生物电化学全解.ppt

电化学材料与工程电化学材料与工程生物电化学赵力内容简介 电化学与生物的关系电化学与生物的关系 细胞膜电位细胞膜电位 细胞电化学的研究进展细胞电化学的研究进展 蛋白质的电化学蛋白质的电化学 生物相关物质的电化学生物相关物质的电化学 生物燃料电池生物燃料电池 电化学生物传感器电化学生物传感器 生物功能与电化学生物功能与电化学序 电鳗电鳗 序 电鳗发电电鳗发电 序电鳐电鳐第1章 电化学与生物的关系电化学与生物的关系 生物体的电现象生物体的电现象 生物反应与电化学反应的关系生物反应与电化学反应的关系 生物电化学生物电化学 生物体的电现象生物体的电现象细胞膜结构模式图细胞膜结构模式图细胞膜结构模式图细胞膜结构模式图生物体的电现象生物体的电现象为什么要进行单细胞水平检测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。上了解生化反应的基本要求。单细胞特点：单细胞特点：体积小、组分复杂、含量极微。体积小、组分复杂、含量极微。分析要求：分析要求：高选择、高灵敏、快响应、超小体积。高选择、高灵敏、快响应、超小体积。单细胞水平检测单细胞水平检测生物体的电现象生物体的电现象 超微超微直径直径100100 m m 材料：铂、金、碳纤维材料：铂、金、碳纤维；形状：微盘、微环、微球、组合等形状：微盘、微环、微球、组合等。基本特征基本特征 （1 1）极小的电极半径）极小的电极半径 （2 2）双电层充电电流很小）双电层充电电流很小 （3 3）平衡时间断，响应快）平衡时间断，响应快 单细胞检测手段单细胞检测手段:超微电极超微电极 ultramicroelectrode细胞膜电位测量示意图细胞膜电位测量示意图60-110mV实验表明：实验表明：依靠神经细胞膜电势的变化可传递神经细胞刺激；肌肉细胞膜电势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的变化有关。生物体的电现象生物体的电现象生物体的电现象：生物体的电现象：由细胞膜电势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”生物体的电现象生物体的电现象生物体表面测定到的生物体的电现象生物体表面测定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）0.5600.12000.03105100010-610-410-310-410-310-510-2头皮上四肢和胸部手掌体表生物体的电现象生物体的电现象 解释电现象解释电现象电压、电流的产生可以有两种途径电压、电流的产生可以有两种途径:生物体的电现象生物体的电现象1 在发电机中发生的过程 2电化学:即通过氧化-还原反应，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。电化学的理论、方法和实验对其进行研究。可以把细胞膜（cellmembrane）内酶的反应看作是固体/液相界面上发生的电极反应。1）两者均属于非均相反应。2）无论是细胞膜还是电极表面均带电荷。3）生物体内反应的pH值、离子强度和温度等条件与电化学 反应时常用的条件类似。所以进行氧化所以进行氧化-还原的酶粒子的反应完全可以认为还原的酶粒子的反应完全可以认为是一种有电子迁移过程的电化学反应。是一种有电子迁移过程的电化学反应。生物反应与电化学反应的关系生物反应与电化学反应的关系 以生物体系的研究及其控制和应用为目的，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。生物电化学生物电化学生物电化学生物电化学 1、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，这部分不仅只包括生物体内的 反应、生物体的机理和生物体物质的利用，还包括生物体 的模拟。生物电化学生物电化学 生物电化学的研究领域生物电化学的研究领域生物电化学的研究领域生物电化学的研究领域生物电化学生物电化学 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 活组织电化学 生物技术中的电化学技术目前正在开展的研究目前正在开展的研究目前正在开展的研究目前正在开展的研究 道南（道南（Donnon）理论理论 （唐南理论）（唐南理论）液接电位理论液接电位理论第2章 细胞膜电位 主要是由于实验对象（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。研究细胞膜电位存在的困难研究细胞膜电位存在的困难研究细胞膜电位存在的困难研究细胞膜电位存在的困难第2章 细胞膜电位细胞膜是半细胞膜是半透膜透膜浓度差导致浓度差导致K+从左到右扩散从左到右扩散电场作用阻止电场作用阻止K+从左到右扩散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，这个电位差就是细胞膜电位。ex:细胞外细胞外 in：细胞内细胞内唐南理论唐南理论唐南唐南理论存在的问题：理论存在的问题：A）膜两边达到平衡时，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，因而道南电位的方程应改为：唐南理论唐南理论 液体接界电位液体接界电位是指当两个不同的电解质溶液（浓度或离子种类不同）接触时，在两个溶液接界处会产生一个电位差，这个电位称为液体接界电位液体接界电位。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。液接电位理论液接电位理论 把液接电位的概念应用到一个生物细胞，则得到霍霍奇奇金金-赫赫克斯利克斯利(Hodgkin-Huxley)公式公式：式中：C 为细胞膜电位PK+、PNa+、PCl-分别代表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：细胞内液接电位理论液接电位理论合理性：合理性：不仅解释了静止电位，而且解释了作用电位产生的原因。该理论的不足之处该理论的不足之处:有外界刺激时，为何增大？无法解释。液接电位理论液接电位理论 静止电位：静止电位：作用电位：作用电位：细胞化学组成的电化学研究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生物生理行为的电化学研究 细胞分析传感器细胞分析传感器 细胞的电场生化效应及其应用研究细胞的电场生化效应及其应用研究 展望展望第第3章章 细胞电化学的研究进展细胞电化学的研究进展 细胞电化学细胞电化学是生物电化学的一个重要领域，它是以电化学的基本原理和实验方法从整体上对细胞进行分析和表征，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，相继出现了蛋白质电化学、核酸电化蛋白质电化学、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电化学的研究进展细胞电化学的研究进展测算细胞内离子浓度的方法：荧光探针、核磁共振、化学分析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）目前常用的ISME电极有：NH+4、Cl-、Na+、K+、H+、Mg+、Ca+、HO-3、PO43-等微电极。以以上上介介绍绍说说明明采采用用电电化化学学方方法法（微微电电极极技技术术）可可检检测测细细胞胞内内某某些些物物质质的的含含量量，从从而而为为了了解解细细胞胞的的功功能能提供依据。提供依据。细胞化学组成的电化学研究细胞化学组成的电化学研究 细胞电泳 细胞介电行为细胞的被动电子伏安行为细胞生物生理行为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分析传感器 是指检测和评价细胞的生物生理行为的传感器，也称CASCAS的种类的种类：分析细胞代谢产物的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基于分析细胞代谢产物的CAS：细胞分析传感器细胞分析传感器 细胞生长细胞生长：电刺激能改变细胞的生长。细胞膜通透性细胞膜通透性：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。电化学疗法电化学疗法：1983年，Nordenstrom首先报道电化学治疗肿 瘤临床效果，开创了肿瘤的直接电化学疗法。细胞的电场生化效应及其应用研究细胞的电场生化效应及其应用研究电化学疗法电化学疗法n n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，从而杀灭癌细胞，达到治治疗疗恶性肿瘤的目的，而对正常组织无明显损坏，此法称电医疗法 电化学疗法电化学疗法n n电化学治疗原理电化学治疗原理电化学治疗原理电化学治疗原理 正极释放出质子，正极释放出质子，H+H+在电场的作用下迁移、在电场的作用下迁移、扩散，使扩散，使pHpH值下降到值下降到1 1。处于酸性环境，使蛋白。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。负沉淀，产后酸性氯化血红蛋白，使组织变黑。负极极pHpH值升至值升至14,14,使组织碱性化。造成正极脱水，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，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造成肿瘤组织细胞失去正常的生存条件.电化学疗法电化学疗法n n颜色：颜色：1010分钟后见溃疡的肿瘤组织由樱红变为无光泽，分钟后见溃疡的肿瘤组织由樱红变为无光泽，3030分分钟开始萎缩，钟开始萎缩，9090分钟浅紫，分钟浅紫，120120分钟深紫。肿瘤直径在分钟深紫。肿瘤直径在3cm3cm内者发黑。无破溃的肿瘤内者发黑。无破溃的肿瘤6060一一9090分钟见肿瘤表面皮肤萎缩。分钟见肿瘤表面皮肤萎缩。n n局部排气排液局部排气排液：接受电化：接受电化治疗治疗治疗治疗的所有组织，局部均出现明显的的所有组织，局部均出现明显的排气液现象。排气液现象。治疗治疗治疗治疗后后5 51010分钟开始。负极首先排出淡黄色气分钟开始。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，多，6060一一9090分钟达到高峰，溃疡性肿瘤组织还可闻及大量似分钟达到高峰，溃疡性肿瘤组织还可闻及大量似爆竹样声响，肿瘤组织则逐渐溶解。不管破溃或未破溃的肿瘤爆竹样声响，肿瘤组织则逐渐溶解。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。组织，均排出大量黑水，随之瘤体缩小。电化学疗法电化学疗法 治疗方法治疗方法治疗方法治疗方法: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，然后插入特制的局麻，然后插入特制的治疗治疗治疗治疗铂电针，根据肿瘤的大铂电针，根据肿瘤的大小，按小，按1 1根针能根针能治疗治疗治疗治疗2 23cm3cm间距肿瘤组织来计算布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。一般周围极，中央接正极。一般周围2 24 46 68 81010根，中根，中央央1 12 24 46 6根不等。为尽量减少损伤皮肤，可采根不等。为尽量减少损伤皮肤，可采用斜形进针法用斜形进针法.电化学疗法电化学疗法治疗效果治疗效果:近期疗效近期疗效 远期疗效远期疗效 完全缓解：完全缓解：33.2%33.2%一年生存率：一年生存率：89.2%89.2%部分缓解：部分缓解：42.8%42.8%二年生存率：二年生存率：77.077.0 稳定：稳定：14.4%14.4%三年生存率：三年生存率：56.0%56.0%进展：进展：9.6%9.6%四年生存率：四年生存率：47.0%47.0%缓解缓解:76.1%:76.1%五年生存率：五年生存率：36.0%36.0%分析技术的微型化分析技术的微型化 与其它分析技术联用与其它分析技术联用,探讨细胞的电极过程及机理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应用量子力学、非线性动力学、混沌论和系统论等现代 科科学学理理论论和和方方法法构构建建和和完完善善细细胞胞电电化化学学的的理理论论体体系系,在在细细 胞层次上探讨生命现象及本质胞层次上探讨生命现象及本质细胞电化学的发展方向细胞电化学的发展方向第第4章章 蛋白质电化学蛋白质电化学 对酶反应的电化学理解方法对酶反应的电化学理解方法 利用媒体的酶的电极反应利用媒体的酶的电极反应 金属蛋白质的电化学金属蛋白质的电化学 电泳与蛋白质的分离电泳与蛋白质的分离 如果在酶的反应过程中发生消耗或生成物质的电极反应，通过测量和控制这些反应物就可以知道酶的反应进行与否，也就是通过对消耗或生成的物质的测量和控制，来判定酶的反应的状况。对酶反应的电化学理解方法对酶反应的电化学理解方法蛋白质的直接电化学蛋白质的直接电化学蛋白质或从蛋白质中提取的活性中心部分只有与电极接触，才能发生电极反应意义：对于理解和认识蛋白意义：对于理解和认识蛋白质在生命体内的电子转移机质在生命体内的电子转移机制和生理作用具有重要意义制和生理作用具有重要意义，利用电极探讨氧化还原蛋，利用电极探讨氧化还原蛋白质与底物分子之间的电子白质与底物分子之间的电子传递过程传递过程,为制备生物传感为制备生物传感器提供实验基础。器提供实验基础。缺陷：只有极少数氧化还原蛋白质可在裸固体电极上表缺陷：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：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多数蛋白质的电活性基团被深埋在其多肽链的内部,与与电极表面距离较远电极表面距离较远,很难与电极表面直接交换电子。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。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。可能阻碍它们与电极间的直接电子转移。蛋白质的直接电化学蛋白质的直接电化学大分子的蛋白质因其活性中心部分不能接近电极，不容易同电极进行电子的交换。利用媒体的酶的电极反应利用媒体的酶的电极反应受蛋白质与电极直接连接受蛋白质与电极直接连接方式缺陷的影响，人们不方式缺陷的影响，人们不得不借助于某些具有电化得不借助于某些具有电化学活性的媒介体来实现蛋学活性的媒介体来实现蛋白质与电极之间间接的电白质与电极之间间接的电化学反应化学反应 采用一种媒体，可以渗入蛋白质分子，并到达酶的活性中心部分，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电子迁移媒体媒体或称作电子载体电子载体。利用媒体的酶的电极反应利用媒体的酶的电极反应1977年年,Hill等将等将4,4-联联吡啶（一种促进剂吡啶（一种促进剂,它本身它本身在所研究的电位范围内是非在所研究的电位范围内是非电活性的）加入细胞色素电活性的）加入细胞色素c的溶液中的溶液中,在金电极上得到在金电极上得到了细胞色素了细胞色素c准可逆的循环准可逆的循环伏安伏安(CV)图图 自此以后自此以后,依靠采用促依靠采用促进剂来修饰电极表面进剂来修饰电极表面,蛋白蛋白质的直接电化学研究取得了质的直接电化学研究取得了很大进展很大进展 媒体分子的氧化还原电位；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、进行电子相互传递。媒体的选择媒体的选择：利用媒体的酶的电极反应利用媒体的酶的电极反应酶反应特性的表征酶反应特性的表征：米夏利斯常数和反应速度：米夏利斯常数和反应速度：无媒体时：式中E、S、ES、P各表示酶、基质、酶-基质复合体、生成物令所以利用媒体的酶的电极反应利用媒体的酶的电极反应若SKS，则获得最大的反应速度当S与KS相等时，此时基质的浓度称作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应利用媒体的酶的电极反应所以有媒体时：相对于基质的酶反应的米夏利斯常数相对于媒体的酶反应的米夏利斯常数利用媒体的酶的电极反应利用媒体的酶的电极反应金属蛋白质金属蛋白质是指生物体内含有金属离子的蛋白质。采用功能性电极(functionalelectrode)能够很容易地测定电极上快速的电子移动。细胞色素C的循环伏安曲线金属蛋白质的电化学金属蛋白质的电化学测量结果分析：A)根据峰电流评价蛋白质的扩散系数；B)根据氧化及还原峰电位的分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)根据氧化还原峰电位的中点，可求得蛋白质分子的氧化还原电位；D)从溶液中共存离子的种类、pH值和温度对影响的研究中，可以获得有关金属蛋白质构造变化的信息和热力学数据。金属蛋白质的电化学金属蛋白质的电化学血红蛋白的线性扫描曲线血红蛋白的线性扫描曲线 血红蛋白在微银电极上有电流响应；加入十二烷基硫酸钠后，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）。金属蛋白质的电化学金属蛋白质的电化学等等 电电 点：点：把蛋白质正负电荷数相等，整体带电为零的pH值。碱性蛋白质碱性蛋白质：在pH为7的中性溶液中带正电荷的蛋白质。酸性蛋白质酸性蛋白质：在pH为7的中性溶液中带负电荷的蛋白质。蛋白质的分离方法：离子交换型色谱法 电泳法 电泳与蛋白质的分离电泳与蛋白质的分离第5章生物相关物质的电化学生物相关物质的电化学 神经传输物质的电化学神经传输物质的电化学 核酸的电化学核酸的电化学 抗坏血酸的电化学响应抗坏血酸的电化学响应几种神经传输物质的分子结构：几种神经传输物质的分子结构：神经传输物质的电化学神经传输物质的电化学肾上腺素的电化学氧化还原反应肾上腺素的电化学氧化还原反应神经传输物质的电化学神经传输物质的电化学神经传输物质的电化学神经传输物质的电化学例如：微电极插入动物脑内进行活体伏安法例如：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、去甲肾上腺通常可检测的神经递质有多巴胺、去甲肾上腺素、素、5 羟色胺及其代谢产物羟色胺及其代谢产物微电极记微电极记录骨髓切录骨髓切片上的单片上的单一神经元一神经元活性活性嘌呤和嘧啶的分子结构 核酸的电化学核酸的电化学 核酸的碱基是电化学的活性部分。核酸的碱基是电化学的活性部分。如果把DNA分子作某种程度的解旋改性，则同正常DNA相比，前者在电极上碱基容易与电极接触，因而易发生还原反应。据此可以评价DNA的改性程度。并在DNA改性温度附近，核酸碱基的电化学还原电流急剧增大，这些事实表明，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。核酸的电化学核酸的电化学研究电极为玻碳电极抗坏血酸在玻碳电极表面上的CV曲线加入0.1mol/L聚吡咯 空白 抗坏血酸的电化学响应抗坏血酸的电化学响应第6章生物燃料电池生物燃料电池生物体系中的能量转化 生物燃料电池1965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，考虑活细胞是一个基本的生物燃活细胞是一个基本的生物燃料电池单元。料电池单元。生物体系中的能量转化 细胞内的葡萄糖相当于燃料电池的燃料，在细胞膜的内表面氧化，构成阳极；而空气中的O2在细胞外表面还原，构成阴极，细胞膜电位就是这个单元燃料电池的端电压。合理性分析合理性分析：人体理论功率相当于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代谢反应举例：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=还原形式的FAD。第二步：FAD-H2+O2FAD+H2O2 G和G1是一氧化还原对，FAD的两种形态也是。阳极阳极：食物通过代谢作用被氧化；阴极阴极：氧气被还原；离子电流离子电流：通过电解质溶液（在膜孔内）传递电荷；电子流电子流：由蛋白质或酶等大分子在两个电极之间传递。生物体系中的能量转化线粒体中代谢过程的化学链及电子传递链线粒体中代谢过程的化学链及电子传递链生物体系中的能量转化部分物质的标准电极电位部分物质的标准电极电位 生物体系中的能量转化该理论的进一步的证据该理论的进一步的证据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表面积成正比的，而不是和生物体的体积成正比。假如代谢过程是在溶液中进行的，显然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，氧化过程和还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应平衡移动原理的。因为整个反应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中的能量转化细胞膜电位的影响因素：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还原的电极电位 以及这些反应进行的速率；其次决定于溶液离子导电的电阻和由酶反应组成的电子导 体的电阻。研究发现研究发现：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。表明生物生物 的代谢是一个由溶液中的反应粒子和膜之间的单电的代谢是一个由溶液中的反应粒子和膜之间的单电 子转移控制的反应。子转移控制的反应。生物体系中的能量转化生物燃料电池生物燃料电池的特点：的特点：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；操作条件温和：常温、常压、接近中性的环境中工作；生物相容性：可放置入生物体内部。生物燃料电池生物燃料电池生物燃料电池的发展历史：的发展历史：（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，美国空间科学研究促进了生物燃料电池的发展，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，氧化还原介体的广泛应用，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。生物燃料电池生物燃料电池生物燃料电池的分类：的分类：按照使用催化剂形式分类按照使用催化剂形式分类：微生物燃料电池和酶燃料电池。根据电子转移方式分类：根据电子转移方式分类：直接生物燃料电池和间接生物燃料 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应部位，接受电子之后的成为还原态，然后扩散到阳极上发生氧化反应，从而加速生物催化剂与电极之间的电子传递，达到提高工作电流密度的目的。生物燃料电池 能够被生物催化剂快速还原，并在电极上被快速氧化；在催化剂和电极间能快速扩散；氧化还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最大；在水溶液系统中有一定的可溶性和稳定性。理想的介体应具有下列特性：理想的介体应具有下列特性：生物燃料电池甲醇生物燃料电池工作原理示意图甲醇生物燃料电池工作原理示意图：生物燃料电池微生物燃料微生物燃料电电池池 ：催化剂催化剂：各种微生物，经常使用的有大肠杆菌等；燃燃 料料：葡萄糖或蔗糖；利用介体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%），其原因是副反应较多。生物燃料电池酶酶燃料燃料电电池池 ：催化剂：催化剂：酶，主要是脱氢酶和氧化酶；燃燃 料：料：甲醇和葡萄糖；一般采用媒介体。生物燃料电池生物燃料电池存在的生物燃料电池存在的问题问题与展望与展望 ：存在的问题：存在的问题：v 输出功率密度远远不能满足实际要求；v 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电子传递过程。Marcus和Sutin提出的理论认为：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。理论和实验均表明，随传递距离的增加，电子转移速率呈指数下降的趋势。生物燃料电池解决电子传递速率低的办法解决电子传递速率低的办法：v 使用氧化还原介体使用氧化还原介体v 采用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。生物燃料电池生物燃料电池举例生物燃料电池举例：酶生物燃料电池微生物生物燃料电池生物燃料电池第7章电化学生物传感器生物传感器 概述概述 各各类类型生物型生物电电化学化学传传感器感器简简介介 生物传感器的应用生物传感器的应用 传感器：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：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信号的传感器。有关概念有关概念：概述概述电化学生物传感器的结构电化学生物传感器的结构：概述概述电化学生物传感器的分类电化学生物传感器的分类：根据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。高度的选择性高度的选择性 快速快速电化学生物传感器的特点电化学生物传感器的特点：概述概述酶的固定化技术酶的固定化技术：将酶固定在各种载体上，称为酶的固定化技术。间接法：将酶先固定在载体上，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；共价键合法固定方法固定方法直接法：将酶通过化学修饰方法直接固定在电极表面。各各类类型生物型生物电电化学化学传传感器感器简简介介聚合物包埋法聚合物包埋法：将酶等生物分子包埋并固定在高分子聚合物三维网状结构中。特点：特点：可在温和实验条件下进行；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。各各类类型生物型生物电电化学化学传传感器感器简简介介共价键合法共价键合法：将酶等生物分子通过共价键与电极表面结合，从而实现固定化。特点：特点：在低温下进行；在低的离子强度和生理pH值条件下进行；固定化膜稳定；各各类类型生物型生物电电化学化学传传感器感器简简介介酶传感器酶传感器 的分类：的分类：氧电极型；过氧化氢电极型；离子电极型；气体电极型。各各类类型生物型生物电电化学化学传传感器感器简简介介酶传感器的结构：酶传感器的结构：各各类类型生物型生物电电化学化学传传感器感器简简介介酶传感器的工作原理：酶传感器的工作原理：（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，将发生以下酶反应，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，最终导致氧还原电流变小。（c）氧还原电流减小的量与测定溶液中葡萄糖的浓度成正比各各类类型生物型生物电电化学化学传传感器感器简简介介酶传感器发展的三个阶段酶传感器发展的三个阶段：1、第一代酶生物传感器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；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。各各类类型生物型生物电电化学化学传传感器感器简简介介酶传感器发展的三个阶段酶传感器发展的三个阶段：2、第二代酶生物传感器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基础的电催化，在电极表面固定一层媒介体。特点：1）测量浓度线性范围较宽；2）干扰少了。各各类类型生物型生物电电化学化学传传感器感器简简介介1）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键的环及与环相联的双键，这些双键容易打开与再形成，电子的传递就是靠这些双键打开与再形成得以实现的。媒介体作用机理媒介体作用机理：常见的媒介体常见的媒介体：二茂铁及其衍生物、钌及其化合物、铁氰酸盐、醌类、有机燃料、有机介体、有机导电盐。各各类类型生物型生物电电化学化学传传感器感器简简介介 3、第三代酶生物传感器第三代酶生物传感器酶在电极上的直接电催化。在理论上在理论上，酶与电极之间直接电子传递过程更接近生物氧化还原系统的原始模型，为揭示生物氧化还原过程的机理奠定了基础；在应用方面在应用方面，酶直接电化学的实现可用于发展人工心脏用的生物燃料电池。各各类类型生物型生物电电化学化学传传感器感器简简介介微生物传感器微生物传感器：将微生物(常用的主要是细菌和酵母菌)作为敏感材料固定在电极表面构成的电化学生物传感器称为微生物电极传感器。工作原理工作原理：1、利用微生物体内含有的酶(单一酶或复合酶)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：特点：价格低廉、使用寿命长。存在问题：存在问题：选择性和长期稳定性等还有待进一步提高。各各类类型生物型生物电电化学化学传传感器感器简简介介电化学免疫电化学免疫传感器传感器：电化学免疫传感器就是利用抗体对相应抗原具有唯一识别和结合功能将抗体或抗原和电极组合而成的检测装置。分类分类：根据结构可分为直接型和间接型两类。直接型直接型：在抗体与其相应抗原识别结合的同时将其免疫反应的信息直接转变成电信号。间接型：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。各各类类型生物型生物电电化学化学传传感器感器简简介介组织电极与细胞器电极组织电极与细胞器电极传感器传感器：直接采用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。优点优点：缺点缺点：在选择性、灵敏度、响应时间等方面还存在不足。各各类类型生物型生物电电化学化学传传感器感器简简介介电化学电化学DNA传感器传感器：电化学DNA传感器是利用单链DNA(ssDNA)或基因探针作为敏感元件固定在固体电极表面，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：工作原理：利用固定在电极表面的某一特定序列的ssDNA与溶液中的同源序列的特异识别作用(分子杂交)形成双链DNA(dsDNA)(电极表面性质改变)，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达到检测基因的目的。存在的问题存在的问题：主要是传感器的稳定性、重现性、灵敏度等都还有待于提高。各各类类型生物型生物电电化学化学传传感器感器简简介介1、医学和生理学研究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5、农业生物工程6、环境保护电化学生物传感器的应用电化学生物传感器的应用第8章生物功能与电化学生物功能与电化学 生物功能的检测生物功能的检测 对刺激的电化学阻抗解释对刺激的电化学阻抗解释 细胞膜电穿孔细胞膜电穿孔 材料的微生物腐蚀材料的微生物腐蚀 生物生长过程的控制生物生长过程的控制 用于生命科学的电化学技术用于生命科学的电化学技术 生物体系中的振荡现象生物体系中的振荡现象 生物电分析化学生物电分析化学 检测的依据检测的依据：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基础的离子体系，因而作为电化学测量对象是很适宜的。检测举例检测举例：生物体系神经信号的传递。生物功能的检测生物功能的检测检测电路及检测结果检测电路及检测结果：生物功能的检测生物功能的检测结果分析结果分析：细胞膜是一种选择透过性膜，其对K+和Na+的渗透具有选择性。刺激前，膜只有K+通过，则PK+=1，PNa+=0；刺激后，K+不能透过，而Na+能透过，则PK+=0，PNa+=1；刺激前后，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生物功能的检测生物功能的检测霍奇金霍奇金-赫克斯利公式赫克斯利公式：静止电位静止电位：动作电位（作用电位）动作电位（作用电位）：生物功能的检测生物功能的检测动作电位的传递动作电位的传递：这种电流通过神经细胞的传递是信息从体内接受信号的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基本机制，同时说明这种传递机制神经细胞传递到大脑的基本机制，同时说明这种传递机制在本质上是电化学的。在本质上是电化学的。生物功能的检测生物功能的检测生物功能的检测生物功能的检测生物体的阻抗生物体的阻抗 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的介质和狭小的管道引起的。低频交流下,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对刺激的电化学阻抗解释各种离体组织的电阻率各种离体组织的电阻率 ：组织电阻率/cm组织电阻率/cm血清7078脾630全血160230正常乳房430骨骼肌470711乳癌170心肌207224肾皮质610肝506672脂肪18082205肺（呼气）401脑灰质480（充气）744766白质750对刺激的电化学阻抗解释对刺激的电化学阻抗解释 在位组织的阻抗不仅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2.3、中年人4、老年人脑阻抗图 a）正常人b）肝硬化和巨块型肝癌肝阻抗图 对刺激的电化学阻抗解释对刺激的电化学阻抗解释对刺激的