PASPORT傳感器應用對酶活性實驗的新突破

摘 要： 伴隨著基礎教育課程改革的逐漸深入和信息技術的迅猛發展，實驗教學也在不斷改革和發展之中，以計算機和傳感器為基礎的數字化精確實驗操作應運而生，PASPORT傳感器的應用為生物實驗教學注入了新的活力。本文將以酶活性實驗為例，利用PASPORT傳感器中的絕對壓強傳感器來測量由于過氧化氫酶催化過氧化氫反應導致的細小壓強的變化，并對比得出酶活性受pH影響的細微變化，能更多可能地探究出不同pH梯度對過氧化氫酶活性的影響。本實驗體現了科技進步對教學的積極促進作用，新實驗器材的使用推廣將為中學生物實驗教學的改進提供了有利的條件。

關鍵詞： 酶活性 PASPORT傳感器 過氧化氫酶 pH

《普通高中生物課程標準（實驗）》明確提出了“倡導探究性學習”的基本理念，注重學生動手能力的培養，同時也關注學生的學習興趣及嚴謹科學態度的形成。傳統的高中生物實驗常常因為設備不夠精良而導致實驗現象不夠明顯或實驗數據不夠精確，從而無法達到理想的實驗效果。PASPORT傳感器的出現解決了這一難題，為高中生物的實驗教學的改進提供了有利的條件。

1.實驗原理

酶是催化特定化學反應的蛋白質或RNA。過氧化氫酶是一種催化過氧化氫分解為水和氧的酶，是一種蛋白質，最適pH是6.8，易受酸或堿的影響，在過酸或過堿的情況下其分子結構會遭到破壞，導致失活。本實驗將用PASPORT傳感器中的絕對壓強傳感器記錄過氧化氫酶催化過氧化氫反應導致的壓強的細微變化。

2.實驗器材

計算機，數據采集器，絕對壓強傳感器，250ml錐形瓶三個，磁力攪拌器，攪拌棒，橡皮塞，100ml量筒，移液管。

3.實驗步驟

3.1連接儀器。

1）取出絕對壓強傳感器附件，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傳感器接口相連接，扭緊，上鎖，如圖2所示。

3）將絕對壓強傳感器連接到數據采集器，并將數據采集器連接到計算機，它將自動啟動PSAPORT窗口。

3.2加入藥品。

1）取一個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）將磁力攪拌器調至最高，溫度調為35℃。

4）用移液管量取2ml的過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數據采集。

1）在計算機上的Datastudio里，按啟動按鈕收集數據，150S后停止數據的采集。

（注意：若還未到150S，瓶內壓強大幅增大將橡皮塞頂飛掉時即可停止數據的采集。）

2）運行結束后，將橡皮塞拔出，徹底清洗攪拌棒。

3.4改變pH，重復操作。

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，重復上述步驟，收集數據，檢測酸和堿對過氧化氫酶活性的影響。

4.實驗結果與分析

根據酶活性實驗得出過氧化氫酶+H2O2、過氧化氫酶+H2O2+酸與過氧化氫酶+H2O2+堿的O2（KPA）-T（S）如圖4。

由圖4可知，在中性pH附近，反應速度最快，最大壓強為107KPa。在酸性和堿性pH附近，反應速率較慢，最大壓強分別為103KPa、104KPa。

在中性pH附近，過氧化氫酶的催化效率最高，當pH變化時，無論是偏酸或偏堿都會影響過氧化氫酶的活性，導致過氧化氫的分解減慢甚至幾乎不分解，所以圖4中絕對壓強（酸）和絕對壓強（堿）的曲線變化不大，最后趨于平緩。通過觀察實驗過程發現由過氧化氫酶催化過氧化氫生成的O2起的泡泡量在三種pH環境的情況下沒有明顯區別，如若不使用絕對壓強傳感器測量其壓強的變化，幾乎看不出上述三種不同PH環境對過氧化氫酶活性的影響，實踐證明：使用絕對壓強傳感器能增加學生探究出不同pH梯度對過氧化氫酶活性影響的可能性，使實驗的探究更多樣化，更精確，并且用數據說明問題比傳統的實驗方法得出的結果更具說服力。

5.實驗建議

5.1快速完成實驗

進行本實驗時，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，本實驗設計的溫度是35℃，利用攪拌器可設固定溫度35℃，但是當實驗進行過久時，溫度會有一小范圍的上升，但基本保持35℃，此時出現一定的誤差，為了降低誤差，使實驗更為精確，應該盡量快速完成實驗。

5.2提早熟悉實驗儀器

此實驗的使用器材較為復雜，連接不當或其使用方式不熟悉會使測量的數據出現一定的偏差，應盡可能在課前讓學生熟悉使用部分儀器，避免出現課堂實驗操作混亂致使實驗結果偏差。

單位時間內用等量的過氧化氫酶催化H2O2時產生的氧氣較多，會使瓶內的絕對壓強變化更為明顯。因此，在不同的pH中過氧化氫酶催化過氧化氫產生氧氣引起瓶內的絕對壓強的差異也更為顯著，實驗結果更加明了。

5.4用常見材料替代過氧化氫酶

過氧化氫酶較貴，用于學生做實驗很不劃算，根據前人的研究我們了解到過氧化氫酶存在于很多動植物細胞中，例如常見的土豆、新鮮的肝臟中都具有豐富的過氧化氫酶，我們可以使用這些常見的材料代替過氧化氫酶進行實驗。當然，還可以組織探究不同材料中的過氧化氫酶的最適pH是否一致。

6.結語

生物傳感器的引進具有時代特征。生物傳感器從誕生以來，雖然只有20多年的歷史，但已在醫療、工農業生產、環保、人工智能、生物學領域里進行了卓有成效的應用［１］。在此，生物傳感器的引進使得生物實驗課更加高效，并且數據比較精確，得到的曲線也非常合理。比如在探究酶活性實驗實踐時我們就提過使用絕對壓強傳感器的一個好處是：用目測的方法難以觀察出在酸或堿及控制實驗中所產生的氧氣的量的差異，而絕對壓強傳感器則能靈敏地測量出由于氧氣的量不同而產生的壓強差異。這說明絕對壓強傳感器的使用能使實驗更為具體化以及理性化，這是傳統教學無法比擬的。但是，實驗中學生長期如此操作，其生物學實驗的操作能力及生物繪圖能力必然會下降，這些都與《普通高中生物學課程標準（實驗）》的能力要求相違背［2］。所以，在使用生物傳感器時要慎重，應該在實驗的設計上注意與傳統實驗有機結合，揚長避短，合理搭配。

參考文獻：

［1］于長春，王慶華，王海紅等.生物傳感器的研究進展與發展趨勢［J］.松遼學刊（自然科學版），1995，（1）:38-41.

［2］唐曉春.DIS在高中生物學實驗中的應用初探［J］.生物學通報，2008，（8）:42-43.