大学物理实验：测量生物膜电位

生物膜对电解质离子具有选择透过性，海水淡化技术中应用了生物膜的选择透过功能.人工膜可以模拟生物膜，实现离子交换，医用透析袋就是一种人工生物膜.当膜两侧的离子浓度不同时，膜两侧形成膜电位.测量膜电位具有重要意义，因为膜电位与膜两侧的溶液浓度存在相关性，通过膜电位的测量，可以分析生物膜的特性.本实验用电位差计测量生物膜电位.

【实验目的】

（1）了解生物膜电位的概念和产生机制.

（2）通过实验了解生物膜电位与溶液离子浓度的关系.

（3）熟悉电位差计的工作原理和使用方法.

【实验原理】

生物电现象的主要特征之一是不同生物组织器官各具特色的电偶层电势分布，这是细胞水平的分布.比如心肌细胞膜、神经细胞膜等，其内外离子的非平衡态（内外电荷分布不均衡）构成各种复杂的电系统.

人体内的细胞处于含有大量氯化钠和氯化钾等电解质的溶液中，由于细胞膜内外各种离子浓度的不同，并且细胞膜对离子具有选择通透性，所以随着离子的扩散，在细胞膜两侧形成电荷的积累，于是产生一个电位差（电势差）.

如图4-4-1所示，两种不同浓度（摩尔浓度，即量浓度）的KCl溶液被一生物膜隔开，用C1和C2表示膜左侧和右侧溶液的浓度（C1＞C2）.离子未迁移时，每侧正负离子的数目相等，溶液不带电.如果生物膜只让K+通过，而不让Cl-通过，K+从浓度大的膜左侧向浓度小的膜右侧扩散，结果使右侧正电荷逐渐增多，左侧负电荷过剩，产生阻碍离子扩散的电场，当浓度差产生的扩散力与电场力达到平衡时，K+的净扩散终止，膜两侧形成一定的电势差U，这个电势差称为跨膜电势差，简称膜电位，也称能斯特电位.

膜电位的大小可用波尔兹曼能量分布律来推算.如果膜两侧为较低浓度的电解质溶液时，K+数密度与相应的电势能遵从波尔兹曼能量分布律.假设达到热平衡状态时，膜两侧的K+数密度分别为n1和n2，电势分别为V1和V2，离子价数为Z，电子电量的绝对值为e，则膜两侧K+的电势能分别为EP1=ZeV1和EP2=ZeV2，根据波尔兹曼能量分布律，有

图4-4-1　能斯特电位的形成

式中，n0为势能为零的离子数密度，两式相除得

研究表明，从离子扩散到动态平衡的过程中，实际上只有为数极少的离子穿过生物膜，即离子的扩散不会改变膜两侧溶液的浓度，因此有

两边取对数，得到膜电位

式（4-4-1）称为能斯特方程.式中，k是波尔兹曼常数，T是溶液的温度，Z是离子价数，e是电子电荷量.由式（4-4-1）可知，膜电位与溶液浓度比的对数成线性关系.

根据以上分析，可以设计出实验，了解生物膜电位与溶液离子浓度的定量关系.本实验用电位差计测量膜电位，图4-4-2是实验装置示意图.

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图4-4-2　生物膜电位测量的实验装置示意图

【实验器材】

电位差计、生物膜、水槽、KCl试剂、电极、温度计、量筒、蒸馏水、烧杯、天平等.

【实验内容与步骤】

（1）在无底试管的一端包上生物膜，制成一个生物膜试管.

（2）用蒸馏水配置KCl溶液，测量溶液的温度.

（3）将浓度为C1和C2（C1＞C2）的KCl溶液分别装入生物膜试管和水槽内，分别插入电极，并分别接至电位差计的负、正接线柱，不可接反，见图4-4-2.

（4）按照电位差计的补偿法原理正确使用电位差计（见附录C），测量生物膜电位.

（5）更换试管内的溶液，改用不同浓度比的溶液测量膜电位.注意必须用待更换的溶液清洗试管3次以上.把数据记录在表4-4-1中.

【数据记录与处理】

（1）将不同浓度比的生物膜电位U的测量数据填入表4-4-1中.

表4-4-1　KCl溶液不同浓度比的膜电位（溶液的温度：______）

（2）根据表4-4-1数据，作出曲线.

（3）与用能斯特方程计算出的理论值进行比较，得出实验结论，并进行误差分析.

自学提纲

1.什么是膜电位？膜电位是如何形成的？

2.什么是能斯特方程？该方程式中，各符号的含义是什么？

3.简述电位差计补偿法原理，并说明如何正确使用电位差计.

4.在本实验中，如何正确连接电位差计的正、负接线柱？

5.本实验中，若测量结果与理论值相差较大，其主要原因有哪些？