生物電化學(xué)全解

生物電化學(xué)全解第1頁/共119頁內(nèi)容簡介

電化學(xué)與生物的關(guān)系細胞膜電位細胞電化學(xué)的研究進展蛋白質(zhì)的電化學(xué)生物相關(guān)物質(zhì)的電化學(xué)生物燃料電池電化學(xué)生物傳感器生物功能與電化學(xué)第2頁/共119頁序

電鰻

第3頁/共119頁序

電鰻發(fā)電

第4頁/共119頁序電鰩第5頁/共119頁第1章電化學(xué)與生物的關(guān)系

生物體的電現(xiàn)象生物反應(yīng)與電化學(xué)反應(yīng)的關(guān)系生物電化學(xué)

第6頁/共119頁生物體的電現(xiàn)象細胞膜結(jié)構(gòu)模式圖第7頁/共119頁生物體的電現(xiàn)象為什么要進行單細胞水平檢測?單個細胞中的組分分析，是在細胞水平上了解生化反應(yīng)的基本要求。單細胞特點：體積小、組分復(fù)雜、含量極微。分析要求：高選擇、高靈敏、快響應(yīng)、超小體積。單細胞水平檢測第8頁/共119頁生物體的電現(xiàn)象

超微直徑<100m

材料：鉑、金、碳纖維；

形狀：微盤、微環(huán)、微球、組合等。

基本特征

（1）極小的電極半徑

（2）雙電層充電電流很小

（3）平衡時間斷，響應(yīng)快

單細胞檢測手段:超微電極

ultramicroelectrode第9頁/共119頁細胞膜電位測量示意圖60-110mV實驗表明：依靠神經(jīng)細胞膜電勢的變化可傳遞神經(jīng)細胞刺激；肌肉細胞膜電勢的變化能引起肌肉的收縮。人的思維以及通過視覺、聽覺和觸覺器官接受外界刺激的各種感覺，這些過程均與膜電勢的變化有關(guān)。

生物體的電現(xiàn)象第10頁/共119頁生物體的電現(xiàn)象：由細胞膜電勢產(chǎn)生的電流稱為生物電。刺激青蛙腿部肌肉可產(chǎn)生收縮電流向日葵的向陽運動；含羞草受到?jīng)_擊葉片閉合，刺激嚴重甚至葉柄下垂等心電圖腦電圖監(jiān)測骨架肌肉細胞電活性的肌動電流圖血液凝固問題齲病即“蟲牙”生物體的電現(xiàn)象第11頁/共119頁生物體表面測定到的生物體的電現(xiàn)象生物體電現(xiàn)象頻率（Hz）電壓（V）測定部位腦波（EEG）心電（ECG）皮膚電反射（PGP）筋電（EMG）0.5~600.1~2000.03~105~100010-6~10-410-310-4~10-310-5~10-2頭皮上四肢和胸部手掌體表生物體的電現(xiàn)象第12頁/共119頁

解釋電現(xiàn)象

電壓、電流的產(chǎn)生可以有兩種途徑:生物體的電現(xiàn)象1在發(fā)電機中發(fā)生的過程

電化學(xué):即通過氧化-還原反應(yīng)，可以把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能

因此這些電現(xiàn)象的本質(zhì)一定是電化學(xué)的，一定可以用電化學(xué)的理論、方法和實驗對其進行研究。

第13頁/共119頁

可以把細胞膜（cellmembrane）內(nèi)酶的反應(yīng)看作是固體/液相界面上發(fā)生的電極反應(yīng)。

1）兩者均屬于非均相反應(yīng)。

2）無論是細胞膜還是電極表面均帶電荷。

3）生物體內(nèi)反應(yīng)的pH值、離子強度和溫度等條件與電化學(xué)反應(yīng)時常用的條件類似。

所以進行氧化-還原的酶粒子的反應(yīng)完全可以認為是一種有電子遷移過程的電化學(xué)反應(yīng)。

生物反應(yīng)與電化學(xué)反應(yīng)的關(guān)系第14頁/共119頁

以生物體系的研究及其控制和應(yīng)用為目的，并融合了生物學(xué)、電化學(xué)和化學(xué)等多門學(xué)科交叉而形成的一門獨立的學(xué)科。是在分子水平上研究生物體系荷電粒子(還可能包括非荷電粒子)運動過程所產(chǎn)生的電化學(xué)現(xiàn)象的科學(xué)。

生物電化學(xué)第15頁/共119頁生物電化學(xué)第16頁/共119頁

1、電化學(xué)在生物體中的探索，即用電化學(xué)手段研究生物體。

2、電化學(xué)在生物體中的應(yīng)用，這部分不僅只包括生物體內(nèi)的反應(yīng)、生物體的機理和生物體物質(zhì)的利用，還包括生物體的模擬。

生物電化學(xué)生物電化學(xué)的研究領(lǐng)域第17頁/共119頁生物電化學(xué)

生物體系和生物界面的電位生物分子電化學(xué)

生物電催化

光合作用

活組織電化學(xué)

生物技術(shù)中的電化學(xué)技術(shù)

目前正在開展的研究第18頁/共119頁

道南（Donnon）理論

（唐南理論）液接電位理論

第2章細胞膜電位第19頁/共119頁

主要是由于實驗對象（細胞）太小。細胞是一個生命體，故任何微電極或毛細管導(dǎo)入到細胞內(nèi)部，即使沒有完全殺死細胞，也在相當程度上破壞了細胞內(nèi)原有自然結(jié)構(gòu)。研究細胞膜電位存在的困難第2章細胞膜電位第20頁/共119頁細胞膜是半透膜濃度差導(dǎo)致K+從左到右擴散電場作用阻止K+從左到右擴散兩種作用平衡時，在膜的兩邊也建立起一個平衡的電位差，這個電位差就是細胞膜電位。ex:細胞外in：細胞內(nèi)唐南理論第21頁/共119頁唐南理論存在的問題：A）膜兩邊達到平衡時，意味著過程的終止，包括生命過程。當細胞中的一切生物過程還在進行時，它決不會處于平衡狀態(tài)。B）無法解釋Na+的作用。Na+和K+具有相同的電荷，應(yīng)該對細胞膜電位產(chǎn)生相似的影響效果。

1940年，希匹爾（Heppel）證實，細胞膜對鈉離子確實也是可滲透的，因而道南電位的方程應(yīng)改為：唐南理論第22頁/共119頁

液體接界電位是指當兩個不同的電解質(zhì)溶液（濃度或離子種類不同）接觸時，在兩個溶液接界處會產(chǎn)生一個電位差，這個電位稱為液體接界電位。產(chǎn)生這個電位的原因是不同離子的擴散速率不同。

H+遷移的速率比Cl-快；電場作用加速Cl-遷移速率，降低H+遷移的速率。最后在某一電位差下，兩種離子的遷移速率相等，此電位差即為液接電位。液接電位理論第23頁/共119頁

把液接電位的概念應(yīng)用到一個生物細胞，則得到霍奇金-赫克斯利(Hodgkin-Huxley)公式：式中：C

為細胞膜電位

PK+、PNa+

、PCl-分別代表K+、Na+、Cl-通過細胞膜的可滲透性，其取值為0或1

C為離子濃度（確切說應(yīng)用活度）

ex：細胞外，in：細胞內(nèi)液接電位理論第24頁/共119頁合理性：不僅解釋了靜止電位，而且解釋了作用電位產(chǎn)生的原因。該理論的不足之處:

有外界刺激時，為何增大？無法解釋。液接電位理論

靜止電位：

作用電位：

第25頁/共119頁

細胞化學(xué)組成的電化學(xué)研究細胞生物生理行為的電化學(xué)研究細胞分析傳感器

細胞的電場生化效應(yīng)及其應(yīng)用研究

展望第3章細胞電化學(xué)的研究進展第26頁/共119頁

細胞電化學(xué)是生物電化學(xué)的一個重要領(lǐng)域，它是以電化學(xué)的基本原理和實驗方法從整體上對細胞進行分析和表征，研究或模擬研究細胞荷電粒子或電活性粒子能量傳遞的運動規(guī)律及其與細胞功能的關(guān)系和對細胞功能的影響。

生物電化學(xué)產(chǎn)生后，相繼出現(xiàn)了蛋白質(zhì)電化學(xué)、核酸電化學(xué)、多聚糖電化學(xué)、酶電化學(xué)、細胞色素電化學(xué)等生物大分子電化學(xué)及具有生命意義的小分子電化學(xué)

細胞電化學(xué)的研究進展第27頁/共119頁測算細胞內(nèi)離子濃度的方法：熒光探針、核磁共振、化學(xué)分析測定細胞內(nèi)自由離子活度的較好方法：離子敏感微電極（ISME：ionsensitivemicro-electrode）目前常用的ISME電極有：NH+4、Cl-、Na+、K+、H+、Mg+、

Ca+、HO-3、PO43-等微電極。

以上介紹說明采用電化學(xué)方法（微電極技術(shù)）可檢測細胞內(nèi)某些物質(zhì)的含量，從而為了解細胞的功能提供依據(jù)。細胞化學(xué)組成的電化學(xué)研究第28頁/共119頁

細胞電泳細胞介電行為

細胞的被動電子伏安行為細胞生物生理行為的電化學(xué)研究第29頁/共119頁細胞分析傳感器是指檢測和評價細胞的生物生理行為的傳感器，也稱CASCAS的種類：分析細胞代謝產(chǎn)物的CAS、介體燃料電池型傳感器、細胞伏安傳感器、細胞形態(tài)分析傳感器等。

細胞生長代謝過程中消耗O2，產(chǎn)生NH4+和CO2，使培養(yǎng)液的電導(dǎo)發(fā)生明顯變化。根據(jù)這些變化開發(fā)出了對細胞生長代謝進行動態(tài)監(jiān)測的CAS?；诜治黾毎x產(chǎn)物的CAS：細胞分析傳感器第30頁/共119頁

細胞生長：電刺激能改變細胞的生長。細胞膜通透性：外加短時強電脈沖能引起細胞膜形成微孔（電穿孔），另一方面半透性發(fā)生變化，增加了細胞膜的通透性。電化學(xué)療法：1983年，Nordenstrom首先報道電化學(xué)治療腫瘤臨床效果，開創(chuàng)了腫瘤的直接電化學(xué)療法。細胞的電場生化效應(yīng)及其應(yīng)用研究第31頁/共119頁電化學(xué)療法腫瘤組織細胞比正常組織細胞對周圍環(huán)境的變化更為敏感。直流電強制性地改變了腫瘤組織的微循環(huán)條件，產(chǎn)生一系列電生物化學(xué)變化，使癌細胞失去正常生存和增殖的必需條件，從而殺滅癌細胞，達到治療惡性腫瘤的目的，而對正常組織無明顯損壞，此法稱電醫(yī)療法第32頁/共119頁電化學(xué)療法電化學(xué)治療原理

正極釋放出質(zhì)子，H+在電場的作用下遷移、擴散，使pH值下降到1。處于酸性環(huán)境，使蛋白沉淀，產(chǎn)后酸性氯化血紅蛋白，使組織變黑。負極pH值升至14,使組織堿性化。造成正極脫水，負極水腫，脈管緊縮，循環(huán)障礙，使電化區(qū)組織內(nèi)水、電介質(zhì)、酸、堿以及酶系統(tǒng)發(fā)生巨大變化，造成腫瘤組織細胞失去正常的生存條件.第33頁/共119頁電化學(xué)療法顏色：10分鐘后見潰瘍的腫瘤組織由櫻紅變?yōu)闊o光澤，30分鐘開始萎縮，90分鐘淺紫，120分鐘深紫。腫瘤直徑在3cm內(nèi)者發(fā)黑。無破潰的腫瘤60一90分鐘見腫瘤表面皮膚萎縮。局部排氣排液：接受電化治療的所有組織，局部均出現(xiàn)明顯的排氣液現(xiàn)象。治療后5－10分鐘開始。負極首先排出淡黃色氣泡，隨之正極排出少量白色氣泡，二者隨著時間的推移逐漸增多，60一90分鐘達到高峰，潰瘍性腫瘤組織還可聞及大量似爆竹樣聲響，腫瘤組織則逐漸溶解。不管破潰或未破潰的腫瘤組織，均排出大量黑水，隨之瘤體縮小。第34頁/共119頁電化學(xué)療法

治療方法:

在腫瘤組織與正常組織交界處及其中央，按進針點局麻，然后插入特制的治療鉑電針，根據(jù)腫瘤的大小，按1根針能治療2－3cm間距腫瘤組織來計算布針格局，確定該病例需用電極針的根數(shù)。周圍接負極，中央接正極。一般周圍2－4－6－8－10根，中央1－2－4－6根不等。為盡量減少損傷皮膚，可采用斜形進針法.第35頁/共119頁電化學(xué)療法治療效果:近期療效

遠期療效

完全緩解：33.2%一年生存率：89.2%部分緩解：42.8%二年生存率：77.0％穩(wěn)定：14.4%三年生存率：56.0%進展：9.6%四年生存率：47.0%緩解:76.1%五年生存率：36.0%

第36頁/共119頁

分析技術(shù)的微型化與其它分析技術(shù)聯(lián)用,探討細胞的電極過程及機理

與超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料科學(xué)相結(jié)合，研制各種類型細胞傳感器

應(yīng)用量子力學(xué)、非線性動力學(xué)、混沌論和系統(tǒng)論等現(xiàn)代科學(xué)理論和方法構(gòu)建和完善細胞電化學(xué)的理論體系,在細胞層次上探討生命現(xiàn)象及本質(zhì)細胞電化學(xué)的發(fā)展方向第37頁/共119頁第4章蛋白質(zhì)電化學(xué)

對酶反應(yīng)的電化學(xué)理解方法利用媒體的酶的電極反應(yīng)金屬蛋白質(zhì)的電化學(xué)電泳與蛋白質(zhì)的分離第38頁/共119頁

如果在酶的反應(yīng)過程中發(fā)生消耗或生成物質(zhì)的電極反應(yīng)，通過測量和控制這些反應(yīng)物就可以知道酶的反應(yīng)進行與否，也就是通過對消耗或生成的物質(zhì)的測量和控制，來判定酶的反應(yīng)的狀況。

對酶反應(yīng)的電化學(xué)理解方法第39頁/共119頁蛋白質(zhì)的直接電化學(xué)蛋白質(zhì)或從蛋白質(zhì)中提取的活性中心部分只有與電極接觸，才能發(fā)生電極反應(yīng)

意義：對于理解和認識蛋白質(zhì)在生命體內(nèi)的電子轉(zhuǎn)移機制和生理作用具有重要意義，利用電極探討氧化還原蛋白質(zhì)與底物分子之間的電子傳遞過程,為制備生物傳感器提供實驗基礎(chǔ)。第40頁/共119頁缺陷：只有極少數(shù)氧化還原蛋白質(zhì)可在裸固體電極上表現(xiàn)出電化學(xué)活性。這主要是由于：多數(shù)蛋白質(zhì)的電活性基團被深埋在其多肽鏈的內(nèi)部,與電極表面距離較遠,很難與電極表面直接交換電子。蛋白質(zhì)在電極表面的取向往往不利于其電活性基團與電極之間的電子交換。某些雜質(zhì)在電極表面上的吸附或蛋白質(zhì)本身的吸附變性可能阻礙它們與電極間的直接電子轉(zhuǎn)移。蛋白質(zhì)的直接電化學(xué)第41頁/共119頁大分子的蛋白質(zhì)因其活性中心部分不能接近電極，不容易同電極進行電子的交換。利用媒體的酶的電極反應(yīng)受蛋白質(zhì)與電極直接連接方式缺陷的影響，人們不得不借助于某些具有電化學(xué)活性的媒介體來實現(xiàn)蛋白質(zhì)與電極之間間接的電化學(xué)反應(yīng)．

第42頁/共119頁采用一種媒體，可以滲入蛋白質(zhì)分子，并到達酶的活性中心部分，捕獲酶和電子，并把其輸送到電極上。把起到輸送上述電子作用的分子叫電子遷移媒體或稱作電子載體。

利用媒體的酶的電極反應(yīng)1977年,Hill等將4,4′-聯(lián)吡啶（一種促進劑,它本身在所研究的電位范圍內(nèi)是非電活性的）加入細胞色素c的溶液中,在金電極上得到了細胞色素c準可逆的循環(huán)伏安(CV)圖．自此以后,依靠采用促進劑來修飾電極表面,蛋白質(zhì)的直接電化學(xué)研究取得了很大進展．第43頁/共119頁

媒體分子的氧化還原電位；分子的形狀；親水性和疏水性；電荷狀態(tài)等；能夠接近酶的活性中心、進行電子相互傳遞。媒體的選擇：利用媒體的酶的電極反應(yīng)第44頁/共119頁酶反應(yīng)特性的表征

：米夏利斯常數(shù)和反應(yīng)速度：

無媒體時：

式中E、S、ES、P各表示酶、基質(zhì)、酶-基質(zhì)復(fù)合體、生成物令所以利用媒體的酶的電極反應(yīng)第45頁/共119頁若[S]》KS，則獲得最大的反應(yīng)速度當[S]與KS相等時，此時基質(zhì)的濃度稱作Michaelis常數(shù)，記作KM.。酶的活性的測定即為求和KM。利用媒體的酶的電極反應(yīng)所以第46頁/共119頁有媒體時：

相對于基質(zhì)的酶反應(yīng)的米夏利斯常數(shù)相對于媒體的酶反應(yīng)的米夏利斯常數(shù)利用媒體的酶的電極反應(yīng)第47頁/共119頁金屬蛋白質(zhì)是指生物體內(nèi)含有金屬離子的蛋白質(zhì)。

采用功能性電極(functionalelectrode)

能夠很容易地測定電極上快速的電子移動。細胞色素C的循環(huán)伏安曲線金屬蛋白質(zhì)的電化學(xué)第48頁/共119頁測量結(jié)果分析：

A)根據(jù)峰電流評價蛋白質(zhì)的擴散系數(shù)；根據(jù)氧化及還原峰電位的分離幅度與電位掃描速度的關(guān)系評定金屬蛋白質(zhì)在電極上的電子遷移速度常數(shù)；C)根據(jù)氧化還原峰電位的中點，可求得蛋白質(zhì)分子的氧化還原電位；D)從溶液中共存離子的種類、pH值和溫度對影響的研究中，可以獲得有關(guān)金屬蛋白質(zhì)構(gòu)造變化的信息和熱力學(xué)數(shù)據(jù)。

金屬蛋白質(zhì)的電化學(xué)第49頁/共119頁血紅蛋白的線性掃描曲線

血紅蛋白在微銀電極上有電流響應(yīng)；加入十二烷基硫酸鈉后，血紅蛋白峰電流明顯增大，峰形對稱，可直接用于血紅蛋白的分析測定（根據(jù)峰電流與濃度的關(guān)系）。金屬蛋白質(zhì)的電化學(xué)第50頁/共119頁等電點：把蛋白質(zhì)正負電荷數(shù)相等，整體帶電為零的pH值。堿性蛋白質(zhì)：在pH為7的中性溶液中帶正電荷的蛋白質(zhì)。酸性蛋白質(zhì)：在pH為7的中性溶液中帶負電荷的蛋白質(zhì)。

蛋白質(zhì)的分離方法：離子交換型色譜法電泳法

電泳與蛋白質(zhì)的分離第51頁/共119頁第5章生物相關(guān)物質(zhì)的電化學(xué)

神經(jīng)傳輸物質(zhì)的電化學(xué)

核酸的電化學(xué)

抗壞血酸的電化學(xué)響應(yīng)第52頁/共119頁幾種神經(jīng)傳輸物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)：神經(jīng)傳輸物質(zhì)的電化學(xué)第53頁/共119頁腎上腺素的電化學(xué)氧化還原反應(yīng)神經(jīng)傳輸物質(zhì)的電化學(xué)第54頁/共119頁神經(jīng)傳輸物質(zhì)的電化學(xué)例如：微電極插入動物腦內(nèi)進行活體伏安法通?？蓹z測的神經(jīng)遞質(zhì)有多巴胺、去甲腎上腺素、5羥色胺及其代謝產(chǎn)物微電極記錄骨髓切片上的單一神經(jīng)元活性第55頁/共119頁嘌呤和嘧啶的分子結(jié)構(gòu)

核酸的電化學(xué)第56頁/共119頁

核酸的堿基是電化學(xué)的活性部分。如果把DNA分子作某種程度的解旋改性，則同正常DNA相比，前者在電極上堿基容易與電極接觸，因而易發(fā)生還原反應(yīng)。據(jù)此可以評價DNA的改性程度。并在DNA改性溫度附近，核酸堿基的電化學(xué)還原電流急劇增大，這些事實表明，在電化學(xué)上檢測DNA因某種原因而引起的損傷程度是可能的。核酸的電化學(xué)第57頁/共119頁研究電極為玻碳電極抗壞血酸在玻碳電極表面上的CV曲線加入0.1mol/L聚吡咯

空白

抗壞血酸的電化學(xué)響應(yīng)第58頁/共119頁第6章生物燃料電池

生物體系中的能量轉(zhuǎn)化

生物燃料電池第59頁/共119頁

1965年笛爾答卡（Del.Duca）和福斯可（Fuscoe）將細胞膜電位的存在和細胞的代謝作用聯(lián)系起來，考慮活細胞是一個基本的生物燃料電池單元。

生物體系中的能量轉(zhuǎn)化第60頁/共119頁

細胞內(nèi)的葡萄糖相當于燃料電池的燃料，在細胞膜的內(nèi)表面氧化，構(gòu)成陽極；而空氣中的O2在細胞外表面還原，構(gòu)成陰極，細胞膜電位就是這個單元燃料電池的端電壓。

合理性分析：人體理論功率相當于145瓦能量轉(zhuǎn)化為機械功的兩種方式通過熱機通過電化學(xué)過程Bockris指出，在化學(xué)能到機械能的轉(zhuǎn)化中，生物系統(tǒng)觀察到的效率比熱學(xué)上期望的效率高得多。生物體系中的能量轉(zhuǎn)化第61頁/共119頁代謝反應(yīng)舉例：葡萄糖在FAD（葡萄糖氧化酶）存在下，由氧將其氧化為葡萄糖酸內(nèi)酯。

第一步：G+FAD+2H++2e-→FAD-H2+G1G=葡萄糖，G1=葡萄糖酸內(nèi)酯，F(xiàn)AD-H2=還原形式的FAD。

第二步：

FAD-H2+O2→FAD+H2O2

G和G1是一氧化還原對，F(xiàn)AD的兩種形態(tài)也是。

陽極：食物通過代謝作用被氧化；

陰極：氧氣被還原；

離子電流：通過電解質(zhì)溶液（在膜孔內(nèi)）傳遞電荷；

電子流：由蛋白質(zhì)或酶等大分子在兩個電極之間傳遞。

生物體系中的能量轉(zhuǎn)化第62頁/共119頁線粒體中代謝過程的化學(xué)鏈及電子傳遞鏈生物體系中的能量轉(zhuǎn)化第63頁/共119頁部分物質(zhì)的標準電極電位

生物體系中的能量轉(zhuǎn)化第64頁/共119頁該理論的進一步的證據(jù)1、生物體在代謝過程中產(chǎn)生的熱量，在一定環(huán)境下是和生物體的表面積成正比的，而不是和生物體的體積成正比。假如代謝過程是在溶液中進行的，顯然產(chǎn)生的熱量應(yīng)該和溶液的體積，即生物體的體積成正比。那么只有按照燃料電池機理，氧化過程和還原過程是細胞膜的界面上發(fā)生的，才容易理解代謝過程熱量和體表有關(guān)。2、在正常的代謝過程中，葡萄糖轉(zhuǎn)化為乳酸酯儲藏在體內(nèi)，這是符合經(jīng)典的化學(xué)反應(yīng)平衡移動原理的。因為整個反應(yīng)的平衡大大地傾向于生成乳酸酯。但當生物體處于饑餓狀態(tài)時，乳酸酯又很容易地變?yōu)槠咸烟?，這是違背平衡移動原理的。只有通過電化學(xué)的機理，才能合理解釋這種現(xiàn)象

生物體系中的能量轉(zhuǎn)化第65頁/共119頁細胞膜電位的影響因素：首先決定于細胞膜上代謝產(chǎn)物氧化和氧氣還原的電極電位以及這些反應(yīng)進行的速率；其次決定于溶液離子導(dǎo)電的電阻和由酶反應(yīng)組成的電子導(dǎo)體的電阻。研究發(fā)現(xiàn)：細胞膜電位的位移和通過細胞膜電流密度對數(shù)之間滿足直線關(guān)系，平均斜率接近0.12，且排除了隨后轉(zhuǎn)化步驟。表明生物的代謝是一個由溶液中的反應(yīng)粒子和膜之間的單電子轉(zhuǎn)移控制的反應(yīng)。生物體系中的能量轉(zhuǎn)化第66頁/共119頁生物燃料電池的特點：①原料廣泛：利用一般燃料電池所不能利用的多種物質(zhì)作為燃料；②操作條件溫和：常溫、常壓、接近中性的環(huán)境中工作；③生物相容性：可放置入生物體內(nèi)部。

生物燃料電池第67頁/共119頁生物燃料電池的發(fā)展歷史：（1）1911年，英國植物學(xué)家Potter宣布利用微生物可以產(chǎn)生電流，生物燃料電池研究由此開始。（2）50年代，美國空間科學(xué)研究促進了生物燃料電池的發(fā)展，占主導(dǎo)地位的是間接微生物電池。（3）從60年代后期到70年代，直接生物燃料電池成為研究的中心。（4）進入80年代后，氧化還原介體的廣泛應(yīng)用，使生物燃料電池的輸出功率密度有了很大提高，顯示了它作為小功率電源的可能性。（5）90年代初，我國也開始了該領(lǐng)域的研究。

生物燃料電池第68頁/共119頁生物燃料電池的分類：按照使用催化劑形式分類：微生物燃料電池和酶燃料電池。根據(jù)電子轉(zhuǎn)移方式分類：直接生物燃料電池和間接生物燃料電池。

直接型生物燃料電池非常少見，使用介體的間接型電池占據(jù)主導(dǎo)地位。氧化態(tài)的小分子介體可以穿過細胞膜或酶的蛋白質(zhì)外殼到達反應(yīng)部位，接受電子之后的成為還原態(tài)，然后擴散到陽極上發(fā)生氧化反應(yīng)，從而加速生物催化劑與電極之間的電子傳遞，達到提高工作電流密度的目的。

生物燃料電池第69頁/共119頁①能夠被生物催化劑快速還原，并在電極上被快速氧化；②在催化劑和電極間能快速擴散；氧化還原電勢一方面要足以與生物催化劑相偶合，一方面又要盡量低以保證電池兩極間的電壓最大；④在水溶液系統(tǒng)中有一定的可溶性和穩(wěn)定性。

理想的介體應(yīng)具有下列特性：生物燃料電池第70頁/共119頁甲醇生物燃料電池工作原理示意圖：生物燃料電池第71頁/共119頁微生物燃料電池

：催化劑：各種微生物，經(jīng)常使用的有大腸桿菌等；燃料：葡萄糖或蔗糖；利用介體從細胞代謝過程中接受電子，并傳遞到陽極。

微生物電池對燃料的利用效率較低（40%～50%

），其原因是副反應(yīng)較多。生物燃料電池第72頁/共119頁酶燃料電池

：催化劑：酶，主要是脫氫酶和氧化酶；燃料：甲醇和葡萄糖；一般采用媒介體。生物燃料電池第73頁/共119頁生物燃料電池存在的問題與展望

：存在的問題：

輸出功率密度遠遠不能滿足實際要求；長期放置后使用的穩(wěn)定性差。制約生物燃料電池輸出功率密度的最大因素是電子傳遞過程。

Marcus和Sutin提出的理論認為：電子轉(zhuǎn)移速率由電勢差、重組能和電子供體與受體之間的距離決定。理論和實驗均表明，隨傳遞距離的增加，電子轉(zhuǎn)移速率呈指數(shù)下降的趨勢。

生物燃料電池第74頁/共119頁解決電子傳遞速率低的辦法：

使用氧化還原介體

采用直接電子傳遞

對酶分子的蛋白質(zhì)外殼進行修飾，使它能夠允許電子通過，然后再把修飾后的酶固定到電極上。直接用導(dǎo)電聚合物固定酶。導(dǎo)電聚合物就象是導(dǎo)線一樣，穿過蛋白質(zhì)外殼，將電極延伸至酶分子活性中心附近，大大縮短電子傳遞的距離，從而實現(xiàn)電子的直接傳遞。生物燃料電池第75頁/共119頁生物燃料電池舉例：酶生物燃料電池微生物生物燃料電池生物燃料電池第76頁/共119頁第7章電化學(xué)生物傳感器

概述

各類型生物電化學(xué)傳感器簡介

生物傳感器的應(yīng)用

第77頁/共119頁傳感器：通常由敏感（識別）元件、轉(zhuǎn)換元件、電子線路及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)附件組成。生物傳感器（biosensor）：指用固定化的生物體成分（酶、抗原、抗體、激素等）或生物體本身（細胞、細胞器、組織等）作為敏感元件的傳感器。電化學(xué)生物傳感器：指由生物材料作為敏感元件、電極（固體電極、離子選擇性電極、氣敏電極等）作為轉(zhuǎn)換元件，以電勢或電流為特征

檢測信號的傳感器。

有關(guān)概念：概述第78頁/共119頁電化學(xué)生物傳感器的結(jié)構(gòu)：概述第79頁/共119頁電化學(xué)生物傳感器的分類：

根據(jù)敏感元件所用生物材料的不同進行分類：酶電極傳感器、微生物電極傳感器、電化學(xué)免疫傳感器、組織電極與細胞器電極傳感器、電化學(xué)DNA傳感器等。

高度的選擇性快速電化學(xué)生物傳感器的特點：概述第80頁/共119頁酶的固定化技術(shù)

：將酶固定在各種載體上，稱為酶的固定化技術(shù)。間接法：將酶先固定在載體上，再組裝在電極上。包埋法聚合物包埋法；LB膜（人工雙分子層脂膜）包埋法；雙層類脂膜包埋法；支撐液膜包埋法交聯(lián)法使用偶聯(lián)劑的共價結(jié)合法載體結(jié)合法吸附結(jié)合法；共價鍵合法固定方法直接法：將酶通過化學(xué)修飾方法直接固定在電極表面。各類型生物電化學(xué)傳感器簡介第81頁/共119頁聚合物包埋法：將酶等生物分子包埋并固定在高分子聚合物三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中。特點：

可在溫和實驗條件下進行；可操作性強；對酶活性影響??；包埋的生物組分濃度高；包埋的酶不容易泄露。各類型生物電化學(xué)傳感器簡介第82頁/共119頁共價鍵合法：將酶等生物分子通過共價鍵與電極表面結(jié)合，從而實現(xiàn)固定化。

特點：在低溫下進行；在低的離子強度和生理pH值條件下進行；固定化膜穩(wěn)定；各類型生物電化學(xué)傳感器簡介第83頁/共119頁酶傳感器的分類：氧電極型；過氧化氫電極型；離子電極型；氣體電極型。各類型生物電化學(xué)傳感器簡介第84頁/共119頁酶傳感器的結(jié)構(gòu)：各類型生物電化學(xué)傳感器簡介第85頁/共119頁酶傳感器的工作原理：（a）含有溶解氧的葡萄糖待測溶液一旦和傳感器上的載有的GOD膜接觸，將發(fā)生以下酶反應(yīng)，生成葡萄糖酸和過氧化氫，而消耗氧。（b）由于酶膜附近的氧量減少，所以到達鉑陰極的氧量也變少，最終導(dǎo)致氧還原電流變小。（c）氧還原電流減小的量與測定溶液中葡萄糖的濃度成正比各類型生物電化學(xué)傳感器簡介第86頁/共119頁酶傳感器發(fā)展的三個階段：1、第一代酶生物傳感器通過檢測產(chǎn)物過氧化氫濃度的變化或氧的濃度的消耗量來測定底物。缺點：

1）溶解氧的變化可能引起電極響應(yīng)的波動；

2）當溶解氧貧乏時，響應(yīng)電流明顯下降，影響檢出限；

3）生物傳感器響應(yīng)性能受溶液中pH值及溫度影響很大。各類型生物電化學(xué)傳感器簡介第87頁/共119頁酶傳感器發(fā)展的三個階段：

2、第二代酶生物傳感器即介體型酶生物傳感器，它是以媒介體修飾劑為基礎(chǔ)的電催化，在電極表面固定一層媒介體。特點：

1）測量濃度線性范圍較寬；

2）干擾少了。各類型生物電化學(xué)傳感器簡介第88頁/共119頁1）含有過渡金屬元素的化合物或配合物，通過過渡金屬的價態(tài)變化來傳遞電子。2）通過分子中的特殊官能團的結(jié)構(gòu)變化來傳遞電子，這些化合物的共同特點是都含有大π鍵的環(huán)及與環(huán)相聯(lián)的雙鍵，這些雙鍵容易打開與再形成，電子的傳遞就是靠這些雙鍵打開與再形成得以實現(xiàn)的。媒介體作用機理：常見的媒介體：二茂鐵及其衍生物、釕及其化合物、鐵氰酸鹽、醌類、有機燃料、有機介體、有機導(dǎo)電鹽。

各類型生物電化學(xué)傳感器簡介第89頁/共119頁

3、第三代酶生物傳感器酶在電極上的直接電催化。

在理論上，酶與電極之間直接電子傳遞過程更接近生物氧化還原系統(tǒng)的原始模型，為揭示生物氧化還原過程的機理奠定了基礎(chǔ)；

在應(yīng)用方面，酶直接電化學(xué)的實現(xiàn)可用于發(fā)展人工心臟用的生物燃料電池。各類型生物電化學(xué)傳感器簡介第90頁/共119頁微生物傳感器：

將微生物(常用的主要是細菌和酵母菌)作為敏感材料固定在電極表面構(gòu)成的電化學(xué)生物傳感器稱為微生物電極傳感器。工作原理：1、利用微生物體內(nèi)含有的酶(單一酶或復(fù)合酶)系來識別分子；2、利用微生物對有機物的同化作用，通過檢測其呼吸活性(攝氧量)的提高，即通過氧電極測量體系中氧的減少間接測定有機物的濃度；3、通過測定電極敏感的代謝產(chǎn)物間接測定一些能被厭氧微生物所同化的有機物。特點：價格低廉、使用壽命長。存在問題：選擇性和長期穩(wěn)定性等還有待進一步提高。

各類型生物電化學(xué)傳感器簡介第91頁/共119頁電化學(xué)免疫傳感器：

電化學(xué)免疫傳感器就是利用抗體對相應(yīng)抗原具有唯一識別和結(jié)合功能將抗體或抗原和電極組合而成的檢測裝置。

分類：根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為直接型和間接型兩類。直接型：在抗體與其相應(yīng)抗原識別結(jié)合的同時將其免疫反應(yīng)的信息直接轉(zhuǎn)變成電信號。間接型：將抗原和抗體結(jié)合的信息轉(zhuǎn)變成另一種中間信息，然后再把這個中間信息轉(zhuǎn)變成電信號。各類型生物電化學(xué)傳感器簡介第92頁/共119頁組織電極與細胞器電極傳感器：

直接采用動植物組織薄片作為敏感元件的電化學(xué)傳感器稱組織電極傳感器。

酶活性及其穩(wěn)定性均比離折酶高；材料易于獲??；制備簡單；使用壽命長等。細胞器電極傳感器是利用動植物細胞器作為敏感元件的傳感器。

優(yōu)點：缺點：在選擇性、靈敏度、響應(yīng)時間等方面還存在不足。各類型生物電化學(xué)傳感器簡介第93頁/共119頁電化學(xué)DNA傳感器：

電化學(xué)DNA傳感器是利用單鏈DNA(ssDNA)或基因探針作為敏感元件固定在固體電極表面，加上識別雜交信息的電活性指示劑(稱為雜交指示劉)共同構(gòu)成的檢測特定基因的裝置。工作原理：

利用固定在電極表面的某一特定序列的ssDNA與溶液中的同源序列的特異識別作用(分子雜交)形成雙鏈DNA(dsDNA)(電極表面性質(zhì)改變)，同時借助一能識別ssDNA和dsDNA的雜交指示劑的電流響應(yīng)信號的改變來達到檢測基因的目的。存在的問題：主要是傳感器的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性、靈敏度等都還有待于提高。各類型生物電化學(xué)傳感器簡介第94頁/共119頁1、醫(yī)學(xué)和生理學(xué)研究2、工業(yè)流程和生物制品質(zhì)量檢測3、軍事和司法應(yīng)用4、農(nóng)業(yè)土壤研究5、農(nóng)業(yè)生物工程6、環(huán)境保護電化學(xué)生物傳感器的應(yīng)用第95頁/共119頁第8章生物功能與電化學(xué)

生物功能的檢測對刺激的電化學(xué)阻抗解釋細胞膜電穿孔材料的微生物腐蝕生物生長過程的控制用于生命科學(xué)的電化學(xué)技術(shù)生物體系中的振蕩現(xiàn)象生物電分析化學(xué)第96頁/共119頁檢測的依據(jù)：

生物體系通常是由含有離子的溶液和細胞膜組成的系統(tǒng)，它是一種以離子遷移為基礎(chǔ)的離子體系，因而作為電化學(xué)測量對象是很適宜的。檢測舉例：

生物體系神經(jīng)信號的傳遞。生物功能的檢測第97頁/共119頁檢測電路及檢測結(jié)果：生物功能的檢測第98頁/共119頁結(jié)果分析：細胞膜是一種選擇透過性膜，其對K+和Na+的滲透具有選擇性。

刺激前，膜只有K+通過，則PK+=1，PNa+=0；刺激后，K+不能透過，而Na+能透過，則PK+=0，PNa+=1；刺激前后，Cl-

的滲透性始終可看作0，即PCl-

=0。細胞膜內(nèi)外離子的濃度：細胞內(nèi)：CK+=400mmol/L，CNa+=50mmol/L;細胞外：CK+=10mmol/L，CNa+=450mmol/L生物功能的檢測第99頁/共119頁霍奇金-赫克斯利公式：靜止電位：動作電位（作用電位）：生物功能的檢測第100頁/共119頁動作電位的傳遞：

這種電流通過神經(jīng)細胞的傳遞是信息從體內(nèi)接受信號的神經(jīng)細胞傳遞到大腦的基本機制，同時說明這種傳遞機制在本質(zhì)上是電化學(xué)的。

生物功能的檢測第101頁/共119頁生物功能的檢測第102頁/共119頁生物體的阻抗

生物結(jié)構(gòu)具有電阻性質(zhì)，這是由于細胞內(nèi)外液中電解質(zhì)離子在電場中移動時通過粘滯的介質(zhì)和狹小的管道引起的。

低頻交流下,電阻可以分成不隨時間變化的分量和隨時間變化的分量。前者是普遍的歐姆電阻，遵從歐姆定律，反映了電流與電壓之間的線性關(guān)系。后者為非線性元件可分成對稱元件和非對稱元件。對稱元件主要是細胞膜的變阻器作用，非對稱元件是細胞膜的整流器作用。

對刺激的電化學(xué)阻抗解釋第103頁/共119頁各種離體組織的電阻率：組織電阻率/Ω·cm組織電阻率/Ω·cm血清70～78脾630全血160～230正常乳房430骨骼肌470～711乳癌170心肌207～224腎皮質(zhì)610肝506～672脂肪1808～2205肺（呼氣）401腦灰質(zhì)480（充氣）744～766白質(zhì)750對刺激的電化學(xué)阻抗解釋第104頁/共119頁

在位組織的阻抗不僅決定于其本身的電性質(zhì)，而且取決于血液的含量。因此可以通過阻抗的變化大致推測出器官的血流搏動量或描記出器官的血流搏動圖。1、青年人

2.3、中年人

4、老年人腦阻抗圖a）正常人

b）肝硬化和巨塊型肝癌肝阻抗圖

對刺激的電化學(xué)阻抗解釋第105頁/共119頁對刺激的電化學(xué)阻抗解釋：

生物組織對外界因素的作用能產(chǎn)生響應(yīng)。當外界作用達到閾值時，組織產(chǎn)生響應(yīng)，稱為興奮。神經(jīng)細胞和肌細胞的這種響應(yīng)較大，稱為可興奮細胞?？膳d奮細胞的興奮總是伴有跨膜電位的改變。用交流阻抗譜法測量細胞動作電位時細胞膜的跨膜電阻，可發(fā)現(xiàn)在動作電位發(fā)生的同時，跨膜電阻大大下降。細胞膜電阻的大小主要由膜對離子的滲透性決定。膜電阻減小說明膜對離子的滲透性增大。

對刺激的電化學(xué)阻抗解釋第106頁/共119頁Rna、RK：Na+的電阻和K+的電阻，反應(yīng)了膜對Na+和K+滲透的阻力；VNa、