利用太陽光作為UV 光源展示天然植物提取物熒光現象

王國富，劉麗，付強

（江西中醫藥高等?？茖W校，江西撫州，344000）

0 引言

當物質吸收光子能量被激發，之后從激發態的最低能級返回基態時所發射出的光稱為熒光?；谀承┯袡C物的分子在用紫外-可見光激發時發射的熒光稱為分子熒光。由于發射光的波長通常大于吸收光，這就使得一些原本無色的物質通過紫外光的照射而呈現出有色的熒光或者是改變原來的顏色，這是判斷物質是否存在熒光的簡便方法。不管是熒光的發射光譜還是吸收光譜都反映了物質的結構信息，再加上熒光分析法具有靈敏度高、先擇性好的優點，因此，熒光分析法（Fluorometry）在物質分析中有著特殊的重要性［1-3］，在化學、生物學、醫學等多領域得到了廣泛應用［4-7］。

能發射熒光的有機分子在結構上往往存在多個共軛π 鍵，且大多具有苯環或雜環，同時，具有剛性平面結構。外部環境如溶劑、溫度、pH 值、氫鍵等也會影響熒光波長及強度。因此，熒光分析不僅可用于定性分析，還可用于定量分析。由于太陽輻射主要集中在可見光部分，紅外線和紫外線的部分少，同時受地球大氣中臭氧、水氣和其它大氣分子的強烈吸收，在地面上能觀測的紫外線較少，因此，我們很難在太陽光下直接觀察到物質的熒光現象。本文使用太陽光作為紫外光源，通過放大鏡的匯聚作用，非常順利地觀察到了葉綠素、秦皮提取物、銀杏葉提取物等物質的熒光現象。

1 實驗準備

1.1 實驗原理

本演示選擇葉綠素、秦皮提取物、銀杏葉提取物觀察是因為這些物質很容易得到，我們身邊的植物中就能獲取，且這些物質的熒光現象很強烈，能帶來視覺上的沖擊感。 葉綠素家族有五大類，它們的吸收光譜和熒光發射光譜雖各不相同，但吸收峰主要在400~450nm 之間，最大發射峰主要在650~710nm 之間，并且隨著溫度、溶劑、其它離子的不同而稍有不同［8-10］，因此它們的熒光顏色基本是一樣的。秦皮為木樨科植物苦櫪白蠟樹（Fraxinus rhynchophylla Hance）的干燥枝皮或干皮，其主要化學成分為秦皮乙素（Aesculetin）、秦皮甲素（Aesculin）等香豆素類物質，在紫外光下有強烈的藍色熒光。銀杏為銀杏科植物銀杏（Ginkgo biloba L.）的干燥葉，其中含有黃酮類（Flavones）物質，黃酮類物質是一類含苯環的多共軛體系，大多顯灰黃色至黃色，也具有熒光現象。雖然其熒光現象不如香豆素類物質強烈，但可以用來比較、認識物質結構對熒光現象的影響，而且其在Al3+的作用下，熒光現象會有所增強。

1.2 藥品和儀器

用來觀察的這三種物質都是從我們周圍的植物中采集提取而得，提取方法使用水或乙醇，此外不需要其他試劑，三類物質的結構見圖1。

圖1 葉綠素、秦皮提取物、銀杏葉提取物的結構

準備一個便于全班觀察的連接電腦的攝像系統，便于實時觀察?？梢岳弥悄苁謾C自帶的投屏功能實現這一目的（如圖2 所示），其間要求電腦和手機必須連接在同一個無線網絡下，電腦的操作系統在Win10以上。也可以直接將攝像頭連接在電腦上，不過缺點是不能實現無線傳輸，使用距離比較短，當太陽的光線不能射入教室時，很難滿足使用要求。

圖2 將手機屏幕投影到電腦上

準備5 個100mL 試劑瓶，用來提取并盛放提取液，7 個50mL 小燒杯，用來盛放提取液并觀察太陽光下的熒光。

準備一個家用放大鏡，用來匯聚太陽光，如圖3 所示，來自太陽的自然光通過放大鏡匯聚到溶液的表面。

圖3 熒光觀察示意圖

秦皮，直接購自藥店，使用之前不需要進行任何處理；香樟樹葉，直接采自樹上，使用之前新鮮采摘；銀杏樹葉，提前采自銀杏樹，并曬干，以去除其中的葉綠素。

1.2.1 提取液的準備

秦皮的提?。悍謩e采用水和95%乙醇兩種溶劑作為提取劑提取。在兩個100mL 的試劑瓶中，各加入大約10g 的秦皮，分別加入大約40mL 去離子水和95%乙醇，使之淹沒秦皮，大約1h 后待用。

葉綠素的提?。河捎谌~綠素不溶于水，因此葉綠素的提取采用95%的乙醇提取。摘取大約10g 新鮮的綠色樹葉（任意，本實驗采用的是香樟葉），洗凈后置于100mL 試劑瓶中，加入大約40mL95%乙醇，使之淹沒樹葉，大約1h 后待用。

黃酮的提?。簩⑿迈r采摘的銀杏葉曬干至葉片完全黃透以破壞其中的葉綠素，取大約10g 的干銀杏葉置于100mL 試劑瓶中，加入大約40mL95%乙醇，使之淹沒銀杏葉，大約1h 后待用。

本實驗中用到的所有試劑均無毒、無腐蝕性，所以不需要特殊的防護。但由于太陽匯聚光有燒傷的危險，所以實驗時要小心，最好戴上防護手套。

1.2.2 課堂實驗前實驗裝置的準備

上課之前將手機的無線投屏功能調試好，安裝在手機支架上，對準實驗溶液，在窗戶邊太陽光可以照射到的地方依次擺上準備好的各提取液，用放大鏡將太陽光匯聚到溶液表面，檢查投屏效果。

2 課堂演示

2.1 演示前的準備

本次課采用POE 教學策略展開教學。

在演示之前，先向學生介紹熒光現象產生的原理及應用，然后引導學生思考物質結構對熒光產生的影響，并提出如下問題供學生思考：

熒光物質應具有怎樣的結構特點？

給出本實驗中的物質的結構式及不在本實驗中的一些物質的結構式（包括有機物及無機物），并讓學生判斷哪些物質能產生熒光，哪些物質不能產生熒光，強度如何？

學生分組討論各自的觀點及理由，最后統一結果，挑選幾組宣布他們的結果及理由，實驗完成之后進行打分，對分數高的組給予一定的獎勵。

2.2 演示過程

每組選派一名代表來做演示實驗，演示之前，教師先介紹演示需要做的工作，然后給學生分配好工作，由他們分工協作完成本次演示實驗。具體演示過程如下：

將上述提取液用濾紙過濾出來，取上述過濾液秦皮水提取液、秦皮乙醇提取液、秦皮乙醇提取液10 倍水稀釋液、葉綠素提取液、銀杏葉水提取液、銀杏葉乙醇提取液適量，分別裝于6 個50mL 的小燒杯中，編號分別為a—f。將太陽光用一個放大鏡匯聚到上述溶液中，依次觀察其熒光現象。其間，學生們記錄下各溶液及對應的熒光及強度，并當場對前述給出答案的同學打分。之后，教師請同學們來解釋所觀察到的現象。最后，教師分析總結如下：

秦皮水提液在太陽匯聚光下出現藍色熒光，秦皮乙醇提取液也出現藍色熒光，但由于光線進入溶液內部變成紅色，因此從上面看很像紫色（圖4 b）。我們把秦皮乙醇提取液稀釋10 倍，不管是用水稀釋還是用乙醇稀釋都出現藍色熒光，這時，把稀釋液直接放在太陽光下就可出現藍色熒光（圖4 g）。這說明溶劑不會對熒光發射波長造成很大的影響。適當的稀釋有利于熒光的出現，這一方面說明秦皮提取液的熒光現象非常強烈，另一方面也說明濃度過高會導致其出現熒光猝滅現象。

圖4 在太陽匯聚光下的熒光現象

葉綠素醇提液出現紅色熒光。葉綠素熒光發射光譜大約在700nm 左右，因此出現紅色熒光。將其稀釋也沒有出現更明顯的熒光現象，這說明葉綠素的熒光現象不如秦皮提取液強烈。葉綠素的卟啉環通過和Mg2+配位形成一個很大的共軛環，但由于其環太大，因此很難保證其完全的共平面結構，從而影響了其熒光效應。銀杏葉水提物出現微弱淡藍色熒光。銀杏葉乙醇提取物出現淡藍色熒光是因為銀杏葉的主要成分之一是黃酮類化合物，其一般易溶于乙醇，當形成糖苷后在水中的溶解度增大，其水提液會出現熒光現象。黃酮類化合物雖然比香豆素類化合物多了一個苯環，但比較銀杏葉醇提取物與秦皮醇提取物在太陽匯聚光下的熒光現象發現，秦皮醇提物的熒光現象更強烈。這是因為黃酮2-位的苯環可以沿著單鍵旋轉，從而失去共軛、失去剛性結構，導致其熒光效應較低。如果將2-位的苯環換成甲基、丙基等，則其熒光量子產率將大幅提高，這說明2-位的苯環對熒光是猝滅的。對此，教師可鼓勵學生記錄實驗現象，并分析物質結構與熒光強度的關系，完成表1。

表1 結構特點與熒光強度的關系

熒光性物質必須具有如下結構特點：（1）具有芳香的共軛體系；（2）具有平面結構或近乎平面結構；（3）連有-OH、-NH2等助色基團，有利于熒光的發射。

2.3 課堂反饋

筆者在2023 級藥學專業學生中進行了該教學，參與學生共計107 人，其中女生72 人，男生35 人，從課堂氣氛、回答問題、實驗參與等過程來看，大部分同學都比較活躍，展示出較強的興趣。本次教學雖然不是《有機化學》必修的內容，但對擴大學生視野，激發學生學習興趣，培養學生的思考能力起到了積極的作用。

3 結語

熒光性物質廣泛存在于自然界，如葉綠素類、香豆素類、黃酮類等。通常，熒光的觀察需要一個紫外燈，以及一間暗室，這就給課堂演示帶來了不便。本演示利用太陽光作為紫外光源，可在自然光條件下操作，具有儀器簡單、操作方便的特點。本演示觀察了秦皮提取物、綠葉提取物及銀杏葉提取物等三類物質，均有明顯的熒光現象。本次展示了一種可靠的、便捷的以綠色化學為指導的觀察生活中一些天然提取物熒光的簡單演示，該演示簡單、直觀，有利于學生對于熒光概念的學習與理解，以及分析結構對熒光效應的影響，從而預測未知物質的熒光效應。

由于本次演示實驗的紫外線直接采自自然光，沒有將其中的可見光過濾掉，因此當溶液中含有固體小顆粒時，將使太陽光發生反射、折射、衍射等，進而干擾實驗結果。因此，本演示實驗只對熒光發射能力比較強的物質有效。