Jacques MEREAUX Lycée Th. Aubanel AVIGNON

1. La centrale utilisée comme multimètre
2. L'expérimentation assistée par calculette ou ExAC
3. La photosynthèse, mise en évidence du rôle de certains facteurs
4. La cinétique enzymatique, étude de la glucose oxydase
5. Conclusion

La Centrale ou CBL (Calculated Based Laboratory) fonctionne avec des piles ce qui permet de l'emporter sur le terrain. Grâce à son propre écran d'affichage, les données peuvent être relevées par simple lecture et accessoirement stockées manuellement dans n'importe quelle calculette. Dans ce cas, il est possible d'exploiter ultérieurement les mesures à partir des fonctions mathématiques de la calculatrice.

La centrale dispose de 6 voies pour la connexion des capteurs. Trois voies analogiques (CH1, CH2 et CH3), une voie pour un détecteur de mouvements à ultrasons (SONIC), une voie d'entrée numérique (DIG IN) et une voie de sortie numérique (DIG OUT). Elle échantillonne les signaux électriques en provenance des capteurs, les stocke dans sa mémoire interne et fait le cas échéant des traitements numériques.

De nombreux capteurs adaptés à la CBL sont actuellement disponibles dans des domaines de mesures très variés : détecteur de mouvements à ultrasons, jauge de contrainte, pH-mètre, colorimètre, détecteur de champ magnétique, capteur de pression, baromètre, thermocouple, détecteur d'humidité relative, détecteur de rythme cardiaque, microphone, accéléromètre, capteur de lumière, capteur de température, capteur de tension électrique, capteur à dioxygène...

Les différents composants d'une chaîne d'acquisition ExAO se retrouvent en ExAC. Le dispositif de mesures comprend un capteur, une interface d'acquisition CBL, et une calculatrice TI-82 (ou modèle plus récent) et d'un logiciel de transfert d'informations, TI-Graph Link, qui permet éventuellement d'échanger des données ou des programmes entre la calculatrice et un ordinateur PC ou Macintosh. Pour les PC, TI graph link fonctionne sous DOS ou sous WINDOWS.

La calculatrice envoie les commandes à la CBL et récupère les données dans sa mémoire. Ces données peuvent être saisies en temps réel et être affichées au fur et à mesure de leur acquisition sous forme graphique sur l'écran de la calculatrice à une vitesse de 14 points par seconde. Cette limite dépend de la vitesse de communication entre la calculette et la centrale alors que la CBL peut capter des données avec un débit maximum de 10 000 points par seconde pour un maximum de 512 points par voie.

La suite de cette présentation vous illustre les possibilités de ce matériel d'acquisition de données et vous permettra de les comparer avec celles d'un matériel d'ExAO.

Le dispositif d'ExAC est représenté dans la figure 1. Avec la sonde à dioxygène il est recommandé de brancher la centrale CBL sur le secteur par l'intermédiaire d'un adaptateur pour éviter que les piles ne s'usent pendant la polarisation de la sonde qui nécessite une vingtaine de minutes. Le bioréacteur utilisé est dérivé des modèles déjà proposés par de nombreux collègues. Il est composé d'un pilulier de 15 ml dont le fond est aplani en coulant

de l'araldite pour permettre au turbulent de l'agitateur magnétique de tourner correctement. Son ouverture est munie d'un presse étoupe qui assure le passage de la sonde et l'étanchéité. Le pilulier est collé sur le fond d'un ramequin en verre avec de la colle spéciale contenant du méthacrilate d'hydroxypropyle et de l'acide acrylique. Les dimensions et la masse du ramequin permettent de récupérer le trop-plein du pilulier et d'assurer un contrepoids suffisant au maintien de la sonde oxymétrique sans être obligé de la fixer à une potence.

Figure 1

La sonde à dioxygène est une électrode de type Clark comparable à celle proposée par d'autres constructeurs mais la membrane paraît plus résistante et un petit orifice pratiqué dans la tête permet de compenser les surpressions éventuelles.

La calculette assure toutes les commandes grâce au programme CHEMBIO chargé dans sa mémoire. Après la polarisation de la sonde, la procédure d'étalonnage est identique à toutes les sondes. Une calibration par défaut est proposée mais il est possible de l'étalonner rigoureusement en faisant le zéro puis la pente en tenant compte de la pression atmosphérique, de la température et même de la salinité de l'eau. C'est en faisant la pente que l'on choisit les unités d'affichage en pourcentage de dioxygène atmosphérique ou en équivalent de dioxygène dissous dans l'eau et exprimé en mg.L^-1.

Ensuite, le programme CHEMBIO propose une série de menus dont celui de mesures qui permet de construire un graphe en temps réel. Après avoir validé cette fonction, il faut paramétrer les caractéristiques d'acquisition et de représentation graphique comme c'est le cas pour tous les logiciels genéralistes. L'intervalle de temps entre chaque mesure et le nombre de mesures à effectuer déterminent la durée totale de l'expérience. Notez que la TI-82 ne permet d'enregistrer que 99 mesures car elles sont stockées dans une liste limitée à 99 nombres mais pour la TI-83 et la TI-92 la taille des listes est beaucoup plus grande. Pour finir, il faut paramétrer l'axe des Y, pourcentage ou concentration en dioxygène, en indiquant le minimum (Ymin), le maximum (Ymax) et l'intervalle entre les graduations (Yscl). De toute façon, il sera toujours possible de redéfinir la taille de la fenêtre (WINDOW) en fin d'expérience. Les acquisitions peuvent alors commencer, tapons " ENTER ".

La figure 2 donne un exemple de graphique d'acquisition qui s'est affiché en temps réel sur l'écran de la calculette. On y retrouve les étapes classiques de ce type d'expérimentation avec les fragments d'Elodée successivement placés dans l'eau bouillie à l'obscurité, à la lumière, après injection de KHCO₃, à l'obscurité puis de nouveau à la lumière. La qualité d'affichage est celle de l'écran d'une calculette et il ne faut pas s'attendre à mieux mais il me semble que c'est largement suffisant pour aborder l'aspect qualitatif de la photosynthèse. L'éditeur de texte disponible dans la calculette permet d'afficher quelques renseignements comme le montre la figure 3. Cependant, la mémoire de la calculette ne permet pas de superposer deux enregistrements et une nouvelle acquisition entraîne automatiquement la perte des données à moins de les sauvegarder sur une autre calculette.

Pour illustrer d'autres possibilités de l'ExAC j'ai choisi l'étude de l'influence de la concentration en substrat sur la vitesse de la réaction enzymatique. Le principe de cette expérimentation est très simple et je vous renvoie à l'article de J.C. Biton " quelques utilisations d'un extrait enzymatique contenant de la glucose oxydase " paru en 1993 dans Biologie Géologie n° 2 du groupe de recherche de l'Académie d'Aix Marseille. Le montage expérimental est identique à celui de l'expérimentation précédente puisque cette enzyme oxyde le b -D-glucose en acide D-gluconique et en péroxyde d'hydrogène ce qui s'accompagne d'une consommation de dioxygène facilement mesurable avec une sonde oxymétrique.

Le tracé des courbes en fonction du temps ne présente pas beaucoup d'intérêt mais il est par contre plus judicieux de calculer des pentes ou plutôt des coefficients directeurs de droites d'action enzymatique qui ont les dimensions de la vitesse de la réaction. Le calcul de ces coefficients est facilité par la TI-82 car il est possible, après l'acquisition du graphique en fonction du temps, de tracer la droite idéale de consommation de dioxygène par la fonction " Line " du menu " DRAW ". Cette droite peut ensuite être parcourue par un curseur dont les coordonnées s'affichent au fur et à mesure. Après avoir relevé les coordonnées de deux points, grâce aux fonctions de calcul il est alors aisé de déterminer le coefficient directeur de cette droite. La figure 5 représente les pages écrans successivement affichées au cours du calcul de la vitesse de la réaction pour une concentration en glucose de 0,0025 M après l'injection de 10g.L^-1. La vitesse s'inscrit sur la dernière page, - 0,153 mg.L^-1.min^-1.

En fin d'expérimentation, la calculatrice pourra utiliser l'ensemble des données stockées dans les listes pour construire la courbe représentative de la cinétique. La figure 6 vous donne un exemple de courbe obtenue avec des solutions de glucose de 0.1 M, 0.05 M, 0.01 M, 0.005 M et 0.0025 M.

Pour aller plus loin, il est possible de traiter mathématiquement les données pour déterminer graphiquement la constante de Michaelis (Km). Les valeurs de 1/v et 1/S sont calculées automatiquement puis reportées dans deux autres listes pour obtenir le graphique de la figure 7. Dans ce graphique, la concentration en substrat [S] est un multiple de 10 et -1/Km est sensiblement voisin de - 11.ce qui fait que Km est égale à 1/110 = 9. 10^-3 M, ce qui semble correspondre à la valeur de 10^-2 M indiquée dans la littérature.

Figure 7

Pour terminer cette présentation, la figure 8 propose une superposition des courbes d'acquisition après traitement des données par Excel ce qui offre la possibilité de les comparer avec les tracés obtenus traditionnellement en ExAO.

Figure 8

Sans avoir la prétention de concurrencer les matériels d'ExAO qui nous sont maintenant si familiers, il m'est apparu intéressant de voir comment se comportait ce matériel que j'ai appelé par analogie " ExAC ". Cette approche semble montrer qu'il est relativement performant dans l'étude des phénomènes lents malgré le nombre relativement faible de points d'acquisition. Les notices affirment que les calculatrices plus récentes possèdent des listes plus importantes mais je n'ai pas pu de les tester. Cette recherche m'a permis de découvrir les remarquables performances des calculatrices programmables et disposant d'un écran graphique. Cet outil, que possède la majorité de nos élèves, peut donc être utilisé au laboratoire de S.V.T. en complément de l'ordinateur.

Pour terminer, j'ai découvert qu'un petit nombre de collègues de Physique-Chimie utilisent l'ExAC depuis son apparition sur le marché français. Il est certain que l'arrivée de nouveaux capteurs comme celui à dioxygène peut tenter certains d'entre nous d'envisager son acquisition surtout que son faible coût offre la possibilité de faire de l'expérimentation assistée même quand les crédits de fonctionnement du laboratoire sont insuffisants pour envisager l'achat d'un équipement plus lourd. Son autonomie électrique est également un atout supplémentaire.