上海申安醫療器材廠認為生物學是以實驗為基礎的學科, 而實驗離不開實驗儀器。工欲善其事, 必先利其器。高新儀器為學生開展探究性實驗提供了有力保障, 拓寬了可探索的領域, 因此許多高新儀器如光照培養箱、微量移液槍等出現在中學實驗室中。但這類儀器價格昂貴, 如果僅用于探究性學習, 必將使其使用率降低, 使用范圍小, 受眾變窄等。如何提高高新儀器的使用率成為中學實驗室面臨的一個重要課題。上海申安通過實踐, 將高新儀器運用到日常生物實驗的準備中, 從而使高新儀器接地氣、廣利用, 同時利用高新儀器的精確、高效等特點, 大大提高了實驗效果。
(1) 光照智能培養箱的使用
光照培養箱一般帶有可編程的控制方式, 白天、黑夜均可單獨設置溫度、光照度等。利用這一特性, 除了可將其用于生物選修一課本中的植物組織培養實驗、微生物培養實驗, 也可用于生物必修課本中《觀察根尖分生組織的有絲分裂》、《觀察根尖分生組織的減數分裂》、《探究生長激素類似物促進插條生根的最適濃度》等實驗。
光照培養箱的應用可以彌補實驗準備中天氣條件的不足。在低溫誘導染色體加倍的實驗中, 教材建議將根尖培養到1cm左右再移入4℃冰箱。這種方法存在一定弊端, 首先受到冰箱容量的影響, 其次難以兼顧光照和溫度。引入光照培養箱可解決這一問題:先將光照培養箱溫度設置在26℃, 晝夜光照切換, 白天12小時, 黑夜4小時, 2個循環周期即可長出1cm左右的不定根, 此時再將溫度調整到4℃, 繼而培養36小時, 便可得到5cm左右的根。
光照培養箱的引入使溫度控制更精確, 獲得實驗材料所需的時間更短, 染色體的加倍現象更明顯。在探究生長激素類似物促進生根實驗中, 教材建議用黃素馨、柳條等作為實驗材料。此實驗所需枝條較多, 在獲取大量枝條時不免對校園景觀造成破壞。因此, 綠豆苗用于探究生長激素類似物促進插條生根的最適濃度是一個不錯的選擇。將浸泡12小時的綠豆放入培養箱中, 第一階段將光照培養箱溫度設置為24℃, 光照模式為黑暗, 持續48小時, 綠豆種子開始萌發;第二階段把溫度設置為26℃, 光照模式為光照、黑暗各12小時, 持續4天即可培養出上胚軸大于4cm, 下胚軸大于9cm的綠豆苗。
另外, 在組培實驗的無菌苗培養過程中, 如果需要培養的無菌苗數量較少, 可以直接使用光照培養箱進行培養, 從而避免了啟動光照培養架和空調等大功率電器造成的用電浪費。在光照培養過程中, 如果需要增加濕度, 可放置一個盛滿水的不銹鋼盆及掛一條潔凈的棉毛巾, 利用虹吸原理提高培養箱內的濕度。
(2) 恒溫水浴鍋和制冰機的使用
在檢測還原糖、觀察DNA和RNA在細胞中的分布、探究影響酶活性的條件時, 教材都采用酒精燈加熱的水浴方法。此方法耗時長、較難維持在同一溫度且存在安全隱患。數顯水浴鍋能設置室溫至100℃并保持穩定。比如探究影響酶活性的條件時, 37℃、70℃等水浴環境可用恒溫水浴鍋輕松獲得。以容納56人的實驗室為例, 6臺單孔數顯水浴鍋即可滿足所有高中生物實驗水浴加熱的需求。
在營造低溫條件方面, 制冰機除用于分子生物學實驗中制造蛋白質外, 還可用于生物必修一《探究影響酶活性的實驗》等。制冰機和傳統電冰箱相比的優勢在于制冰機出冰速度更快捷, 半個小時可以獲得冰渣。另外, 因為冰渣的體積小, 和水的接觸面積大, 更容易達到0℃的水浴環境。
(3) 高壓滅菌鍋的使用
“微生物實驗室培養”專題要求學生掌握配置培養基、倒平板、微生物接種和涂布等技術。因為高壓滅菌本身需要一定時間, 滅菌后又需等到氣壓下降至0帕才能打開滅菌鍋, 所以如何及時在課堂上獲得液態的培養基用于倒平板是實驗準備必須攻克的難題。此時可巧用高壓滅菌鍋的“保溫功能”來保持培養基的液體條件:教師課前把當節課要用的培養基 (已滅菌) 放到高壓滅菌鍋中, 并把溫度設置為90℃。因為未達到100℃, 氣壓不升高, 所以在實驗開始后可隨時開鍋取出液體狀態的培養基, 冷卻至不燙手即可用于倒平板, 使實驗的時間安排更為從容有序。
(4) 干熱滅菌箱的使用
干熱滅菌箱, 主要用于微生物培養及組織培養試管、培養皿、吸管等玻璃儀器的滅菌。滅菌溫度一般設置為160~170℃, 時間持續3~4小時。培養皿可以根據每組的使用量進行包裝。例如我校在微生物實驗時每兩位學生為一組, 人手兩個培養皿, 一個用于平板劃線, 一個用于平板涂布。此時可將4個培養皿包成一個圓柱狀, 實驗前提前滅菌, 待實驗開始時學生自行拆封, 以保證潔凈性。
另外, 干熱滅菌鍋還可以用于《綠葉中色素的提取和分離》實驗中濾紙的干燥。將定性濾紙剪成略小于試管長與直徑的濾紙條, 統一裝入紙盒中, 放入干熱滅菌鍋干燥, 溫度設置為120℃, 干熱1小時即可達到理想效果。干燥過的濾紙減少了水分的干擾因素, 色素帶的分布更為明顯。
需要注意的是干熱滅菌鍋因為工作時溫度極高, 所以在內部放置待滅菌物品時要保持間隙, 同時滅菌箱周圍不能放置易燃易爆的雜物, 保持通風, 并定時監控。
(5) 微量可調移液器的使用
微量可調移液器用于快速吸取微量液體, 除了用于研究性學習, 亦可在必修實驗中使用, 從而提高其利用率。
比如在用高倍鏡觀察線粒體實驗中, 需要用到1%的健那綠染液;觀察DNA和RNA在細胞中的分布需要用到吡羅紅甲基綠染色劑。此類染色劑有多種等級, 高級試劑純度高, 實驗效果好, 能清楚地看到DNA被甲基綠染成綠色, 吡羅紅與RNA結合, 使細胞質呈現紅色。但此類試劑價格較昂貴。基于學生實驗時用量極少, 每張玻片只需加兩滴吡羅紅甲基綠染液。如用常規的滴瓶存放此類試劑給學生使用容易造成浪費。此時可使用量程為1000μL~5000μL的微量可調移液器, 將5mL試劑快速精確地裝入容積為6mL的棕色滴瓶 (類似于精油瓶) 中。以我校為例, 每年級有18個平行班, 每班56個學生, 每兩個學生共用一瓶試劑, 加上損耗值總共只需140mL的量, 從而在減少高級試劑浪費的同時增強了實驗效果。
另外, 在植物組培的MS培養基中需要加入微量元素, 一般都是配置母液, 再利用母液進行稀釋。微量移液器的量程遠遠精細于量筒和移液管, 最小量程可到1μL~10μL, 能夠極大減少稀釋液的量, 避免造成浪費。
(6) 離心機的使用
離心機是利用離心力, 分離液體與固體顆粒或液體與液體的混合物中各組分的機械。它主要用于細胞工程實驗, 比如利用差速離心法進行細胞器的分離。
在利用雞血進行《DNA粗提取》實驗時, 可先用離心管把雞血按每管10mL分裝好, 用離心機把血漿和紅細胞分離開, 實驗時直接用滴管吸取沉積于底部的血細胞進行破膜, DNA的提取量比自然沉積法更多, 而且大大縮短了實驗準備的時間。
在實驗設備發展日新月異的時代, 如何配備優良的實驗裝置并善于開發這些儀器的用途, 使高新儀器接地氣、廣利用, 是每個實驗工作者所要思考的問題。對高新儀器利用的合理化、常規化將為實驗教學提供更為廣闊的探究空間和發展平臺, 也為實驗工作者擺脫傳統實驗準備方法的繁瑣和低效提供了有力保障。
