生物電化學(xué)ppt課件

1、生物電化學(xué)生物電化學(xué) bioelectrochemistry1 生物分子的電化學(xué)研討生物分子的電化學(xué)研討 2生物膜的電化學(xué)研討生物膜的電化學(xué)研討3 單個(gè)細(xì)胞的電化學(xué)研討單個(gè)細(xì)胞的電化學(xué)研討4 電化學(xué)傳感器電化學(xué)傳感器: 生物電化學(xué) 生物電化學(xué)是20世紀(jì)70年代由電生物學(xué)、生物物理學(xué)、生物化學(xué)以及電化學(xué)等多門學(xué)科交叉構(gòu)成的一門獨(dú)立的學(xué)科。是用電化學(xué)的根本原理和實(shí)驗(yàn)方法，在生物體和有機(jī)組織的整體以及分子和細(xì)胞兩個(gè)不同程度上研討或模擬研討電荷包括電子、離子及其他電活性粒子在生物體系和其相應(yīng)模型體系中分布、傳輸和轉(zhuǎn)移及轉(zhuǎn)化的化學(xué)本質(zhì)和規(guī)律的一門新型學(xué)科。: 生物電化學(xué)生物電化學(xué) 在生命過程中在生命過程

2、中,人和動(dòng)物的代謝作用及各種生理景人和動(dòng)物的代謝作用及各種生理景象大都與電流和電勢(shì)的變化親密相關(guān)象大都與電流和電勢(shì)的變化親密相關(guān),并詳細(xì)表現(xiàn)并詳細(xì)表現(xiàn)為無論是能量轉(zhuǎn)換、神經(jīng)傳導(dǎo)、光協(xié)作用、呼吸為無論是能量轉(zhuǎn)換、神經(jīng)傳導(dǎo)、光協(xié)作用、呼吸過程過程,還是基因遺傳、疾病防治、藥物體內(nèi)釋放等還是基因遺傳、疾病防治、藥物體內(nèi)釋放等都伴隨著電子的轉(zhuǎn)移。作為一門研討電子都伴隨著電子的轉(zhuǎn)移。作為一門研討電子(或半導(dǎo)或半導(dǎo)體資料體資料)離子以及離子離子以及離子離子導(dǎo)體界面性量變化離子導(dǎo)體界面性量變化過程與機(jī)理的科學(xué)過程與機(jī)理的科學(xué),現(xiàn)代電化學(xué)已把生命過程中的現(xiàn)代電化學(xué)已把生命過程中的電化學(xué)反響作為其重要的研討內(nèi)容

3、。同時(shí)電化學(xué)反響作為其重要的研討內(nèi)容。同時(shí),生命科生命科學(xué)也把電化學(xué)方法作為重要的實(shí)驗(yàn)手段學(xué)也把電化學(xué)方法作為重要的實(shí)驗(yàn)手段,尤其是伴尤其是伴隨著近期兩個(gè)學(xué)科在一些相關(guān)根底實(shí)際和實(shí)驗(yàn)方隨著近期兩個(gè)學(xué)科在一些相關(guān)根底實(shí)際和實(shí)驗(yàn)方法方面所獲得的提高法方面所獲得的提高,把兩者結(jié)合起來進(jìn)展研討更把兩者結(jié)合起來進(jìn)展研討更顯出其優(yōu)勢(shì)顯出其優(yōu)勢(shì):終身物分子的電化學(xué)研討終身物分子的電化學(xué)研討1.1的電化學(xué)研討的電化學(xué)研討脫氧核糖核酸作為一切生物的根本遺傳脫氧核糖核酸作為一切生物的根本遺傳物質(zhì)物質(zhì),電化學(xué)方法在對(duì)其構(gòu)造、形狀電化學(xué)方法在對(duì)其構(gòu)造、形狀分析和堿基序列確定分析和堿基序列確定,以及的以及的損傷和基因診

4、斷等研討領(lǐng)域都具有本損傷和基因診斷等研討領(lǐng)域都具有本身優(yōu)勢(shì)身優(yōu)勢(shì),同時(shí)也可為與其它各同時(shí)也可為與其它各類金屬離子、金屬螯合物、小分子物類金屬離子、金屬螯合物、小分子物質(zhì)等相互作用的機(jī)理研討提供根據(jù)質(zhì)等相互作用的機(jī)理研討提供根據(jù),并在臨床診斷上起著重要作用并在臨床診斷上起著重要作用早期的任務(wù)主要是對(duì)根本電化學(xué)早期的任務(wù)主要是對(duì)根本電化學(xué)行為的研討行為的研討,所用的電化學(xué)技術(shù)包括所用的電化學(xué)技術(shù)包括各種極譜、伏安方法、電位法、阻抗各種極譜、伏安方法、電位法、阻抗法和電化學(xué)發(fā)光法法和電化學(xué)發(fā)光法()等。等。的堿基能發(fā)生電化學(xué)氧化復(fù)原反的堿基能發(fā)生電化學(xué)氧化復(fù)原反響響,對(duì)其在各種電極外表的吸附行為對(duì)其

5、在各種電極外表的吸附行為和電化學(xué)氧化復(fù)原行為的研討是另一和電化學(xué)氧化復(fù)原行為的研討是另一個(gè)熱點(diǎn)。個(gè)熱點(diǎn)。:1.2蛋白質(zhì)和酶的直接電化學(xué)蛋白質(zhì)和酶的直接電化學(xué)1 蛋白質(zhì)的直接電化學(xué)蛋白質(zhì)的直接電化學(xué)氧化復(fù)原蛋白質(zhì)和酶等生物大分子的直接電氧化復(fù)原蛋白質(zhì)和酶等生物大分子的直接電化學(xué)研討是生物電化學(xué)界和生物學(xué)界非常關(guān)注的化學(xué)研討是生物電化學(xué)界和生物學(xué)界非常關(guān)注的熱點(diǎn)問題。它的研討對(duì)于人們獲得蛋白質(zhì)和酶的熱點(diǎn)問題。它的研討對(duì)于人們獲得蛋白質(zhì)和酶的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，深化認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)和酶等生熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，深化認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)和酶等生物大分子在生命體內(nèi)的生理作用以及開發(fā)新型生物大分子在生命體內(nèi)的生理作用以及開

6、發(fā)新型生物傳感器、新型生物燃料電池等生物電子器件具物傳感器、新型生物燃料電池等生物電子器件具有重要的實(shí)際和運(yùn)用指點(diǎn)意義。從某種意義上講，有重要的實(shí)際和運(yùn)用指點(diǎn)意義。從某種意義上講，研討生命過程，本質(zhì)上就是研討生物體中的電子研討生命過程，本質(zhì)上就是研討生物體中的電子傳送過程傳送過程: 目前為止存在的問題：只需極少數(shù)氧化復(fù)原蛋白質(zhì)目前為止存在的問題：只需極少數(shù)氧化復(fù)原蛋白質(zhì)可在裸固體電極上表現(xiàn)出電化學(xué)活性。這主要是由可在裸固體電極上表現(xiàn)出電化學(xué)活性。這主要是由于：于：多數(shù)蛋白質(zhì)的電活性基團(tuán)被深埋在其多肽鏈的內(nèi)部多數(shù)蛋白質(zhì)的電活性基團(tuán)被深埋在其多肽鏈的內(nèi)部,與與電極外表間隔較遠(yuǎn)電極外表間隔較遠(yuǎn),很難

7、與電極外表直接交換電子。很難與電極外表直接交換電子。蛋白質(zhì)在電極外表的取向往往不利于其電活性基團(tuán)與電蛋白質(zhì)在電極外表的取向往往不利于其電活性基團(tuán)與電極之間的電子交換。極之間的電子交換。某些雜質(zhì)在電極外表上的吸附或蛋白質(zhì)本身的吸附變性某些雜質(zhì)在電極外表上的吸附或蛋白質(zhì)本身的吸附變性能夠妨礙它們與電極間的直接電子轉(zhuǎn)移。能夠妨礙它們與電極間的直接電子轉(zhuǎn)移。:2 促進(jìn)劑存在下的蛋白質(zhì)的直接電化促進(jìn)劑存在下的蛋白質(zhì)的直接電化學(xué)學(xué) 受蛋白質(zhì)與電極直接銜接方式缺陷受蛋白質(zhì)與電極直接銜接方式缺陷的影響，人們不得不借助于某些具有的影響，人們不得不借助于某些具有電化學(xué)活性的媒介體來實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)與電化學(xué)活性的媒介體來

8、實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)與電極之間間接的電化學(xué)反響電極之間間接的電化學(xué)反響 1977年年,Hill等將等將4,4-聯(lián)吡啶一種聯(lián)吡啶一種促進(jìn)劑促進(jìn)劑,它本身在所研討的電位范圍它本身在所研討的電位范圍內(nèi)是非電活性的參與細(xì)胞色素內(nèi)是非電活性的參與細(xì)胞色素c(Cyt,C)的溶液中的溶液中,在金電極上得到了在金電極上得到了細(xì)胞色素細(xì)胞色素c準(zhǔn)可逆的循環(huán)伏安準(zhǔn)可逆的循環(huán)伏安(CV)圖圖 自此以后自此以后,依托采用促進(jìn)劑來修飾依托采用促進(jìn)劑來修飾電極外表電極外表,蛋白質(zhì)的直接電化學(xué)研討蛋白質(zhì)的直接電化學(xué)研討獲得了很大進(jìn)展獲得了很大進(jìn)展 :二二 生物膜的電化學(xué)研討生物膜的電化學(xué)研討 生物體系中的許多過程發(fā)生在生物膜上生物體

9、系中的許多過程發(fā)生在生物膜上,生物電的生物電的原因可歸結(jié)為細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)的電勢(shì)差原因可歸結(jié)為細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)的電勢(shì)差,生物體系生物體系中有關(guān)能量的傳送以及其它一些過程多與生物膜中有關(guān)能量的傳送以及其它一些過程多與生物膜上的電子轉(zhuǎn)移和氧化、復(fù)原過程有關(guān)上的電子轉(zhuǎn)移和氧化、復(fù)原過程有關(guān);生物膜的組生物膜的組成、構(gòu)造、功能的復(fù)雜性成、構(gòu)造、功能的復(fù)雜性,在原位進(jìn)展現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)在原位進(jìn)展現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)和研討是非常困難的和研討是非常困難的,制備其模擬體系是進(jìn)展各種制備其模擬體系是進(jìn)展各種研討的根底和前提研討的根底和前提,這使得生物膜和模擬生物膜的這使得生物膜和模擬生物膜的電化學(xué)研討遭到人們的廣泛關(guān)注。起初是用循

10、環(huán)電化學(xué)研討遭到人們的廣泛關(guān)注。起初是用循環(huán)伏安法和階躍法研討電子的傳送伏安法和階躍法研討電子的傳送;后來結(jié)合交流阻后來結(jié)合交流阻抗等技術(shù)用于研討電子跨膜傳送、膜電阻和膜電抗等技術(shù)用于研討電子跨膜傳送、膜電阻和膜電容以及修飾膜生物分子的電化學(xué)行為等的研討。容以及修飾膜生物分子的電化學(xué)行為等的研討。: 生物膜是生物機(jī)體研討中一個(gè)極為廣泛的領(lǐng)域生物膜是生物機(jī)體研討中一個(gè)極為廣泛的領(lǐng)域, 膜膜景象幾乎完全控制著離子、中性分子等在活細(xì)胞景象幾乎完全控制著離子、中性分子等在活細(xì)胞內(nèi)、外的運(yùn)輸內(nèi)、外的運(yùn)輸,離子運(yùn)輸構(gòu)成的跨膜電位差反過來離子運(yùn)輸構(gòu)成的跨膜電位差反過來又可以調(diào)理物質(zhì)運(yùn)輸。細(xì)胞膜電位差的存在導(dǎo)

11、致又可以調(diào)理物質(zhì)運(yùn)輸。細(xì)胞膜電位差的存在導(dǎo)致細(xì)胞與外界細(xì)胞與外界(特殊分子特殊分子)構(gòu)成微電流環(huán)路構(gòu)成微電流環(huán)路,使細(xì)胞內(nèi)使細(xì)胞內(nèi)外的信息得以交流外的信息得以交流,從而調(diào)理細(xì)胞功能。所以膜電從而調(diào)理細(xì)胞功能。所以膜電位相當(dāng)于細(xì)胞任務(wù)的一個(gè)天然電源位相當(dāng)于細(xì)胞任務(wù)的一個(gè)天然電源,為信號(hào)的傳導(dǎo)為信號(hào)的傳導(dǎo)提供電子提供電子,是細(xì)胞內(nèi)信息能量活動(dòng)的源泉是細(xì)胞內(nèi)信息能量活動(dòng)的源泉:生物膜特有的脂雙分子層構(gòu)造是生物膜特有的脂雙分子層構(gòu)造是屬于生命的一種根本構(gòu)造。用電屬于生命的一種根本構(gòu)造。用電化學(xué)的實(shí)際、方法和技術(shù)進(jìn)展?；瘜W(xué)的實(shí)際、方法和技術(shù)進(jìn)展模擬生物膜功能的研討是認(rèn)識(shí)生命擬生物膜功能的研討是認(rèn)識(shí)生命活

12、動(dòng)的有效途徑，已成為生物電活動(dòng)的有效途徑，已成為生物電化學(xué)研討的熱點(diǎn)化學(xué)研討的熱點(diǎn).: 生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型的特點(diǎn)有序性流動(dòng)性不對(duì)稱性生物膜的電化學(xué)研討生物膜的電化學(xué)研討:三三 電化學(xué)對(duì)單細(xì)胞程度的檢測(cè)電化學(xué)對(duì)單細(xì)胞程度的檢測(cè)單個(gè)細(xì)胞中的組分分析，是在細(xì)單個(gè)細(xì)胞中的組分分析，是在細(xì)胞程度上了解生化反響的根本要求。胞程度上了解生化反響的根本要求。 單細(xì)胞特點(diǎn)：?jiǎn)渭?xì)胞特點(diǎn)：體積小、組分復(fù)雜、含量極微。體積小、組分復(fù)雜、含量極微。 分析要求：分析要求：高選擇、高靈敏、快呼應(yīng)、超小高選擇、高靈敏、快呼應(yīng)、超小體積。體積。:2022-3-28 微電極與超微電極微電極與超微電極 microelectrod

13、e and microelectrode and ultramicroelectrodeultramicroelectrode 超微直徑超微直徑100100 m m；活體分析；細(xì)胞中物質(zhì)分析；活體分析；細(xì)胞中物質(zhì)分析； 資料：鉑、金、碳纖維；資料：鉑、金、碳纖維； 外形：微盤、微環(huán)、微球、組合等。外形：微盤、微環(huán)、微球、組合等。1.1.根本特征根本特征1 1極小的電極半徑極小的電極半徑2 2雙電層充電電流很小雙電層充電電流很小3 3平衡時(shí)間短，呼應(yīng)快平衡時(shí)間短，呼應(yīng)快2.2.運(yùn)用運(yùn)用 腦神經(jīng)組織中多巴胺、兒茶胺的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。腦神經(jīng)組織中多巴胺、兒茶胺的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。:如：微電極插入動(dòng)物腦內(nèi)進(jìn)展活體伏

14、安法如：微電極插入動(dòng)物腦內(nèi)進(jìn)展活體伏安法 通?？蓹z測(cè)的神經(jīng)遞質(zhì)有多巴胺、去甲腎上腺素、通?？蓹z測(cè)的神經(jīng)遞質(zhì)有多巴胺、去甲腎上腺素、5 羥色胺及其代謝產(chǎn)物羥色胺及其代謝產(chǎn)物 圖：玻璃微電極記錄骨髓切片上的單一神經(jīng)元活性圖：玻璃微電極記錄骨髓切片上的單一神經(jīng)元活性: 生物的神經(jīng)活動(dòng)電信號(hào)的傳導(dǎo)是包含著神生物的神經(jīng)活動(dòng)電信號(hào)的傳導(dǎo)是包含著神經(jīng)原之間某種化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)通訊利用經(jīng)原之間某種化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)通訊利用電極的化學(xué)修飾外表電位或脈沖呼應(yīng)電極的化學(xué)修飾外表電位或脈沖呼應(yīng)而釋放出神經(jīng)遞質(zhì)就可以構(gòu)成神經(jīng)突觸活而釋放出神經(jīng)遞質(zhì)就可以構(gòu)成神經(jīng)突觸活動(dòng)的簡(jiǎn)單模型動(dòng)的簡(jiǎn)單模型:四、電化學(xué)生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器四

15、、電化學(xué)生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器 離子選擇電極 電位型電極 氧化復(fù)原電極電化學(xué)電極 電流型電極 氧電極:1、電位型電極、電位型電極 離子選擇電極離子選擇電極 離子選擇電極是一類對(duì)特定的陽離子或陰離子選擇電極是一類對(duì)特定的陽離子或陰離子呈選擇性呼應(yīng)的電極，具有快速、靈離子呈選擇性呼應(yīng)的電極，具有快速、靈敏、可靠、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域敏、可靠、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常直接用它測(cè)定體液中的一些成分例如常直接用它測(cè)定體液中的一些成分例如H+，K+，Na+，Ca2+等。等。 氧化復(fù)原電極氧化復(fù)原電極氧化復(fù)原電極是不同于離子選擇電極的另氧化復(fù)原電極是不同于離子選擇電極的另一類電位型電極。這里指的主要是零類電一類電位型電極。這里指的主要是零類電極。極。:2、電流型電極 電化學(xué)生物傳感器中采用電流型電極為電化學(xué)生物傳感器中采用電流型電極為信號(hào)轉(zhuǎn)換器的趨勢(shì)日益添加，這是由于這類信號(hào)轉(zhuǎn)換器的趨勢(shì)日益添加，這是由于這類電極和電位型電極相比有以下優(yōu)點(diǎn)：電極和電位型電極相比有以下優(yōu)點(diǎn)： 電極的輸出直接和被測(cè)物濃度呈線性關(guān)系，電極的輸出直接和被測(cè)物濃度呈線性關(guān)系，不像不像 電位型電極那樣和被測(cè)物濃度的對(duì)數(shù)電位型電極那樣和被測(cè)物濃度的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。呈線性關(guān)系。 電極輸出值的讀數(shù)誤差所對(duì)應(yīng)的待測(cè)物濃電極輸出值的讀數(shù)誤差所對(duì)應(yīng)