なぜモノナトリウムリン酸塩はpH 7付近で効果的な緩衝剤なのでしょうか？

モノナトリウムリン酸塩はpH 7付近で効果的です。そのpKa範囲は6.8から7.2で、ターゲットpHと重なるためです。バッファーはpKaに近い場所で最も効果的で、弱酸と共役塩基が顕著な濃度で存在します。これにより、少量の酸や塩基が加えられてもpHの変化に耐えることができます。

モノナトリウムホスフェート緩衝液を調製する際のNaOHの役割は何ですか？

NaOHを滴下することで、全体的な緩衝液の組成を変えることなく、平衡を共役塩基である二ナトリウムリン酸塩にシフトさせます。未調整のモノナトリウムリン酸塩溶液は通常pH 4～6の範囲にあるので、NaOHはpH 7.0という目標値までpHを上げながら、緩衝液のpH変化に対する抵抗能力を維持します。

プロトン化された中性赤と脱プロトン化された中性赤は、色と光吸収においてどのように異なりますか？

中性赤のプロトン化形態は赤色で緑色の光を吸収し、脱プロトン化形態は黄色-オレンジ色で青紫色の光を吸収します。これらの異なる吸収波長により、研究者は吸収分光法を用いて様々なpH値での中性赤のイオン化状態を追跡することができます。

タンパク質への結合は中性赤の性質にどのように影響しますか？

タンパク質結合は中性赤の吸光度とpKaの両方を変化させます。リボフラビン結合タンパク質が中性赤に結合すると、pKaは約1単位増加し、結合したプロトン化された中性赤が遊離したプロトン化された中性赤よりも一桁弱い酸であることを示しています。

吸収スペクトルにおける等吸収点とは何ですか？

アイソスペクティックポイントは、pHに関わらず、すべての吸収スペクトルが1点で交差する波長です。この波長を記録することで、データの品質を確認し、テストされたpH範囲全体で中性赤のプロトン化形態と脱プロトン化形態の間のクリーンな移行を示すことができます。

吸光度データから中性赤のpKaをどのように決定しますか？

フリーおよび結合型の中性赤のλmaxにおける吸光度強度をpHに対してプロットします。最高吸光度値と最低吸光度値の間の中点を計算し、プロットされた線上でこの中点が現れるpHを求めます。そのpH値が化合物のpKaです。

分光光度測定中にキュベットを正しく扱うことが重要なのはなぜですか？

キュベットは、テクスチャーのある側面で保持し、測定前に透明な側面を拭いて清潔にしておく必要があります。これにより、正確な吸光度読み取りが確保されます。透明な側面は分光光度計の光ビームと一致している必要があります。適切な取り扱いにより、指紋や汚染物質による光の透過の妨げや結果の歪みを防ぎます。

バッファー

コンセプト講師用準備学生用手順

0 回視聴04:35 分

バッファーは、強酸や強塩基の添加に関係なく、システム内のpHを一定に保つために機能する溶液です。緩衝液がない場合、溶液に強酸または塩基を添加すると、pHが大幅に変化します。バッファーは日常生活で非常に重要です。たとえば、血液は緩衝液として機能し、7.8を超えるまたは6.8未満のpHは死に至る可能性があるため、7.35から7.45の間のpHを維持することができます。

では、バッファはどのように機能するのでしょうか?バッファーは、基本的に弱酸または弱塩基とその共役塩基または酸が互いに平衡状態にあるものです。たとえば、酢酸と酢酸ナトリウムで作られたバッファーを考えてみましょう。緩衝液には弱酸とその共役塩が含まれており、弱酸が解離して共役塩基アセテートを形成します。酢酸のKAが共役塩基のKBよりも高いため、溶液は酸性です。

解離定数KA_またはKBBは、水中での化合物の解離の平衡定数であるため、それぞれ酸または塩基の強度を定義することを忘れないでください。解離定数は、pK_a、またはK_aの負の対数として表すこともでき、pK_aが小さいほど酸が強くなります。同じことがpK_bにも当てはまり、pK_bが小さいほど、ベースは強くなります。

アセテートバッファーに戻ると、水酸化ナトリウムのような強塩基を追加すると、水酸化物イオンは溶液中に存在するヒドロニウムイオンと反応します。これにより、より多くの酢酸が水と反応して平衡状態に戻り、より多くのヒドロニウムイオンが形成されます。塩酸のような強酸を加えると、溶液中により多くのヒドロニウムイオンが形成されます。これらのイオンは酢酸イオンと反応して、より多くの酢酸を形成します。どちらの場合も、溶液のpHにはほとんど変化がありません。

各バッファーには、溶液をバッファーできる特定のpH範囲があることに注意してください。ここでは、酢酸バッファーの滴定曲線を示します。バッファリング範囲が強調表示されます。この領域はヘンダーソン・ハッセルバルヒの式によって決定され、緩衝液のpHは弱酸のKAと共役塩基と弱酸の比によって決定されることがわかります。

このpHから遠く離れると、バッファーの弱酸または弱塩基が枯渇し、pHをバッファーできなくなります。したがって、アプリケーション用のバッファーを選択するときは、pK_aが目的のpHに近いものを選択してください。

最後に、すべてのバッファーには緩衝能力、つまりpHが大幅に変化する前にバッファー溶液に添加できる酸または塩基の量に制限があります。たとえば、酢酸と酢酸ナトリウムの緩衝液に酸を加えすぎると、すべての酢酸イオンがプロトン化され、ヒドロニウムイオンが大量に蓄積されるため、pHが低下します。

同様に、塩基を添加しすぎると、すべての酢酸が脱プロトン化され、水酸化物イオンが大量に蓄積されるため、pHが上昇します。した

Print Procedure Steps

出典:米国ジョンズ・ホプキンス大学(米国メリーランド州)のSmaa Koraym

50 mM NaH₂PO₄ Buffer, pH 7

この実験の最初の部分では、pH 7.0 で緩衝したリン酸ナトリウム溶液を調製します。リン酸一ナトリウムは、共役塩基であるリン酸二ナトリウムを持つ弱酸です。未調整のリン酸ナトリウム溶液は、通常、pHが約4〜6です。

バッファーは、pKa(リン酸一ナトリウムに対して6.8〜7.2)の近くで最も効果的です。したがって、NaOHを使用して、バッファー平衡の全体的な組成を変更せずに、平衡を共役塩基に押し付けます。

実験を開始する前に、50 mM溶液を200 mL作るために必要なリン酸ナトリウムの質量を計算してください。

表1:50 mM NaH₂PO₄バッファー、pH 7.0の調製

NaH₂PO₄ = 119.98 g/mol のモル質量
溶液量(mL)	200
モル濃度(mM)	50
NaH_のモル2PO₄ (mol)
必要質量(mg)
1 M NaOH (mL) の初期容量
1 M NaOH (mL) の最終容量
NaOH使用量(mL)
必要な脱イオン水の量 (mL)

ここをクリックして表 1 をダウンロードしてください

。

まず、白衣、防滴安全メガネ、手袋など、必要な個人用保護具を着用してください。手記： ラボのこのセクションでは、腐食性で有毒なNaOHを使用しています。NaOHを注いで輸送する場合は注意してください。
250mLのプラスチック洗浄ボトルに脱イオン水を入れます。
2つの100mLビーカーにラベルを付けます。1つは中性水系廃棄物用、もう1つは塩基性水性廃棄物用です。
付属のバッファーを使用してpHメーターを校正します。完了したら、プローブをストレージソリューションに保管します。
風袋計量紙を使用し、きれいなヘラを使用して、計算に従って必要なリン酸ナトリウムの量を測定します。リン酸ナトリウムの正確な量をラボノートに記録します。手記： リン酸一ナトリウムは空気から水分を吸収するため、正確な測定値を得るために迅速に作業し、使い終わったら容器をしっかりと閉じてください。
リン酸ナトリウムを400mLのビーカーに入れ、実験室のワイプでヘラを掃除します。計量用紙と実験室用ワイプを捨ててから、ドラフトに戻ってください。
メスシリンダーを使用して、175mLの脱イオン水を測定します。リン酸ナトリウムのビーカーに水を注ぎ、マグネチックスターバーを追加します。
塩が完全に溶解し、溶液が均一になるまで溶液を攪拌します。通常、これには 2 分から 3 分かかります。
15mLの脱イオン水を測定し、ビーカーに注ぎます。溶液が再び均一になるまで攪拌を続けます(約1〜2分)。攪拌モーターをオフにしてください。
pHプローブを脱イオン水ですすぎ、攪拌子の上にあるセンサーで溶液にクランプします。
10 mLメスシリンダーとウォッチグラスを分注フードに持ってきて、10 mLの1 M NaOHを測定します。メスシリンダー内の正確な体積に注意してください。
NaOHを時計のガラスで覆い、慎重にドラフトに持っていきます。
リン酸一ナトリウム溶液の攪拌を再開します。pH測定値を監視しながら、使い捨てピペットを使用して、NaOHを攪拌溶液にゆっくりと滴下します。緩衝液のpHが7.0に達したら、ピペットに残っているNaOHをメスシリンダーに戻します。
バッファーに追加したNaOHの量を計算します。その容量を 10 mL から差し引いて、総溶液容量が 200 mL に達するためにバッファーに追加する必要がある脱イオン水の量を決定します。
別の10mLメスシリンダーで脱イオン水を測定し、それを攪拌液に加えてバッファーの作成を完了します。
pHセンサーを脱イオン水ですすぎ、保存溶液で満たされたキャップで覆い、プローブのプラグを抜くかオフにします。
250 mLのポリエチレンボトルを「50 mM リン酸ナトリウム緩衝液、pH 7.0」と表示してください。溶液からマグネチックスターバーを取り出します。
漏斗を使用して、ラベル付きのボトルに緩衝液を注ぎ、しっかりと蓋をします。

自由で束縛された中性赤の吸収分光法
バッファーは、特定のpH値で化合物を評価するために使用できます。このセクションでは、さまざまなバッファでインジケーターニュートラルレッドの吸光度スペクトルを記録します。ニュートラルレッドのプロトン化型は赤、脱プロトン型は黄橙色で、それぞれ緑と青紫の光を吸収します。したがって、酸性形態と塩基性形態は異なる吸収波長を有する。タンパク質の結合は、中性赤の特性を変化させ、その吸光度とpKaの両方を変化させます。

遊離中性赤色の吸光度スペクトルをいくつかのpH値で測定した後、溶液にリボフラビン結合タンパク質(RP)を添加し、吸光度を再度測定します。吸光度強度は濃度に関係しているため、ラボ後にスペクトルを使用して、自由赤と結合した中性赤のpKaを決定します。
- 実験ノートに次の表を描きます。キュベットに1から10までの番号を付け、使用する9つの緩衝液のpH値をリストアップします。10番目のキュベットは脱イオン水ブランクになります。 手記： 常にキュベットをテクスチャーのある側面で保持し、キュベットを分光光度計に入れる直前に透明な側面を拭いてください。透明な面を分光光度計の光線に合わせることを忘れないでください。
  表2:遊離および結合した中性赤の吸光度
  
  キュベット# バッファーpH 絶対 λ_max(Free NRH⁺) Abs. at λ_max (Bound NRH)
  1 5.0
  2 5.5
  3 6.0
  4 6.5
  5 7.0
  6 7.5
  7 8.0
  8 8.5
  9 11
  10 空白
  ここをクリックして表 2 をダウンロード
- 10個の1.5mLキュベットとキャップを用意し、実験ノートの表と一致するようにキャップ1から10にラベルを付けます。
- 25mLビーカーに「DIH2O」のラベルを付け、脱イオン水で満たします。
- 中性の水性廃棄物を排水溝に流し、ビーカーを「水性緩衝液」とラベル付けし直します。
- 使用済みのマイクロピペットチップ用の400mLビーカーにラベルを付けます。
- 1mLのマイクロピペットにチップを取り付け、それを使用して1000μLの脱イオン水をキュベット10に分注します。これがあなたの溶剤ブランクです。
- 925 μLのpH 7.0リン酸ナトリウム緩衝液をキュベット5に入れます。
- 残りの空のキュベットをバッファテーブルに持ってきます。ラボノートの表に従って、ラベル付きのマイクロピペットを使用して、各バッファー925μLを適切なキュベットに分注します。異なるバッファーに同じピペットチップを使用しないように注意してください。
- 完了したら、バッファをワークベンチに戻してください。そこで、200μLのマイクロピペットをセットして75μLを分注し、マイクロピペットにチップを取り付けます。
- 9つのバッファーキュベットのそれぞれに75μLの中性赤を分注します。各キュベットを数回反転させて、溶液を完全に混合します。手記： ピペットチップがバッファーに接触している場合は、元に戻してください。
- すべてのバッファーにニュートラルレッドを混ぜたら、写真を撮ったり、溶液の色を書き留め
  たりしてください。
- ハンドヘルド分光測色計の電源を入れ、光源がウォームアップするのを待ちます。準備ができたら、新しい実験を作成して、遊離中性赤の吸光度と波長を測定します。
- 脱イオン水のキュベットを挿入し、脱イオン水のスペクトルを取得します。溶剤の背景または空白として設定します。
- 次に、ブランクを取り外し、プロトン化中性赤の濃度が最も高い最も低いpH緩衝液に中性赤のキュベットを挿入します。
- スペクトルを取得します。これにより、1つの強いピークが表示されます。このピークの最高点または最大値に対応する波長を特定します。この波長をラボノートにラムダマックスとして記録し、プロトン化フリーニュートラルレッドにします。
- データを保存し、キュベットを取り外します。吸光度をノートに記録し、同じ手順でキュベット2〜9のスペクトルを収集します。
- ラボノートにアイソスベスト点の波長を記録します。これは、すべてのスペクトルが単一の波長で交差する場所です。その時点でスペクトルが交差しない場合は、キュベットを空にして清掃し、新しいサンプルを準備して、再試行してください。
- 9つのキュベットすべてのスペクトルの収集が終了したら、データを保存してエクスポートします。
- 新しい実験を作成して、バインドされたニュートラルレッドの吸光度と波長を測定します。
- 新しいチップを200μLのマイクロピペットに取り付け、ブランクを含む各キュベットに75μLのリボフラビン結合タンパク質溶液を追加します。先端を取り出し、キュベットキャップを固定し、キュベットを数回反転させて溶液を混合します。
- キュベット10を分光光度計に挿入し、それを溶媒ブランクとして設定します。
- 最も低いpHサンプルのスペクトルを取得し、最も強いピークの最大値に対応する波長を特定します。それをプロトン化結合ニュートラルレッドのラムダマックスとしてラボノートに記録します。
- キュベット2〜9のスペクトルを、無料の中性赤サンプルの場合と同じ方法で取得します。プロトン化結合ニュートラルレッドのラムダマックスでの強度を、等値化点の波長とともにテーブルに記録します。
- 完了したら、データを保存し、後で分析するためにエクスポートし、分光光度計をシャットダウンします。
- すべての機器を片付け、使用済みのピペットチップは承認された廃棄物容器またはゴミ箱に捨ててください。
- キュベットを水緩衝廃棄物ビーカーに空にし、脱イオン水でキュベットをビーカーにすすぎます。
- 余分なNaOHを塩基性廃棄物に空にし、メスシリンダーを水ですすいでください。
- 塩基性水系廃棄物を、他の水性廃棄物と一緒に大量の水道水で排水溝に流します。
- ガラス器具、キュベットキャップ、攪拌棒をラボの標準的な手順に従って洗ってください。湿らせたペーパータオルで作業面を清掃し、使用済みのペーパータオルやラボ用ワイプはラボのゴミ箱に捨てます。
>Results
次に、吸光度データを分析して、ニュートラルレッドのpKaを決定しましょう。

表3:ニュートラルレッドpKaの測定
の
無料のNRH⁺ バウンドNRH⁺
_{λ MAX} (nm)
ΔA電流 (nm)
中点 (nm)
pKa

ここをクリックして表3をダウンロード
- 両方の強度データのセットを、y軸のラムダmaxとx軸のpHの吸光度でプロットし、ポイントを滑らかな線で結合します。
- 各データ系列の開始吸光度と終了吸光度強度の差を計算します。
- 各系列の開始吸光度と終了吸光度の中間、または吸光度の中点を決定します。
- 各行で中点が発生する場所を見つけ、その点のpH値を特定します。これらのpH値は、遊離および結合した中性赤のpKaです。
- ここでは、遊離中性赤と結合中性赤の間でpKaが約1増加していることが分かります。これは、有界プロトン化中性赤が遊離プロトン化中性赤よりも一桁弱い酸であることを示しています。