PASPORT傳感器應(yīng)用對(duì)酶活性實(shí)驗(yàn)的新突破

摘 要： 伴隨著基礎(chǔ)教育課程改革的逐漸深入和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也在不斷改革和發(fā)展之中，以計(jì)算機(jī)和傳感器為基礎(chǔ)的數(shù)字化精確實(shí)驗(yàn)操作應(yīng)運(yùn)而生，PASPORT傳感器的應(yīng)用為生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入了新的活力。本文將以酶活性實(shí)驗(yàn)為例，利用PASPORT傳感器中的絕對(duì)壓強(qiáng)傳感器來(lái)測(cè)量由于過(guò)氧化氫酶催化過(guò)氧化氫反應(yīng)導(dǎo)致的細(xì)小壓強(qiáng)的變化，并對(duì)比得出酶活性受pH影響的細(xì)微變化，能更多可能地探究出不同pH梯度對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的影響。本實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了科技進(jìn)步對(duì)教學(xué)的積極促進(jìn)作用，新實(shí)驗(yàn)器材的使用推廣將為中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)提供了有利的條件。

關(guān)鍵詞： 酶活性 PASPORT傳感器 過(guò)氧化氫酶 pH

《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》明確提出了“倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)”的基本理念，注重學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，同時(shí)也關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度的形成。傳統(tǒng)的高中生物實(shí)驗(yàn)常常因?yàn)樵O(shè)備不夠精良而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)不夠精確，從而無(wú)法達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果。PASPORT傳感器的出現(xiàn)解決了這一難題，為高中生物的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)提供了有利的條件。

1.實(shí)驗(yàn)原理

酶是催化特定化學(xué)反應(yīng)的蛋白質(zhì)或RNA。過(guò)氧化氫酶是一種催化過(guò)氧化氫分解為水和氧的酶，是一種蛋白質(zhì)，最適pH是6.8，易受酸或堿的影響，在過(guò)酸或過(guò)堿的情況下其分子結(jié)構(gòu)會(huì)遭到破壞，導(dǎo)致失活。本實(shí)驗(yàn)將用PASPORT傳感器中的絕對(duì)壓強(qiáng)傳感器記錄過(guò)氧化氫酶催化過(guò)氧化氫反應(yīng)導(dǎo)致的壓強(qiáng)的細(xì)微變化。

2.實(shí)驗(yàn)器材

計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集器，絕對(duì)壓強(qiáng)傳感器，250ml錐形瓶三個(gè)，磁力攪拌器，攪拌棒，橡皮塞，100ml量筒，移液管。

3.實(shí)驗(yàn)步驟

3.1連接儀器。

1）取出絕對(duì)壓強(qiáng)傳感器附件，將橡皮管的兩端分別連接快速釋放連接器和軟管連接器，并將軟管連接器插入橡皮塞中，如圖1所示。

2）將橡皮管尾部的釋放連接器與壓強(qiáng)傳感器接口相連接，扭緊，上鎖，如圖2所示。

3）將絕對(duì)壓強(qiáng)傳感器連接到數(shù)據(jù)采集器，并將數(shù)據(jù)采集器連接到計(jì)算機(jī)，它將自動(dòng)啟動(dòng)PSAPORT窗口。

3.2加入藥品。

1）取一個(gè)250ml錐形瓶，小心放入攪拌棒。

2）用100ml量筒分別量取20ml3%H2O2和80ml的蒸餾水，再依次加入250ml錐形瓶中，并將錐形瓶放至磁力攪拌器上，如圖3。

3）將磁力攪拌器調(diào)至最高，溫度調(diào)為35℃。

4）用移液管量取2ml的過(guò)氧化氫酶到錐形瓶里，用已連接好的橡皮塞塞緊錐形瓶口。

3.3數(shù)據(jù)采集。

1）在計(jì)算機(jī)上的Datastudio里，按啟動(dòng)按鈕收集數(shù)據(jù)，150S后停止數(shù)據(jù)的采集。

（注意：若還未到150S，瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)大幅增大將橡皮塞頂飛掉時(shí)即可停止數(shù)據(jù)的采集。）

2）運(yùn)行結(jié)束后，將橡皮塞拔出，徹底清洗攪拌棒。

3.4改變pH，重復(fù)操作。

將上述步驟2）中的80ml蒸餾水依次分別換成20ml1mol/LHCl+60ml蒸餾水和20ml0.1mol/LNaOH+60ml蒸餾水，重復(fù)上述步驟，收集數(shù)據(jù)，檢測(cè)酸和堿對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的影響。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)酶活性實(shí)驗(yàn)得出過(guò)氧化氫酶+H2O2、過(guò)氧化氫酶+H2O2+酸與過(guò)氧化氫酶+H2O2+堿的O2（KPA）-T（S）如圖4。

由圖4可知，在中性pH附近，反應(yīng)速度最快，最大壓強(qiáng)為107KPa。在酸性和堿性pH附近，反應(yīng)速率較慢，最大壓強(qiáng)分別為103KPa、104KPa。

在中性pH附近，過(guò)氧化氫酶的催化效率最高，當(dāng)pH變化時(shí)，無(wú)論是偏酸或偏堿都會(huì)影響過(guò)氧化氫酶的活性，導(dǎo)致過(guò)氧化氫的分解減慢甚至幾乎不分解，所以圖4中絕對(duì)壓強(qiáng)（酸）和絕對(duì)壓強(qiáng)（堿）的曲線(xiàn)變化不大，最后趨于平緩。通過(guò)觀(guān)察實(shí)驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)由過(guò)氧化氫酶催化過(guò)氧化氫生成的O2起的泡泡量在三種pH環(huán)境的情況下沒(méi)有明顯區(qū)別，如若不使用絕對(duì)壓強(qiáng)傳感器測(cè)量其壓強(qiáng)的變化，幾乎看不出上述三種不同PH環(huán)境對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的影響，實(shí)踐證明：使用絕對(duì)壓強(qiáng)傳感器能增加學(xué)生探究出不同pH梯度對(duì)過(guò)氧化氫酶活性影響的可能性，使實(shí)驗(yàn)的探究更多樣化，更精確，并且用數(shù)據(jù)說(shuō)明問(wèn)題比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法得出的結(jié)果更具說(shuō)服力。

5.實(shí)驗(yàn)建議

5.1快速完成實(shí)驗(yàn)

進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)時(shí)，在各種因素的影響下，不免存在一定的誤差。例如溫度的控制上，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的溫度是35℃，利用攪拌器可設(shè)固定溫度35℃，但是當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)久時(shí)，溫度會(huì)有一小范圍的上升，但基本保持35℃，此時(shí)出現(xiàn)一定的誤差，為了降低誤差，使實(shí)驗(yàn)更為精確，應(yīng)該盡量快速完成實(shí)驗(yàn)。

5.2提早熟悉實(shí)驗(yàn)儀器

此實(shí)驗(yàn)的使用器材較為復(fù)雜，連接不當(dāng)或其使用方式不熟悉會(huì)使測(cè)量的數(shù)據(jù)出現(xiàn)一定的偏差，應(yīng)盡可能在課前讓學(xué)生熟悉使用部分儀器，避免出現(xiàn)課堂實(shí)驗(yàn)操作混亂致使實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差。

單位時(shí)間內(nèi)用等量的過(guò)氧化氫酶催化H2O2時(shí)產(chǎn)生的氧氣較多，會(huì)使瓶?jī)?nèi)的絕對(duì)壓強(qiáng)變化更為明顯。因此，在不同的pH中過(guò)氧化氫酶催化過(guò)氧化氫產(chǎn)生氧氣引起瓶?jī)?nèi)的絕對(duì)壓強(qiáng)的差異也更為顯著，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加明了。

5.4用常見(jiàn)材料替代過(guò)氧化氫酶

過(guò)氧化氫酶較貴，用于學(xué)生做實(shí)驗(yàn)很不劃算，根據(jù)前人的研究我們了解到過(guò)氧化氫酶存在于很多動(dòng)植物細(xì)胞中，例如常見(jiàn)的土豆、新鮮的肝臟中都具有豐富的過(guò)氧化氫酶，我們可以使用這些常見(jiàn)的材料代替過(guò)氧化氫酶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，還可以組織探究不同材料中的過(guò)氧化氫酶的最適pH是否一致。

6.結(jié)語(yǔ)

生物傳感器的引進(jìn)具有時(shí)代特征。生物傳感器從誕生以來(lái)，雖然只有20多年的歷史，但已在醫(yī)療、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)保、人工智能、生物學(xué)領(lǐng)域里進(jìn)行了卓有成效的應(yīng)用［１］。在此，生物傳感器的引進(jìn)使得生物實(shí)驗(yàn)課更加高效，并且數(shù)據(jù)比較精確，得到的曲線(xiàn)也非常合理。比如在探究酶活性實(shí)驗(yàn)實(shí)踐時(shí)我們就提過(guò)使用絕對(duì)壓強(qiáng)傳感器的一個(gè)好處是：用目測(cè)的方法難以觀(guān)察出在酸或堿及控制實(shí)驗(yàn)中所產(chǎn)生的氧氣的量的差異，而絕對(duì)壓強(qiáng)傳感器則能靈敏地測(cè)量出由于氧氣的量不同而產(chǎn)生的壓強(qiáng)差異。這說(shuō)明絕對(duì)壓強(qiáng)傳感器的使用能使實(shí)驗(yàn)更為具體化以及理性化，這是傳統(tǒng)教學(xué)無(wú)法比擬的。但是，實(shí)驗(yàn)中學(xué)生長(zhǎng)期如此操作，其生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作能力及生物繪圖能力必然會(huì)下降，這些都與《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》的能力要求相違背［2］。所以，在使用生物傳感器時(shí)要慎重，應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)上注意與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，合理搭配。

參考文獻(xiàn)：

［1］于長(zhǎng)春，王慶華，王海紅等.生物傳感器的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)［J］.松遼學(xué)刊（自然科學(xué)版），1995，（1）:38-41.

［2］唐曉春.DIS在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用初探［J］.生物學(xué)通報(bào)，2008，（8）:42-43.