楊海朋 柳文軍 蘇軼坤 肖飛 戈早川 湯皎寧

(深圳大學(xué)材料學(xué)院深圳市特種功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東深圳 518060)

測(cè)定化學(xué)反應(yīng)的速率常數(shù)是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中動(dòng)力學(xué)部分的重要內(nèi)容。根據(jù)不同化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)教材常常采用不同方法測(cè)定反應(yīng)的速率常數(shù)，如電導(dǎo)法、旋光法、分光光度法等[1]。這些實(shí)驗(yàn)方法由于有助于開(kāi)闊學(xué)生的眼界，訓(xùn)練基本實(shí)驗(yàn)技能，已為眾多高校物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所采用。此外，為了完善創(chuàng)新人才培養(yǎng)機(jī)制，提高本科生培養(yǎng)水平，還需要在教學(xué)中設(shè)置一些綜合性實(shí)驗(yàn)[2]。本文介紹將“旋光法測(cè)定蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速率常數(shù)”這一經(jīng)典動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)改造為綜合性實(shí)驗(yàn)的探索。

生物傳感器通常由生物識(shí)別元件(bioreceptor)和信號(hào)轉(zhuǎn)換器件(transducer)兩個(gè)部分組成，其中生物識(shí)別元件由生物活性物質(zhì)(酶、抗原、抗體、激素等)或生物體本身(細(xì)胞、細(xì)胞器、組織等)構(gòu)成，而信號(hào)轉(zhuǎn)換器通常是一個(gè)獨(dú)立的化學(xué)或物理敏感元件，可采用電化學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、壓電等多種不同原理工作。把生物識(shí)別元件同信號(hào)轉(zhuǎn)換器件相結(jié)合，就可以構(gòu)成多種多樣的生物傳感器[3-6]。納米電化學(xué)生物傳感器是將納米材料作為一種新型的生物傳感介質(zhì)，與特異性分子識(shí)別物質(zhì)如酶、抗原/抗體、DNA等相結(jié)合，并以電化學(xué)信號(hào)為檢測(cè)信號(hào)的分析器件。由于生物傳感器的生物識(shí)別單元選擇性專(zhuān)一，可以獲得很好的抗干擾能力和極高的靈敏度。包括電化學(xué)生物傳感器在內(nèi)的生物傳感器自誕生以來(lái)就一直是科學(xué)工作者關(guān)注的熱點(diǎn)[6-7]。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)根據(jù)蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)的特點(diǎn)，引入作者課題組最新制備的碳納米管-聚環(huán)糊精葡萄糖生物傳感器[5]，通過(guò)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物葡萄糖濃度的原位測(cè)定，計(jì)算出蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速率常數(shù)。把這一經(jīng)典動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)與當(dāng)前的科研熱點(diǎn)內(nèi)容相結(jié)合，使其成為一個(gè)綜合性探索實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

在催化劑(H+離子或者蔗糖酶)存在的條件下，蔗糖在水中可以水解為葡萄糖和果糖，反應(yīng)如下：

蔗糖水解反應(yīng)是一個(gè)二級(jí)反應(yīng)。但由于水是大量存在的，在反應(yīng)過(guò)程中可以認(rèn)為濃度不變；反應(yīng)過(guò)程中的氫離子是催化劑，可以認(rèn)為濃度不變。因此，蔗糖水解反應(yīng)可作為一級(jí)反應(yīng)來(lái)處理，又稱(chēng)為“假一級(jí)反應(yīng)”。如果以c表示t時(shí)刻的反應(yīng)物濃度，k表示反應(yīng)速率常數(shù)，則反應(yīng)的速率方程為：-dc/dt=kc。對(duì)此式積分可得：

lnc=-kt+b

(1)

式中b為積分常數(shù)。 在不同時(shí)間測(cè)定反應(yīng)過(guò)程中的反應(yīng)物濃度，以lnc對(duì)t作圖，可以求出反應(yīng)的速率常數(shù)k。

由于反應(yīng)是不斷進(jìn)行的，因此需要即時(shí)分析出反應(yīng)物蔗糖的濃度。在實(shí)驗(yàn)教材中是根據(jù)反應(yīng)物蔗糖和產(chǎn)物葡萄糖及果糖旋光能力的不同，利用體系在反應(yīng)進(jìn)程中旋光度的變化來(lái)分析蔗糖濃度的變化[1]。

由于蔗糖分解產(chǎn)物是穩(wěn)定存在的葡萄糖和果糖，蔗糖濃度降低速率等于葡萄糖或果糖濃度增加速率。因而傳感器只要能夠測(cè)定這3種物質(zhì)中任意一種物質(zhì)的濃度變化就可以了。本文采用納米電化學(xué)葡萄糖生物傳感器，通過(guò)檢測(cè)葡萄糖濃度的變化計(jì)算反應(yīng)速率常數(shù)。

設(shè)葡萄糖的濃度為cg，蔗糖初始濃度為c0，則蔗糖濃度c=c0-cg。葡萄糖濃度cg正比于傳感器響應(yīng)電流的大小，設(shè)比例系數(shù)為a，則cg=aI，c0=aI∞，I∞是反應(yīng)終了時(shí)的電流強(qiáng)度(此時(shí)可認(rèn)為蔗糖已全部轉(zhuǎn)化為葡萄糖及果糖)。代入公式(1)，得到：

ln(I∞-I)=-kt+b′

(2)

實(shí)驗(yàn)中測(cè)得I-t曲線(xiàn)和I∞，以-ln(I∞-I)對(duì)t作圖，所得直線(xiàn)的斜率就是蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速率常數(shù)k。

2 實(shí)驗(yàn)示例

2.1 傳感器制備

把一定量的碳納米管(CNT)放入環(huán)糊精(CD)和預(yù)聚環(huán)糊精的混合液中超聲混合，用微量進(jìn)樣器吸取混合液20μL,置于干凈的玻璃片上，加入20μL 2.5%戊二醛和0.2mol/L鹽酸的等比例混合液，攪拌均勻。再用微量進(jìn)量器吸取20μL上述溶液滴到Pt電極上，在室溫下自然晾干后，得到聚環(huán)糊精-碳納米管(CDP-CNT)復(fù)合膜修飾電極。在CDP-CNT膜上滴加3μL 葡萄糖氧化酶(Gox)溶液和3μL 2.5%戊二醛溶液，待其在室溫下干燥后即得到CDP-CNT復(fù)合膜修飾的納米電化學(xué)葡萄糖生物傳感器。

2.2 葡萄糖濃度測(cè)定

圖1 連續(xù)加入葡萄糖溶液時(shí)傳感器的電流響應(yīng)曲線(xiàn)

以飽和甘汞電極為參比電極，鉑絲電極為對(duì)電極，利用CHI660C電化學(xué)工作站測(cè)定體系的電流-時(shí)間信號(hào)[5]。電流測(cè)量過(guò)程為：在不含底物的緩沖溶液中施加一定電壓，當(dāng)背景電流趨于穩(wěn)定后，加入一定量的底物溶液。隨著底物溶液的注入，電極產(chǎn)生響應(yīng)電流。圖1顯示在10mL緩沖溶液(pH 5.5)中連續(xù)加入50μL 0.1mol/L的葡萄糖溶液時(shí)，傳感器對(duì)葡萄糖的電流響應(yīng)曲線(xiàn)，所加電壓為0.6V?？梢钥吹诫娏鲝囊粋€(gè)穩(wěn)態(tài)到達(dá)另一個(gè)穩(wěn)態(tài)的平衡時(shí)間小于2s，也就是說(shuō)傳感器對(duì)葡萄糖的響應(yīng)時(shí)間小于2s，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物葡萄糖濃度的原位測(cè)定。圖1中插圖是葡萄糖濃度c(mmol/L)與電流I(μA)的關(guān)系曲線(xiàn)，其線(xiàn)性擬合方程為I=0.055+0.60c(n=5,R=0.9998)。由此可見(jiàn)傳感器響應(yīng)電流的大小與葡萄糖濃度有很好的線(xiàn)性關(guān)系。

2.3 蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率常數(shù)測(cè)定

用pH 5.5 的緩沖溶液配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.3%的蔗糖溶液和0.1%的蔗糖酶溶液。在測(cè)試裝置中加入8.0mL蔗糖溶液，在0.6V電壓下測(cè)定電流-時(shí)間曲線(xiàn)，待背景電流穩(wěn)定后，加入2.0mL蔗糖酶溶液，開(kāi)始蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)。隨著反應(yīng)進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)物葡萄糖的濃度不斷增大，測(cè)得的電流也相應(yīng)增大，一直測(cè)到電流趨于飽和時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，飽和電流值即可認(rèn)為是I∞。測(cè)量結(jié)果示于圖2。以-ln(I∞-I)對(duì)t作圖，所得曲線(xiàn)示于圖3。圖3中擬合線(xiàn)的斜率即蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速率常數(shù)k。數(shù)據(jù)擬合的線(xiàn)性方程為：y=9.9114+0.0162x(n=151,R=0.97)，由此得到本實(shí)驗(yàn)條件下蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速率常數(shù)為k=0.0162s-1。

圖2 蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)過(guò)程中傳感器的電流響應(yīng)曲線(xiàn)

圖3 利用葡萄糖響應(yīng)電流值計(jì)算得到的-ln(I∞-I)-t關(guān)系曲線(xiàn)

3 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)的特點(diǎn)，引入當(dāng)前科學(xué)研究的熱點(diǎn)課題，把經(jīng)典動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)改造成為一個(gè)綜合性探索實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際教學(xué)中，可根據(jù)課時(shí)的多少靈活安排。如傳感器的制備和測(cè)試部分，可以要求學(xué)生自己查閱專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn),寫(xiě)出詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟，也可以由實(shí)驗(yàn)講義直接提供實(shí)驗(yàn)步驟。綜合性、探索性實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，有助于學(xué)生創(chuàng)新思維能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，是教學(xué)改革實(shí)踐中的重要環(huán)節(jié)，也是提高教學(xué)質(zhì)量的重要措施[2,8]。本文為綜合性實(shí)驗(yàn)的一個(gè)實(shí)例，希望能夠起到拋磚引玉的作用，以便在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中設(shè)計(jì)出更多的綜合性實(shí)驗(yàn)，提高本科生培養(yǎng)水平。

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