我們在前面的影片中 討論了緩衝溶液的組成及特性 那緩衝溶液有什麼應用呢？ 其實緩衝溶液的應用非常廣泛 除了在化學實驗中 常用來減少pH值的變動外 在生物體內也存在著緩衝溶液 例如人體血液pH值始終維持在7.36至7.42之間 其中一個緩衝系統 是由碳酸氫根離子和碳酸之間的平衡來控制 正因為人體是一個非常精密而且複雜的系統 如果pH值變化過大 就會造成不適甚至致命 像是在靜脈注射中使用的生理食鹽水 同樣含有緩衝溶液 藉以將血液的pH值維持在特定的範圍內 另外在農業、工業及醫療藥物上 也常見到緩衝溶液的例子 今天就讓我們試著探索緩衝溶液的應用吧 人體中許多生化反應需要酶的作用 酶又稱為酵素 在特定的酸鹼環境下 才能保持活性 如果pH值偏離過多 就會導致酶的活性降低 甚至會因為變性 從而永久失去催化活性 人體內的緩衝溶液 大致上由三個系統所組成 1.碳酸與碳酸氫根離子的系統 2.磷酸氫根離子與磷酸二氫根離子的系統 3.蛋白質的緩衝系統 在人體生理機能中 會透過血液來幫忙運送氧氣及養分 並將細胞所產生的二氧化碳運送至肺泡 最後藉由呼吸作用排除二氧化碳 血液是一個極其複雜的系統 其中兩個關鍵部分 分別是血漿和紅血球 血漿內含有許多物質 包括蛋白質、金屬離子和無機磷酸鹽 紅血球含有血紅蛋白分子 而血紅蛋白分子則可攜帶氧氣 當紅血球位於細胞組織時 因二氧化碳濃度較高 在酵素的作用下可快速轉變成碳酸 而碳酸可解離出氫離子形成碳酸氫根離子與氫離子 碳酸氫根離子可溶於血漿中 而氫離子可與攜氧紅血球結合 使攜氧紅血球釋放出氧氣供細胞使用 在肺泡中所有的反應即逆轉相反 肺泡是氧氣含量較高的部分 氧氣可與攜氧紅血球結合 釋放出氫離子 而釋放出的氫離子 可與血漿中的碳酸氫根離子結合形成碳酸 在酵素作用下轉變成二氧化碳與水 將二氧化碳藉由呼吸排出體外 呼吸系統透過調控血液中的碳酸 來幫助維持體內的酸鹼平衡 血液中的二氧化碳會迅速與水反應形成碳酸 兩者在血液處於平衡狀態 當血液中的二氧化碳濃度升高 例如當你憋氣一段時間 多餘的二氧化碳會與水反應形成額外的碳酸 從而降低血液pH值 所以憋氣一段時間後 身體自然而然會迫使自己增加呼吸的速率和深度 迫使你呼出更多的二氧化碳 進而利用排除體內的二氧化碳 降低碳酸的濃度 將pH值調整向正常區間範圍 而這個過程也可以逆向運作 過度的深呼吸和急促呼吸 如換氣過度患者 會將血液中的二氧化碳排出 降低碳酸濃度 使血液pH值過高 造成鹼中毒 這時利用紙袋套住口鼻 使患者重新吸入呼出到紙袋中的空氣 使血液pH值降低 抑制這種鹼中毒的現象 這是因為透過重新吸入含有較高濃度二氧化碳的空氣 可以迅速增加血液中二氧化碳的濃度 將血液pH值調整回正常範圍 磷酸鹽緩衝系統同樣也有著維持體內恆定pH值的作用 磷酸鹽緩衝系統與碳酸氫鹽緩衝系統原理幾乎相同 只不過磷酸鹽是在細胞內液體中發揮作用 當細胞內pH值過低時 磷酸氫根可接受多餘氫離子減緩pH值降低的幅度 當細胞內pH值過高時 磷酸二氫根可釋出氫離子減緩pH值上升的幅度 另外蛋白質也是身體中重要的緩衝系統之一 蛋白質是胺基酸的聚合物 胺基酸結構中 具有扮演酸角色的羧基與鹼角色的胺基 當細胞組織內pH值過低時 胺基可接受多餘氫離子 使pH值不致大幅度降低 當細胞組織內pH值過高時 羧基可釋出氫離子 使pH值不致大幅度增加 生活中許多的藥物 例如注射藥物、眼藥水等 均需將藥物溶解在含有緩衝溶液的系統中 磷酸鹽緩衝溶液 是一種常用於生物研究的緩衝溶液 pH約7.4 它是一種以水為基礎的鹽類溶液 其中包含磷酸二氫鈉與磷酸氫二鈉 氯化鈉等混合溶液 緩衝溶液除了要維持pH值的恆定外 也要調控至適當的濃度 使溶液滲透壓與細胞相等 也就是等張溶液 除了這些生理或醫學藥物上的用途外 在工業上緩衝溶液亦是扮演非常重要的一個角色 由於染料分子為有機分子 可能會受到溶液酸鹼性的影響 使得染色程度不一 所以染色時 需要緩衝溶液維持溶液的pH值 另外在新冠肺炎的期間 PCR扮演非常重要的角色 什麼是PCR呢？ PCR為Polymerase Chain Reaction的簡稱 稱為聚合酶連鎖反應 聚合酶連鎖反應的反應過程中 需要將溶液pH值維持在8.4的微鹼性環境下 再依照製造DNA的不同階段 利用溫度調控不同酶的活性 這種技術是可以在生物體外 複製特定DNA片段的核酸合成技術 此外生物上常用的「電泳」技術 也需要在緩衝溶液中進行 生物化學中常使用電泳技術 來分離各種胺基酸和蛋白質 醫學上則可利用血清在紙上電泳 進行某些疾病的診斷 膠體電泳是利用膠體粒子 在一個均勻電場下遷移速率不同 所進行的實驗 但在電泳實驗過程中 正極與負極電極附近的水溶液 會因為發生氧化還原反應的緣故 而造成pH值變化 為了保護分析物使分析條件維持不變 電泳須使用緩衝溶液來控制水溶液的pH值 關於人體內緩衝溶液調控pH值之相關敘述 下列哪些正確？ 學習完緩衝溶液的相關知識與應用 來做個總結吧 人體內的緩衝溶液大致上由三個系統所組成 在生物及醫藥相關的緩衝溶液之應用 工業上 緩衝溶液常被用於調節染料的pH值 同學 在看完上面緩衝溶液的各種應用後 你是否能試著在日常生活中可接觸的各項物品內 尋找緩衝溶液的蹤跡呢？ 歡迎與我們分享你的答案 下次見