CO3溶液或0.200 g/mL Na2CO3液代替0.100 g/mL NaOH溶液具有可行性[8]，能在不影響實驗效果的前提下達到優(yōu)化實驗的目的。

3.2 實驗試劑改進中存在的問題及解決對策

3.2.1 實驗試劑改進中存在的問題

通過對生物組織中蛋白質(zhì)的檢測實驗試劑改進實施過程的分析，發(fā)現(xiàn)在實驗試劑改進過程中還存在以下問題：一是教師的專業(yè)技能水平不高，未能有效利用所學知識深入分析實驗試劑的改進。高中生物教師具有扎實的專業(yè)知識基礎(chǔ)，但是在傳統(tǒng)教學思維的影響下，部分教師觀念陳舊，例如高中生物教師不愿意創(chuàng)新，仍然傾向于使用傳統(tǒng)的生物組織蛋白質(zhì)檢測實驗試劑，對改進后的實驗試劑應(yīng)用積極性不高。在生物實驗教學過程中，教師演示生物組織蛋白質(zhì)的檢測實驗時，仍然采用傳統(tǒng)的實驗試劑和工具。二是教學缺乏學生的參與，忽視了學生的主體性。教師在改進生物組織蛋白質(zhì)檢測實驗試劑時缺乏與學生的互動，尤其是未考慮到學生的學習積極性。例如教師在生物組織蛋白質(zhì)檢測中并沒有將改進實驗試劑的原理以及具體的實驗驗證方法告知學生，忽視了學生的學習積極性，結(jié)果導致學生機械地照搬教師的實驗操作步驟。三是生物組織蛋白質(zhì)實驗試劑改進缺乏與實際生產(chǎn)生活的聯(lián)系。生物課程源于生活，基于新高考改革方案的實施，高中生物教師在實驗教學過程中必須突出實驗教學與社會生活的聯(lián)系。但是，目前教師在實驗試劑改進過程中，缺乏對生活實際的結(jié)合，導致學生對改進實驗試劑的具體流程不熟悉，不具備將其應(yīng)用于解決實際問題的能力。

3.2.2 對策

“檢測生物組織中的蛋白質(zhì)”實驗試劑改進的關(guān)鍵就是落實到具體的實驗教學中。為了保證實驗試劑改進的成效，高中生物教師在教學中必須要做好以下工作：一是提高教學能力，增強實驗探究意識。教師是生物實驗教學的重要引導者，針對生物組織蛋白質(zhì)檢測實驗試劑存在的問題，要立足于教學經(jīng)驗，圍繞培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，不斷創(chuàng)新生物實驗?zāi)Ｊ?。蛋白質(zhì)檢測實驗是高中生物實驗的重要內(nèi)容，是學生必須掌握的知識點，也是歷年高考的重點。因此，教師必須要加強學習，結(jié)合最新的學科發(fā)展趨勢，優(yōu)化實驗試劑改進工作。例如生物組織蛋白質(zhì)檢測實驗試劑改進要求教師合理控制雙縮脲試劑的溶液，這就要求教師樹立嚴謹?shù)馁|(zhì)量控制意識，形成精益求精的工匠精神。二是要加強與學生的互動，就生物組織蛋白質(zhì)檢測實驗試劑改進過程與學生進行互動交流，讓學生掌握實驗試劑改進的具體流程，增強學生的實踐操作能力。例如教師要利用虛擬技術(shù)將改進的實驗過程展現(xiàn)給學生，讓學生明白其中的道理，并且在課后通過實踐操作進行實驗鍛煉，加強對相關(guān)生物蛋白質(zhì)化學實驗知識的掌握。三是創(chuàng)設(shè)實驗教學情境，激發(fā)學生的學習積極性。長期以來，高中生物實驗教學與社會生活聯(lián)系不大，基于生物組織蛋白質(zhì)檢測的實驗試劑改進理念就源于生活實踐，圍繞傳統(tǒng)實驗試劑所存在的問題進行改進。因此，在具體的教學中，教師必須積極為學生創(chuàng)設(shè)情境教學模式，以生物實驗為載體，促使學生應(yīng)用科學方法親自參與整個實驗過程，學習全方位、多角度地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。

4 結(jié)語

基于核心素養(yǎng)教育的深入實施，改進“檢測生物組織中的蛋白質(zhì)”實驗試劑是提升生物蛋白質(zhì)檢測實驗教學效率、降低安全事故發(fā)生率的重要舉措。實驗證明，通過對生物組織蛋白質(zhì)實驗試劑的改進，完全可以達到優(yōu)化生物組織蛋白質(zhì)實驗教學的目的。