جدا سازی رنگیزه ‌های نوری در گیاهان، جلسه اول

هدف: در این پروژه با روش كروماتوگرافی كاغذی، به‌ عنوان یكی از روش ‌های جداسازی تركیبات مختلف آشنا می ‌شوید؛ اینكه چگونه می ‌توان رنگیزه‌ های نوری را از هم جدا نمود؟

حداقل زمان مورد نیاز برای انجام پروژه: 3 هفته

هزینه برآوردی: كم‌

سطح دشواری: متوسط

مقدمه

کروماتوگرافی چیست؟

کروماتوگرافی (Chromatography ) واژه یونانی به معنای كشیدن  با رنگ است‌. این روش توسط یک گیاه ‌شناس روس به‌نام میخائیل سونت (Mikhail Tsvet ) بیش از یک قرن پیش ابداع شد. کروماتوگرافی یکی از قدیمی‌ترین و پرکاربردترین روش‌های جداسازی است، که در آن از اصول بسیار ساده ‌ای برای جداسازی اجزای یک مخلوط استفاده می‌شود‌. این روش شبیه یک مسابقه دوی سرعت است که قبل از شروع مسابقه همه در یک خط قرار دارند، در طول مسابقه افراد با توجه به سرعت ‌شان از هم‌ فاصله می ‌گیرند و جدا می ‌شوند. بسته به اینکه مسابقه در چه شرایطی برگزار شود، جداسازی افراد دقیق ‌تر صورت می‌ گیرد.

Mikhail Semyonovich Tsvet (1872–1919)

کروماتوگرافی یکی از پرکاربردترین روش ‌های جداسازی اجزای یک ترکیب است‌. کروماتوگرافی انواع مختلفی دارد، نظیر كروماتوگرافی ستونی (Column chrowatagraphy)، گازی (Gas chromatograply) ، تمایلی  (Affinity chro unatography) و غیره. تمام روش ‌های کروماتوگرافی مبتنی بر تفاوت در توانایی توزیع اجزاء یک مخلوط بین دو فاز است ( مثلا دو فاز مایع و جامد). در این روش اجزای یک مخلوط که به صورت مایع یا گاز است از یک لوله یا شبکه گذرانده می‌شوند، از آنجا که سرعت حرکت اجزای تشکیل دهنده مخلوط در لوله یا شبکه متفاوت است (می توانید دلیلش را بیان کنید؟) در نتیجه مخلوط به اجزای تشکیل دهنده تجزیه شده و هر جزء جداگانه از لوله خارج می ‌شود.

کروماتوگرافی کاغذی

کروماتوگرافی کاغذی ساده‌ترین نوع این روش محسوب می ‌شود. یک قطره بسیار کوچک از ترکیب مورد نظر بر روی کاغذ صافی (که به صورت نوار بریده شده باشد) قرار داده و کاغذ به صورت عمودی در ظرف حلال نگه دارید. حلال بر اثر خاصیت موئینگی جذب کاغذ شده و به سمت بالا صعود می ‌کند. هنگامی که حلال به لکه ترکیب مورد نظر می‌ رسد فرآیند مبادله و توزیع بین دو فاز مایع (حلال) و فاز ساکن (کاغذ) آغاز می ‌شود‌. حلال در طول مسیر، سعی می ‌کند اجزای ماده را در خود حل کرده و همراه خود به سمت بالا ببرد. در صورتی که اجزاء از نظر رنگ تفاوت داشته باشند، جدا شدن آنها کاملاً مشخص است اما در غیر این ‌صورت لازم است از روش ‌های دیگری برای بررسی اجزاء جدا شده استفاده شود. هر چقدر طول کاغذ بیشتر باشد، جداسازی اجزای تشکیل‌ دهنده بهتر صورت می‌ گیرد. هر چقدر جزء تشكیل دهنده ماده در حلال بهتر حل شوند، چسبندگی ‌اش نسبت به الیاف كاغذ كمتر شده و مسیر بیشتری را طی می ‌كند و در جای بالاتری قرار می ‌گیرد.

تنوع و عملکرد رنگیزه‌های نوری در گیاهان

فتوسنتز (Photosynthesis ) فرآیندی است که در آن فوتون‌ های نور توسط رنگیزه ‌های نوری که در کلروپلاست گیاهان قرار دارند جذب شده و از انرژی این فوتون ‌ها برای انجام واکنش شیمیایی استفاده می‌ شود‌. رنگیزه‌ هایی که در گیاهان توانایی جذب فوتون ‌های نوری را دارند کلروفیل a (Chlorophyll )، کلروفیل b، کاروتن و گزانتوفیل هستند. کلروفیل که اولین رنگیزه مؤثر در فتوسنتز است، بخش اعظم نور آبی و قرمز را جذب و نور سبز را منعکس می‌ کند. انعکاس نور سبز و زرد موجب می ‌شود که گیاهان، به خصوص برگ ‌های آنها، سبز دیده شوند. کارتنوئیدها (Cartenoids ) گروهی دیگر از رنگیزه ‌ها هستند که موجب پیدایش رنگ‌ های زرد و نارنجی در برگ‌ های پاییزی، میوه ‌ها و گل‌ ها می‌ شوند. طول موج ‌هایی که کارتنوئیدها جذب می‌ کنند با طول موج‌ هایی که کلروفیل ‌ها جذب می ‌کنند، متفاوت است، به همین علت استفاده از این دو نوع رنگیزه موجب می ‌شود تا انرژی بیشتری هنگام فتوسنتز، توسط گیاه جذب شود.

وسایل مورد نیاز

- برگ تازه و شسته شده اسفناج

- کاغذ کروماتوگرافی (در صورت نبود می ‌توانید از کاغذ صافی معمولی استفاده کنید)

- استون : (10 میلی لیتر)

- اترنفت: (5 میلی لیتر)

- لوله آزمایش‌، جالوله ‌ای و چوب پنبه

- هاون چینی

- قلموی نازک

مراحل انجام پروژه

1- چند میلی لیتر از استون را همراه با چند برگ تازه و تمیز اسفناج در هاون له كنید. اسفناج به دلیل داشتن مقادیر زیاد کلروفیل و نازك بودن بافت‌ های آن برای این بررسی انتخاب شده است. شما از برگ هر نوع گیاه دیگری می‌ توانید استفاده کنید.

2- کاغذ صافی را به شکل نوار در ابعاد 10 در 2 سانتی‌ متر بریده و یک انتهای آن را همانند شکل به صورت پیکان درآورید.

3- با استفاده از قلموی نازک، خط باریكی در 2 سانتی‌ متری انتهای نوار کاغذی از محلول استخراج شده بکشید. خط کشیده شده را چند مرتبه پر رنگ کنید.

4- كمی صبر كرده تا خط کشیده شده خشک شود. 2 میلی‌لیتر اتر نفت را در لوله آزمایش ریخته و لوله را در جالوله‌ ای قرار دهید.

5- نوار کاغذی را داخل لوله آزمایش قرار دهید به صورتی که نوک پیکان در اتر نفت قرار گیرد. برای عمودی نگاه داشتن کاغذ، انتهای دیگر آن را همانند قلاب به چوب پنبه متصل کنید.

6- اتر نفت جذب کاغذ شده و به علت خاصیت موئینگی به سمت بالا حرکت می‌کند و در مسیر حرکت، لکه را در در خود حل کرده و به بالای کاغذ می ‌برد. مدتی صبر کنید تا اثر حلال به انتهای بالای کاغذ برسد. بعد از آن کاغذ را از لوله آزمایش خارج کرده و صبر کنید تا خشک شود.

نكات ایمنی: استون و اترنفت اشتعال ‌زا و فرارند. بخارات اتر نفت بسیار سمی است. از اتر نفت در زیر هود استفاده نمایید و در صورت مجهز نبودن آزمایشگاه به هود، در نزدیكی پنجره باز كار كنید و ماسك بزنید.

نتایج

بسته به اینکه طول کاغذ استفاده شده چقدر باشد تا 5 لکه مجزا از هم بر روی کاغذ دیده می ‌شود. لکه‌ های رنگی ایجاد شده مربوط به رنگیزه ‌های نوری شرکت کننده در فتوسنتز است. ترتیب قرار گرفتن رنگیزه ‌ها در کاغذ کروماتوگرافی از بالا به پایین کاروتن (Caroten)، گزانتوفیل (Xantopyll)، کلروفیل a  (لكه آبی رنگ) و کلروفیل b (لكه زیتونی رنگ) خواهد بود. برای مقایسه لکه ‌های ایجاد شده شاخص  Rf آن را محاسبه نمایید‌.

برای این کار ابتدا لازم است مسافت طی شده توسط هر لکه را اندازه‌ گیری نموده و تقسیم بر مسافت طی شده توسط حلال نمایید. مرکز لکه ایجاد شده را برای اندازه‌ گیری مسافت ملاک قرار دهید. اگر آزمایش انجام شده را تکرار نمایید و در انتها شاخص را اندازه‌ گیری نموده‌، نتایج بدست آمده در هر مرحله تکرار باید نزدیک به هم باشند. در غیر این‌ صورت مراحل کارتان را در هر بار تکرار به دقت مورد ارزیابی قرار دهید تا دلیل تفاوت نتایج را متوجه شوید.

سؤالاتی كه بعد از انجام آزمایش می ‌توانید به آنها پاسخ گویید:

1- مقدار و نوع رنگیزه‌ های نوری به چه عواملی بستگی دارد؟

2- تفاوت رنگیزه‌ های مختلف نوری در جذب نور خورشید چیست؟

3- چرا گیاه از چندین رنگیزه نوری در فرآیند فتوسنتز استفاده می ‌کند؟

4- گیاهان به غیر از رنگیزه ‌هایی که در فتوسنتز نقش دارند‌، رنگیزه‌ های دیگری هم دارند، مانند رنگیزه‌ های گلبرگ‌ ها و میوه‌ ها؛ بررسی کنید نقش این رنگیزه‌ ها برای گیاهان مختلف چیست؟

این پروژه را چگونه می توان ادامه داد :

1- نوع و مقدار رنگیزه‌ های گیاهان مختلف با هم متفاوت است. برگ‌ های مختلفی انتخاب كنید (به خصوص برگ‌ های قرمز و نارنجی) بررسی را بر روی آنها انجام داده و نتایج را از نظر نوع و تعداد لکه ‌ها و شاخص هر لکه با اسفناج مقایسه کنید.

2- کلروفیل مولکولی است كه خاصیت فلورسانس (Fluorescence) دارد. ترکیبات فلورسانس نور با انرژی زیاد (طول موج كم) را جذب کرده و نوری با انرژی کمتر(‌طول موج بلند) را بازتابش می‌ کنند. اگر محلول استخراج شده از اسفناج را در معرض اشعه خورشید قرار دهید، می ‌توانید ویژگی فلورسانس بودن كلروفیل را از تغییر رنگ آن متوجه شوید. رنگ سبز ‌محلول پس از مدت کوتاهی قرمز رنگ دیده می ‌شود. روش دیگر این است كه در اتاق تاریك به ظرف حاوی كلروفیل با چراغ قوه نور بتابانید و پدیدار شدن رنگ قرمز را مشاهده كنید.

منابع

1- بیولوژی كمپبل ـ جلد پنجم ـ ساختار و عمل گیاهان، انتشارات خانه زیست‌شناسی

* در سایت‌ های زیر می ‌توانید اطلاعات بسیار خوبی در مورد واكنش ‌های فتوسنتزی در گیاهان و باكتری‌ ها به‌دست آورید:

http://photosynthesiseducation.com  / photosynthesis-for-kids

مطالب مرتبط:

جدا سازی رنگیزه ‌های نوری در گیاهان، جلسه اول

جدا سازی رنگیزه ‌های نوری در گیاهان، جلسه دوم

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان، تهیه: سارا قربانی

تنظیم: زینب شاه مرادی