“检测生物组织中的蛋白质”实验试剂改进研究

韩代富

（福建省武夷山市第二中学，福建 武夷山 354300）

“检测生物组织中的蛋白质”是人教版“生物”课程教学的重要组成部分，是学生必须掌握的知识点。随着核心素养教育的深入实施，尤其是新高考改革方案的实施，要求在高中生物实验教学中必须突出学生的主体性，提升学生的实践操作与思考能力。生物实验操作有着严格的规范要求，例如在课本教材中对检测生物组织蛋白质实验操作提出了明确的操作规范要求，学生按照相应的操作流程可以清晰地看到实验现象。双缩脲试剂是鉴定蛋白质存在的重要材料，但是在实验操作中存在强刺激性和腐蚀性的缺陷，因此，笔者结合多年工作经验，提出改进双缩脲试剂的具体方法。

1 “检测生物组织中的蛋白质”实验试剂改进的原因

双缩脲是两个分子脲经180 ℃左右加热，放出一个分子氨后得到的产物（图1）。这是一种鉴定蛋白质的常见分析化学方法所用试剂，是碱性含铜试液，在外观上呈现为蓝色，遇到蛋白质时会呈现为紫色[1]。双缩脲试剂由双缩脲试剂A和双缩脲试剂B两种试剂组成，其中，双缩脲试剂A液是质量浓度为0.100 g/mL的氢氧化钠（NaOH）溶液，双缩脲试剂B液是质量浓度为0.010 g/mL的硫酸铜（CuSO4）溶液。

图1 双缩脲反应过程

由于双缩脲试剂可以测定1～10 mg蛋白质且操作相对简单，成为高中生物蛋白质检测实验教学中常用的化学试剂。但是由于NaOH具有腐蚀性，在具体的实验过程中需要学生现场调试，在某种程度上存在安全隐患。为了提升课堂实验教学质量、降低实验成本、保护学生的人身安全，对“检测生物组织中的蛋白质”实验试剂进行改进。

具体原因如下：一是出于节约实验成本的考虑。传统的生物组织蛋白质检测实验试剂采用双缩脲试剂，但是需要现场调制，容易与外界环境发生化学反应，容易出现变质。为了节约成本，需要对实验试剂进行改进。二是基于学生身心健康的考虑。传统的生物组织蛋白质检测采用双缩脲试剂，但是其主要由NaOH构成，而该化学试剂具有强腐蚀性，甚至会因操作不当而引起灼烧伤害。因此，需要改变实验试剂的化学成分，降低实验试剂的危害性。

2 “检测生物组织中的蛋白质”实验试剂的改进方案

2.1 实验试剂改进的原理

双缩脲分子（H2NCO—NH—CONH2）在碱性环境中可与Cu2+发生双缩脲反应，生成紫色络合物。实践证明，凡分子中含有两个或两个以上酰胺键（肽键）的化合物，如多肽、蛋白质等，都能与双缩脲剂发生紫色反应。这是因为蛋白质及多肽的肽键与双缩脲的结构类似，也能与Cu2+形成紫红色络合物，而蛋白质分子中的肽键与双缩脲分子结构非常相似，因此，其在碱性溶液中也会与Cu2+产生紫色络合物。由此可见，生物组织蛋白质的检测主要依靠“碱性环境”和“Cu2+”两个要素[2]。基于使用双缩脲存在的腐蚀性与强刺激性问题，在保证实验结果准确性的基础上，从碱性溶液和Cu2+两个方面进行优化。综合相关研究和文献资料，本研究选择将现场配制双缩脲试剂所用的NaOH替换为水溶液为碱性的Na2CO3，为实验提供碱性环境。这是因为陈永群[1]曾经在改进斐林试剂的过程中使用Na2CO3替换NaOH，提供了碱性环境。

由于在生物组织蛋白质检测中使用的双缩脲试剂需要现调现用，如果试剂放置时间过长，就会产生Cu(OH)2沉淀[3]，导致试剂变质，不仅增加了实验的成本，还会影响实验的成效。综合考虑，本研究拟将CuSO4溶液替换为在碱性环境中不易变质的乙酸铜，延长双缩脲试剂的保存时间，消除现调现用的弊端。

2.2 实验材料及试剂

在“检测生物组织中的蛋白质”实验中需要开展以下工作：（1）准备一袋500 mL的纯牛奶。（2）准备20个500 mL烧杯、1个10 mL量筒、40个试管、试管架以及药匙等实验仪器设备。（3）准备NaOH、Na2CO3、乙酸铜以及蒸馏水[4]。

选择上述实验材料主要是因为其相比于传统的实验材料优点显著，具体见表1。

表1 实验材料的优点

2.3 实验试剂改进操作

由于改进后的实验试剂需要对溶液质量浓度进行优化，在具体的溶液质量浓度配制过程中，根据颜色对比进行确定（替换后的溶液与原溶液在碱性程度等方面存在差异）。由于本次实验试剂改进主要采用乙酸铜和Na2CO3，需要从以下两个方面进行质量浓度设计。

2.3.1 乙酸铜溶液的最适质量浓度

为了保证实验的准确性，需要对乙酸铜溶液的质量浓度进行合理设计，保证其符合实验要求。本研究设计的乙酸铜溶液质量浓度以人教版中的0.100 g/mL NaOH溶液质量浓度为准。结合实验操作要求，本次主要选择0.01、0.05、0.10、0.20、0.30 g乙酸铜，同时在上述乙酸铜中加入10 mL的蒸馏水，将其配制成质量浓度为0.001、0.005、0.010、0.020、0.030 g/mL的乙酸铜溶液。

完成上述操作之后，分别在预先做好编号的5个试管内注入2 mL纯牛奶，随后加入1 mL NaOH溶液。与此同时，实验操作人员将预先配制的不同质量浓度的乙酸铜溶液滴入试管中（用滴管滴入4滴即可），然后实验人员将试管摇均。

摇均之后发现，试管内的颜色发生变化，溶液质量浓度为0.010 g/mL和0.020 g/mL的试管内出现紫色（符合鉴定蛋白质的特征要求），而溶液质量溶度为0.001、0.005 g/mL的试管中的颜色较浅，质量浓度为0.030 g/mL的试管中的颜色呈紫色偏蓝，表明改进后的实验试剂应选择0.010～0.020 g/mL。为了更加准确地设定乙酸铜溶液的质量浓度，需要在0.010～0.020 g/mL确定更小范围的质量浓度[5]。

采取上述实验方法，分别选取0.15、0.16、0.17、0.18、0.19、0.20 g乙酸铜，各加蒸馏水至10 mL，配制成质量浓度分别为0.015、0.016、0.017、0.018、0.019、0.020 g/mL的乙酸铜溶液，分别将其放入剩余的试管内，为其编号（6～11），同样向试管内注入2 mL纯牛奶，然后在试管内注入1 mL NaOH溶液，实验操作人员将预先配制的不同质量浓度的乙酸铜溶液滴入试管中（用滴管滴入4滴即可），然后将试管摇匀。

通过观察发现，试管内的颜色发生了变化，所有的试管颜色都呈紫色，表明检测出了蛋白质，但是质量浓度为0.020 g/mL的乙酸铜溶液试管的紫色更加明显，由此可以确定，0.020 g/mL是乙酸铜溶液的最佳实验质量浓度[6]。

2.3.2 Na2CO3溶液的最适质量浓度

以0.020 g/mL乙酸铜质量浓度为准，探究Na2CO3的最适质量浓度。分别称取0.50、1.00、1.50、2.00、2.50、3.00 g Na2CO3，加蒸馏水至10 mL，配制成质量浓度分别为0.050、0.100、0.150、0.200、0.250、0.300 g/mL的Na2CO3溶液。取6支试管分别编号A～F，并向每支试管内注入2 mL纯牛奶，再向每支试管中分别注入1 mL不同质量浓度的Na2CO3溶液，最后注入0.020 g/mL乙酸铜溶液4滴，摇匀。观察试管中的颜色变化，实验效果如图2所示。

图2 试管颜色

实验结果：所有Na2CO3溶液质量浓度下的显色反应都为紫色，其中，编号为C和D的试管紫色现象最明显，所以用Na2CO3溶液替换NaOH溶液时，0.150 g/mL和0.200 g/mL两种质量浓度最好[7]。

3 结果与分析

3.1 实验结果

通过使用改进后的实验试剂对生物组织蛋白质进行检测，发现采取此种实验试剂溶液质量浓度所达到的实验效果与采用传统双缩脲实验试剂的效果一致。由此可见，用0.020 g/mL乙酸铜溶液代替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]，能在不影响实验效果的前提下达到优化实验的目的。

3.2 实验试剂改进中存在的问题及解决对策

3.2.1 实验试剂改进中存在的问题

通过对生物组织中蛋白质的检测实验试剂改进实施过程的分析，发现在实验试剂改进过程中还存在以下问题：一是教师的专业技能水平不高，未能有效利用所学知识深入分析实验试剂的改进。高中生物教师具有扎实的专业知识基础，但是在传统教学思维的影响下，部分教师观念陈旧，例如高中生物教师不愿意创新，仍然倾向于使用传统的生物组织蛋白质检测实验试剂，对改进后的实验试剂应用积极性不高。在生物实验教学过程中，教师演示生物组织蛋白质的检测实验时，仍然采用传统的实验试剂和工具。二是教学缺乏学生的参与，忽视了学生的主体性。教师在改进生物组织蛋白质检测实验试剂时缺乏与学生的互动，尤其是未考虑到学生的学习积极性。例如教师在生物组织蛋白质检测中并没有将改进实验试剂的原理以及具体的实验验证方法告知学生，忽视了学生的学习积极性，结果导致学生机械地照搬教师的实验操作步骤。三是生物组织蛋白质实验试剂改进缺乏与实际生产生活的联系。生物课程源于生活，基于新高考改革方案的实施，高中生物教师在实验教学过程中必须突出实验教学与社会生活的联系。但是，目前教师在实验试剂改进过程中，缺乏对生活实际的结合，导致学生对改进实验试剂的具体流程不熟悉，不具备将其应用于解决实际问题的能力。

3.2.2 对策

“检测生物组织中的蛋白质”实验试剂改进的关键就是落实到具体的实验教学中。为了保证实验试剂改进的成效，高中生物教师在教学中必须要做好以下工作：一是提高教学能力，增强实验探究意识。教师是生物实验教学的重要引导者，针对生物组织蛋白质检测实验试剂存在的问题，要立足于教学经验，围绕培养学生解决实际问题的能力，不断创新生物实验模式。蛋白质检测实验是高中生物实验的重要内容，是学生必须掌握的知识点，也是历年高考的重点。因此，教师必须要加强学习，结合最新的学科发展趋势，优化实验试剂改进工作。例如生物组织蛋白质检测实验试剂改进要求教师合理控制双缩脲试剂的溶液，这就要求教师树立严谨的质量控制意识，形成精益求精的工匠精神。二是要加强与学生的互动，就生物组织蛋白质检测实验试剂改进过程与学生进行互动交流，让学生掌握实验试剂改进的具体流程，增强学生的实践操作能力。例如教师要利用虚拟技术将改进的实验过程展现给学生，让学生明白其中的道理，并且在课后通过实践操作进行实验锻炼，加强对相关生物蛋白质化学实验知识的掌握。三是创设实验教学情境，激发学生的学习积极性。长期以来，高中生物实验教学与社会生活联系不大，基于生物组织蛋白质检测的实验试剂改进理念就源于生活实践，围绕传统实验试剂所存在的问题进行改进。因此，在具体的教学中，教师必须积极为学生创设情境教学模式，以生物实验为载体，促使学生应用科学方法亲自参与整个实验过程，学习全方位、多角度地发现问题和解决问题。

4 结语

基于核心素养教育的深入实施，改进“检测生物组织中的蛋白质”实验试剂是提升生物蛋白质检测实验教学效率、降低安全事故发生率的重要举措。实验证明，通过对生物组织蛋白质实验试剂的改进，完全可以达到优化生物组织蛋白质实验教学的目的。