生物电化学 ppt

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1、生物电化学生物电化学 bioelectrochemistry1 生物分子的电化学研究生物分子的电化学研究 2生物膜的电化学研究生物膜的电化学研究3 单个细胞的电化学研究单个细胞的电化学研究4 电化学传感器电化学传感器 生物电化学生物电化学 生物电化学是生物电化学是20世纪世纪70年代由电生物年代由电生物学、生物物理学、生物化学以及电化学、生物物理学、生物化学以及电化学等多门学科交叉形成的一门独立的学等多门学科交叉形成的一门独立的学科。是用电化学的基本原理和实验学科。是用电化学的基本原理和实验方法，在生物体和有机组织的整体以方法，在生物体和有机组织的整体以及分子和细胞两个不同水平上研究或及分子和

2、细胞两个不同水平上研究或模拟研究电荷（包括电子、离子及其模拟研究电荷（包括电子、离子及其他电活性粒子）在生物体系和其相应他电活性粒子）在生物体系和其相应模型体系中分布、传输和转移及转化模型体系中分布、传输和转移及转化的化学本质和规律的一门新型学科的化学本质和规律的一门新型学科。 生物电化学生物电化学 在生命过程中在生命过程中,人和动物的代谢作用及各种生理现人和动物的代谢作用及各种生理现象大都与电流和电势的变化密切相关象大都与电流和电势的变化密切相关,并具体表现并具体表现为无论是能量转换、神经传导、光合作用、呼吸为无论是能量转换、神经传导、光合作用、呼吸过程过程,还是基因遗传、疾病防治、药物体内

3、释放等还是基因遗传、疾病防治、药物体内释放等都伴随着电子的转移。作为一门研究电子都伴随着电子的转移。作为一门研究电子(或半导或半导体材料体材料)离子以及离子离子以及离子离子导体界面性质变化离子导体界面性质变化过程与机理的科学过程与机理的科学,现代电化学已把生命过程中的现代电化学已把生命过程中的电化学反应作为其重要的研究内容。同时电化学反应作为其重要的研究内容。同时,生命科生命科学也把电化学方法作为重要的实验手段学也把电化学方法作为重要的实验手段,尤其是伴尤其是伴随着近期两个学科在一些相关基础理论和实验方随着近期两个学科在一些相关基础理论和实验方法方面所取得的进步法方面所取得的进步,把两者结合起

4、来进行研究更把两者结合起来进行研究更显出其优势显出其优势一生物分子的电化学研究一生物分子的电化学研究1.1的电化学研究的电化学研究脱氧核糖核酸作为所有生物的基本遗传物质脱氧核糖核酸作为所有生物的基本遗传物质,电化学电化学方法在对其结构、形态分析和碱基序列确定方法在对其结构、形态分析和碱基序列确定,以及以及的损伤和基因诊断等研究领域都具有自身的损伤和基因诊断等研究领域都具有自身优势优势,同时也可为与其它各类金属离子、金同时也可为与其它各类金属离子、金属螯合物、小分子物质等相互作用的机理研究提属螯合物、小分子物质等相互作用的机理研究提供依据供依据,并在临床诊断上起着重要作用并在临床诊断上起着重要作

5、用早期的工作主要是对基本电化学行为的研究早期的工作主要是对基本电化学行为的研究,所用的电化学技术包括各种极谱、伏安方法、电所用的电化学技术包括各种极谱、伏安方法、电位法、阻抗法和电化学发光法位法、阻抗法和电化学发光法()等。等。的碱基能发生电化学氧化还原反应的碱基能发生电化学氧化还原反应,对其在各对其在各种电极表面的吸附行为和电化学氧化还原行为的种电极表面的吸附行为和电化学氧化还原行为的研究是另一个热点。研究是另一个热点。1.2蛋白质蛋白质和酶的直接电化学和酶的直接电化学1 蛋白质蛋白质的直接电化学的直接电化学氧化还原蛋白质和酶等生物大分子的直接电化学研究氧化还原蛋白质和酶等生物大分子的直接电

6、化学研究是生物电化学界和生物学界非常关注的热点问题。它的研是生物电化学界和生物学界非常关注的热点问题。它的研究对于人们获得蛋白质和酶的热力学和动力学性质，深入究对于人们获得蛋白质和酶的热力学和动力学性质，深入认识蛋白质和酶等生物大分子在生命体内的生理作用以及认识蛋白质和酶等生物大分子在生命体内的生理作用以及开发新型生物传感器、新型生物燃料电池等生物电子器件开发新型生物传感器、新型生物燃料电池等生物电子器件具有重要的理论和应用指导意义。从某种意义上讲，研究具有重要的理论和应用指导意义。从某种意义上讲，研究生命过程，实质上就是研究生物体中的电子传递过程生命过程，实质上就是研究生物体中的电子传递过程

7、 目前为止存在的问题：只有目前为止存在的问题：只有极少数氧化还原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。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：这主要是由于：l 多数蛋白质的电活性基团被深埋在其多肽链多数蛋白质的电活性基团被深埋在其多肽链的内部的内部,与电极表面距离较远与电极表面距离较远,很难与电极表面很难与电极表面直接交换电子。直接交换电子。l 蛋白质在电极表面的取向往往不利于其电活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。性基团与电极之间的电子交换。l 某些杂质在电极表面上的吸附或蛋白质本身某些杂质在电极表面上的吸附或蛋白质本身的吸附变性

8、可能阻碍它们与电极间的直接电的吸附变性可能阻碍它们与电极间的直接电子转移子转移。2 促进剂促进剂存在下的蛋白质的直接电化存在下的蛋白质的直接电化学学 受蛋白质与电极直接连接方式缺陷的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蛋白质与电极之间间活性的媒介体来实现蛋白质与电极之间间接的电化学反应接的电化学反应 1977年年,Hill等将等将4,4-联吡啶（一种促进联吡啶（一种促进剂剂,它本身在所研究的电位范围内是非电活它本身在所研究的电位范围内是非电活性的）加入细胞色素性的）加入细胞色素c(Cyt,C)的溶液中的溶液中

9、,在在金电极上得到了细胞色素金电极上得到了细胞色素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,依靠采用促进剂来修饰电极表依靠采用促进剂来修饰电极表面面,蛋白质的直接电化学研究取得了很大进蛋白质的直接电化学研究取得了很大进展展 二二 生物膜的电化学研究生物膜的电化学研究 生物体系中的许多过程发生在生物膜上生物体系中的许多过程发生在生物膜上,生物电的生物电的起因可归结为细胞膜内外两侧的电势差起因可归结为细胞膜内外两侧的电势差,生物体系生物体系中有关能量的传递以及其它一些过程多与生物膜中有关能量的传递以及其它一些过程多与生物膜上的电子转移和氧化、还原过程有关上的电子转移和氧化、

10、还原过程有关;生物膜的组生物膜的组成、结构、功能的复杂性成、结构、功能的复杂性,在原位进行现场的观测在原位进行现场的观测和研究是十分困难的和研究是十分困难的,制备其模拟体系是进行各种制备其模拟体系是进行各种研究的基础和前提研究的基础和前提,这使得生物膜和模拟生物膜的这使得生物膜和模拟生物膜的电化学研究受到人们的广泛关注。起初是用循环电化学研究受到人们的广泛关注。起初是用循环伏安法和阶跃法研究电子的传递伏安法和阶跃法研究电子的传递;后来结合交流阻后来结合交流阻抗等技术用于研究电子跨膜传递、膜电阻和膜电抗等技术用于研究电子跨膜传递、膜电阻和膜电容以及修饰膜生物分子的电化学行为等的研究。容以及修饰膜

11、生物分子的电化学行为等的研究。 生物膜是生物机体研究中一个极为广泛的领域生物膜是生物机体研究中一个极为广泛的领域, 膜膜现象几乎完全控制着离子、中性分子等在活细胞现象几乎完全控制着离子、中性分子等在活细胞内、外的运输内、外的运输,离子运输形成的跨膜电位差反过来离子运输形成的跨膜电位差反过来又可以调节物质运输。细胞膜电位差的存在导致又可以调节物质运输。细胞膜电位差的存在导致细胞与外界细胞与外界(特殊分子特殊分子)形成微电流环路形成微电流环路,使细胞内使细胞内外的信息得以交流外的信息得以交流,从而调节细胞功能。所以膜电从而调节细胞功能。所以膜电位相当于细胞工作的一个天然电源位相当于细胞工作的一个天

12、然电源,为信号的传导为信号的传导提供电子提供电子,是细胞内信息能量活动的源泉是细胞内信息能量活动的源泉生物膜特有的脂双分子层结构是生物膜特有的脂双分子层结构是属于生命的一种基本结构。用电属于生命的一种基本结构。用电化学的理论、方法和技术进行模化学的理论、方法和技术进行模拟生物膜功能的研究是认识生命拟生物膜功能的研究是认识生命活动的有效途径，已成为生物电活动的有效途径，已成为生物电化学研究的热点化学研究的热点. 生物膜的流动镶嵌模型的特点有序性流动性不对称性生物膜的电化学研究生物膜的电化学研究三三 电化学对单细胞水平的检测电化学对单细胞水平的检测单个细胞中的组分分析，是在细单个细胞中的组分分析，

13、是在细胞水平上了解生化反应的基本要求。胞水平上了解生化反应的基本要求。 单细胞单细胞特点：特点：体积小、组分复杂、含量极微。体积小、组分复杂、含量极微。 分析分析要求：要求：高选择、高灵敏、快响应、超小高选择、高灵敏、快响应、超小体积。体积。2022-2-7 微电极与超微电极微电极与超微电极 microelectrode and ultramicroelectrode 超微超微直径直径100100 m m；活体分析；细胞中物质分析；活体分析；细胞中物质分析； 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。1.1.基本特征基本特征（

14、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）平衡时间短短，响应快，响应快2.2.应用应用 脑神经组织中多巴胺、儿茶胺的实时监测。脑神经组织中多巴胺、儿茶胺的实时监测。如：微电极插入动物脑内进行活体伏安法如：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、去甲肾上腺素、通常可检测的神经递质有多巴胺、去甲肾上腺素、5 羟色胺及其代谢产物羟色胺及其代谢产物 图：玻璃微电极记录骨髓切片上的单一神经元活性图：玻璃微电极记录骨髓切片上的单一神经元活性 生物生物的神经活动电信号的传导是的神经活动电信号的传导是包含着神经原之间某种化

15、学物质包含着神经原之间某种化学物质的化学通讯利用电极的化学修的化学通讯利用电极的化学修饰表面电位（或脉冲）响应而释饰表面电位（或脉冲）响应而释放出神经递质就可以构成神经突放出神经递质就可以构成神经突触活动的简单模型触活动的简单模型四、四、电化学生物传感器的信号转换器电化学生物传感器的信号转换器 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1、电位型电极、电位型电极 离子选择电极离子选择电极 离子选择电极是一类对特定的阳离子或阴离子离子选择电极是一类对特定的阳离子或阴离子呈选择性响应的电极，具有快速、灵敏、可靠、

16、呈选择性响应的电极，具有快速、灵敏、可靠、价廉等优点。在生物医学领域常直接用它测定价廉等优点。在生物医学领域常直接用它测定体液中的一些成分（例如体液中的一些成分（例如H+H+，K+K+，Na+Na+，CaCa2+2+等）。等）。 氧化还原电极氧化还原电极氧化还原电极是不同于离子选择电极的另一类氧化还原电极是不同于离子选择电极的另一类电位型电极。这里指的主要是零类电极。电位型电极。这里指的主要是零类电极。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的趋势日益增加，这是因为这类电极和电位型换器的趋势日益增加，这是因为这类电极和电位型

17、电极相比有以下优点：电极相比有以下优点： 电极的输出直接和被测物浓度呈线性关系，不像电极的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的对数呈线性关系。电位型电极那样和被测物浓度的对数呈线性关系。 电极输出值的读数误差所对应的待测物浓度的相电极输出值的读数误差所对应的待测物浓度的相 对误差比电位型电极的小。对误差比电位型电极的小。 电极的灵敏度比电位型电极的高电极的灵敏度比电位型电极的高。 氧电极氧电极 有不少酶特别是各种氧化酶和加氧酶在催有不少酶特别是各种氧化酶和加氧酶在催化底物反应时要用溶解氧为辅助试剂，反化底物反应时要用溶解氧为辅助试剂，反应中所消耗的氧量就用氧电极来测定。此应中所消耗的氧量就用氧电极来测定。此外，在微生物电极、免疫电极等生物传感外，在微生物电极、免疫电极等生物传感器中也常用氧电极作为信号转换器，因此器中也常用氧电极作为信号转换器，因此氧电极在生物传感器中用得很广。氧电极在生物传感器中用得很广。 目前用得最多的氧电极是电解式的目前用得最多的氧电极是电解式的ClarkClark氧电极，氧电极，ClarkClark氧电极是由铂阴极、氧电极是由铂阴极、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。谢谢谢谢