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1、生物电化学 bioelectrochemistry,1 生物分子的电化学研究 2生物膜的电化学研究3 单个细胞的电化学研究4 电化学传感器,生物电化学,生物电化学是20世纪70年代由电生物学、生物物理学、生物化学以及电化学等多门学科交叉形成的一门独立的学科。是用电化学的基本原理和实验方法，在生物体和有机组织的整体以及分子和细胞两个不同水平上研究或模拟研究电荷（包括电子、离子及其他电活性粒子）在生物体系和其相应模型体系中分布、传输和转移及转化的化学本质和规律的一门新型学科。,生物电化学,在生命过程中,人和动物的代谢作用及各种生理现象大都与电流和电势的变化密切相关,并具体表现为无论是能量转换、神经
2、传导、光合作用、呼吸过程,还是基因遗传、疾病防治、药物体内释放等都伴随着电子的转移。作为一门研究电子(或半导体材料)离子以及离子离子导体界面性质变化过程与机理的科学,现代电化学已把生命过程中的电化学反应作为其重要的研究内容。同时,生命科学也把电化学方法作为重要的实验手段,尤其是伴随着近期两个学科在一些相关基础理论和实验方法方面所取得的进步,把两者结合起来进行研究更显出其优势,一生物分子的电化学研究,1.1的电化学研究脱氧核糖核酸作为所有生物的基本遗传物质,电化学方法在对其结构、形态分析和碱基序列确定,以及的损伤和基因诊断等研究领域都具有自身优势,同时也可为与其它各类金属离子、金属螯合物、小分子
3、物质等相互作用的机理研究提供依据,并在临床诊断上起着重要作用早期的工作主要是对基本电化学行为的研究,所用的电化学技术包括各种极谱、伏安方法、电位法、阻抗法和电化学发光法()等。的碱基能发生电化学氧化还原反应,对其在各种电极表面的吸附行为和电化学氧化还原行为的研究是另一个热点。,1.2蛋白质和酶的直接电化学,1 蛋白质的直接电化学氧化还原蛋白质和酶等生物大分子的直接电化学研究是生物电化学界和生物学界非常关注的热点问题。它的研究对于人们获得蛋白质和酶的热力学和动力学性质，深入认识蛋白质和酶等生物大分子在生命体内的生理作用以及开发新型生物传感器、新型生物燃料电池等生物电子器件具有重要的理论和应用指导
4、意义。从某种意义上讲，研究生命过程，实质上就是研究生物体中的电子传递过程,目前为止存在的问题：只有极少数氧化还原蛋白质可在裸固体电极上表现出电化学活性。这主要是由于：多数蛋白质的电活性基团被深埋在其多肽链的内部,与电极表面距离较远,很难与电极表面直接交换电子。蛋白质在电极表面的取向往往不利于其电活性基团与电极之间的电子交换。某些杂质在电极表面上的吸附或蛋白质本身的吸附变性可能阻碍它们与电极间的直接电子转移。,2 促进剂存在下的蛋白质的直接电化学 受蛋白质与电极直接连接方式缺陷的影响，人们不得不借助于某些具有电化学活性的媒介体来实现蛋白质与电极之间间接的电化学反应 1977年,Hill等将4,4
5、-联吡啶（一种促进剂,它本身在所研究的电位范围内是非电活性的）加入细胞色素c(Cyt,C)的溶液中,在金电极上得到了细胞色素c准可逆的循环伏安(CV)图 自此以后,依靠采用促进剂来修饰电极表面,蛋白质的直接电化学研究取得了很大进展,二 生物膜的电化学研究,生物体系中的许多过程发生在生物膜上,生物电的起因可归结为细胞膜内外两侧的电势差,生物体系中有关能量的传递以及其它一些过程多与生物膜上的电子转移和氧化、还原过程有关;生物膜的组成、结构、功能的复杂性,在原位进行现场的观测和研究是十分困难的,制备其模拟体系是进行各种研究的基础和前提,这使得生物膜和模拟生物膜的电化学研究受到人们的广泛关注。起初是用
6、循环伏安法和阶跃法研究电子的传递;后来结合交流阻抗等技术用于研究电子跨膜传递、膜电阻和膜电容以及修饰膜生物分子的电化学行为等的研究。,生物膜是生物机体研究中一个极为广泛的领域,膜现象几乎完全控制着离子、中性分子等在活细胞内、外的运输,离子运输形成的跨膜电位差反过来又可以调节物质运输。细胞膜电位差的存在导致细胞与外界(特殊分子)形成微电流环路,使细胞内外的信息得以交流,从而调节细胞功能。所以膜电位相当于细胞工作的一个天然电源,为信号的传导提供电子,是细胞内信息能量活动的源泉,生物膜特有的脂双分子层结构是属于生命的一种基本结构。用电化学的理论、方法和技术进行模拟生物膜功能的研究是认识生命活动的有效
7、途径，已成为生物电化学研究的热点.,生物膜的流动镶嵌模型的特点,有序性流动性不对称性,生物膜的电化学研究,三 电化学对单细胞水平的检测,单个细胞中的组分分析，是在细胞水平上了解生化反应的基本要求。单细胞特点：体积小、组分复杂、含量极微。分析要求：高选择、高灵敏、快响应、超小体积。,2023/7/20,微电极与超微电极 microelectrode and ultramicroelectrode,超微直径100m；活体分析；细胞中物质分析；材料：铂、金、碳纤维；形状：微盘、微环、微球、组合等。1.基本特征（1）极小的电极半径（2）双电层充电电流很小（3）平衡时间短，响应快2.应用 脑神经组织中多
8、巴胺、儿茶胺的实时监测。,如：微电极插入动物脑内进行活体伏安法 通常可检测的神经递质有多巴胺、去甲肾上腺素、5 羟色胺及其代谢产物,图：玻璃微电极记录骨髓切片上的单一神经元活性,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）响应而释放出神经递质就可以构成神经突触活动的简单模型,四、电化学生物传感器的信号转换器,离子选择电极 电位型电极 氧化还原电极电化学电极 电流型电极 氧电极,1、电位型电极,离子选择电极 离子选择电极是一类对特定的阳离子或阴离子呈选择性响应的电极，具有快速、灵敏、可靠、价廉等优点。在生物医学领域常直接用它测定体液中的一
9、些成分（例如H+，K+，Na+，Ca2+等）。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电位型电极。这里指的主要是零类电极。,2、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。电极的灵敏度比电位型电极的高。,氧电极,有不少酶特别是各种氧化酶和加氧酶在催化底物反应时要用溶解氧为辅助试剂，反应中所消耗的氧量就用氧电极来测定。此外，在微生物电极、免疫电极等生物传感器中也常用氧电极作为信号转换器，因此氧电极在生物传感器中用得很广。目前用得最多的氧电极是电解式的Clark氧电极，Clark氧电极是由铂阴极、Ag/AgCl阳极、KCl电解质和透气膜所构成。,谢谢,
