微量化學實驗 楊水平 國立彰化師範大學化學系yangsp@cc.ncue.edu.tw 微量化學（Microscale chemistry）的發展有兩條主流：一條是與普通化學實驗（酸和鹼、氧化和還原、電化學等）相關，另一條是與有機化學實驗有關。推展到普通化學實驗的想法是使用更簡單的設備，花費比傳統實驗室的玻璃器皿還要便宜，這方面的拓展以埃及的Egerton C. Grey（1928）和Mahmoud K. El-Marsafy（1989）以及在美國的Stephen Thompson等最為著名。這想法被進一步應用是在南非的John Bradley在Radmaste中心研究發展的微型實驗器材，主要是缺乏水電技術服務的發展中國家在學校進行有效的普通化學實驗。引進微量化學在有機化學的合成工作方面，關鍵性的突破是在1983年，由在美國的Dana W. Mayo (Bowdoin College), R. Pike (Merrimack College) 及S. Butcher (Brown University) 開發的有機化學實驗器材及其編寫的專書；以及由Williamson證明經驗不足的學生能夠完成數十毫克的有機合成，這技能以前被認為需要多年的訓練和經驗才能完成。目前，微量化學不僅在普通化學實驗和有機化學實驗中實施，而且推展到無機化學、物理化學、分析化學及生物化學的教學實驗室。[1-3] 在1989年，化學教育期刊（Journal of Chemical education, JCE）開闢〝微量實驗（Microscale Laboratory）〞的專欄，提供大學和中學在設備、技術和製備實驗方面的大量資料，已成為美國教育現場的主要採用來源，在英國有較小程度的使用，許多國家和機構的工作人員也熱衷採用。在2014年五月創刊，《臺灣化學教育》就開闢〝微型化學實驗〞的專欄，在其他專欄也有出版這類實驗，目前已經出版約20篇微量化學實驗的文章。在1993年美國成立國家微量化學中心（National microscale chemistry center, NMCC），專門開發微量化學實驗，以呼應綠色化學的理念。[1, 4] n         微量化學的意涵 美國國家微量化學中心提到：如何維持無污染的環境以及如何處理化學廢棄物長久以來已經引起科學家、教育家及社會大眾的重視。成功之道是消除化學廢棄物的來源和減少化學藥品的使用到最低的程度，化學實驗可以有效地進行，稱此為微量化學（Microscale Chemistry）[1]，或中文翻譯為微型化學、微尺度化學。微量化學是使用少量的化學藥品而沒有影響到教育和工業在化學應用的品質和標準，在進行化學的過程十分關切環境安全和污染防治的方法。[1] 微量化學是透過三點重要原則來執行：大幅減少（drastically reduced）化學藥品的用量、安全和容易操作的技巧、以及迷你型實驗器皿（miniature labware）和高品質的技能。微量化學無異於全面品質管理（Total Quality Management, TQM）的方式來使用的化學藥品。微量化學是由純粹與應用化學國際聯盟（International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC）承認為小量化學（Smallscale Chemistry）。[5] 維基百科提到：微量化學（通常被稱為小量化學）是一種分析方法，也是教學方法，廣泛使用在學校和大學的階段，使用少量化學物質的工作。雖然傳統的化學教學大多使用數克（multi-gramme）的化學藥品，但是微量化學使用數毫克（milligrammes）就足夠。在大學裡，使用現代和昂貴的實驗室玻璃器皿和用於產物檢測和特性的現代方法是很常見的，然而在學校裡和在南半球的許多國家，小量化學的工作常用低成本甚至無成本的材料。[1] JCE在1989年開闢的特色專欄，由該專欄編輯Arden […]

微量化學實驗：誰是口水王 —酸鹼性和溫度對澱粉酶催化效率之影響 張馨云、佘瑞琳* 國立臺灣大學化學系 *shirlin@ntu.edu.tw n  前言 相信大家都有「望梅止渴」，或是看牙醫時，由於口不能閉，而口水一直分泌的經驗。的確，一個人在一天中會因狀況不同而有不同程度的口水分泌，大約每天分泌1到1.5公升至口腔中。唾液腺分泌出來的口水經由管道送到口腔中，它可使我們的口腔保持濕潤、幫忙清潔口腔、潤滑食物使易於吞嚥，同時還具有幫助消化的作用。這是因唾液中含有一種消化酵素，澱粉酶，可以催化澱粉的水解，成為小分子的寡醣或麥芽糖。酵素又稱為酶，在生物體內扮演非常重要的角色。舉凡細胞生長週期的調控、代謝反應、訊息傳導、基因的複製、養分的運送及維持細胞生長等重要功能，都需要酵素的參與。酵素催化反應的選擇性高及催化效率佳，它的本質是具有特殊結構的蛋白質，由於酸鹼性及溫度會影響蛋白質的結構，因此酵素催化反應的效率受環境影響很大。本實驗以極為容易取得的唾液澱粉酶，操作簡易及用量少的點滴實驗，探討酸鹼性及溫度對酵素催化效率的影響1-3。 n  原理與概念 一、觸媒 化學反應的速率快慢不一，例如：氯化銀之沉澱反應速率很快，但以氮氣及氫氣反應製造氨氣的哈柏法（見式[1]），由於反應之活化能高，於室溫下的反應速率很慢。因此反應過程中常加入適當觸媒以降低反應之活化能、加快反應速率。觸媒又稱催化劑，是一種加到反應系統中，可以參與反應以加快反應速率，而本身不被消耗或轉化的物質。一般依據相態的不同，分為均相觸媒、異相觸媒及生物觸媒（酶或酵素）三大類。以雙氧水的分解反應為例，可以使用均相觸媒KI水溶液、異相觸媒MnO2固體及生物觸媒過氧化氫酶催化分解反應（見式[2]）。     [1]     [2] 酵素是生物體內之催化劑，一般是由蛋白質所組成，具有特殊的立體結構，對反應受質之選擇性高，且在一般體溫的溫度下就有很好的催化效率，而酵素的催化機制可以鎖鑰模式說明（見式[3]）。因此當環境的酸鹼度或溫度改變，酵素的結構發生變化，而影響它的催化效率。 酵素（E）+ 受質（S）® 酵素–受質（ES）® 酵素（E）+ 產物（P）    [3] 二、澱粉酶催化效率測定原理 本實驗使用取自唾液的澱粉酶來催化澱粉水解，成為小分子的寡醣或麥芽糖。由於澱粉與三碘錯離子（I3–，褐色）反應會產生藍黑色的錯合物（見圖一），觀察碘試液顏色的變化，即可判斷溶液中澱粉被澱粉酶催化水解之程度。因此將含澱粉及澱粉酶之反應液滴加到碘試液並混合均勻，反應剛開始時因含有澱粉，因此混合後碘試液呈現藍黑色。隨著澱粉酶催化水解反應之進行，混合液中澱粉含量減少而碘試液逐漸轉為紅棕色。最後當反應液中澱粉完全被水解時，混合液呈現碘試液原有之黃棕色（見式[4]）。因此，記錄定量澱粉被完全水解所需的時間（即反應液與碘試液混合，無藍黑色呈現），代表酵素催化反應之速率，水解所需的時間越短者表示酵素的催化效率越高。     [4] 圖一：澱粉與三碘錯離子形成錯合物 （圖片來源：Starch and Iodine, http://goo.gl/0YHlQ7） n  藥品、器材與材料 一、藥品 每組用量：0.5％氯化鈉 25 mL、碘試液（1% I2 / 2% KI） 3～5 mL、2％澱粉溶液 6 mL、pH 7緩衝溶液 4 mL、pH 5和pH 9緩衝溶液 1 mL。 二、器材與材料 每組用量：試管（10 […]

微量化學實驗：常見食物酵素的微量檢驗 蘇韋嘉、李佳蕙、楊水平* 國立彰化師範大學化學系 *yangsp@cc.ncue.edu.tw n  前言 與「食物酵素（又稱酶，enzyme）」有關的高中課程，在102課程綱要的高級中學選修化學提到「生物體中的大分子」的應修內容，和「醯胺基、肽鍵與蛋白質、酵素」的說明；高級中學基礎化學（三）提到「影響反應速率的因素」的應修內容，和「催化反應與催化劑」的說明；並且在高中基礎化學實驗中提到「碘酸鉀與亞硫酸氫鈉的反應速率」的說明。在107新課程綱要（草案）的化學選修中提到「CJe-Ⅴa-4催化劑與酵素的性質及其應用」的學習內容，和「以常見實例說明催化劑與酵素的性質與應用」的說明。無論新舊課程綱要，有關酵素的化學學習內容只有知識面的學習，而沒有催化劑與酵素方面的動手做實驗。 本實驗設計旨在讓學生連結化學到生活中，以動手操作化學實驗體驗生物化學中酵素的奧妙，透過微量實驗的設計，減少廢棄物的產生，建立綠色化學與永續發展的概念。藉由親自操作實驗讓學生了解到生活常見的酵素。現行國外傳統檢驗食物中酵素的方法，大多以大量或少量的方式進行，而非以微量方式展現，藥品使用量大，實驗過程時間長，並且在化學實驗室中進行。因此，我們企圖改善這些缺點，以貼近生活為導向，設計適合於教堂中教學的微量化學實驗。 n  原理和概念 一、  澱粉酶（Amylase） 澱粉分為直鏈澱粉（amylose）和支鏈澱粉（amylopectin）；直鏈澱粉遇到碘分子或三碘離子生成藍紫色的錯合物，如圖一左所示。而支鏈澱粉遇碘試劑（Iodine reagent）呈紫紅色的錯合物。澱粉酶能使澱粉分解成葡萄糖，如圖一右所示。葡萄糖無法使碘液變成藍紫色或紫紅色，而呈現碘液原本的棕色，此與對照組的藍紫色不同，因此呈現棕色視為含有澱粉酶的陽性反應。   圖一：澱粉與三碘錯離子形成錯合物（左）；澱粉酶使澱粉分解成葡萄糖的示意圖（右） （圖片來源：http://goo.gl/0YHlQ7和https://pmgbiology.com/tag/amylase/） 圖二：呈現藍紫色視為陰性反應（左）；呈現碘液原本的棕色視為陽性反應（右） 二、  蛋白酶（Proteases） 在鹼性溶液中，蛋白質或肽鍵與雙縮脲試劑（Biuret reagent）中的Cu2+反應而形成紫紅色的複合物，如圖三左所示；呈現的顏色深淺與蛋白質濃度成正比。蛋白質分子較小，呈現淡紫紅色，而分子量較大的則呈現紫色或藍紫色。蛋白酶是生物體內的一種酵素，能分解蛋白質，打斷蛋白質的胜肽鍵成為胺基酸，如圖三右所示。蛋白酶具有嚴格的選擇性，一種蛋白酶只能水解在蛋白質中一定的胜肽鍵上。當蛋白酶分解蛋白質而生成胺基酸，就無法與雙縮脲試劑反應，呈現試劑原本的藍色或紫色變淡，視為含有蛋白酶的陽性反應，如圖四所示。   圖三：蛋白質或肽鍵與Cu2+反應而形成複合物（左）；蛋白酶水解蛋白質而生成胺基酸（右） （圖片來源：https://goo.gl/ShV7A6和https://pmgbiology.com/tag/protease/） 圖四：右邊呈現藍色視為含有蛋白酶的陽性反應 三、  脂肪酶（Lipases） 油脂（Oils and Fats）是油與脂肪的合稱，又稱為三酸甘油酯，由脂肪酸和甘油的脫水反應產生而成。脂肪酶能催化脂類的酯鍵的水解反應，使三酸甘油酯分解成甘油單脂和脂肪酸，如圖五左所示。水解反應產生的脂肪酸具有酸性，導致被檢驗的溶液之pH值下降，而使酚紅（phenol red）指示劑呈現黃色。酚紅在pH 8.2以上呈現紅色，在酸在pH 6.8以下呈現黃色，此檢驗的實驗組呈現黃色，視為陽性反應，如圖五右所示，這與對照組的紅色不同。   圖五：三酸甘油酯（Triglyceride）分解成甘油單脂（monoglyceride）和脂肪酸（fatty acids）（左）；呈現黃色視為含有脂肪酶的陽性反應（右） （圖片來源：http://goo.gl/fBhY4cl（左）） 四、  過氧化氫分解酶（Catalase） 過氧化氫分解酶催化過氧化氫分解成氧氣和水的酵素，有冒泡的現象（氧氣產生）視為陽性反應，如圖六所示。 圖六：右邊有冒泡的現象視為陽性反應 n  藥品、器材及配製試劑 一、  藥品和器材（全班用量） 吹風機 1支╱兩組、棉花棒 1盒、眼藥水瓶（10-15 mL） 7瓶╱組、塑膠杯 4個、澱粉 少許、蛋白 少許、植物油 少許；配製試劑的藥品及其用量如下所示。 […]