生物电化学全解

电化学材料(cáiliào)与工程生物(shēngwù)电化学赵力第一页，共119页。1内容简介电化学与生物的关系(guānxì)细胞膜电位细胞电化学的研究进展蛋白质的电化学生物相关物质的电化学生物燃料电池电化学生物传感器生物功能与电化学第二页，共119页。2序电鳗(diànmán)第三页，共119页。3序电鳗(diànmán)发电第四页，共119页。4序电鳐第五页，共119页。5第1章电化学与生物(shēngwù)的关系生物体的电现象(xiànxiàng)生物反响与电化学反响的关系生物电化学第六页，共119页。6生物体的电现象(xiànxiàng)细胞膜结构(jiégòu)模式图第七页，共119页。7生物体的电现象(xiànxiàng)为什么要进行单细胞水平检测?单个细胞中的组分分析，是在细胞水平上了解(liǎojiě)生化反响的根本要求。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。单细胞水平(shuǐpíng)检测第八页，共119页。8生物体的电现象(xiànxiàng)超微直径<100m材料：铂、金、碳纤维；形状：微盘、微环、微球、组合等。根本特征〔1〕极小的电极(diànjí)半径〔2〕双电层充电电流很小〔3〕平衡时间断，响应快单细胞检测(jiǎncè)手段:超微电极ultramicroelectrode第九页，共119页。9细胞膜电位(diànwèi)测量示意图60-110mV实验说明：依靠神经细胞膜电势(diànshì)的变化可传递神经细胞刺激；肌肉细胞膜电势(diànshì)的变化能引起肌肉的收缩。人的思维以及通过视觉、听觉和触觉器官接受外界刺激的各种感觉，这些过程均与膜电势(diànshì)的变化有关。生物体的电现象(xiànxiàng)第十页，共119页。10生物体的电现象：由细胞膜电势(diànshì)产生的电流称为生物电。刺激青蛙腿部肌肉可产生收缩电流向日葵的向阳运动；含羞草受到冲击叶片闭合，刺激严重甚至叶柄下垂等心电图脑电图监测骨架肌肉细胞电活性的肌动电流图血液凝固问题龋病即“虫牙〞生物体的电现象(xiànxiàng)第十一页，共119页。11生物体外表测定(cèdìng)到的生物体的电现象生物体电现象频率（Hz）电压（V）测定部位脑波（EEG）心电（ECG）皮肤电反射（PGP）筋电（EMG）0.5~600.1~2000.03~105~100010-6~10-410-310-4~10-310-5~10-2头皮上四肢和胸部手掌体表生物体的电现象(xiànxiàng)第十二页，共119页。12解释(jiěshì)电现象电压、电流的产生可以有两种途径:生物体的电现象(xiànxiàng)1在发电机中发生(fāshēng)的过程电化学:即通过氧化-复原反响，可以把化学能转化为电能因此这些电现象的本质一定是电化学的，一定可以用电化学的理论、方法和实验对其进行研究。

第十三页，共119页。13可以把细胞膜〔cellmembrane〕内酶的反响看作是固体/液相界面上发生的电极反响。1〕两者均属于非均相反响。2〕无论是细胞膜还是电极外表均带电荷。3〕生物体内反响的pH值、离子强度和温度等条件与电化学反响时常用的条件类似。所以进行氧化-复原的酶粒子的反响完全可以认为是一种有电子(diànzǐ)迁移过程的电化学反响。生物(shēngwù)反响与电化学反响的关系第十四页，共119页。14以生物体系的研究及其控制和应用(yìngyòng)为目的，并融合了生物学、电化学和化学等多门学科交叉而形成的一门独立的学科。是在分子水平上研究生物体系荷电粒子(还可能包括非荷电粒子)运动过程所产生的电化学现象的科学。

生物(shēngwù)电化学第十五页，共119页。15生物(shēngwù)电化学第十六页，共119页。161、电化学在生物体中的探索，即用电化学手段研究生物体。2、电化学在生物体中的应用，这局部不仅只包括生物体内的反响、生物体的机理(jīlǐ)和生物体物质的利用，还包括生物体的模拟。生物(shēngwù)电化学生物(shēngwù)电化学的研究领域第十七页，共119页。17生物(shēngwù)电化学生物体系和生物界面的电位生物分子电化学生物电催化光合作用活组织(zǔzhī)电化学生物技术中的电化学技术目前(mùqián)正在开展的研究第十八页，共119页。18道南〔Donnon〕理论(lǐlùn)〔唐南理论(lǐlùn)〕液接电位理论(lǐlùn)第2章细胞膜电位(diànwèi)第十九页，共119页。19主要是由于实验(shíyàn)对象〔细胞〕太小。细胞是一个生命体，故任何微电极或毛细管导入到细胞内部，即使没有完全杀死细胞，也在相当程度上破坏了细胞内原有自然结构。研究(yánjiū)细胞膜电位存在的困难第2章细胞膜电位(diànwèi)第二十页，共119页。20细胞膜是半透膜浓度差导致K+从左到右扩散电场作用阻止K+从左到右扩散两种作用平衡时，在膜的两边也建立起一个平衡的电位差，这个电位差就是(jiùshì)细胞膜电位。ex:细胞(xìbāo)外in：细胞(xìbāo)内唐南理论(lǐlùn)第二十一页，共119页。21唐南理论存在(cúnzài)的问题：A〕膜两边到达平衡时，意味着过程的终止，包括生命过程。当细胞中的一切生物过程还在进行时，它决不会处于(chǔyú)平衡状态。B〕无法解释Na+的作用。Na+和K+具有相同的电荷，应该对细胞膜电位产生相似的影响效果。1940年，希匹尔〔Heppel〕证实，细胞膜对钠离子确实也是可渗透的，因而道南电位(diànwèi)的方程应改为：唐南理论第二十二页，共119页。22液体接界电位是指当两个不同的电解质溶液(róngyè)〔浓度或离子种类不同〕接触时，在两个溶液(róngyè)接界处会产生一个电位差，这个电位称为液体接界电位。产生这个电位的原因是不同离子的扩散速率不同。H+迁移的速率比Cl-快；电场作用加速Cl-迁移速率，降低H+迁移的速率。最后(zuìhòu)在某一电位差下，两种离子的迁移速率相等，此电位差即为液接电位。液接电位(diànwèi)理论第二十三页，共119页。23把液接电位的概念应用到一个(yīɡè)生物细胞，那么得到霍奇金-赫克斯利(Hodgkin-Huxley)公式：式中：C为细胞膜电位PK+、PNa+、PCl-分别代表(dàibiǎo)K+、Na+、Cl-通过细胞膜的可渗透性，其取值为0或1C为离子浓度〔确切说应用活度〕ex：细胞外，in：细胞内液接电位(diànwèi)理论第二十四页，共119页。24合理性：不仅解释了静止电位(diànwèi)，而且解释了作用电位(diànwèi)产生的原因。该理论(lǐlùn)的缺乏之处:有外界刺激时，为何(wèihé)增大？无法解释。液接电位理论

静止电位：

作用电位：

第二十五页，共119页。25细胞化学组成的电化学研究细胞生物生理行为的电化学研究细胞分析传感器细胞的电场生化(shēnɡhuà)效应及其应用研究展望第3章细胞(xìbāo)电化学的研究进展第二十六页，共119页。26细胞电化学是生物电化学的一个重要领域，它是以电化学的根本原理和实验方法从整体上对细胞进行分析和表征(biǎozhēnɡ)，研究或模拟研究细胞荷电粒子或电活性粒子能量传递的运动规律及其与细胞功能的关系和对细胞功能的影响。生物电化学产生后，相继出现(chūxiàn)了蛋白质电化学、核酸电化学、多聚糖电化学、酶电化学、细胞色素电化学等生物大分子电化学及具有生命意义的小分子电化学细胞(xìbāo)电化学的研究进展第二十七页，共119页。27测算细胞内离子浓度的方法：荧光探针、核磁共振、化学分析(huàxuéfēnxī)测定细胞内自由离子活度的较好方法：离子敏感微电极〔ISME：ionsensitivemicro-electrode〕目前常用(chánɡyònɡ)的ISME电极有：NH+4、Cl-、Na+、K+、H+、Mg+、Ca+、HO-3、PO43-等微电极。以上介绍说明采用电化学方法〔微电极技术〕可检测细胞内某些物质的含量，从而为了解细胞的功能提供(tígōng)依据。细胞化学组成的电化学研究第二十八页，共119页。28细胞(xìbāo)电泳细胞(xìbāo)介电行为细胞(xìbāo)的被动电子伏安行为细胞生物(shēngwù)生理行为的电化学研究第二十九页，共119页。29细胞(xìbāo)分析传感器是指检测和评价细胞(xìbāo)的生物生理行为的传感器，也称CASCAS的种类：分析细胞代谢(dàixiè)产物的CAS、介体燃料电池型传感器、细胞伏安传感器、细胞形态分析传感器等。细胞生长代谢过程中消耗O2，产生NH4+和CO2，使培养液的电导发生明显变化。根据(gēnjù)这些变化开发出了对细胞生长代谢进行动态监测的CAS。基于分析细胞代谢产物的CAS：细胞分析传感器第三十页，共119页。30细胞生长：电刺激能改变细胞的生长。细胞膜通透性：外加短时强电脉冲能引起细胞膜形成微孔〔电穿孔〕，另一方面半透性发生变化，增加了细胞膜的通透性。电化学疗法：1983年，Nordenstrom首先报道电化学治疗肿瘤临床效果(xiàoguǒ)，开创了肿瘤的直接电化学疗法。细胞的电场(diànchǎng)生化效应及其应用研究第三十一页，共119页。31电化学疗法(liáofǎ)肿瘤组织细胞比正常组织细胞对周围环境的变化更为敏感。直流电强制性地改变了肿瘤组织的微循环条件，产生一系列电生物化学变化，使癌细胞失去正常生存和增殖的必需条件，从而(cóngér)杀灭癌细胞，到达治疗恶性肿瘤的目的，而对正常组织无明显损坏，此法称电医疗法第三十二页，共119页。32电化学疗法(liáofǎ)电化学治疗原理(yuánlǐ)

正极释放出质子，H+在电场的作用下迁移、扩散，使pH值下降到1。处于酸性环境，使蛋白沉淀，产后酸性氯化血红蛋白，使组织变黑。负极pH值升至14,使组织碱性化。造成正极脱水，负极水肿，脉管紧缩，循环障碍，使电化区组织内水、电介质、酸、碱以及酶系统发生巨大变化，造成肿瘤组织细胞失去正常的生存条件.第三十三页，共119页。33电化学疗法(liáofǎ)颜色：10分钟后见溃疡的肿瘤组织由樱红变为无光泽，30分钟开始萎缩，90分钟浅紫，120分钟深紫。肿瘤直径在3cm内者发黑。无破溃的肿瘤60一90分钟见肿瘤外表皮肤萎缩。局部排气排液：接受电化治疗(zhìliáo)的所有组织，局部均出现明显的排气液现象。治疗(zhìliáo)后5－10分钟开始。负极首先排出淡黄色气泡，随之正极排出少量白色气泡，二者随着时间的推移逐渐增多，60一90分钟到达顶峰，溃疡性肿瘤组织还可闻及大量似爆竹样声响，肿瘤组织那么逐渐溶解。不管破溃或未破溃的肿瘤组织，均排出大量黑水，随之瘤体缩小。第三十四页，共119页。34电化学疗法(liáofǎ)治疗方法:在肿瘤组织与正常组织交界处及其中央，按进针点局麻，然后插入(chārù)特制的治疗铂电针，根据肿瘤的大小，按1根针能治疗2－3cm间距肿瘤组织来计算布针格局，确定该病例需用电极针的根数。周围接负极，中央接正极。一般周围2－4－6－8－10根，中央1－2－4－6根不等。为尽量减少损伤皮肤，可采用斜形进针法.第三十五页，共119页。35电化学疗法(liáofǎ)治疗效果(xiàoguǒ):近期疗效远期疗效完全缓解：33.2%一年生存率：89.2%局部缓解：42.8%二年生存率：77.0％稳定：14.4%三年生存率：56.0%进展：9.6%四年生存率：47.0%缓解:76.1%五年生存率：36.0%

第三十六页，共119页。36分析技术的微型化与其它分析技术联用,探讨细胞的电极过程及机理与超导材料、半导体材料科学相结合，研制各种类型细胞传感器应用量子力学、非线性动力学、混沌论和系统论等现代科学理论和方法构建和完善(wánshàn)细胞电化学的理论体系,在细胞层次上探讨生命现象及本质细胞(xìbāo)电化学的开展方向第三十七页，共119页。37第4章蛋白质电化学对酶反响(fǎnxiǎng)的电化学理解方法利用媒体的酶的电极反响(fǎnxiǎng)金属蛋白质的电化学电泳与蛋白质的别离第三十八页，共119页。38如果在酶的反响过程中发生消耗或生成物质的电极(diànjí)反响，通过测量和控制这些反响物就可以知道酶的反响进行与否，也就是通过对消耗或生成的物质的测量和控制，来判定酶的反响的状况。对酶反响的电化学理解(lǐjiě)方法第三十九页，共119页。39蛋白质的直接(zhíjiē)电化学蛋白质或从蛋白质中提取的活性中心局部只有与电极(diànjí)接触，才能发生电极(diànjí)反响意义：对于理解和认识蛋白质在生命体内的电子转移机制和生理作用具有(jùyǒu)重要意义，利用电极探讨氧化复原蛋白质与底物分子之间的电子传递过程,为制备生物传感器提供实验根底。第四十页，共119页。40缺陷：只有极少数氧化复原蛋白质可在裸固体电极(diànjí)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(diànjí)外表距离较远,很难与电极(diànjí)外表直接交换电子。蛋白质在电极(diànjí)外表的取向往往不利于其电活性基团与电极(diànjí)之间的电子交换。某些杂质在电极(diànjí)外表上的吸附或蛋白质本身的吸附变性可能阻碍它们与电极(diànjí)间的直接电子转移。蛋白质的直接(zhíjiē)电化学第四十一页，共119页。41大分子的蛋白质因其活性中心局部不能接近电极，不容易同电极进行(jìnxíng)电子的交换。利用(lìyòng)媒体的酶的电极反响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(shíxiàn)蛋白质与电极之间间接的电化学反响．

第四十二页，共119页。42采用一种媒体，可以渗入蛋白质分子，并到达酶的活性中心局部，捕获酶和电子，并把其输送到电极上。把起到输送上述电子作用的分子叫电子迁移媒体或称作(chēnɡzuò)电子载体。利用媒体的酶的电极(diànjí)反响1977年,Hill等将4,4´-联吡啶〔一种促进剂,它本身在所研究的电位范围(fànwéi)内是非电活性的〕参加细胞色素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外表,蛋白质的直接电化学研究取得了很大进展．第四十三页，共119页。43媒体分子的氧化复原电位；分子的形状；亲水性和疏水性；电荷状态等；能够接近酶的活性中心、进行电子相互(xiānghù)传递。媒体的选择(xuǎnzé)：利用(lìyòng)媒体的酶的电极反响第四十四页，共119页。44酶反响(fǎnxiǎng)特性的表征：米夏利斯常数(chángshù)和反响速度：无媒体时：

式中E、S、ES、P各表示(biǎoshì)酶、基质、酶-基质复合体、生成物令所以利用媒体的酶的电极反响第四十五页，共119页。45假设[S]?KS，那么获得最大的反响(fǎnxiǎng)速度当[S]与KS相等(xiāngděng)时，此时基质(jīzhì)的浓度称作Michaelis常数，记作KM.。酶的活性的测定即为求和KM。利用媒体的酶的电极反响所以第四十六页，共119页。46有媒体时：

相对于基质的酶反响(fǎnxiǎng)的米夏利斯常数相对于媒体的酶反响(fǎnxiǎng)的米夏利斯常数利用(lìyòng)媒体的酶的电极反响第四十七页，共119页。47金属(jīnshǔ)蛋白质是指生物体内含有金属(jīnshǔ)离子的蛋白质。采用功能性电极(functionalelectrode)能够(nénggòu)很容易地测定电极上快速的电子移动。细胞色素C的循环(xúnhuán)伏安曲线金属蛋白质的电化学第四十八页，共119页。48测量结果分析：

A)根据峰电流评价蛋白质的扩散系数；根据氧化及复原峰电位的别离幅度与电位扫描速度的关系评定金属蛋白质在电极上的电子迁移速度常数；C)根据氧化复原峰电位的中点，可求得蛋白质分子的氧化复原电位；D)从溶液中共存离子的种类、pH值和温度对影响(yǐngxiǎng)的研究中，可以获得有关金属蛋白质构造变化的信息和热力学数据。

金属(jīnshǔ)蛋白质的电化学第四十九页，共119页。49血红蛋白(xuèhóngdànbái)的线性扫描曲线血红蛋白在微银电极上有电流响应(xiǎngyìng)；参加十二烷基硫酸钠后，血红蛋白峰电流明显增大，峰形对称，可直接用于血红蛋白的分析测定〔根据峰电流与浓度的关系〕。金属(jīnshǔ)蛋白质的电化学第五十页，共119页。50等电点：把蛋白质正负电荷数相等，整体带电为零的pH值。碱性蛋白质：在pH为7的中性(zhōngxìng)溶液中带正电荷的蛋白质。酸性蛋白质：在pH为7的中性(zhōngxìng)溶液中带负电荷的蛋白质。蛋白质的别离方法(fāngfǎ)：离子交换型色谱法电泳法电泳(diànyǒnɡ)与蛋白质的别离第五十一页，共119页。51第5章生物(shēngwù)相关物质的电化学神经传输物质(wùzhì)的电化学核酸的电化学抗坏血酸的电化学响应第五十二页，共119页。52几种(jǐzhǒnɡ)神经传输物质的分子结构：神经(shénjīng)传输物质的电化学第五十三页，共119页。53肾上腺素的电化学氧化复原(fùyuán)反响神经(shénjīng)传输物质的电化学第五十四页，共119页。54神经传输(chuánshū)物质的电化学例如：微电极插入动物脑内进行活体(huótǐ)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(dàixiè)产物微电极记录骨髓切片上的单一神经元活性第五十五页，共119页。55嘌呤(piàolìng)和嘧啶的分子结构核酸(hésuān)的电化学第五十六页，共119页。56核酸的碱基是电化学的活性局部。如果把DNA分子作某种程度的解旋改性，那么同正常DNA相比，前者在电极上碱基容易与电极接触，因而易发生(fāshēng)复原反响。据此可以评价DNA的改性程度。并在DNA改性温度附近，核酸碱基的电化学复原电流急剧增大，这些事实说明，在电化学上检测DNA因某种原因而引起的损伤程度是可能的。核酸(hésuān)的电化学第五十七页，共119页。57研究(yánjiū)电极为玻碳电极抗坏血酸在玻碳电极外表(wàibiǎo)上的CV曲线

空白(kòngbái)抗坏血酸的电化学响应第五十八页，共119页。58第6章生物(shēngwù)燃料电池生物体系中的能量(néngliàng)转化生物燃料电池第五十九页，共119页。591965年笛尔答卡〔Del.Duca〕和福斯可〔Fuscoe〕将细胞膜电位的存在和细胞的代谢作用联系起来(qǐlái)，考虑活细胞是一个根本的生物燃料电池单元。生物(shēngwù)体系中的能量转化第六十页，共119页。60细胞(xìbāo)内的葡萄糖相当于燃料电池的燃料，在细胞(xìbāo)膜的内外表氧化，构成阳极；而空气中的O2在细胞(xìbāo)外外表复原，构成阴极，细胞(xìbāo)膜电位就是这个单元燃料电池的端电压。合理性分析(fēnxī)：人体(réntǐ)理论功率相当于145瓦能量转化为机械功的两种方式通过热机通过电化学过程Bockris指出，在化学能到机械能的转化中，生物系统观察到的效率比热学上期望的效率高得多。生物体系中的能量转化第六十一页，共119页。61代谢反响举例：葡萄糖在FAD〔葡萄糖氧化酶〕存在下，由氧将其氧化为葡萄糖酸内酯。第一步：G+FAD+2H++2e-→FAD-H2+G1G=葡萄糖，G1=葡萄糖酸内酯，FAD-H2=复原形式的FAD。第二步：FAD-H2+O2→FAD+H2O2G和G1是一氧化复原对，FAD的两种形态也是。阳极(yángjí)：食物通过代谢作用被氧化；阴极：氧气被复原；离子电流：通过电解质溶液〔在膜孔内〕传递电荷；电子流：由蛋白质或酶等大分子在两个电极之间传递。生物体系中的能量(néngliàng)转化第六十二页，共119页。62线粒体中代谢过程(guòchéng)的化学链及电子传递链生物(shēngwù)体系中的能量转化第六十三页，共119页。63局部物质的标准电极(diànjí)电位生物体系中的能量(néngliàng)转化第六十四页，共119页。64该理论(lǐlùn)的进一步的证据1、生物体在代谢过程中产生的热量，在一定环境下是和生物体的外表积成正比的，而不是和生物体的体积成正比。假设代谢过程是在溶液中进行的，显然(xiǎnrán)产生的热量应该和溶液的体积，即生物体的体积成正比。那么只有按照燃料电池机理，氧化过程和复原过程是细胞膜的界面上发生的，才容易理解代谢过程热量和体表有关。2、在正常的代谢过程中，葡萄糖转化为乳酸酯储藏在体内，这是符合经典的化学反响平衡移动原理的。因为整个反响的平衡大大地倾向于生成乳酸酯。但当生物体处于饥饿状态时，乳酸酯又很容易地变为葡萄糖，这是违背平衡移动原理的。只有通过电化学的机理，才能合理解释这种现象生物体系(tǐxì)中的能量转化第六十五页，共119页。65细胞膜电位的影响因素：首先决定于细胞膜上代谢产物氧化和氧气复原的电极电位以及这些反响进行的速率；其次(qícì)决定于溶液离子导电的电阻和由酶反响组成的电子导体的电阻。研究发现：细胞膜电位的位移和通过细胞膜电流密度对数之间满足直线关系，平均斜率接近0.12，且排除了随后转化步骤。说明生物的代谢是一个由溶液中的反响粒子和膜之间的单电子转移控制的反响。生物(shēngwù)体系中的能量转化第六十六页，共119页。66生物燃料电池(ránliàodiànchí)的特点：①原料广泛：利用一般燃料电池所不能利用的多种物质作为燃料；②操作条件温和：常温、常压、接近中性(zhōngxìng)的环境中工作；③生物相容性：可放置入生物体内部。生物(shēngwù)燃料电池第六十七页，共119页。67生物(shēngwù)燃料电池的开展历史：〔1〕1911年，英国植物学家Potter宣布利用微生物可以产生电流，生物燃料电池研究由此开始。〔2〕50年代，美国(měiɡuó)空间科学研究促进了生物燃料电池的开展，占主导地位的是间接微生物电池。〔3〕从60年代后期到70年代，直接生物燃料电池成为研究的中心。〔4〕进入80年代后，氧化复原介体的广泛应用，使生物燃料电池的输出功率密度有了很大提高，显示了它作为小功率电源的可能性。〔5〕90年代初，我国也开始了该领域的研究。生物(shēngwù)燃料电池第六十八页，共119页。68生物燃料电池(ránliàodiànchí)的分类：按照使用催化剂形式(xíngshì)分类：微生物燃料电池和酶燃料电池。根据电子转移方式分类：直接生物燃料(ránliào)电池和间接生物燃料(ránliào)电池。直接型生物燃料电池非常少见，使用介体的间接型电池占据主导地位。氧化态的小分子介体可以穿过细胞膜或酶的蛋白质外壳到达反响部位，接受电子之后的成为复原态，然后扩散到阳极上发生氧化反响，从而加速生物催化剂与电极之间的电子传递，到达提高工作电流密度的目的。生物燃料电池第六十九页，共119页。69①能够被生物催化剂快速复原，并在电极上被快速氧化；②在催化剂和电极间能快速扩散；氧化复原电势一方面要足以与生物催化剂相偶合，一方面又要尽量低以保证电池两极间的电压(diànyā)最大；④在水溶液系统中有一定的可溶性和稳定性。理想的介体应具有(jùyǒu)以下特性：生物(shēngwù)燃料电池第七十页，共119页。70甲醇(jiǎchún)生物燃料电池工作原理示意图：生物(shēngwù)燃料电池第七十一页，共119页。71微生物燃料电池(ránliàodiànchí)：催化剂：各种微生物，经常(jīngcháng)使用的有大肠杆菌等；燃料：葡萄糖或蔗糖；利用介体从细胞代谢过程中接受电子，并传递到阳极。微生物电池对燃料的利用效率较低〔40%～50%〕，其原因(yuányīn)是副反响较多。生物燃料电池第七十二页，共119页。72酶燃料电池(ránliàodiànchí)：催化剂：酶，主要(zhǔyào)是脱氢酶和氧化酶；燃料：甲醇和葡萄糖；一般采用媒介体。生物(shēngwù)燃料电池第七十三页，共119页。73生物燃料电池存在(cúnzài)的问题与展望：存在的问题：输出(shūchū)功率密度远远不能满足实际要求；长期放置后使用的稳定性差。制约生物燃料电池输出功率密度的最大因素是电子传递过程。Marcus和Sutin提出的理论认为(rènwéi)：电子转移速率由电势差、重组能和电子供体与受体之间的距离决定。理论和实验均说明，随传递距离的增加，电子转移速率呈指数下降的趋势。生物燃料电池第七十四页，共119页。74解决电子传递速率(sùlǜ)低的方法：使用氧化(yǎnghuà)复原介体采用(cǎiyòng)直接电子传递对酶分子的蛋白质外壳进行修饰，使它能够允许电子通过，然后再把修饰后的酶固定到电极上。直接用导电聚合物固定酶。导电聚合物就象是导线一样，穿过蛋白质外壳，将电极延伸至酶分子活性中心附近，大大缩短电子传递的距离，从而实现电子的直接传递。生物燃料电池第七十五页，共119页。75生物(shēngwù)燃料电池举例：酶生物(shēngwù)燃料电池微生物(shēngwù)生物(shēngwù)燃料电池生物燃料电池第七十六页，共119页。76第7章电化学生物(shēngwù)传感器概述各类型(lèixíng)生物电化学传感器简介生物传感器的应用第七十七页，共119页。77传感器：通常由敏感〔识别〕元件、转换元件、电子线路及相应的结构附件组成。生物传感器〔biosensor〕：指用固定化的生物体成分〔酶、抗原、抗体、激素等〕或生物体本身〔细胞、细胞器、组织等〕作为敏感元件的传感器。电化学生物传感器：指由生物材料作为敏感元件、电极〔固体电极、离子选择性电极、气敏电极等〕作为转换元件，以电势或电流为特征检测(jiǎncè)信号的传感器。有关(yǒuguān)概念：概述(ɡàishù)第七十八页，共119页。78电化学生物(shēngwù)传感器的结构：概述(ɡàishù)第七十九页，共119页。79电化学生物(shēngwù)传感器的分类：根据(gēnjù)敏感元件所用生物材料的不同进行分类：酶电极传感器、微生物电极传感器、电化学免疫传感器、组织电极与细胞器电极传感器、电化学DNA传感器等。高度(gāodù)的选择性快速电化学生物传感器的特点：概述第八十页，共119页。80酶的固定化技术(jìshù)：将酶固定在各种载体上，称为酶的固定化技术(jìshù)。间接法：将酶先固定在载体(zàitǐ)上，再组装在电极上。包埋法聚合物包埋法；LB膜（人工双分子层脂膜）包埋法；双层类脂膜包埋法；支撑液膜包埋法交联法使用偶联剂的共价结合法载体结合法吸附结合法；共价键合法固定(gùdìng)方法直接法：将酶通过化学修饰方法直接固定在电极外表。各类型生物电化学传感器简介第八十一页，共119页。81聚合物包埋法：将酶等生物(shēngwù)分子包埋并固定在高分子聚合物三维网状结构中。特点：可在温和实验(shíyàn)条件下进行；可操作性强；对酶活性影响小；包埋的生物组分浓度高；包埋的酶不容易泄露。各类型(lèixíng)生物电化学传感器简介第八十二页，共119页。82共价键合法(héfǎ)：将酶等生物分子通过共价键与电极外表(wàibiǎo)结合，从而实现固定化。特点：在低温下进行(jìnxíng)；在低的离子强度和生理pH值条件下进行(jìnxíng)；固定化膜稳定；各类型生物电化学传感器简介第八十三页，共119页。83酶传感器的分类(fēnlèi)：氧电极型；过氧化氢(ɡuòyǎnɡhuàqīnɡ)电极型；离子电极型；气体电极型。各类型生物(shēngwù)电化学传感器简介第八十四页，共119页。84酶传感器的结构(jiégòu)：各类型(lèixíng)生物电化学传感器简介第八十五页，共119页。85酶传感器的工作(gōngzuò)原理：〔a〕含有溶解氧的葡萄糖待测溶液一旦和传感器上的载有的GOD膜接触，将发生(fāshēng)以下酶反响，生成葡萄糖酸和过氧化氢，而消耗氧。〔b〕由于酶膜附近的氧量减少，所以到达铂阴极的氧量也变少，最终导致氧复原(fùyuán)电流变小。〔c〕氧复原(fùyuán)电流减小的量与测定溶液中葡萄糖的浓度成正比各类型生物电化学传感器简介第八十六页，共119页。86酶传感器开展(kāizhǎn)的三个阶段：1、第一代酶生物传感器通过检测产物过氧化氢浓度的变化或氧的浓度的消耗量来测定底物。缺点：1〕溶解氧的变化可能引起电极响应的波动(bōdòng)；2〕当溶解氧贫乏时，响应电流明显下降，影响检出限；3〕生物传感器响应性能受溶液中pH值及温度影响很大。各类型(lèixíng)生物电化学传感器简介第八十七页，共119页。87酶传感器开展(kāizhǎn)的三个阶段：2、第二代酶生物传感器即介体型酶生物传感器，它是以媒介体修饰剂为根底的电催化，在电极外表固定一层媒介体。特点：1〕测量浓度(nóngdù)线性范围较宽；2〕干扰少了。各类型生物(shēngwù)电化学传感器简介第八十八页，共119页。881〕含有过渡金属元素的化合物或配合物，通过过渡金属的价态变化来传递电子。2〕通过分子中的特殊(tèshū)官能团的结构变化来传递电子，这些化合物的共同特点是都含有大π键的环及与环相联的双键，这些双键容易翻开与再形成，电子的传递就是靠这些双键翻开与再形成得以实现的。媒介体作用(zuòyòng)机理：常见的媒介体：二茂铁及其衍生物、钌及其化合物、铁氰酸盐、醌类、有机(yǒujī)燃料、有机(yǒujī)介体、有机(yǒujī)导电盐。各类型生物电化学传感器简介第八十九页，共119页。893、第三代酶生物(shēngwù)传感器酶在电极(diànjí)上的直接电催化。在理论上，酶与电极之间直接电子传递过程更接近生物氧化复原系统的原始模型(móxíng)，为揭示生物氧化复原过程的机理奠定了根底；在应用方面，酶直接电化学的实现可用于开展人工心脏用的生物燃料电池。各类型生物电化学传感器简介第九十页，共119页。90微生物传感器：将微生物(常用的主要是细菌和酵母菌)作为敏感材料(cáiliào)固定在电极外表构成的电化学生物传感器称为微生物电极传感器。工作原理：1、利用微生物体内含有的酶(单一(dānyī)酶或复合酶)系来识别分子；2、利用微生物对有机物的同化作用，通过检测其呼吸活性(摄氧量)的提高，即通过氧电极测量体系中氧的减少间接测定有机物的浓度；3、通过测定电极敏感的代谢产物间接测定一些能被厌氧微生物所同化的有机物。特点：价格低廉、使用寿命长。存在(cúnzài)问题：选择性和长期稳定性等还有待进一步提高。各类型生物电化学传感器简介第九十一页，共119页。91电化学免疫(miǎnyì)传感器：电化学免疫传感器就是利用抗体对相应抗原(kàngyuán)具有唯一识别和结合功能将抗体或抗原(kàngyuán)和电极组合而成的检测装置。分类(fēnlèi)：根据结构可分为直接型和间接型两类。直接型：在抗体与其相应抗原识别结合的同时将其免疫反响的信息直接转变成电信号。间接型：将抗原和抗体结合的信息转变成另一种中间信息，然后再把这个中间信息转变成电信号。各类型生物电化学传感器简介第九十二页，共119页。92组织(zǔzhī)电极与细胞器电极传感器：直接采用(cǎiyòng)动植物组织薄片作为敏感元件的电化学传感器称组织电极传感器。酶活性及其稳定性均比离折酶高；材料(cáiliào)易于获取；制备简单；使用寿命长等。细胞器电极传感器是利用动植物细胞器作为敏感元件的传感器。

优点：缺点：在选择性、灵敏度、响应时间等方面还存在缺乏。各类型生物电化学传感器简介第九十三页，共119页。93电化学DNA传感器：电化学DNA传感器是利用单链DNA(ssDNA)或基因探针作为(zuòwéi)敏感元件固定在固体电极外表，加上识别杂交信息的电活性指示剂(称为杂交指示刘)共同构成的检测特定基因的装置。工作原理：利用固定在电极外表的某一特定序列的ssDNA与溶液中的同源序列的特异识别作用(分子(fēnzǐ)杂交)形成双链DNA(dsDNA)(电极外表性质改变)，同时借助一能识别ssDNA和dsDNA的杂交指示剂的电流响应信号的改变来到达检测基因的目的。存在的问题：主要是传感器的稳定性、重现(zhònɡxiàn)性、灵敏度等都还有待于提高。各类型生物电化学传感器简介第九十四页，共119页。941、医学和生理学研究(yánjiū)2、工业流程和生物制品质量检测3、军事和司法应用4、农业土壤研究(yánjiū)5、农业生物工程6、环境保护电化学生物(shēngwù)传感器的应用第九十五页，共119页。95第8章生物(shēngwù)功能与电化学生物功能的检测对刺激的电化学阻抗解释细胞膜电穿孔材料的微生物腐蚀生物生长(shēngzhǎng)过程的控制用于生命科学的电化学技术生物体系中的振荡现象生物电分析化学第九十六页，共119页。96检测(jiǎncè)的依据：生物体系通常是由含有离子的溶液和细胞膜组成的系统，它是一种以离子迁移为根底的离子体系，因而(yīnér)作为电化学测量对象是很适宜的。检测(jiǎncè)举例：

生物体系神经信号的传递。生物功能的检测第九十七页，共119页。97检测电路(diànlù)及检测结果：生物功能(gōngnéng)的检测第九十八页，共119页。98结果(jiēguǒ)分析：细胞膜是一种选择(xuǎnzé)透过性膜，其对K+和Na+的渗透具有选择(xuǎnzé)性。刺激(cìjī)前，膜只有K+通过，那么PK+=1，PNa+=0；刺激(cìjī)后，K+不能透过，而Na+能透过，那么PK+=0，PNa+=1；刺激(cìjī)前后，Cl-的渗透性始终可看作0，即PCl-=0。细胞膜内外离子的浓度：细胞内：CK+=400mmol/L，CNa+=50mmol/L;细胞外：CK+=10mmol/L，CNa+=450mmol/L生物功能的检测第九十九页，共119页。99霍奇金-赫克斯利公式(gōngshì)：静止(jìngzhǐ)电位：动作电位〔作用(zuòyòng)电位〕：生物功能的检测第一百页，共119页。100动作电位的传递(chuándì)：这种电流通过神经细胞的传递是信息从体内接受信号的神经细胞传递到大脑的根本机制(jīzhì)，同时说明这种传递机制(jīzhì)在本质上是电化学的。生物(shēngwù)功能的检测第一百零一页，共119页。101生物功能(gōngnéng)的检测第一百零二页，共119页。102生物体的阻抗(zǔkàng)生物结构具有电阻性质，这是由于细胞内外液中电解质离子在电场中移动时通过粘滞(zhānzhì)的介质和狭小的管道引起的。低频交流(jiāoliú)下,电阻可以分成不随时间变化的分量和随时间变化的分量。前者是普遍的欧姆电阻，遵从欧姆定律，反映了电流与电压之间的线性关系。后者为非线性元件可分成对称元件和非对称元件。对称元件主要是细胞膜的变阻器作用，非对称元件是细胞膜的整流器作用。对刺激的电化学阻抗解释第一百零三页，共119页。103各种(ɡèzhǒnɡ)离体组织的电阻率：组织电阻率/Ω·cm组织电阻率/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肾皮质610肝506～672脂肪1808～2205肺（呼气）401脑灰质480（充气）744～766白质750对刺激的电化学阻抗(zǔkàng)解释第一百零四页，共119页。104在位组织的阻抗不仅(bùjǐn)决定于其本身的电性质，而且取决于血液的含量。因此可以通过阻抗的变化大致推测出器官的血流搏动量或描记出器官的血流搏动图。1、青年人、中年人4、老年人脑阻抗(zǔkàng)图a〕正常人b〕肝硬化和巨块型肝癌(ɡānái)肝阻抗图对刺激的电化学阻抗解释第一百零五页，共119页。105对刺激(cìjī)的电化学阻抗解释：生物组织对外界因素的作用能产生响应。当外界作用到达阈值时，组织产生响应，称为兴奋。神经细胞(shénjīnɡxìbāo)和肌细胞的这种响应较大，称为可兴奋细胞。可兴奋细胞的兴奋总是伴有跨膜电位的改变。用交流阻抗谱法测量细胞动作电位时细胞膜的跨膜电阻，可发现在动作电位发生的同时，跨膜电阻大大下降。细胞膜电阻的大小主要由膜对离子的渗透性决定。膜电阻减小说明膜对离子的渗透性增大。对刺激(cìjī)的电化学阻抗解释第一百零六页，共119页。106Rna、RK：Na+的电阻和K+的电阻，反响了膜对Na+和K+渗透的阻力；VNa、