測量膜電位的一種簡易方法＊

謝銀月, 金偉民

(1.上海醫療器械高等專科學校 基礎教學部,上海 200093;2.浙江師范大學 科技處,浙江 金華321004)

生物膜對電解質離子具有選擇透過性,海水淡化技術中應用了生物膜的選擇透過功能.人工膜可以模擬生物膜實現離子交換功能,醫用透析袋就是一種人工生物膜.

當膜兩側的離子濃度不同時,膜兩側形成膜電位[1].測量膜電位具有重要意義,因為膜電位與膜兩側溶液的電解質濃度存在相關性,通過膜電位的測量,可以分析生物膜的特性,分析膜兩側的電解質濃度.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、具體方法和結果.筆者設計了測量生物膜電位的具體實驗方法,得出了具體測量結果并進行了分析,該方法具有測量器材簡單、測量方法快捷等優點.

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表示膜左側和右側溶液的濃度 (C1>C2).離子未遷移時,每側正負離子的數目相等,溶液不帶電.如果生物膜只讓K+通過,而不讓 Cl-通過,K+從濃度大的膜左側向濃度小的膜右側擴散,結果使右側正電荷逐漸增多,左側負電荷過剩,產生阻礙離子擴散的電場,當濃度差產生的擴散力與電場力達到平衡時,K+的凈擴散終止,膜兩側形成一定的電勢差,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.如果膜兩側為較低濃度的電解質溶液時,K+數密度與相應的電勢能也遵從波爾茲曼能量分布律.假設達到平衡狀態時,溶液的溫度為 T,膜兩側的 K+數密度分別為 n1和 n2,電勢分別為V1和V2,離子價數為 Z,電子電量的絕對值為 e,則膜兩側 K+的電勢能分別為 EP1=ZeV1和 EP2=ZeV2,根據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密度,兩式相除得

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

兩邊取對數,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,膜電位與膜兩側溶液的電解質濃度比存在相關性.由此可設計測量方法.

2 測量器材和方法

生物膜是形成膜電位的關鍵材料,可以自制獲得.未受精的雞蛋是一個卵細胞,蛋膜是位于蛋清與蛋殼間的纖維狀薄膜,含蛋白質、脂質、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備用,可較長時間重復使用.

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,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、負接線柱應分別與蛋膜試管外、蛋膜試管內的溶液相連接,正負極不能接反.改變溶液的濃度比,可測得相應的一系列膜電位值.

圖 2 膜電位測量裝置示意圖

3 測量數據

“蛋膜試管”內的 KCl溶液為 15 mL,濃度C1=16.67 mol/L,此濃度固定不變;燒杯內 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的膜電位 U,數據見表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)的關系曲線如圖 3所示,若把兩者的關系模擬成線性關系U=a+bTln(C1/C2),則相

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

圖 3 膜電位 U與 Tln(C1/C2)的關系曲線

4 結論與分析

膜電位的大小反映了生物膜的選擇透過性和膜兩側溶液的電解質濃度比,雖然蛋膜的膜電位U與膜兩側溶液的電解質濃度比 (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;也為測量電解質溶液的濃度提供了一種思路.

除了測量數據不滿足能斯特方程之外,實驗還發現,在蛋膜內溶液濃度 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,蛋膜經過醋液浸泡 3 d后其微觀結構也一定會改變,從而影響了離子的透過性.此外,膜電位的形成會使溶液產生電解.類似蛋膜這樣的天然生物膜對電解質離子的選擇透過性特點有待進一步研究.

[1]潘志達.醫學物理學[M].北京:科學出版社,2007:124-126.

[2]李賓中.醫學物理學實驗教程[M].北京:科學出版社,2010:145-147.

[3]吳杰,張學慧,蘇發昌,等.膜電位的測量實驗設計[J].物理實驗,1998,18(5):11-12.

[4]洪洋.醫用物理學[M].北京:高等教育出版社,2008.

[5]劉普和.醫學物理學[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,2010,31(2):82-86.