利用太阳光作为UV 光源展示天然植物提取物荧光现象

王国富，刘丽，付强

（江西中医药高等专科学校，江西抚州，344000）

0 引言

当物质吸收光子能量被激发，之后从激发态的最低能级返回基态时所发射出的光称为荧光。基于某些有机物的分子在用紫外-可见光激发时发射的荧光称为分子荧光。由于发射光的波长通常大于吸收光，这就使得一些原本无色的物质通过紫外光的照射而呈现出有色的荧光或者是改变原来的颜色，这是判断物质是否存在荧光的简便方法。不管是荧光的发射光谱还是吸收光谱都反映了物质的结构信息，再加上荧光分析法具有灵敏度高、先择性好的优点，因此，荧光分析法（Fluorometry）在物质分析中有着特殊的重要性［1-3］，在化学、生物学、医学等多领域得到了广泛应用［4-7］。

能发射荧光的有机分子在结构上往往存在多个共轭π 键，且大多具有苯环或杂环，同时，具有刚性平面结构。外部环境如溶剂、温度、pH 值、氢键等也会影响荧光波长及强度。因此，荧光分析不仅可用于定性分析，还可用于定量分析。由于太阳辐射主要集中在可见光部分，红外线和紫外线的部分少，同时受地球大气中臭氧、水气和其它大气分子的强烈吸收，在地面上能观测的紫外线较少，因此，我们很难在太阳光下直接观察到物质的荧光现象。本文使用太阳光作为紫外光源，通过放大镜的汇聚作用，非常顺利地观察到了叶绿素、秦皮提取物、银杏叶提取物等物质的荧光现象。

1 实验准备

1.1 实验原理

本演示选择叶绿素、秦皮提取物、银杏叶提取物观察是因为这些物质很容易得到，我们身边的植物中就能获取，且这些物质的荧光现象很强烈，能带来视觉上的冲击感。 叶绿素家族有五大类，它们的吸收光谱和荧光发射光谱虽各不相同，但吸收峰主要在400~450nm 之间，最大发射峰主要在650~710nm 之间，并且随着温度、溶剂、其它离子的不同而稍有不同［8-10］，因此它们的荧光颜色基本是一样的。秦皮为木樨科植物苦枥白蜡树（Fraxinus rhynchophylla Hance）的干燥枝皮或干皮，其主要化学成分为秦皮乙素（Aesculetin）、秦皮甲素（Aesculin）等香豆素类物质，在紫外光下有强烈的蓝色荧光。银杏为银杏科植物银杏（Ginkgo biloba L.）的干燥叶，其中含有黄酮类（Flavones）物质，黄酮类物质是一类含苯环的多共轭体系，大多显灰黄色至黄色，也具有荧光现象。虽然其荧光现象不如香豆素类物质强烈，但可以用来比较、认识物质结构对荧光现象的影响，而且其在Al3+的作用下，荧光现象会有所增强。

1.2 药品和仪器

用来观察的这三种物质都是从我们周围的植物中采集提取而得，提取方法使用水或乙醇，此外不需要其他试剂，三类物质的结构见图1。

图1 叶绿素、秦皮提取物、银杏叶提取物的结构

准备一个便于全班观察的连接电脑的摄像系统，便于实时观察。可以利用智能手机自带的投屏功能实现这一目的（如图2 所示），其间要求电脑和手机必须连接在同一个无线网络下，电脑的操作系统在Win10以上。也可以直接将摄像头连接在电脑上，不过缺点是不能实现无线传输，使用距离比较短，当太阳的光线不能射入教室时，很难满足使用要求。

图2 将手机屏幕投影到电脑上

准备5 个100mL 试剂瓶，用来提取并盛放提取液，7 个50mL 小烧杯，用来盛放提取液并观察太阳光下的荧光。

准备一个家用放大镜，用来汇聚太阳光，如图3 所示，来自太阳的自然光通过放大镜汇聚到溶液的表面。

图3 荧光观察示意图

秦皮，直接购自药店，使用之前不需要进行任何处理；香樟树叶，直接采自树上，使用之前新鲜采摘；银杏树叶，提前采自银杏树，并晒干，以去除其中的叶绿素。

1.2.1 提取液的准备

秦皮的提取：分别采用水和95%乙醇两种溶剂作为提取剂提取。在两个100mL 的试剂瓶中，各加入大约10g 的秦皮，分别加入大约40mL 去离子水和95%乙醇，使之淹没秦皮，大约1h 后待用。

叶绿素的提取：由于叶绿素不溶于水，因此叶绿素的提取采用95%的乙醇提取。摘取大约10g 新鲜的绿色树叶（任意，本实验采用的是香樟叶），洗净后置于100mL 试剂瓶中，加入大约40mL95%乙醇，使之淹没树叶，大约1h 后待用。

黄酮的提取：将新鲜采摘的银杏叶晒干至叶片完全黄透以破坏其中的叶绿素，取大约10g 的干银杏叶置于100mL 试剂瓶中，加入大约40mL95%乙醇，使之淹没银杏叶，大约1h 后待用。

本实验中用到的所有试剂均无毒、无腐蚀性，所以不需要特殊的防护。但由于太阳汇聚光有烧伤的危险，所以实验时要小心，最好戴上防护手套。

1.2.2 课堂实验前实验装置的准备

上课之前将手机的无线投屏功能调试好，安装在手机支架上，对准实验溶液，在窗户边太阳光可以照射到的地方依次摆上准备好的各提取液，用放大镜将太阳光汇聚到溶液表面，检查投屏效果。

2 课堂演示

2.1 演示前的准备

本次课采用POE 教学策略展开教学。

在演示之前，先向学生介绍荧光现象产生的原理及应用，然后引导学生思考物质结构对荧光产生的影响，并提出如下问题供学生思考：

荧光物质应具有怎样的结构特点？

给出本实验中的物质的结构式及不在本实验中的一些物质的结构式（包括有机物及无机物），并让学生判断哪些物质能产生荧光，哪些物质不能产生荧光，强度如何？

学生分组讨论各自的观点及理由，最后统一结果，挑选几组宣布他们的结果及理由，实验完成之后进行打分，对分数高的组给予一定的奖励。

2.2 演示过程

每组选派一名代表来做演示实验，演示之前，教师先介绍演示需要做的工作，然后给学生分配好工作，由他们分工协作完成本次演示实验。具体演示过程如下：

将上述提取液用滤纸过滤出来，取上述过滤液秦皮水提取液、秦皮乙醇提取液、秦皮乙醇提取液10 倍水稀释液、叶绿素提取液、银杏叶水提取液、银杏叶乙醇提取液适量，分别装于6 个50mL 的小烧杯中，编号分别为a—f。将太阳光用一个放大镜汇聚到上述溶液中，依次观察其荧光现象。其间，学生们记录下各溶液及对应的荧光及强度，并当场对前述给出答案的同学打分。之后，教师请同学们来解释所观察到的现象。最后，教师分析总结如下：

秦皮水提液在太阳汇聚光下出现蓝色荧光，秦皮乙醇提取液也出现蓝色荧光，但由于光线进入溶液内部变成红色，因此从上面看很像紫色（图4 b）。我们把秦皮乙醇提取液稀释10 倍，不管是用水稀释还是用乙醇稀释都出现蓝色荧光，这时，把稀释液直接放在太阳光下就可出现蓝色荧光（图4 g）。这说明溶剂不会对荧光发射波长造成很大的影响。适当的稀释有利于荧光的出现，这一方面说明秦皮提取液的荧光现象非常强烈，另一方面也说明浓度过高会导致其出现荧光猝灭现象。

图4 在太阳汇聚光下的荧光现象

叶绿素醇提液出现红色荧光。叶绿素荧光发射光谱大约在700nm 左右，因此出现红色荧光。将其稀释也没有出现更明显的荧光现象，这说明叶绿素的荧光现象不如秦皮提取液强烈。叶绿素的卟啉环通过和Mg2+配位形成一个很大的共轭环，但由于其环太大，因此很难保证其完全的共平面结构，从而影响了其荧光效应。银杏叶水提物出现微弱淡蓝色荧光。银杏叶乙醇提取物出现淡蓝色荧光是因为银杏叶的主要成分之一是黄酮类化合物，其一般易溶于乙醇，当形成糖苷后在水中的溶解度增大，其水提液会出现荧光现象。黄酮类化合物虽然比香豆素类化合物多了一个苯环，但比较银杏叶醇提取物与秦皮醇提取物在太阳汇聚光下的荧光现象发现，秦皮醇提物的荧光现象更强烈。这是因为黄酮2-位的苯环可以沿着单键旋转，从而失去共轭、失去刚性结构，导致其荧光效应较低。如果将2-位的苯环换成甲基、丙基等，则其荧光量子产率将大幅提高，这说明2-位的苯环对荧光是猝灭的。对此，教师可鼓励学生记录实验现象，并分析物质结构与荧光强度的关系，完成表1。

表1 结构特点与荧光强度的关系

荧光性物质必须具有如下结构特点：（1）具有芳香的共轭体系；（2）具有平面结构或近乎平面结构；（3）连有-OH、-NH2等助色基团，有利于荧光的发射。

2.3 课堂反馈

笔者在2023 级药学专业学生中进行了该教学，参与学生共计107 人，其中女生72 人，男生35 人，从课堂气氛、回答问题、实验参与等过程来看，大部分同学都比较活跃，展示出较强的兴趣。本次教学虽然不是《有机化学》必修的内容，但对扩大学生视野，激发学生学习兴趣，培养学生的思考能力起到了积极的作用。

3 结语

荧光性物质广泛存在于自然界，如叶绿素类、香豆素类、黄酮类等。通常，荧光的观察需要一个紫外灯，以及一间暗室，这就给课堂演示带来了不便。本演示利用太阳光作为紫外光源，可在自然光条件下操作，具有仪器简单、操作方便的特点。本演示观察了秦皮提取物、绿叶提取物及银杏叶提取物等三类物质，均有明显的荧光现象。本次展示了一种可靠的、便捷的以绿色化学为指导的观察生活中一些天然提取物荧光的简单演示，该演示简单、直观，有利于学生对于荧光概念的学习与理解，以及分析结构对荧光效应的影响，从而预测未知物质的荧光效应。

由于本次演示实验的紫外线直接采自自然光，没有将其中的可见光过滤掉，因此当溶液中含有固体小颗粒时，将使太阳光发生反射、折射、衍射等，进而干扰实验结果。因此，本演示实验只对荧光发射能力比较强的物质有效。