測量膜電位的一種簡易方法＊

謝銀月, 金偉民

(1.上海醫(yī)療器械高等專科學(xué)校 基礎(chǔ)教學(xué)部,上海 200093;2.浙江師范大學(xué) 科技處,浙江 金華321004)

生物膜對電解質(zhì)離子具有選擇透過性,海水淡化技術(shù)中應(yīng)用了生物膜的選擇透過功能.人工膜可以模擬生物膜實現(xiàn)離子交換功能,醫(yī)用透析袋就是一種人工生物膜.

當(dāng)膜兩側(cè)的離子濃度不同時,膜兩側(cè)形成膜電位[1].測量膜電位具有重要意義,因為膜電位與膜兩側(cè)溶液的電解質(zhì)濃度存在相關(guān)性,通過膜電位的測量,可以分析生物膜的特性,分析膜兩側(cè)的電解質(zhì)濃度.李賓中[2]、吳杰等[3]提出了測量生物膜電位的思路,但是并沒有給出具體材料、具體方法和結(jié)果.筆者設(shè)計了測量生物膜電位的具體實驗方法,得出了具體測量結(jié)果并進(jìn)行了分析,該方法具有測量器材簡單、測量方法快捷等優(yōu)點.

1 測量原理

如圖 1所示,2種不同濃度的 KCl溶液被一生物膜隔開,分別用 C1和 C2表示膜左側(cè)和右側(cè)溶液的濃度 (C1>C2).離子未遷移時,每側(cè)正負(fù)離子的數(shù)目相等,溶液不帶電.如果生物膜只讓K+通過,而不讓 Cl-通過,K+從濃度大的膜左側(cè)向濃度小的膜右側(cè)擴(kuò)散,結(jié)果使右側(cè)正電荷逐漸增多,左側(cè)負(fù)電荷過剩,產(chǎn)生阻礙離子擴(kuò)散的電場,當(dāng)濃度差產(chǎn)生的擴(kuò)散力與電場力達(dá)到平衡時,K+的凈擴(kuò)散終止,膜兩側(cè)形成一定的電勢差,這個電勢差稱為跨膜電勢差,簡稱膜電位,在這里也稱能斯特電位[4].

圖 1 膜電位的形成

膜電位的大小可用波爾茲曼能量分布律推算.如果膜兩側(cè)為較低濃度的電解質(zhì)溶液時,K+數(shù)密度與相應(yīng)的電勢能也遵從波爾茲曼能量分布律.假設(shè)達(dá)到平衡狀態(tài)時,溶液的溫度為 T,膜兩側(cè)的 K+數(shù)密度分別為 n1和 n2,電勢分別為V1和V2,離子價數(shù)為 Z,電子電量的絕對值為 e,則膜兩側(cè) K+的電勢能分別為 EP1=ZeV1和 EP2=ZeV2,根據(jù)波爾茲曼能量分布律,有

式 (1)和式 (2)中,n0是勢能為零的離子數(shù)密度,兩式相除得

研究[5]表明:從離子擴(kuò)散到動態(tài)平衡的過程中,實際上只有為數(shù)極少的離子穿過生物膜,即離子的擴(kuò)散不會改變膜兩側(cè)溶液的濃度.因此,有

兩邊取對數(shù),得到

式 (5)稱為能斯特方程.由于 k≈1.381×10-23m2kg s-2K-1,e≈ 1.602 ×10-19C,Z=1,故式 (5)可改寫為

以上分析可知,膜電位與膜兩側(cè)溶液的電解質(zhì)濃度比存在相關(guān)性.由此可設(shè)計測量方法.

2 測量器材和方法

生物膜是形成膜電位的關(guān)鍵材料,可以自制獲得.未受精的雞蛋是一個卵細(xì)胞,蛋膜是位于蛋清與蛋殼間的纖維狀薄膜,含蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、糖及20種氨基酸等,厚 65～69μm[6],是理想的活性生物膜.蛋膜制備方法:在雞蛋殼較小一端用小刀輕輕鑿開一個略大于 1 cm2的小孔,倒凈蛋清和蛋黃,浸泡在食用醋液中,密封 3 d后,小心剝離蛋殼,取出蛋膜,用清水漂洗干凈,在稀薄鹽水中室溫浸泡保存?zhèn)溆?可較長時間重復(fù)使用.

改制普通 5 mL容量的一次性針筒,一端開口,另一端套上蛋膜,用細(xì)線系緊,防止蛋膜脫落或漏液,這樣,一個“蛋膜試管”就形成了.用蒸餾水配制不同濃度比的 KCl溶液,把濃度為 C1(C1>C2)的 KCl溶液加入“蛋膜試管”內(nèi),在燒杯中加入濃度為 C2的 KCl溶液.

圖 2是測量裝置示意圖.電位差計是利用電壓補(bǔ)償原理測量電動勢的儀器,這里用于測量膜電位.注意電位差計的正、負(fù)接線柱應(yīng)分別與蛋膜試管外、蛋膜試管內(nèi)的溶液相連接,正負(fù)極不能接反.改變?nèi)芤旱臐舛缺?可測得相應(yīng)的一系列膜電位值.

圖 2 膜電位測量裝置示意圖

3 測量數(shù)據(jù)

“蛋膜試管”內(nèi)的 KCl溶液為 15 mL,濃度C1=16.67 mol/L,此濃度固定不變;燒杯內(nèi) KCl溶液為 125 mL,改變其濃度 C2,就可改變濃度比C1/C2.測得不同濃度比所對應(yīng)的膜電位 U,數(shù)據(jù)見表1.

表 1 不同濃度比的膜電位

測得溶液溫度 T=283.0 K,膜電位 U與Tln(C1/C2)的關(guān)系曲線如圖 3所示,若把兩者的關(guān)系模擬成線性關(guān)系U=a+bTln(C1/C2),則相

關(guān)系數(shù) r=0.998 0,說明兩者的線性相關(guān)性很好.而 b=1.714×10-4,比式 (6)的系數(shù)大很多,約為其 2倍.

圖 3 膜電位 U與 Tln(C1/C2)的關(guān)系曲線

4 結(jié)論與分析

膜電位的大小反映了生物膜的選擇透過性和膜兩側(cè)溶液的電解質(zhì)濃度比,雖然蛋膜的膜電位U與膜兩側(cè)溶液的電解質(zhì)濃度比 (C1/C2)之間并不滿足能斯特方程,但是兩者存在很好的相關(guān)性.這為分析不同生物膜各具特色的選擇透過性提供了一種方法;也為測量電解質(zhì)溶液的濃度提供了一種思路.

除了測量數(shù)據(jù)不滿足能斯特方程之外,實驗還發(fā)現(xiàn),在蛋膜內(nèi)溶液濃度 C1變化的情況下,即使 C1/C2相同,測得的膜電位也不同.這說明,蛋膜對 KCl溶液離子的選擇透過性特點并非本文原理描述的那樣簡單.再者,蛋膜經(jīng)過醋液浸泡 3 d后其微觀結(jié)構(gòu)也一定會改變,從而影響了離子的透過性.此外,膜電位的形成會使溶液產(chǎn)生電解.類似蛋膜這樣的天然生物膜對電解質(zhì)離子的選擇透過性特點有待進(jìn)一步研究.

[1]潘志達(dá).醫(yī)學(xué)物理學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2007:124-126.

[2]李賓中.醫(yī)學(xué)物理學(xué)實驗教程[M].北京:科學(xué)出版社,2010:145-147.

[3]吳杰,張學(xué)慧,蘇發(fā)昌,等.膜電位的測量實驗設(shè)計[J].物理實驗,1998,18(5):11-12.

[4]洪洋.醫(yī)用物理學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2008.

[5]劉普和.醫(yī)學(xué)物理學(xué)[M].北京:人民出版社,1980:372-374.

[6]汪寶歡,王明媚,楊哪,等.雞蛋殼膜的酶法改性及水解物特性[J].食品科學(xué),2010,31(2):82-86.