医学院校分析生实验教学中多学科渗透模式的探索

【摘要】 运用多学科知识相互渗透进行“甘油三脂酶传感器的研究”实验教学，培养学生综合运用各学科知识、方法分析问题和解决问题的能力，为其将来的科学研究打下坚实的基础。

【关键词】 甘油三酯酶传感器; 实验教学; 物理学; 医学

实验教学是高等教育尤其是医学高等教育重要的组成部分，实验教学的水平直接与人材培养的质量密切相关。大多数医学院校仅对本科生开设的医学物理学实验课中由于知识结构的限制，鲜有优秀的直接在生物医学中应用的例子;另一方面，医学专业研究生开设的实验课中，虽有大量的现代化仪器，但只是被单纯用作测量工具，学生只要学会操作、读数即可。至于仪器参数如阻抗、带宽、精度等等则不甚了解，而误差分析、系统匹配、仪器分析、改进方向等问题更是无从谈起。这种培养形成的单纯医学思维模式，使得实验教学效果大打折扣。

有鉴于此，我们在全国医学院校中首次尝试在为研究生开设的基础医学实验课程中开设了“甘油三脂酶传感器的研究”实验，运用各学科知识相互渗透进行基础医学实验教学，融合医学与物理学的思维方式、实验方法、实验手段进行基础医学实验教学，培养学生综合运用知识、分析问题和解决问题的能力。使学生真正掌握和领会融合实验，逐步建立综合运用物理学和生物医学的分析思维方法进行实验研究，为其进一步的科学研究奠定较好的实验技术水平。

以下就实验涉及的几个主要方面进行一些探讨。

1 实验原理

本实验涵盖了生物化学、分析化学、物理学等学科的有关理论，这对培养学生综合运用多学科知识、方法分析问题和解决问题非常有益。

脂肪酶在适当条件下能选择性地催化甘油三酯水解成甘油和脂肪酸 ， 生成的脂肪酸将快速引起酸度计电极电位发生改变 。 这种电极电位的改变(ΔE)与 甘油三酯浓度(CTG)的对数值呈线性关系，即ΔE = klgCTG (k 在一定条件下是常数)。

酸度计是一种基于电位分析法原理用于测量溶液pH值(或电极电位)的测量仪器。

电位分析法是建立在Nernst(能斯特)方程基础上的一类电化学分析方法，即在一定的实验条件下，电极电位与溶液中待测离子的活度(对于稀溶液即浓度)成定量关系：

E=E+RTnF ln αoxαred (能斯特方程)

式中：E为平衡时电极电位; E为标准电极电位; αox、αred分别为电极反应中氧化态和还原态的活度; n为电极反应中的电子得失数; T为热力学温度; R为摩尔气体常数; F为法拉第常数。

测量时，将一支电极电位与被测物质活度(或浓度)有关的电极(称作指示电极)和另一支电极电位已知且一定条件下保持恒定的电极(参比电极)一起插入待测溶液中，组成一个化学电池，在零电流条件下测定两电极间的电位差，根据能斯特方程即可求出被测离子浓度。

在酸度计中一般用玻璃电极作为指示电极，甘汞电极或银-氯化银电极作为参比电极。

酸度计用来测溶液离子浓度时，根据能斯特方程可推导出电极电位与离子浓度的对数成线性关系：

E=K′±RTnF ln c

其中c为溶液离子浓度。

首先测量一系列已知浓度的标准溶液的电位，作出响应曲线;然后在同样的条件下测量待测溶液的电极电位，由响应曲线就可以求出其浓度。

2 酸度计和电极

尽管绝大多数研究生在本科时都用过酸度计，但掌握程度并不乐观。有一部分学生只是大致知道怎么使用，很多具体细节并不清楚。另一部分学生基本能够掌握操作方法，但并不清楚为什么要如此操作。因此，我们在实验指导中单独增列了仪器介绍，在说明仪器原理的基础上特别解释了一些仪器选择、操作的细节及其原理。

2.1 酸度计和电极的选择

按实验中待测电位差的大小、范围、被测溶液的温度变化范围以及价格等因素综合考虑，我们选择了雷磁pHS3D型酸度计。它的测量范围为-1999～1999mV，分辨率为1mV，被测溶液温度为0～60℃。

目前的酸度计大多使用复合电极，只有一个复合电极接口，而本实验需要玻璃电极和参比电极两个接口，因此需要另外购买一个转接器。

酸度计的主体是一个精密的电位差计，电位差计测量时电路中的电流为零，因此酸度计的输入阻抗一般都要求大于1012Ω ，这在选择电极时需注意考虑。我们选择了雷磁的231型玻璃电极和232型饱和甘汞电极。

2.2 酸度计和电极的使用

① 酸度计使用前需预热30分钟以获得稳定的读数。

② 玻璃电极使用前必须在蒸馏水中浸泡过夜，平时不用时，最好也把玻璃球泡浸泡在去离子水中，以便下次使用时可以简化浸泡和校正的手续。原因: pH球泡是一种特殊的玻璃膜，在玻璃膜表面有一层很薄的水合凝胶层，它只有在充分浸泡后才能在膜表面形成稳定的H+层，与溶液中的H+具有稳定的良好响应。若浸泡不充分，则测量时响应值会不稳定、漂移。

③ 饱和甘汞电极在不用时，可用橡皮套将下端毛细孔套住或浸在3mol/L的KCl溶液中。

④ 玻璃电极的内电极与球泡之间不能存在气泡;饱和甘汞电极中的KCl溶液要浸没内部小玻璃管的下口，并且在弯管内不允许有气泡将溶液隔断;电极中若有气泡可轻甩让气泡逸出。

⑤ 玻璃电极下端的玻璃球膜极易破碎，切忌与硬物碰撞。

⑥ 玻璃电极和饱和甘汞电极测完一个溶液之后，由于电极上多少粘了一些油，可先用加热的蒸馏水冲洗电极，再用滤纸吸干水珠，随后放入加热的缓冲液中5分钟， 再用滤纸吸干水珠，然后才能测定下一个溶液。测量时依次从低浓度测到高浓度。

3 酶和底物

在酶促反应中，酶和底物无疑是最重要的因素。综合考虑各种因素，本实验的脂肪酶使用购自Sigma的纯酶，酶活力>100000U/g;底物使用分析纯的橄榄油。

3.1 酶和底物的浓度

由Nerst公式知，在一定条件下，电极电位ΔE与lnc(c为底物浓度)成正比关系。那么，是不是在任何情况下二者都成正比关系呢?不是的。一般有一个线性范围，大约为10-1～10-6mol/L，由于还有其它因素的影响，具体数据一般由实验测定。学生在实验后先将数据画在坐标纸上，再选择线性部分作出响应曲线。

酶促反应时间通常依酶的浓度、活性与底物的浓度、纯度而定。根据酶促反应动力学原理，反应体系中当酶浓度饱和时，反应速度随底物浓度的增加而加快;当反应系统中底物的浓度足够大时，酶促反应速度与酶浓度成正比。在本实验中，当底物浓度较低时，反应能很快结束，但底物浓度较高时，反应时间较长。由于实验课时有限，要缩短反应时间就要增大酶浓度，而纯酶的价格昂贵，又会限制酶的大量使用，因此需要综合考虑实验经费、实验课时来决定酶的浓度。

3.2 底物的制备[1]

本实验用分析纯的橄榄油作为底物，需要均匀分散在溶液中。方法如下：称取4g聚乙烯醇(PVA)，加蒸馏水200ml，加热溶解成2%溶液。待其降至室温后向其中加入20ml橄榄油，用高速组织捣碎机搅动3～4次，每次10s，即得乳白色聚乙烯醇橄榄油乳化液。测量时再根据需要稀释到所需浓度。

4 影响因素

任何一种分析方法，其测量结果的准确度往往受多种因素的影响。本实验中溶液温度、仪器测量精度、溶液pH值、干扰离子、被测离子浓度等许多因素都会影响测量结果。下面就几个主要因素分别加以讨论。

4.1 温度

按Nerst公式：

E= K' + RT/nF·lnc

由此式可以看出：① T影响斜率，为了校正这种效应的影响，一般测量仪器上都有温度补偿器来进行调节;② T影响截距K'，K'项包括参比电极、液接电位等，这些都与T有关，所以在整个测量过程中应保持温度恒定。

4.2 电动势的测量

由Nerst公式知，E的测量准确度直接影响分析结果的准确度。那么，E的测量测量误差ΔE与分析结果的相对误差Δc/c之间究竟有什么关系呢?可以通过对Nerst公式的微分导出：

E= K' + RT/nF·lnc

ΔE= RT/nF·Δc/c

当T=298 K时，

ΔE=0.2568/n·Δc/c×100 (mv)

或

Δc/c×100 = n/0.2568·ΔE≈4 nΔE

当ΔE=±1mv时，一价离子，Δc/c×100≈±4%;二价离子，Δc/c×100≈±8%;三价离子，Δc/c×100≈±12%。可见，E的测量误差ΔE与分析结果的相对误差Δc/c影响极大，高价离子尤为严重。因此，电位分析中要求测量仪器要有较高的测量精度(≤±1mv)。