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1、电化学在诊断和治疗的器件的应用摘要：本文主要介绍应用电化学方法诊断和治疗的器件，主要从生物燃料电池、FET和DNA生物传感器、利用电刺激传导的治疗方法、人工肾脏的电氧化除脲。关键词：生物燃料电池、FET生物传感器、DNA生物传感器、生物兼容性电极电刺激传导、血液透析、血液过滤、人工肾脏中的电氧化除脲.前言电化学是从研究电能和化学能的相互转换开始形成的。1791年，Galvani的 “青蛙试验”不仅为以后电化学学科的形成奠定了基础也首次揭示出电化学与生物学之间存在着密切的关系。进入20世纪70年代之后，电化学及其相关技术突破宏观和介观领域进入到微观世界，实现了可以在原子及分子水平上研究界面电荷传
2、递的行为。这些技术上的突破为在细胞及分子水平上深入理解和研究生命过程的化学本质创造了更多的机会与条件，使电化学在生命科学研究中的地位与作用日益突出。在此背景下，一门新的交叉学科生物电化学应运而生【1】。生物电化学是在20世纪70年代初由电生物学、生物物理学、生物化学、电生理及电化学等多门学科交叉形成的独立学科，其主要研究的内容是生物分子电化学、生物电催化、光合作用、活组织电化学、生物技术中的电化学技术等内容。随着生命科学特别是分子生物学和临床医学的发展，其研究开始对生命起源、癌症成因、遗传突变、药理机制、衰老过程等的研究，有关生物分子的检查和分子间作用机制的研究也就愈显重要。电化学作为重要的实
3、验手段，结合其自身的优点，尤其基于近期在光谱电化学等方面的研究进展，可以预计，电化学方法不仅在上面提到的几个方面的应用将得到加强，而且电化学方法对于研究生物体系或模拟某些生物过程中发生的重要生化反应，揭示生物体内的物质代谢和能量转换，发展高灵敏度和高选择性的生化分析方法和生物分子器件等都将有很大的应用前景【2】。应用电化学方法诊断和治疗的器件主要从生物燃料电池、FET生物传感器和DNA生物传感器、利用电刺激传导的治疗方法、人工肾脏中的电氧化除脲这四方面进行探讨和研究。1.生物燃料电池(biological fuel cell,BFC)【3】1.1生物燃料电池的原理与定义1.11生物燃料电池的原
4、理目前，正在研发的生物燃料电池种类很多，结构也有一定的差异，但其原理基本相似。原理：在生物燃料电池中，阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，反应过程中释放电子，电子经外电路由阳极流至阴极产生电流，通过生物代谢过程，不断向电解液里补充反应所需的各种离子，促进循环电路的电流不断产生。通常，生物燃料电池是利用微生物的细胞外酶和分离酶等作为催化剂，无需使用铂之类的贵金属催化剂，酶可以固定在固体电极的表面。1.1.2生物燃料电池的定义Palmore和Whitesides依据生物在生物燃料电池中的功能将其定义如下：生物燃料电池是一种燃料电池，其结构中至少有一部分是以酶为催化剂，以电化学方式将化学能转化为电能
5、的体系或装置。广义的生物燃料电池的定义如下：生物燃料电池是以酶或非酶蛋白质为催化剂，通过生物化学途径将化学能转化为电能的装置。广义的生物燃料电池的定义比较全面正确，但是，随着生物燃料电池技术的发展，其定义的外延也在不断扩大。因此，为了适应研究和发展的需要，可以对生物燃料电池做出以下定义：生物燃料电池是一种以生物电化学的方式将生物质的生物和化学能转化为电能的体系或装置，其中生物燃料电池的结构中至少有一部分以酶、非酶蛋白质活细胞或微生物为催化剂。1.2生物燃料电池的基本特点和分类1.2.1生物燃料电池的基本特点 生物燃料电池的基本特点主要有可持续性、维护成本低、安全性强、操作条件温和、良好的生物相
6、容性。 1.2.2生物燃料电池的基本分类 1985年，Higgins等依据生物燃料电池与传统电池和燃料电池的关系，将生物燃料电池分为以下三类：（1）在电化学装置内，微生物、活体生物细胞或转移酶将非活性物质转化为电化学活性物质的生物燃料电池。（2）在电化学装置中，微生物、活体生物细胞或酶还原再生燃料化合物，并进行电化学反应的再生燃料生物燃料电池。（3）在电化学装置内，微生物、活体生物细胞或酶在电极上作为催化剂，在电极表面进行电化学反应，并且直接传递电子的去极化型。由于生物燃料电池的分类很多，为了方便叙述，将采用生物催化剂来源和生物燃料提供的方式进行分类，而将生物燃料电池分为微生物型燃料电池、酶型
7、燃料电池和生物催化单元与燃料电池结合的耦合型燃料电池三大类。当然，随着生物燃料电池的发展其分类方法还将不断完善。1. 3生物燃料电池在电化学方面的应用 植入人体内的电化学系统能够完成生物学和医学研究，以及诊断和治疗各种任务。例如当心脏不能进行协同动作，而且病态从一部分区域漫延到大部分心肌，就会造成心脏停跳；在这种情况下，必须靠一个植入的心脏起搏器来拯救生命，这就要把人工脉冲传送给心脏，刺激它的功能活性。植入器件需要电源，Li/I2电池用于临床试验已有较好的效果，但若利用人体内的活性物质进行发电则更理想。按照燃料电池的原理，对“肉体物质”进行体内电化学能量转换，即直接将生物化学能转变为电能。使用
8、体内的氧和生物燃料如葡萄糖，在生理体液中启动燃料电池。葡萄糖是体内最重要的燃料，它在血液和体液中的含量接近1g/L。因为缺少可以迅速是葡萄糖定量氧化到CO2的催化系统，5W以上的功率的目标尚未达到，故人们更倾向于发展提供低功率的生物燃料电池，如心脏起搏器用的电池。Li/I2电池具有高能量密度和低自放电速率，用胶囊把它完成包封后可植入体内，临床寿命接近十年。这一突破使需求生物燃料电池的迫切性减少了，但是可把生物燃料电池应用到探测器，例如葡萄糖传感器。生物电功率的产生也是很有魅力的研究课题，例如植入的药物释放器所用的电源。2.FET生物传感器和DNA生物传感器21生物传感器的简介【4】自20世纪中
9、叶以来，随着人类生命本质、生命过程和生命体与其生存环境的信息交流的认识的不断深入，研究发展新的分析手段越来越重要。分析生物技术的一个重要领域便是生物传感器（biosensor）,它是一个典型的多学科交叉产物，结合了生命科学、分析化学、物理学和信息科学及其相关技术，能够对所需要检查的物种进行快速分析和追踪。生物传感器的出现，是科学家的兴趣和科学技术发展及社会发展需求多方面双驱动的结果，经过30多年的发展，已经成为一个涉及内容广泛、多学科介入和交叉、充满创新活力的领域。2.1.1生物传感器的原理和特点生物传感器的传感原理如图（1）所示，其结构包括两部分：生物敏感膜和换能器（又称一次仪表）。生物敏感
10、膜（biosensitive membrane）又称分子识别元件（molecular recognition element）,它们是生物传感器的关键元件，直接决定了传感器的功能和质量。生物传感器有多样性、无试剂分析、操作简便、快速、准确、易于联机、可以重复使用、连续使用、一次性使用等特点。可定量加工的电信号换能器生物敏感膜待分析物化学量或物理量变化 图（1）2.1.2生物传感器的基本概念与类型生物传感器的概念来源于Clark关于酶电极的描述，关键是传感器的构成中分子识别元件为具有生物活性的材料。Turner教授将它简化定义为：“生物传感器是一种精致的分析器件，它结合一种生物的或生物衍生的敏感
11、元件与一只理化换能器，能够产生间断或连续的数字电信号，信号强度与被分析物成比例”。这种描述如今已经被广泛接受。生物传感器的类型和命名方法较多且不尽统一，主要有两种分类法，即分支识别元件分类法和器件分类法。【5】根据分子识别元件的不同可以将生物传感器分为七大类，即酶传感器（enzyme sensor）、免疫传感器（immunosensor）、组织传感器（tissue sensor）、细胞传感器（organelle sensor）、核酸传感器（DNA/RNA sensor）、微生物传感器（microbial sensor）、分子印迹生物传感器（molecular imprinted biosens
12、or）。其中前分子印迹识别元件属于生物衍生物。器件分类法是根据所用换能器不同队生物传感器进行分类，主要包括电化学生物传感器（electrochemical biosensor）或生物电极（bioelectrode）、光生物传感器（optical biosensor）、热生物传感器（calorimetric biosensor或thermal biosensor）、半导体生物传感器（semiconduct biosensor）、电导/阻抗生物传感器（conductive/impedance biosensor）、声波生物传感器(acoustic wave biosensor)、微悬臂梁生物传感器
13、（cantilever biosensor）。依据生物传感器的特性还有一些命名或分类。如尺寸在微米级甚至更小的生物传感器称为微型生物传感器（micro biosensor）、纳米生物传感器（nano biosensor），这类传感器在活体测定方面有重要意义。凡是以分子之间特异识别并结合为基础的生物传感器统称为亲和生物传感（affinity biosensor），以免疫传感器、酶PZ生物传感器和SPR生物传感器为代表。能够同时测定两种以上指标或综合指标的生物传感器称为多功能传感器（multifunctional biosensor），如滋味传感器、嗅觉传感器、鲜度传感器、血液成分传感器等。有两种
14、以上不同的分子识别元件组成的生物传感器或采用两种或多种反应原理构成的生物传感器称为杂合生物传感器（hybridized biosensor），如多酶传感器、酶-微生物杂合传感器、电化学-热生物传感器等。关于个别生物传感器的命名，一般采用“功能+构成特征”的方法，以符合1975年国际化学和应用化学协会（IUPAC）分析化学分会分析命名委员的推荐方法。2.2 FET生物传感器（field-effect transistor biosensor）【6】 场效应晶体管（field-effect transistor，FET）是现代微电子学的主要组成部分，它是基于自由载流子向半导体中可控注入的有源器件。
15、2.2.1场效应生物传感器的原理场效应生物传感器主要有场效应管和感受器构成，感受器是具有分子识别功能的敏感膜，而场效应管则起着信号转换的作用。研究使用的生物敏感场效应管绝大部分为ISFET,采用该法测量时，为降低ISFET对恒压源的要求，应使其在饱和区工作。在ISFET的栅极固定生物敏感膜，连接参比电极并组成相应的测量电路，便构成了完整的场效应生物传感器。当敏感膜与待测物接触时，会发生特定反应，引起敏感膜局部pH或其他离子浓度发生变化，导致ISFET膜电位的改变，从而检测出待测物质的量。【7】2.2.2场效应生物传感器的分类（1）酶场效应管 酶场效应管是由ISFET的栅极表面上固定一层含酶物质构成的。它通过酶与底物之间高效、专一的反应能选择性测定分析物，是研究的最多的一种场效应管生物传感器。当分析底物与酶接触时，会发生反应生成新物质，并使敏感膜附近的离子浓度局部变化，导致电荷变化，产生依赖于分析底物浓度的电信号。在酶场效应管的研究中，绝大多数都是有H+ -离子敏场效应管构成。用于场效应管生物传感器研究的酶很多，如葡萄糖氧化酶、青霉素酶和乙酰胆碱酯酶等。检查对象主要是酶的相应底物或相关作用物，其中对葡萄糖、尿素和青霉素等的测定研究较多，检测甲醛、乙酰胆碱酯酶以及乳酸盐等方法也有研究。此外，利用一些毒物、重金属离
