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1、生物生物电化学化学 bioelectrochemistry1 生物分子的生物分子的电化学研究化学研究 2生物膜的生物膜的电化学研究化学研究3 单个个细胞的胞的电化学研究化学研究4 电化学化学传感器感器1 生物生物电化学化学 生物生物电化学是化学是20世世纪70年代由年代由电生物生物学、生物物理学、生物化学以及学、生物物理学、生物化学以及电化化学等多学等多门学科交叉形成的一学科交叉形成的一门独立的独立的学科。是用学科。是用电化学的基本原理和化学的基本原理和实验方法，在生物体和有机方法，在生物体和有机组织的整体以的整体以及分子和及分子和细胞两个不同水平上研究或胞两个不同水平上研究或模模拟研究研究电
2、荷（包括荷（包括电子、离子及其子、离子及其他他电活性粒子）在生物体系和其相活性粒子）在生物体系和其相应模型体系中分布、模型体系中分布、传输和和转移及移及转化化的化学本的化学本质和和规律的一律的一门新型学科新型学科。2 生物生物电化学化学在生命在生命过程中程中,人和人和动物的代物的代谢作用及各种生理作用及各种生理现象大都与象大都与电流和流和电势的的变化密切相关化密切相关,并具体表并具体表现为无无论是能量是能量转换、神、神经传导、光合作用、呼吸、光合作用、呼吸过程程,还是基因是基因遗传、疾病防治、疾病防治、药物体内物体内释放等放等都伴随着都伴随着电子的子的转移。作移。作为一一门研究研究电子子(或半
3、或半导体材料体材料)离子以及离子离子以及离子离子离子导体界面性体界面性质变化化过程与机理的科学程与机理的科学,现代代电化学已把生命化学已把生命过程中的程中的电化学反化学反应作作为其重要的研究内容。同其重要的研究内容。同时,生命科生命科学也把学也把电化学方法作化学方法作为重要的重要的实验手段手段,尤其是伴尤其是伴随着近期两个学科在一些相关基随着近期两个学科在一些相关基础理理论和和实验方方法方面所取得的法方面所取得的进步步,把两者把两者结合起来合起来进行研究更行研究更显出其出其优势3一生物分子的一生物分子的电化学研究化学研究1.1的的电化学研究化学研究脱氧核糖核酸作脱氧核糖核酸作为所有生物的基本所
4、有生物的基本遗传物物质,电化学化学方法在方法在对其其结构、形构、形态分析和碱基序列确定分析和碱基序列确定,以及以及的的损伤和基因和基因诊断等研究断等研究领域都具有自身域都具有自身优势,同同时也可也可为与其它各与其它各类金属离子、金金属离子、金属螯合物、小分子物属螯合物、小分子物质等相互作用的机理研究提等相互作用的机理研究提供依据供依据,并在并在临床床诊断上起着重要作用断上起着重要作用早期的工作主要是早期的工作主要是对基本基本电化学行化学行为的研究的研究,所用的所用的电化学技化学技术包括各种极包括各种极谱、伏安方法、伏安方法、电位法、阻抗法和位法、阻抗法和电化学化学发光法光法()等。等。的碱基能
5、的碱基能发生生电化学氧化化学氧化还原反原反应,对其在各其在各种种电极表面的吸附行极表面的吸附行为和和电化学氧化化学氧化还原行原行为的的研究是另一个研究是另一个热点。点。41.2蛋白蛋白质和和酶的直接的直接电化学化学1 蛋白蛋白质的直接的直接电化学化学氧化氧化还原蛋白原蛋白质和和酶等生物大分子的直接等生物大分子的直接电化学研究化学研究是生物是生物电化学界和生物学界非常关注的化学界和生物学界非常关注的热点点问题。它的研。它的研究究对于人于人们获得蛋白得蛋白质和和酶的的热力学和力学和动力学性力学性质，深入，深入认识蛋白蛋白质和和酶等生物大分子在生命体内的生理作用以及等生物大分子在生命体内的生理作用以
6、及开开发新型生物新型生物传感器、新型生物燃料感器、新型生物燃料电池等生物池等生物电子器件子器件具有重要的理具有重要的理论和和应用指用指导意意义。从某种意。从某种意义上上讲，研究，研究生命生命过程，程，实质上就是研究生物体中的上就是研究生物体中的电子子传递过程程5 目前目前为止存在的止存在的问题：只有极少数氧化：只有极少数氧化还原原蛋白蛋白质可在裸固体可在裸固体电极上表极上表现出出电化学活性。化学活性。这主要是由于：主要是由于：l多数蛋白多数蛋白质的的电活性基活性基团被深埋在其多被深埋在其多肽链的内部的内部,与与电极表面距离极表面距离较远,很很难与与电极表面极表面直接交直接交换电子。子。l蛋白蛋
7、白质在在电极表面的取向往往不利于其极表面的取向往往不利于其电活活性基性基团与与电极之极之间的的电子交子交换。l某些某些杂质在在电极表面上的吸附或蛋白极表面上的吸附或蛋白质本身本身的吸附的吸附变性可能阻碍它性可能阻碍它们与与电极极间的直接的直接电子子转移移。62 促促进剂存在下的蛋白存在下的蛋白质的直接的直接电化化学学 受蛋白受蛋白质与与电极直接极直接连接方式缺陷的影接方式缺陷的影响，人响，人们不得不借助于某些具有不得不借助于某些具有电化学活化学活性的媒介体来性的媒介体来实现蛋白蛋白质与与电极之极之间间接接的的电化学反化学反应 1977年年,Hill等等将将4,4-联吡吡啶（一一种种促促进剂,它
8、它本本身身在在所所研研究究的的电位位范范围内内是是非非电活活性性的的）加加入入细胞胞色色素素c(Cyt,C)的的溶溶液液中中,在在金金电极极上上得得到到了了细胞胞色色素素c准准可可逆逆的的循循环伏安伏安(CV)图 自自此此以以后后,依依靠靠采采用用促促进剂来来修修饰电极极表表面面,蛋蛋白白质的的直直接接电化化学学研研究究取取得得了了很很大大进展展 7二二 生物膜的生物膜的电化学研究化学研究 生物体系中的生物体系中的许多多过程程发生在生物膜上生在生物膜上,生物生物电的的起因可起因可归结为细胞膜内外两胞膜内外两侧的的电势差差,生物体系生物体系中有关能量的中有关能量的传递以及其它一些以及其它一些过程
9、多与生物膜程多与生物膜上的上的电子子转移和氧化、移和氧化、还原原过程有关程有关;生物膜的生物膜的组成、成、结构、功能的复构、功能的复杂性性,在原位在原位进行行现场的的观测和研究是十分困和研究是十分困难的的,制制备其模其模拟体系是体系是进行各种行各种研究的基研究的基础和前提和前提,这使得生物膜和模使得生物膜和模拟生物膜的生物膜的电化学研究受到人化学研究受到人们的广泛关注。起初是用循的广泛关注。起初是用循环伏安法和伏安法和阶跃法研究法研究电子的子的传递;后来后来结合交流阻合交流阻抗等技抗等技术用于研究用于研究电子跨膜子跨膜传递、膜、膜电阻和膜阻和膜电容以及修容以及修饰膜生物分子的膜生物分子的电化学
10、行化学行为等的研究。等的研究。8生物膜是生物机体研究中一个极生物膜是生物机体研究中一个极为广泛的广泛的领域域, 膜膜现象几乎完全控制着离子、中性分子等在活象几乎完全控制着离子、中性分子等在活细胞胞内、外的运内、外的运输,离子运离子运输形成的跨膜形成的跨膜电位差反位差反过来来又可以又可以调节物物质运运输。细胞膜胞膜电位差的存在位差的存在导致致细胞与外界胞与外界(特殊分子特殊分子)形成微形成微电流流环路路,使使细胞内胞内外的信息得以交流外的信息得以交流,从而从而调节细胞功能。所以膜胞功能。所以膜电位相当于位相当于细胞工作的一个天然胞工作的一个天然电源源,为信号的信号的传导提供提供电子子,是是细胞内
11、信息能量活胞内信息能量活动的源泉的源泉9生物膜特有的脂双分子生物膜特有的脂双分子层结构是构是属于生命的一种基本属于生命的一种基本结构。用构。用电化学的理化学的理论、方法和技、方法和技术进行模行模拟生物膜功能的研究是生物膜功能的研究是认识生命生命活活动的有效途径，已成的有效途径，已成为生物生物电化学研究的化学研究的热点点.10 生物膜的流动镶嵌模型的特点有序性流动性不对称性生物膜的生物膜的电化学研究化学研究11三三 电化学化学对单细胞水平的胞水平的检测单个个细胞中的胞中的组分分析，是在分分析，是在细胞水平上了解生化反胞水平上了解生化反应的基本要求。的基本要求。 单细胞特点：胞特点：体体积小、小、
12、组分复分复杂、含量极微。、含量极微。 分析要求：分析要求：高高选择、高灵敏、快响、高灵敏、快响应、超小、超小体体积。12 微微电极与超微极与超微电极极 microelectrode and ultramicroelectrode 超微超微直径直径100100 m m；活体分析；活体分析；细胞中物胞中物质分析；分析； 材料：材料：铂、金、碳、金、碳纤维； 形状：微形状：微盘、微、微环、微球、微球、组合等。合等。1.1.基本特征基本特征（1 1）极小的）极小的电极半径极半径（2 2）双）双电层充充电电流很小流很小（3 3）平衡）平衡时间短短，响，响应快快2.2.应用应用 脑神神经组织中多巴胺、儿茶
13、胺的中多巴胺、儿茶胺的实时监测。2024/8/11314如：微如：微电极插入极插入动物物脑内内进行活体伏安法行活体伏安法 通常可通常可检测的神的神经递质有多巴胺、去甲有多巴胺、去甲肾上腺素、上腺素、5 羟色胺及其代色胺及其代谢产物物 图：玻璃微电极记录骨髓切片上的单一神经元活性图：玻璃微电极记录骨髓切片上的单一神经元活性1516 生物的神经活动电信号的传导是生物的神经活动电信号的传导是包含着神经原之间某种化学物质包含着神经原之间某种化学物质的化学通讯利用电极的化学修的化学通讯利用电极的化学修饰表面电位（或脉冲）响应而释饰表面电位（或脉冲）响应而释放出神经递质就可以构成神经突放出神经递质就可以构
14、成神经突触活动的简单模型触活动的简单模型17181920四、电化学生物传感器的信号转换器四、电化学生物传感器的信号转换器 离子选择电极离子选择电极 电位型电极电位型电极 氧化还原电极氧化还原电极电化学电极电化学电极 电流型电极电流型电极 氧电极氧电极211、电位型电极、电位型电极 离子选择电极离子选择电极 离离子子选选择择电电极极是是一一类类对对特特定定的的阳阳离离子子或或阴阴离离子子呈呈选选择择性性响响应应的的电电极极，具具有有快快速速、灵灵敏敏、可可靠靠、价价廉廉等等优优点点。在在生生物物医医学学领领域域常常直直接接用用它它测测定定体液中的一些成分（例如体液中的一些成分（例如H+H+，K+
15、K+，Na+Na+，CaCa2+2+等）。等）。 氧化还原电极氧化还原电极氧化还原电极是不同于离子选择电极的另一类氧化还原电极是不同于离子选择电极的另一类电位型电极。这里指的主要是零类电极。电位型电极。这里指的主要是零类电极。222、电流型电极电流型电极 电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转换器的趋势日益增加，这是因为这类电极和电位型换器的趋势日益增加，这是因为这类电极和电位型电极相比有以下优点：电极相比有以下优点： 电极的输出直接和被测物浓度呈线性关系，不像电极的输出直接和被测物浓度呈线性关系，不像 电位型电极那样和被测物浓度的对数呈线性关系。电位
16、型电极那样和被测物浓度的对数呈线性关系。 电极输出值的读数误差所对应的待测物浓度的相电极输出值的读数误差所对应的待测物浓度的相 对误差比电位型电极的小。对误差比电位型电极的小。 电极的灵敏度比电位型电极的高电极的灵敏度比电位型电极的高。 23氧电极氧电极 有有不不少少酶酶特特别别是是各各种种氧氧化化酶酶和和加加氧氧酶酶在在催催化化底底物物反反应应时时要要用用溶溶解解氧氧为为辅辅助助试试剂剂，反反应应中中所所消消耗耗的的氧氧量量就就用用氧氧电电极极来来测测定定。此此外外，在在微微生生物物电电极极、免免疫疫电电极极等等生生物物传传感感器器中中也也常常用用氧氧电电极极作作为为信信号号转转换换器器，因因此氧电极在生物传感器中用得很广。此氧电极在生物传感器中用得很广。 目目前前用用得得最最多多的的氧氧电电极极是是电电解解式式的的ClarkClark氧氧电电极极，ClarkClark氧氧电电极极是是由由铂铂阴阴极极、Ag/AgClAg/AgCl阳极、阳极、KClKCl电解质和透气膜所构成。电解质和透气膜所构成。24谢谢25
