自制光合色素吸收光谱测定仪

摘要

以物理电学知识和通用技术为依据，采用椴木层板、LED聚光小射灯、LED指示灯、光敏电阻、单圈碳膜电位器、LED数显电压/电流表等材料自制“光合色素吸收光谱测定仪”，从定量和定性两方面探究光合色素对不同光的吸收差异，使抽象的生物学知识“看得见”。该装置具有较强的科学性、准确性和实用性，使用简单，测试结果与理论模型高度吻合，与分光光度计测得的吸光度值高度一致。

Graphical abstract

关键词

光合色素 / 吸收光谱 / 光敏电阻 / 实验教具

“捕获光能的色素和结构”是人教版高中生物学必修1第五章第4节“光合作用与能量转化”的重要内容^［1］，主要包含绿叶中色素的提取、分离实验与光合色素的吸收光谱等知识，为阐述“叶绿体的结构适合进行光合作用”这一基本观点奠定了基础。

为了让学生理解不同光合色素对光的吸收存在差异，教材通过展示光合色素的吸收光谱和恩格尔曼的实验结果（使用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现需氧细菌主要聚集在红光和蓝紫光区域）进行说明。

但在实际教学中，由于缺少亲身实践机会，学生对色素的吸收光谱依然难以想象，缺乏“真实感”。基于此，笔者运用光电转换原理，结合通用技术，成功自制了光合色素吸收光谱测定仪（下称“测定仪”）。该“测定仪”能帮助学生从定量和定性两个角度深入理解光合色素的吸收光谱，让抽象的生物学知识变得“可视化”。

1 材料用具

椴木层板、LED聚光小射灯（DC 12 V）、光敏电阻（5~10 kΩ）、RV24YN20S单圈碳膜电位器、LED数显电压/电流表（下称“电压表”）、LED指示灯、细电线、DC直流电源插头、船型开关、DC变压器插头（220 V转12 V）。

2 “测定仪”结构

“测定仪”呈正方体盒状，外壳框架由6块椴木层板搭建而成（图1）。正面为操作和观测界面，整齐分布着6个电压表、6个RV24YN20S单圈碳膜电位器（校准旋钮）与6个LED指示灯，可分别显示光合色素对6种不同波长光的吸收情况，辅助配件为两个开关，分别是总控和LED指示灯开关。电源插口在右侧面，上面的圆孔直径为12 mm，适配12 mm直径试管。

装置内部设置一“竖井”，使用椴木层板将其隔成不透光的6层（图2），分别在每层椴木层板的相同位置开出一个12 mm圆孔，并与装置上层圆孔对齐，使装有光合色素提取液的试管能顺利插入。“竖井”右侧各层分别装入亮度相同但发光波长不同的LED聚光小射灯作为灯源，自下而上，各层灯源颜色与波长依次为：红色（620 nm）、黄色（595 nm）、绿色（520 nm）、蓝色（465 nm）、紫色（400 nm），第6层配置白光光源。左侧各层分别装入1个相同型号的光敏电阻，正对灯源。

3 “测定仪”原理

光敏电阻的工作原理是内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳内，就构成了光敏电阻。光敏电阻在黑暗环境下的阻值很高，但受到光照时的阻值会降低，且接受的光照越强，其阻值下降幅度越大。当光照消失后，其阻值能恢复至初始值^［2］。

“测定仪”正是基于光敏电阻的工作原理设计的，共由6个电路单位并联构成，如图3所示。在每个电路单位中，光敏电阻与单圈碳膜电位器串联，电压表、LED指示灯与单圈碳膜电位器并联，电压表显示电位器两侧的电压值，指示灯亮度取决于光敏电阻的阻值变化，阻值越大，指示灯越暗。当装着光合色素提取液的试管插入装置并闭合S₁后，由于色素对不同光的吸收存在差异，因此6个光敏电阻接受的光照强度将产生差别，其阻值也会随之出现不同程度的变化，且体现在电压表示数上。电压的相对变化量可表示光合色素在该波长下的吸光值，从而实现对光合色素吸收光谱的定量测定。当闭合S₂时，指示灯的明亮程度能直观反映上述变化，实现了对光合色素吸收光谱的定性展示。

4 “测定仪”的使用方法

4.1 制备光合色素提取液

取新鲜莴苣叶片（或菠菜叶片）5 g，剪去主叶脉，剪碎，放于研钵中；加入少许二氧化硅和碳酸钙，再加入10 mL无水乙醇，迅速、充分地进行研磨；将研磨液迅速倒入玻璃漏斗中（漏斗基部放一块单层尼龙布）进行过滤，将滤液收集到烧杯中；用移液枪量取8 mL滤液于试管中，加入25 mL无水乙醇进行稀释，得到光合色素提取液^［1］。

4.2 光合色素吸收光谱的测定

接通“测定仪”电源，打开开关S₁；调节校准旋钮，使各个电压表的示数初始值相近，记录数据为U₀；打开开关S₂，观察并记录LED指示灯的亮度L₀；将装有色素提取液的试管放入装置中，观察并记录各LED指示灯的亮度L₁；关闭开关S₂，记录各个电压表的示数为U₁。

5 “测定仪”的科学性、精确性检测

5.1 检测方法

以波长为横坐标，电压相对变化量为纵坐标绘制曲线，判断上述实验结果是否符合理论模型。将上述实验结果与分光光度计测得的实验数据（即取适量光合色素提取液于比色皿中，以无水乙醇为对照，分别测定其在400、465、520、595、620 nm下的吸光值）进行比较，分析两种实验方法所得结果之间的相关性，以此检验“测定仪”的科学性、精确性。

5.2 实验结果及分析

利用两种检测方法测得的数据如表2所示，根据实验数据绘制电压相对变化量关于波长的曲线图，如图4所示。根据“测定仪”的工作原理可知：电压相对变化量越大，表示光合色素对该波长的光吸收得越多；反之，则越少。分析图4可知，红、黄光照射下的电压相对变化量较大，LED指示灯明显变暗，紫光、蓝光次之，绿光照射下电压相对变化量最小，LED指示灯亮度较强，说明莴苣叶片的光合色素整体上主要吸收蓝紫光和红（黄）光，对红（黄）光的吸收量大于蓝紫光，对绿光的吸收最少，实验结果接近实际理论。

对该装置和分光光度计所测定的数据进行相关性分析，结果如图5所示。分析可得线性表达式为y=7.463 1x-0.619 6，决定系数R²=0.978 3，p=0.001<0.01，说明两种结果相关性极显著。以上结果证明，两种方法的测定结果具有高度一致的相关性^［3］。

5.3 实验结论

“测定仪”能较准确地测出光合色素对不同波长光的吸收情况，测定结果接近理论模型，与分光光度计测定的数据高度一致，具有科学性和准确性。

6 结语

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》指出，在开展实验教学中，教师既要重视定性实验，也要重视定量实验，并且应加强学科间的联系^［4］。“测定仪”将物理电学知识、通用技术融入生物学实验，既能培养学生综合运用知识解决问题的能力，也能帮助学生理解科学本质和科学思想方法。该装置在设计时兼顾“定性”与“定量”，让抽象的生物学知识“看得见”，这是最大的亮点。此外，该装置制作材料易得，成本低廉，使用方法简单，能广泛应用于各级各类学校的教学中，具有普适性与实用性。在生物学实验教学中，建议将该装置应用于“实践·探究 绿叶中色素的提取与分离”这节实验课上，鼓励开展定量检测、建构数学模型等高阶教学内容，在丰富实验内容的同时提升实验品质，充分培养学生的科学探究能力。在常规理论教学中，建议利用LED指示灯在课堂上进行演示，以便学生清晰地“看见”光合色素吸收不同光的差异，充分调动学生的学习兴趣。

参考文献

[1] 人民教育出版社，课程教材研究所，生物课程教材研究开发中心.普通高中教科书生物学必修1·分子与细胞［M］.北京：人民教育出版社，2019.

[2] 刘栋，谢泉，房迪.光敏电阻的特性研究［J］.电子技术与软件工程，2016（20）：149-150.

[3] 刘小丽，宋保军，侯睿林.测定α-淀粉酶活性的两种方法的比较研究［J］.农业科技与信息，2006（09）：36-38.

[4] 中华人民共和国教育部. 普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020．

基金资助

2023年度广东省新师范建设助推基础教育高质量发展研究与实践项目“高质量发展背景下乡村中学生物学实验教学改革实践研究”，编号：粤教高函〔2023〕29号

广东省2026年度中小学教师教育科研能力提升计划项目“基于‘教学评一致性’的高中生物学单元学历案的设计与实施研究”(2026ZQJK0450)