生物电化学主题知识讲座公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

生物生物电化学化学 bioelectrochemistry1 生物分子生物分子电化学研究化学研究 2生物膜生物膜电化学研究化学研究3 单个个细胞胞电化学研究化学研究4 电化学化学传感器感器第1页第1页 生物生物电化学化学 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一门独立学科。是用电化学基本原理和试验方法，在生物体和有机组织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（包含电子、离子及其它电活性粒子）在生物体系和其对应模型体系中分布、传输和转移及转化化学本质和规律一门新型学科。第2页第2页 生物生物电化学化学在生命在生命过程中程中,人和人和动物代物代谢作用及各种生理作用及各种生理现象象大都与大都与电流和流和电势改改变密切相关密切相关,并并详细表表现为无无论是能量是能量转换、神、神经传导、光合作用、呼吸、光合作用、呼吸过程程,还是基因是基因遗传、疾病防治、疾病防治、药物体内物体内释放等都伴放等都伴伴随伴随电子子转移。作移。作为一一门研究研究电子子(或半或半导体材料体材料)离子以及离子离子以及离子离子离子导体界面性体界面性质改改变过程与程与机理科学机理科学,当代当代电化学已把生命化学已把生命过程中程中电化学反化学反应作作为其主要研究内容。同其主要研究内容。同时,生命科学也把生命科学也把电化学化学办法作法作为主要主要试验手段手段,尤其是伴伴随近期两个学尤其是伴伴随近期两个学科在一些相关基科在一些相关基础理理论和和试验办法方面所取得法方面所取得进步步,把两者把两者结合起来合起来进行研究更行研究更显出其出其优势第3页第3页一生物分子一生物分子电化学研究化学研究1.1电化学研究化学研究脱氧核糖核酸作脱氧核糖核酸作为所有生物基本所有生物基本遗传物物质,电化学化学办法在法在对其其结构、形构、形态分析和碱基序列分析和碱基序列拟定定,以及以及损伤和基因和基因诊断等研究断等研究领域都含有本身域都含有本身优势,同同时也可也可为与其它各与其它各类金属离子、金属螯金属离子、金属螯合物、小分子物合物、小分子物质等互相作用机理研究提供依据等互相作用机理研究提供依据,并在并在临床床诊断上起着主要作用断上起着主要作用早期工作主要是早期工作主要是对基本基本电化学行化学行为研究研究,所用所用电化学技化学技术包括各种极包括各种极谱、伏安、伏安办法、法、电位法、位法、阻抗法和阻抗法和电化学化学发光法光法()等。等。碱基能碱基能发生生电化学氧化化学氧化还原反原反应,对其在各种其在各种电极表面吸附行极表面吸附行为和和电化学氧化化学氧化还原行原行为研究是研究是另一个另一个热点。点。第4页第4页1.2蛋白蛋白质和和酶直接直接电化学化学1 蛋白蛋白质直接直接电化学化学氧化氧化还原蛋白原蛋白质和和酶等生物大分子直接等生物大分子直接电化学研究是化学研究是生物生物电化学界和生物学界非常关注化学界和生物学界非常关注热点点问题。它研究。它研究对于于人人们取得蛋白取得蛋白质和和酶热力学和力学和动力学性力学性质，进一步一步结识蛋蛋白白质和和酶等生物大分子在生命体内生理作用以及开等生物大分子在生命体内生理作用以及开发新型新型生物生物传感器、新型生物燃料感器、新型生物燃料电池等生物池等生物电子器件含有主要子器件含有主要理理论和和应用指用指导意意义。从某种意。从某种意义上上讲，硕士命士命过程，程，实质上就是上就是硕士物体中士物体中电子子传递过程程第5页第5页 当前当前为止存在止存在问题：只有：只有很少数氧化很少数氧化还原蛋原蛋白白质可在裸固体可在裸固体电极上表极上表现出出电化学活性。化学活性。这主要是由于：主要是由于：l多数蛋白多数蛋白质电活性基活性基团被深埋在其多被深埋在其多肽链内内部部,与与电极表面距离极表面距离较远,很很难与与电极表面直接极表面直接互互换电子。子。l蛋白蛋白质在在电极表面取向往往不利于其极表面取向往往不利于其电活性活性基基团与与电极之极之间电子互子互换。l一些一些杂质在在电极表面上吸附或蛋白极表面上吸附或蛋白质本身吸本身吸附附变性也性也许阻碍它阻碍它们与与电极极间直接直接电子子转移移。第6页第6页2 增增进剂存在下蛋白存在下蛋白质直接直接电化学化学 受蛋白受蛋白质与与电极直接极直接连接方式缺点影响，接方式缺点影响，人人们不得不借助于一些含有不得不借助于一些含有电化学活性媒化学活性媒介体来介体来实现蛋白蛋白质与与电极之极之间间接接电化学化学反反应 1977年年,Hill等等将将4,4-联吡吡啶（一一个个增增进剂,它它本本身身在在所所研研究究电位位范范围内内是是非非电活活性性）加加入入细胞胞色色素素c(Cyt,C)溶溶液液中中,在在金金电极极上上得得到到了了细胞胞色色素素c准准可可逆逆循循环伏伏安安(CV)图 自自此此以以后后,依依托托采采用用增增进剂来来修修饰电极极表表面面,蛋蛋白白质直直接接电化化学学研研究究取取得得了了很很大大进展展 第7页第7页二二 生物膜生物膜电化学研究化学研究 生物体系中生物体系中许多多过程程发生在生物膜上生在生物膜上,生物生物电起因起因可可归结为细胞膜内外两胞膜内外两侧电势差差,生物体系中相关生物体系中相关能量能量传递以及其它一些以及其它一些过程多与生物膜上程多与生物膜上电子子转移和氧化、移和氧化、还原原过程相关程相关;生物膜构成、生物膜构成、结构、功构、功效复效复杂性性,在原位在原位进行行现场观测和研究是十分困和研究是十分困难,制制备其模其模拟体系是体系是进行各种研究基行各种研究基础和前提和前提,这使使得生物膜和模得生物膜和模拟生物膜生物膜电化学研究受到人化学研究受到人们广泛广泛关注。起初是用循关注。起初是用循环伏安法和伏安法和阶跃法研究法研究电子子传递;以后以后结合交流阻抗等技合交流阻抗等技术用于研究用于研究电子跨膜子跨膜传递、膜、膜电阻和膜阻和膜电容以及修容以及修饰膜生物分子膜生物分子电化学化学行行为等研究。等研究。第8页第8页生物膜是生物机体研究中一个极生物膜是生物机体研究中一个极为广泛广泛领域域,膜膜现象几乎完全控制着离子、中性分子等在活象几乎完全控制着离子、中性分子等在活细胞内、胞内、外运送外运送,离子运送形成跨膜离子运送形成跨膜电位差反位差反过来又能来又能够调整物整物质运送。运送。细胞膜胞膜电位差存在造成位差存在造成细胞与外界胞与外界(特殊分子特殊分子)形成微形成微电流流环路路,使使细胞内外信息得以胞内外信息得以交流交流,从而从而调整整细胞功效。因此膜胞功效。因此膜电位相称于位相称于细胞胞工作一个天然工作一个天然电源源,为信号信号传导提供提供电子子,是是细胞内胞内信息能量活信息能量活动源泉源泉第9页第9页生物膜特有脂双分子生物膜特有脂双分子层结构是属构是属于生命一个基本于生命一个基本结构。用构。用电化学化学理理论、办法和技法和技术进行模行模拟生物生物膜功效研究是膜功效研究是结识生命活生命活动有效有效路径，已成路径，已成为生物生物电化学研究化学研究热点点.第10页第10页 生物膜流动镶嵌模型特点有序性流动性不对称性生物膜生物膜电化学研究化学研究第11页第11页三三 电化学化学对单细胞水平胞水平检测单个个细胞中胞中组分分析，是在分分析，是在细胞胞水平上理解生化反水平上理解生化反应基本要求。基本要求。单细胞胞特点：特点：体体积小、小、组分复分复杂、含量极微。、含量极微。分析分析要求：要求：高高选择、高灵敏、快响、高灵敏、快响应、超小、超小体体积。第12页第12页/10/10 微微电极与超微极与超微电极极 microelectrode and ultramicroelectrode 超微超微直径直径100100 m m；活体分析；活体分析；细胞中物胞中物质分析；分析；材料：材料：铂、金、碳、金、碳纤维；形状：微形状：微盘、微、微环、微球、微球、组合等。合等。1.1.基本特性基本特性（1 1）极小）极小电极半径极半径（2 2）双）双电层充充电电流很小流很小（3 3）平衡）平衡时间短短，响，响应快快2.2.应用应用 脑神神经组织中多巴胺、儿茶胺中多巴胺、儿茶胺实时监测。第13页第13页第14页第14页如：微如：微电极插入极插入动物物脑内内进行活体伏安法行活体伏安法 通常可通常可检测神神经递质有多巴胺、去甲有多巴胺、去甲肾上腺素、上腺素、5 羟色胺及其代色胺及其代谢产物物 图：玻璃微电极统计骨髓切片上单一神经元活性图：玻璃微电极统计骨髓切片上单一神经元活性第15页第15页第16页第16页 生物生物神经活动电信号传导是包括神经活动电信号传导是包括着神经原之间某种化学物质化学着神经原之间某种化学物质化学通讯利用电极化学修饰表面电通讯利用电极化学修饰表面电位（或脉冲）响应而释放出神经位（或脉冲）响应而释放出神经递质就能够构成神经突触活动简递质就能够构成神经突触活动简朴模型朴模型第17页第17页第18页第18页第19页第19页第20页第20页四、四、电化学生物传感器信号转换器电化学生物传感器信号转换器 离子选择电极离子选择电极 电位型电极电位型电极 氧化还原电极氧化还原电极电化学电极电化学电极 电流型电极电流型电极 氧电极氧电极第21页第21页1、电位型电极、电位型电极 离子选择电极 离子选择电极是一类对特定阳离子或阴离子呈选择性响应电极，含有快速、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一些成份（比如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另一类电位型电极。这里指主要是零类电极。第22页第22页2、电流型电极电流型电极 电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转换器趋势日益增长，这是由于这类电极和电位型电换器趋势日益增长，这是由于这类电极和电位型电极相比有下列长处：极相比有下列长处：电极输出直接和被测物浓度呈线性关系，不像电极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对数呈线性关系。电位型电极那样和被测物浓度对数呈线性关系。电极输出值读数误差所相应待测物浓度相电极输出值读数误差所相应待测物浓度相 对对误差比电位型电极小。误差比电位型电极小。电极灵敏度比电位型电极高电极灵敏度比电位型电极高。第23页第23页氧电极氧电极 有有不不少少酶酶尤尤其其是是各各种种氧氧化化酶酶和和加加氧氧酶酶在在催催化化底底物物反反应应时时要要用用溶溶解解氧氧为为辅辅助助试试剂剂，反反应应中中所所消消耗耗氧氧量量就就用用氧氧电电极极来来测测定定。另另外外，在在微微生生物物电电极极、免免疫疫电电极极等等生生物物传传感感器器中中也也惯惯用用氧氧电电极极作作为为信信号号转转换换器器，因因此此氧氧电电极在生物传感器中用得很广。极在生物传感器中用得很广。当当前前用用得得最最多多氧氧电电极极是是电电解解式式ClarkClark氧氧电电极极，ClarkClark氧氧电电极极是是由由铂铂阴阴极极、Ag/AgClAg/AgCl阳极、阳极、KClKCl电解质和透气膜所构成。电解质和透气膜所构成。第24页第24页谢谢第25页第25页