利用手持技術(shù)開(kāi)展中學(xué)生物科學(xué)探究
——探究過(guò)氧化氫酶的最適pH

鄭耀賢 胡佳娜

［1北京師范大學(xué)（珠海）附屬高級(jí)中學(xué) 廣東珠海 519080 2珠海市唐國(guó)安紀(jì)念學(xué)校 廣東珠海 519080］

手持技術(shù)，也稱(chēng)掌上技術(shù)，是由數(shù)據(jù)采集器、傳感器和相配套的軟件組成的定量采集數(shù)據(jù)，并能與計(jì)算機(jī)連接的實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)［1］，具有便攜、直觀、實(shí)時(shí)、量化等特點(diǎn)。生物學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)性科學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是中學(xué)生物學(xué)教學(xué)的重要組成部分，開(kāi)展探究性實(shí)驗(yàn)?zāi)芴岣邔W(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，是達(dá)成課程目標(biāo)的重要途徑。

“探究影響酶活性的條件”是人教版高中生物學(xué)必修1第5章第1節(jié)的一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，本探究的開(kāi)展多以定性的角度進(jìn)行探究，學(xué)生在探究過(guò)程缺乏直觀的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，長(zhǎng)期只依靠定性的方法進(jìn)行探究使得學(xué)生的探究熱情不大。新課程標(biāo)準(zhǔn)建議“在重視定性實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，也應(yīng)重視定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)。教師應(yīng)向?qū)W生提供機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)量的測(cè)定，實(shí)事求是地記錄整理和分析實(shí)驗(yàn)資料定量表述實(shí)驗(yàn)結(jié)果等”［2］。本文以“探究過(guò)氧化氫酶的最適pH”為案例，將數(shù)字化傳感技術(shù)與生物科學(xué)探究有機(jī)結(jié)合，為中學(xué)生物科學(xué)探究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 過(guò)氧化氫酶的獲取和保存 開(kāi)展完整的探究實(shí)驗(yàn)不是一次就能成功的，人教版教材建議用新鮮的肝臟作為材料，但是新鮮肝臟必須早晨到市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)，制作肝臟研磨液的過(guò)程也較麻煩，由此增加了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的難度，成為學(xué)生開(kāi)展探究的一個(gè)障礙。通過(guò)查閱文獻(xiàn)和預(yù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)用馬鈴薯作為實(shí)驗(yàn)材料，具有效果好、取材方便等優(yōu)點(diǎn)，因此本研究用馬鈴薯勻漿作為過(guò)氧化氫酶的來(lái)源。由于酶的活性容易受溫度影響，因此在獲得馬鈴薯勻漿后，應(yīng)將勻漿置于冰箱低溫保存。

1.2 馬鈴薯稀釋液的配制 酶具有高效性，較高濃度的酶催化過(guò)氧化氫反應(yīng)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速產(chǎn)生大量氧氣，容易達(dá)到傳感器的閥值，導(dǎo)致無(wú)法得出真實(shí)的數(shù)據(jù)。本研究通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)，得出1 mL馬鈴薯勻漿加入49 mL水的稀釋比例，能將反應(yīng)速率控制在傳感器的閥值以?xún)?nèi)。

1.3 變量的明確與控制 本實(shí)驗(yàn)的自變量很明顯，重點(diǎn)是明確因變量和做好無(wú)關(guān)變量的控制。因變量是酶的活性，酶的活性可以單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物的減少量或者生成物的增加量進(jìn)行轉(zhuǎn)換衡量，本實(shí)驗(yàn)利用傳感技術(shù)，量化氧氣的增加量，同時(shí)通過(guò)肉眼觀察記錄氣泡的產(chǎn)生量，以定量為基礎(chǔ)，定性為輔助?？刂坪脽o(wú)關(guān)變量過(guò)氧化氫的量也是本實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵，市售過(guò)氧化氫濃度為30%，過(guò)氧化氫濃度過(guò)高容易出現(xiàn)達(dá)到傳感器閥值的問(wèn)題，過(guò)氧化氫不足又會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，摸索出以上反應(yīng)系統(tǒng)中加入1 mL 30%過(guò)氧化氫，能很好地控制反應(yīng)速率，并確定底物過(guò)氧化氫在以上反應(yīng)系統(tǒng)中是過(guò)量的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1：

表1 馬鈴薯過(guò)氧化氫酶用量對(duì)過(guò)氧化氫反應(yīng)速率的影響（溫度：15℃，反應(yīng)時(shí)間：60 s，n=3）

1.4 pH梯度的設(shè)定 本實(shí)驗(yàn)先以1為階，設(shè)置了14個(gè)pH梯度和1個(gè)空白對(duì)照組（空白對(duì)照組為 50 mL水+1 mL 30%H2O2），共 15組，學(xué)生能據(jù)此習(xí)得過(guò)酸、過(guò)堿會(huì)使酶失活的概念和該酶活性較高的pH范圍，再以0.5為階，探究過(guò)氧化氫酶的最適pH。

2 實(shí)驗(yàn)原理

細(xì)胞中含有能將代謝過(guò)程產(chǎn)生的過(guò)氧化氫分解為水和氧氣的過(guò)氧化氫酶，利用馬鈴薯研磨液中的過(guò)氧化氫酶催化過(guò)氧化氫釋放氧氣，2H2O2=2H2O+O2，過(guò)酸、過(guò)堿會(huì)使酶失活，不同的酶具有不同的最適pH。

3 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

1）實(shí)驗(yàn)儀器。 數(shù)據(jù)采集器、pH 傳感器（0～14）、溶解氧傳感器（0～20 mg/L）、錐形瓶（150 mL）、電腦、冰箱、燒杯、研缽、紗布、量筒、天平、微量移液器。

2）實(shí)驗(yàn)藥品。氫氧化鈉溶液（5%）、氯化氫溶液（5%）、過(guò)氧化氫（30%）、二氧化硅、馬鈴薯。

4 實(shí)驗(yàn)步驟

1）制作馬鈴薯勻漿。將馬鈴薯去皮，稱(chēng)取30 g，切片，放入研缽，加入適量二氧化硅，研磨至漿狀，加入20 mL清水，搖勻，過(guò)濾，得到馬鈴薯勻漿，置于冰箱保存。

2）組裝數(shù)據(jù)采集器和pH傳感器及電腦（圖 1），并進(jìn)行調(diào)試。

圖1 數(shù)據(jù)采集器+pH傳感器

3）調(diào)pH。在錐形瓶中各加入49 mL清水，再各滴加1 mL馬鈴薯勻漿，搖勻，將pH傳感器放入錐形瓶，反復(fù)搖勻，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，讀出溶液pH，用微量移液器移取5%氫氧化鈉或者5%氯化氫，配制梯度為1，pH范圍為1～14的14組馬鈴薯勻漿稀釋液（圖2）。

圖2 pH范圍為1～14的14組馬鈴薯勻漿稀釋液

4）連接數(shù)據(jù)采集器和溶解氧傳感器及電腦（圖 3），并進(jìn)行調(diào)試。

圖3 數(shù)據(jù)采集器+溶解氧傳感器

5）向馬鈴薯勻漿稀釋液中加入1 mL過(guò)氧化氫溶液（30%），將溶解氧傳感器插入反應(yīng)裝置中，60 s后根據(jù)軟件生成圖形讀取數(shù)據(jù)（圖4），記錄，依此類(lèi)推，逐個(gè)進(jìn)行操作。

圖4 系統(tǒng)軟件生成的圖形和數(shù)據(jù)

6）重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，整理相關(guān)數(shù)據(jù)并用Origin繪圖軟件繪制圖形。

7）縮小探究范圍，重復(fù)以上2～3步驟配制出pH梯度為0.5的實(shí)驗(yàn)組，重復(fù)以上4～6步驟完成實(shí)驗(yàn)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

據(jù)表 2 和圖 5可知，pH=1、2、13、14 時(shí)， 溶氧量都與空白對(duì)照組相等，肉眼觀察不到氣泡，說(shuō)明過(guò)酸、過(guò)堿會(huì)導(dǎo)致過(guò)氧化氫酶失活，無(wú)法催化過(guò)氧化氫分解。pH在3～6之間和12，溶解氧的值也較低，肉眼能觀察到個(gè)別氣泡，說(shuō)明過(guò)氧化氫酶的活性較低。pH在6～9之間隨著pH的升高，溶解氧快速上升，肉眼觀察到很多氣泡，說(shuō)明酶的活性較高。綜上所述，推測(cè)馬鈴薯的過(guò)氧化氫酶的活性受pH影響很明顯，pH介于7～11之間，其活性較高，進(jìn)一步探究最適pH，以0.5為階進(jìn)行設(shè)置。

據(jù)表 3和圖 6可發(fā)現(xiàn)，pH在 7～11之間都能產(chǎn)生較多氣泡，傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)顯示pH介于8～10之間馬鈴薯含有的過(guò)氧化氫酶活性都很高，本實(shí)驗(yàn)測(cè)得活性最高時(shí)pH為9.5。

本實(shí)驗(yàn)利用傳感技術(shù),同時(shí)結(jié)合肉眼觀察，綜合分析認(rèn)為，馬鈴薯的過(guò)氧化氫酶的最適pH為9.5。

表2 pH（1～14）對(duì)馬鈴薯過(guò)氧化氫酶活性的影響（溫度：15℃，反應(yīng)時(shí)間：60 s，n=3）

表3 pH（7～11）對(duì)馬鈴薯過(guò)氧化氫酶活性的影響（溫度：15℃，反應(yīng)時(shí)間：60 s，n=3）

圖5 pH（1～14）對(duì)馬鈴薯過(guò)氧化氫酶活性的影響

圖6 pH（7～11）對(duì)馬鈴薯過(guò)氧化氫酶活性的影響

6 思考

搜索發(fā)現(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)已有研究方法幾乎都局限于定性研究，可喜的是潘金元［3］、馬秀芬［4］等研究者已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)用定量研究的方法開(kāi)展相關(guān)生物科學(xué)研究。過(guò)于繁雜的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備會(huì)挫傷學(xué)生繼續(xù)進(jìn)行科學(xué)探究的積極性，新生代的中學(xué)生對(duì)數(shù)字化、信息化有高度的敏感性和吸引力，利用數(shù)字化手持技術(shù)開(kāi)展生物科學(xué)探究，并對(duì)實(shí)驗(yàn)材料等進(jìn)行優(yōu)化，降低實(shí)驗(yàn)的繁雜程度，增加實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)代化氣息，激發(fā)學(xué)生開(kāi)展探究的欲望，為創(chuàng)新人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

以數(shù)字化手持技術(shù)作為研究手段，有助于學(xué)生理解和認(rèn)識(shí)生命科學(xué)的實(shí)質(zhì)，改變學(xué)習(xí)方式，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生科學(xué)探究的水平［5］。利用數(shù)字化手持技術(shù)測(cè)定了過(guò)氧化氫酶的最適pH，獲得良好的效果，中學(xué)生物學(xué)中的部分實(shí)驗(yàn)，可以結(jié)合該手段進(jìn)行進(jìn)一步探究。

主要參考文獻(xiàn)

［1］錢(qián)揚(yáng)義.手持技術(shù)在理科實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究.北京:高等教育出版社,2003:1.

［2］中華人民共和國(guó)教育部.普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn)).北京:人民教育出版社,2003:35.

［3］潘金元,陳明林.“探究影響酶活性的條件”的定量實(shí)驗(yàn).生物學(xué)通報(bào),2014,49（9）：47.

［4］馬秀芬,趙秀清.嘗試做數(shù)字化實(shí)驗(yàn)：“比較過(guò)氧化氫酶和Fe3+的催化效率”教學(xué)設(shè)計(jì).中小學(xué)信息技術(shù)教育,2008（7－8）:82.

［5］王磊,魏銳,范林.傳感技術(shù)：化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究手冊(cè).北京:北京師范大學(xué)出版社,2007:6.