基于蓝白光多功能分析装置的研制与教学应用

李 欣， 沈广爽， 赵玉红， 石建党， 李登文， 赵立青

（南开大学生命科学学院生物国家级实验教学示范中心，天津 300071）

0 引言

实验是高校教学活动的重要组成部分，通常由实验对象、实验内容、实验设备、实验环境等多个要素组成，其中实验设备是进行实验的基础，是高校实验室建设的重要内容之一［1-2］。随着各学科知识的不断演进发展和交叉融合，市售的实验设备已经不能充分满足实验教学需求［3-4］。为此，近年来各高校积极开展实验仪器设备的自制与研发，这不仅是高校整合优势资源，解决和完善实验教学所需仪器设备的重要途径，对于加快实验室建设，推进实验教学改革，提升实验教学质量和增强师生创新实践能力更具有重要意义［5-7］。

1 技术背景

分子生物学以核酸、蛋白质等生物大分子为研究对象，是生命科学中最为活跃、应用最广的分支学科，其发展迅速，前沿性强，现已成为生命科学及其相关领域进行深入研究不可或缺的重要工具。而分子生物学本身又是一门实践性很强学科，所涉及实验技术众多，其中核酸电泳、蛋白质电泳以及转化实验中的菌落计数都是生命科学教学和科研中的常用技术手段［8-9］。

基于蓝/白光的多功能分析装置则是一款针对上述3项常用实验技术而设计的一体化教学设备，主要用于核酸和蛋白质电泳的结果观察与相关操作，并能够在转化实验后辅助固体平板菌落计数。据前期市场调研，国内尚无同类多功能装置，而市售的单一功能设备，不仅无法充分满足实验教学需求，更要同时购置多种多台设备以供修课人数众多的实验课堂使用，对教学成本和存放空间造成压力。

2 技术原理

在实验中，不同电泳的结果观察与操作以及菌落计数需要分别借助不同的光源来实现：

（1）核酸电泳的结果观察与操作。为观察电泳中核酸分子在琼脂糖凝胶中的位置，在凝胶制备时要加入荧光染料。过去实验室最常用的是溴化乙锭（EB），是一种高灵敏度的荧光染色剂，它可以嵌入到DNA双螺旋结构的两个碱基之间，并在紫外线激发下发出荧光，使核酸电泳结果变得可见。但由于EB的高致癌性，近年来在实验中改用新型安全染料GelRed作为EB替代物，GelRed可受蓝光或紫外光激发。而实验中以往常用的紫外光不仅会对核酸样品造成损伤，更会对操作者人身健康造成威胁。因此，使用更为安全的蓝光激发成为首选，因蓝光对核酸片段无损伤，不会因照射导致片段断裂、交联、替换等损害；同时又可使实验人员易暴露部位免受紫外线伤害，在保持高灵敏度的同时，可以避免使用紫外的诸多弊端［10-12］。

（2）蛋白质电泳的结果观察与操作。理论上，蛋白质电泳中常用的聚丙烯酰胺凝胶经考马斯亮蓝染色后，凝胶上的蛋白条带结果在可见光下即可观察，但实验结果往往不尽如人意，常出现背景过深、条带不够清晰等问题，给条带分辨与测量带来困难。而采用白色透射光源，能够明显提高染色结果中条带的清晰度以及与背景间的对比度，便于蛋白质电泳结果的清晰观察与操作。

（3）固体平板培养基上菌落的观察与计数。菌落计数是微生物相关实验中应用最普遍的技术之一，在分子生物学实验中常用于感受态细胞转化效率的评估与计算。理论上，平板上的菌落同样在可见光下即可观察，但菌落与培养基颜色本身就较浅，而以往计数所用的网格纸背景为白色，在其衬托下使得菌落更加不易被观察到。而采用白色光源侧射照明，并配合黑色背景的培养皿网格，则可以使菌落对比清晰可见，易于分辨，消除了背景色干扰给计数操作带来的不便，能够有效实现固体平板培养基上菌落的观察与计数。

自制仪器设备则利用蓝白两种光源，同时通过合理巧妙的结构设计，实现与不同样品间的相对位置切换，从而变换光源照射方向，进而满足上述3种常用实验功能需求。

3 技术路线

3.1 仪器结构

结构上，该装置为一体化设备，机箱顶面安装影像采集系统，镜头位于并朝向机箱内部，可以通过连接电脑实时观察、记录和分享机箱内的操作过程与实验结果。机箱上部的正面与顶面间通过斜面连接，斜面上具有观察窗，便于肉眼直接观察机箱内的实验情况。观察窗配有黑色盖，可以在影像采集过程中关闭，以避免外界光线干扰。影像采集系统和观察窗内侧安装有可移动的琥珀色滤光片，在蓝光开启时可用于保护操作者眼睛。机箱正面具有蓝光、白光和散热风扇开关，机箱背面具有风扇，用于散热。设备两侧具有对称的左右手操作口，两个操作口处均配有黑色软帘，便于操作者将手伸入设备内部进行实验操作的同时，还可充分减少外界光源干扰。其中右手操作口所在侧面具有拉门，拉开后可见位于设备内部下方的黑色载物箱。载物箱上方安装有蓝色LED灯板，作为设备的蓝光分析光源，倾斜向下朝向载物箱照射。载物箱箱体上配有中间镂空的黑色盖子，镂空处可插入不同置物板。箱体内侧四周安装有环形白光灯带，作为设备的白光分析光源。载物箱内侧底部平整，可以放置黑色网格置物板。载物箱底具有滑道，可以将其拉出，方便置物板的更换以及样品的放置（见图1、2）。

图1 自制仪器结构示意图

3.2 设备参数

在设备技术指标中，蓝色光源与白光光源功率最为关键，既要保证较弱条带的可观察性，又要防止影像捕捉时候的过曝现象。经前期测试，蓝光落射方向的激发效果要优于透射，而白色光源在机箱的合理设计下，根据周围挡板相对位置的变换，可以透射照明，也可以侧射照明，使其能够对考染蛋白胶和平板菌落进行清晰的观察。设备具体参数如下：1.蓝色LED光源（落射），波长470 nm，总功率12 W；2.滤光片（琥珀色）；3.白色LED光源（透射/侧射），全波长，总功率12 W；4.配备黑色板、白色磨砂板、切胶工具、计数笔等配件；5.设备尺寸为长度：58 cm、宽度：38 cm、高度：70 cm；6.电源220 V，50 Hz。

图2 自制仪器实物结构图

3.3 仪器功能

（1）核酸电泳的结果观察与操作。将黑色置物板嵌入载物箱黑色盖的镂空处，再将核酸电泳所用的凝胶样品放置于黑色置物板上，蓝光开启，此时蓝光与样品是落射位置关系，蓝光作为核酸电泳凝胶样品的激发光源，用以观察核酸在凝胶中的相对位置。①可以从观察窗观察样品，通过左右手操作口可以调整样品位置，实现结果观察和凝胶切割；②需要记录操作过程或实验结果时，可将影像采集系统连接电脑，通过调节大小、明暗、清晰度等参数，实现影像的实时成像或拍照留存。另外，操作过程中需要打开两个观察方向的滤光片，以进一步提高蓝光使用的安全性（见图3）。

图3 核酸电泳的结果观察

（2）蛋白质电泳的结果观察与操作。将白色置物板嵌入载物箱黑色盖的镂空处，再将蛋白质电泳所用的凝胶样品放置于白色置物板上，白光开启，此时白光与样品是透射位置关系，白光作为蛋白质电泳凝胶样品的分析光源，能够提高蛋白条带的分辨率和清晰度，解决了因凝胶染色后背景色较深而影响目的条带观察的问题。样品的观察与操作同样可以通过观察窗和影像采集系统分别实现，但在此过程中需要关闭两个观察方向的滤光片（见图4）。

图4 蛋白质电泳的结果观察

（3）辅助固体平板培养基上菌落的观察与计数。将黑色网格置物板放入载物箱底，再将固体平板样品放置于黑色网格置物板上，白光开启，此时白光与样品是侧照位置关系，白光可用来观察固体平板样品上的菌落，提高菌落与背景间的对比度，便于计数，消除了网格纸不易固定以及背景色干扰给学生计数带来的不便。样品的观察与操作同样可以通过观察窗和影像采集系统分别实现，但在此过程中需要关闭两个观察方向的滤光片（见图5）。

图5 固体平板培养基上菌落的观察

4 教学实践

自制仪器是集诸多生化与分子生物学实验教学所需功能于一身的一体化设备，使用安全，操作便捷，通用性强，造价低廉，可充分满足不同实验项目中对核酸和蛋白质电泳结果观察与凝胶操作以及菌落计数的需求，已广泛应用于本校生物实验教学中心承担的多门实验课程中，所服务的教学项目和学生情况见表1。

表1 本自制仪器设备在教学中的具体应用

由表1可以看出，自制仪器设备的应用范围已经涵盖面向本科生和研究生开设的多门基础性、综合性等不同层次的实验课程，且反馈效果良好。学生在教学实践使用仪器的过程中，能够充分了解不同波长及照射方向的光源在生物样品观察中发挥的重要作用，符合科学原理，充分体现科学知识和科学方法相统一的原则，让学生在学习实验技能的同时，做到“知其然，并知其所以然”，帮助学生学习科学知识，树立科学意识，有利于推进素质教育，培养创新精神和实践能力。

值得一提的是，在样品的观察与操作过程中所进行的每一个实验步骤，不仅操作者可以从观察窗中清晰的看到（见图6），指导教师或同组同学等其他参与者还可以通过将影像采集系统连接电脑而实时掌握。影像采集系统可以将仪器内部的影像与操作实时呈现、捕捉和放大，以实现实验过程的实时跟进以及实验结果的轻松分享，便于教师及时指导学生实践过程，充分调动学生的学习积极性，加强师生间的互动交流，进而显著提高实验成功率和实验教学效率，受到师生的高度认可与评价。

图6 实验教学应用

目前，该设备已经获得国家专利授权，并在“第六届全国高等学校教师自制实验教学仪器设备创新大赛”中获得三等奖。

5 结语

在学校的大力支持和倡导下，生物实验教学中心生化与分子生物学实验室自主设计并制作了“基于蓝/白光的多功能分析装置”，该仪器作为一体化设备，具有通用性强，安全性高，操作简便，易于维护等诸多优点，并已经成功应用于多门实验课程中，受到师生的一致好评。

相比商品化设备，自制实验教学仪器是由教师根据实际教学需要和教学特点而设计和制造，原理明确，结构清晰，易于维护，在实验教学中具有更强的实用性和针对性，能够更好贴合实验教学具体需要，更有利于教学活动的开展［13-14］。作为对商品化设备的有力补充，自制仪器设备不仅有助于更新实验手段，丰富教学内容，提高教学质量，更重要的是，在仪器研发过程中，教师需要跨学科跨专业学习充电，使自身的综合业务水平不断提升，而新颖巧妙的设计思路和科学合理的实施方案，能够充分激发学生的好奇心和求知欲，帮助学生拓展知识面，这对于增强师生的实践创新意识，优化高校实验室资源，促进实验教学改革与学科间的交叉融合无疑会起到积极的推动作用［15-16］。