什么是缓冲液？高中生物学中出现哪些缓冲液？分别使用在哪些方面？分别有什么作用？

 

来源公众号：学甫无境　作者：王甫荣 

问题的提出：高中生物学中经常会出现缓冲液，如光合作用过程中CO₂缓冲液，探究内环境中血浆中的pH缓冲液等，学生对缓冲液知识不够熟悉，特别是没有选考化学的学生，不管哪一种缓冲对，都是化学平衡对。温州模拟题考了电泳缓冲液，杭州模拟题考过PCR缓冲液，具体可以参考文章末相关阅读。对此整理并归纳如下。

1.什么是缓冲液？

当往某些溶液中加入一定量的酸和碱时，有阻碍溶液pH变化的作用，称为缓冲作用，这样的溶液叫做缓冲溶液。

弱酸及其盐的混合溶液（如NaHCO₃与H₂CO₃），弱碱及其盐的混合溶液（如NH₃·H₂O与NH₄Cl），多元弱酸的酸式盐及其对应的次级盐（如NaH₂PO₄与Na₂HPO₄）等都是缓冲溶液。

2.高中生物中出现的常见缓冲液

（1）CO₂缓冲液——研究光合作用领域

光合作用实验里，CO₂缓冲液有吸收CO₂的能力，控制变量。CO₂缓冲液是当反应系统内二氧化碳增多时，二氧化碳缓冲液吸收二氧化碳，反之，当系统内二氧化碳减少时，二氧化碳缓冲液释放二氧化碳。如图：

（2）碳酸氢盐缓冲液——血浆pH维持在7.35－7.45

人体血浆里最重要的缓冲体系是碳酸氢盐缓冲体系是：

NaHCO₃与H₂CO₃H₂CO₃= H⁺ + HCO₃^﹣

pH= pKa + lg〔HCO₃^﹣〕/〔H₂CO₃〕

在正常血浆中，〔HCO₃^﹣〕︰〔H₂CO₃〕= 20︰1

pH=6.10+lg20/1=7.40人体各组织、细胞代谢产生的CO₂，主要通过血红蛋白和氧合血红蛋白的运输作用，被迅速运到肺部排出，故几乎不影响血浆的pH，当产生乳酸时，血液中HCO₃^﹣/H₂CO₃缓冲对便发挥缓冲作用，其中HCO₃^﹣可与代谢产生乳酸产生CO₂和H₂O。

当人体新陈代谢过程中产生的碱进入血液时，与H₂CO₃作用产生HCO₃^﹣，随尿液排出体外，结果也使血液的pH保持稳定。

（3）磷酸盐缓冲液

磷酸盐缓冲液（简称PBS）的是常用的用于生物学研究的一个缓冲溶液。可以用来作细胞培养的缓冲液。

磷酸盐缓冲液是由磷酸二氢钠和磷酸氢二钠组成的溶液，用于样品的稀释，其中磷酸二氢钠酸性较强。如果血液中的pH值过高的话，多余的碱就会与酸磷酸二氢钠结合生成磷酸氢二钠，反之，过酸时就会与磷酸氢二钠反应产生磷酸二氢钠，这样pH值就会稳定在一定的范围内。

在选择性必修1中，pH为7的磷酸缓冲液用来探究血浆对pH变化的调节作用，作为实验的阳性对照。

（4）氯化铵缓冲液(选择性必修1，新教材已经删除)

氯化铵缓冲液是用来配亚硝酸钠标准储备溶液，在1L玻璃烧杯中，加入500mL水，准确加入20.0mL盐酸，混匀，准确加入50mL氨水，必要时用稀盐酸和稀氨水调试至pH9.6-9.7。

（5）DNA提取缓冲液（选择性必修3）——DNA提取研磨液

Tris（三羟甲基氨基甲烷）缓冲液是一种常用的实验室试剂，广泛应用于DNA提取与纯化等生物学研究中。它是一种缓冲液，可以调节溶液的pH值，使其保持在理想的酸碱度范围内。在DNA提取过程中，Tris缓冲液起着至关重要的作用。

Tris缓冲液能够稳定DNA分子的结构，保证其在提取过程中不被破坏。Tris缓冲液的pH值适中，有利于DNA分子的溶解和释放。Tris缓冲液还可以中和酸性物质的作用，防止DNA在酸性条件下的降解。其中，乙二胺四乙酸二钠（EDTA）能抑制DNA酶活性，防止核DNA降解。十二烷基硫酸钠（SDS）处理材料，能使核蛋白变性并与DNA分离。

在DNA纯化过程中，Tris缓冲液同样发挥着重要的作用。它可以帮助去除DNA提取过程中可能存在的杂质，如蛋白质、RNA和其他有机物。通过调节Tris缓冲液的配比和pH值，可以实现DNA的高效纯化，提高纯度和浓度。

组成和配制：三羟甲基氨基甲烷溶于蒸馏水，用盐酸调至pH8.0，加入NaCl、乙二胺四乙酸二钠（EDTA）和十二烷基硫酸钠（SDS），蒸馏水定容。

（6）电泳缓冲液——Tri－硼酸缓冲液（选择性必修3）

电泳缓冲液可以使溶液具有一定的导电性，有助于DNA分子的迁移。Tris-硼酸电泳缓冲液简称TBE，TBE是常用的DNA电泳缓冲液。该缓冲液是分子生物学实验中常用的电泳缓冲液，主要用于核酸（DNA/RNA）的琼脂糖凝胶或聚丙烯酰胺凝胶电泳。电泳缓冲液中的EDTA是一种螯合剂，能与Mg²⁺等二价金属离子结合，可防止电泳时DNA被降解。

组成与配方：Tris（三羟甲基氨基甲烷），硼酸，四乙酸;乙二胺，即EDTA（pH 8.0），去离子水定容至。

配制步骤：（1）溶解Tris和硼酸，在800mL去离子水中加入54gTris和27.5 g硼酸，搅拌溶解；（2）加入EDTA，加入20mL0.5M EDTA溶液（pH8.0）；（3）调节pH，溶液pH应接近8.3，通常无需额外调节；若偏差较大，可用稀盐酸或NaOH微调；（4）定容与灭菌：加水定容至1L，可高温高压灭菌或过滤除菌，室温保存。

（7）电泳缓冲液——上样缓冲液（选择性必修3）

上样缓冲液是核酸（DNA/RNA）或蛋白质电泳中不可或缺的辅助试剂，含有甘油，可以增加样品密度，确保DNA能够沉入加样孔内，其主要功能是帮助样品稳定沉降至加样孔内，并提供电泳进程的指示。上样缓冲液中需要两种染料（溴酚蓝和二甲苯青），两种染料迁移速率不同，可分段指示电泳进程：溴酚蓝监控小片段迁移，二甲苯青监控大片段。电泳时，溴酚蓝迁移速率较快，在其迁移出凝胶前关闭电泳仪电源。  

标准DNA上样缓冲液配方：溴酚蓝，二甲苯青，甘油，EDTA（pH8.0），去离子水定容至1mL，储存条件是4℃保存，避免反复冻融。

变性上样缓冲液（用于RNA或变性DNA电泳）配方：甲酰胺，EDTA（pH 8.0），溴酚蓝，十二烷基硫酸钠（SDS，可选，用于蛋白质电泳）。

（8）PCR扩增缓冲液（选择性必修3）

PCR缓冲液是聚合酶链式反应（PCR）中的核心试剂之一，为DNA聚合酶提供适宜的化学环境，确保引物退火、模板延伸等步骤高效进行。

常用配方（以典型10× PCR缓冲液为例）：Tris-HCl（pH8.4），KCl，MgCl₂，明胶，去离子水定容。Mg²⁺浓度影响：过低→无扩增产物（酶活性不足）；过高→非特异性扩增（引物二聚体、错配）。 

试题：（浙江选考题）实验中常用希尔反应来测定除草剂对杂草光合作用的抑制效果。希尔反应基本过程：将黑暗中制备的离体叶绿体加到含有DCIP（氧化型）、蔗糖和pH7.3磷酸缓冲液的溶液中并照光。水在光照下被分解，产生氧气等，溶液中的DCIP被还原，颜色由蓝色变成无色。用不同浓度的某除草剂分别处理品种甲和品种乙杂草的离体叶绿体并进行希尔反应，实验结果如图所示。下列叙述正确的是（   ）

A．相同浓度除草剂处理下，单位时间内溶液颜色变化快的品种受除草剂抑制效果更显著

B．与品种乙相比，除草剂抑制品种甲类囊体体的功能较强

C．除草剂浓度为K时，品种乙的叶绿体能产生三碳糖

D．不用除草剂处理时，品种乙的叶绿体放氧速率高于品种甲

解析：这是一道情境试题，以希尔反应知识为背景，讨论分析用不同浓度的某除草剂分别处理品种甲和品种乙杂草的离体叶绿体，从而对希尔反应的影响。

相同浓度除草剂处理下，单位时间内溶液颜色变化快的品种受除草剂抑制效果更差，A错误；相同浓度除草剂处理下，品种乙放氧速率高于品种甲，说明除草剂抑制品种甲类囊体体的功能较强，B正确；除草剂浓度为K时，品种乙产生的电子用于还原DCIP，而无法正常形成NADPH，不能进行正常的碳反应，所以叶绿体不能产生三碳糖，C错误；根据图示，不用除草剂处理时，品种乙的叶绿体放氧速率等于品种甲，D错误。故答案为B。

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