利用自制电泳装置模拟电泳实验*

郭琪琦 沈 艺 朱立伟 赵盼盼

（1广东省深圳市第二实验学校 广东深圳 518021 2广东省深圳市坪山新区同心外国语学校 广东深圳 518118 3广东省深圳科学高中 广东深圳 518129 4广东省深圳市横岗高级中学 广东深圳 518115）

电泳技术作为生化实验的重要技术，被广泛应用于分离分析蛋白质、核酸等生物大分子。但由于电泳装置和相关试剂的价格较高，且高中阶段使用频率不高，学校一般不开展电泳实验。在国外相关资料［1］的启发下，本实验通过自制电泳装置和模拟电泳，解决学生无法亲自动手进行电泳实验的问题。

1 自制电泳装置

常规的电泳装置一般由直流电源和电泳槽组成，电泳槽又包括缓冲液槽、电泳介质支架（例如“凝胶托盘”）、点样孔模具（俗称“梳子”） 、电极等。自制电泳装置时，直流电源可由串联电池替代，电泳槽则需利用生活中常见的材料自行制作再组装。

1.1 制作材料 实验室提供器材：9 V电池若干、鳄鱼夹导线、电极（或锡箔）。

自备材料：记号笔、剪刀、防水胶带、塑料盒2个、用于做“梳子”的自选材料。

1.2 制作过程

1.2.1 电源的组装 电泳时需要一个稳定的直流电源，根据凝胶的大小，电源的电压可能需要达到30～150 V以上。根据需要准备相应数量（一般为奇数）的电池，将电池的正、负极接头相互连接串联起来，再连接上导线，电源即组装完成。

1.2.2 缓冲液槽和凝胶托盘的制作 准备 2个大小不同的长方形塑料盒，小塑料盒应能放入大塑料盒中，且留有一定的空隙。大塑料盒用以充当缓冲液槽，小塑料盒用于制作凝胶托盘。凝胶托盘的制作过程如图1所示。

图1 凝胶托盘制作过程

1.2.3 梳子的制作 “梳子”是点样孔模具的俗称，制作凝胶时，将其插入凝胶托盘中，当凝胶固化时就能形成点样孔。

梳子长度应比凝胶托盘宽度至少长2 cm，梳齿之间的间隔在1 cm左右，每个梳齿的直径大约为3～4 mm（若梳齿是正方形或矩形时为等效面积），长度要接近凝胶托盘的深度。可以使用生活中常见的材料制作“梳子”，例如硬纸板和铝箔、一次性筷子和钉子等；也可以直接用日常使用的宽齿梳替代“梳子”。选择自制材料时，应注意材料表面尽可能平滑，以免在拔出梳子时弄破凝胶，破坏点样孔。

1.2.4 组装电泳装置 电泳时，电泳槽要与电源相连，因此电泳槽要安装电极。可使用现成的电极，例如碳棒、铜片等；若无现成电极，也可在缓冲液槽（即大塑料盒）的两端包裹铝箔作为电极。将凝胶托盘放入缓冲液槽时，要注意其两端与相应电极之间应保持至少几毫米的距离，不可直接接触。电泳时将电源导线连接到相应电极上即可。

2 模拟电泳实验

2.1 实验原理 由于影响电泳的因素很多，在分离DNA或蛋白质时，需对样品进行不同处理，配制不同的凝胶和缓冲液，采用不同的染色技术。实验不仅过程复杂，且需要的试剂较多，价格不菲。

模拟实验用大分子染料模拟DNA或蛋白质分子。大分子染料在真实的电泳实验中主要充当指示剂，例如常用的指示剂溴酚蓝，在0.6%、1.0%、1.4%和2.0%琼脂糖凝胶电泳中，其迁移率分别与1 Kb、0.6 Kb、0.2 Kb和0.15 Kb的双链线性DNA片段大致相同，因此可根据电泳中形成的指示带预测电泳的速度和位置。在模拟实验中，以分子量不同的染料及染料混合液为样品进行电泳，最终可观察到处于不同位置的条带，从而模拟DNA或蛋白质分子的分离。

综合染料的分子量、酸碱性、水溶性及价格因素，本实验选择碱性染料甲基紫、亚甲基蓝作为样品，使用普通琼脂和自制缓冲溶液，在自制电泳装置中进行分离。

2.2 实验器材与试剂

实验器材：500 mL烧杯（或饮料瓶）、250 mL烧杯（或玻璃杯）、100 mL量筒、药匙（或茶匙）、玻璃棒、滴管、点样板（或薄膜）、牙签、尺子、微波炉、自制电泳装置。

实验试剂：NaHCO3（小苏打）、蒸馏水（或自来水）、琼脂粉、甲基紫、亚甲基蓝、甘油。

2.3 实验过程 模拟实验过程与真实电泳过程相似，借此过程可帮助学生理解电泳原理，初步了解电泳实验操作。自制装置的实验过程见图2。具体过程如表1所示。

图2 自制电泳装置

表1 模拟实验过程

2.4 实验结果 经过30 min的电泳，实验结果如图3所示。

图3 实验结果

结果表明，大分子染料确实在自制的电泳装置中发生了迁移，可以从色带的迁移位置比较染料分子量的大小，混合染料也能够较好地分离。大分子染料确实能模拟DNA或蛋白质分子，而自制的电泳装置也确实能进行电泳实验。

3 本实验在中学课程开发中的应用

3.1 填补国内教材空白 国内高中生物学教材对电泳技术及其应用有一定的介绍，例如选修1《生物技术实践》中课题“血红蛋白的提取和分离”，详细介绍了电泳技术相关原理，并将利用电泳技术鉴定血红蛋白作为选做实验，写明“有条件的学校，可以参考生物化学实验的有关书籍，尝试SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳的操作”。学生一方面对教材中的电泳结果图感到好奇，另一方面却没有机会通过实验操作直观地了解电泳过程，对理解电泳技术的原理也存在一定困难。本实验能为学生提供亲自动手进行电泳实验的机会，填补了现行高中教材中关于电泳实验的空白。

3.2 整合为STEAM课程 本实验内容特别适合整合为基于项目学习的STEAM课程模式。教学中可围绕自制电泳装置和模拟实验的项目组织课程，让学生进行设计、动手操作，综合应用生物、化学、物理等学科知识（S），与 STEAM学科的技术（T）、工程（E）、艺术（A）、数学（M）这些跨学科对接融合。在这种模式下要求学生参与、合作、创新、分享，像工程师一样做产品，像科学家一样做研究，因此能更好地培养创新精神与实践能力。

3.3 运用灵活多样的教学形式 本自制实验装置虽为面向高中学生的动手操作，但由于其材料的易获得性、过程的易操作性，成人、手工爱好者、对生物学实验有兴趣者均可以利用现有的家庭条件尝试该操作；教师也可以参考本实验，设计针对高中学生的实验室教学，甚至一系列相关的社团活动。

4 教学建议

结合国内高中教学的实际情况，在应用这一实验进行实际教学时，应注意如下几点：

4.1 结合本地情况寻找替代材料 本实验用生活常见物品代替相关电泳设备，成本低廉，取材方便，操作简单，能够满足课程标准对于电泳技术的要求，既适合在家庭环境中操作，也适合在我国特别是中西部贫困地区中学推广，是一项具有实际意义的实验技术，有利于学生实验能力的培养和科学素养的提高。模拟电泳实验使用甲基紫、亚甲蓝等染料，较真正电泳实验中使用的染料安全简便，但考虑价格和获取途径等实际因素，可以尝试用其他更常见的染料代替。

4.2 操作中的注意事项 虽然是模拟电泳实验，但在实验操作中仍然要遵循电泳实验的相关操作要求，例如凝胶要均匀冷却，防止倒胶过程中产生气泡，染料在样品缓冲液中溶解完全，控制加样量和电泳时间等。

4.3 模拟实验与真实实验关系的处理 在高中阶段，电泳技术对于学生来说并不容易理解，而实际进行电泳实验又难以操作，因而模拟电泳实验能够帮助学生更好地理解电泳技术的原理，掌握电泳实验的操作流程，提高学习兴趣。但模拟实验并不等价于真实实验，教学过程中一定要强调二者的区别。在实验中，需要重点说明染料模拟电泳与DNA、蛋白质电泳的不同，同时结合化学、物理等其他学科知识，对于实验过程中的不同点进行介绍或演示，激发学生的学习兴趣，以便更好地帮助学生理解电泳技术。

主要参考文献

［1］Robert Bruce Thompson， BarbaraFritchman Thompson.DIY science:illustrated guide to home biology experiments:all lab,no lecture.Maker Media,2012.