电分析

人类在认识自然、改造自然的社会实践中创立了各门自然科学。随着认识的不断深入,以及深层次解决实际问题的需要,对许多基本问题必须作深入细致的研究。因此,自然科学的各门学科逐渐分化出许多分支学科。特别是进入20世纪以来,分化的速度愈来愈快。各门一级学科已分化出众多的二级、三级、甚至四级、五级学科等等。但是,由于实际要解决的许多问题非常复杂,所涉及的知识又是高度综合性的,如神经细胞跨膜释放神经传递物质的研究,就涉及生物学、化学、物理学、信息科学等多学科的知识,这样,便出现了高度分化的相对狭窄的学科难以解决高度复杂的实际问题的矛盾。从学科自身的发展来看,相对狭窄的研究领域,如不借鉴、利用相关学科的最新研究成果,则很难有大的突破,并可能最终致使学科发展无路可走。因此,无论是从学科自身的发展,还是从实际需要来看,都迫切需要多学科之间相互交叉、相互渗透。深层次交叉的结果是在多学科的界面上通过学科间的“碰撞”而生长出新型的“交叉学科”,或称“边缘学科”。生物电化学便是本世纪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的一门独立的学科。
电化学与生物电现象　　
电化学是研究电子导体(或半导体材料)/离子导体(一般为电解质溶液)和离子导体/离子导体的界面结构、界面现象及其变化过程与机理的科学。　　
生命现象最基本的过程是电荷运动。生物电的起因可归结为细胞膜内外两侧的电势差。人和动物的代谢作用以及各种生理现象,处处都有电流和电势的变化产生。人或其它动物的肌肉运动、大脑的信息传递以及细胞膜的结构与功能机制等无不涉及电化学过程的作用。显然,电化学是生命科学的最基础的相关学科。细胞的代谢作用可以借用电化学中的燃料电池的氧化和还原过程来模拟;生物电池是利用电化学方法模拟细胞功能;人造器官植入人体导致血栓与血液和植入器官之间的界面电势差这一基本电化学问题密切相关;心电图、脑电图等则是利用电化学方法模拟生物体内器官的生理规律及其变化过程的实际应用。由以上几个基本例子可见,交叉学科生物电化学的创立具有极其重要的基础理论意义和极强的应用背景。
生物电化学　　
由于近20年来生物电化学的发展非常迅速,所涉及的范围很广,要想系统全面地对生物电化学的研究领域进行归纳分类是一件很难的事情。下面仅就其研究领域进行简单介绍。　　

生物膜与生物界面模拟研究　　
(1)　ＳＡＭ膜模拟生物膜的电化学研究　　
由于生物电的起因可归结为细胞膜内外两侧的电势差,因此生物膜或模拟生物膜的电化学研究受到人们的广泛关注。ＬＢ(Ｌａｎｇｍｕｉｒ Ｂｌｏｄｇｅｔｔ)膜和ＢＬＭ(ＢｉｌａｙｅｒＬｉｐｉｄＭｅｍｂｒａｎｅ,双层磷脂膜)是人们了解生物膜结构与功能机制的常用模型体系。但由于ＬＢ膜是亚稳态结构,稳定性不好,且ＬＢ膜中分子的取向是基于亲水疏水作用而限制了对ＬＢ膜外表面性质的选择控制,因此使其电化学研究受到限制。ＢＬＭ的稳定性也不太好,难以承受高的电场强度。因此在80年代初,迅速发展起来的自组装单分子层(Ｓｅｌｆ ＡｓｓｅｍｂｌｅｄＭｏｎｏｌａｙｅｒ,ＳＡＭ)技术成为膜电化学研究的热点领域之一。　　
ＳＡＭ是基于长链有机分子在基底材料表面的强烈化学结合和有机分子链间相互作用自发吸附在固/液或气/固界面,形成的热力学稳定、能量最低的有序膜。组成单分子层的分子定向、有序紧密排列,且单层的结构和性质可以通过改变分子的头基、尾基以及链的类型和长度来控制调节。因此,ＳＡＭ成为研究界面各种复杂现象,如膜的渗透性、摩擦、磨损、湿润、粘结、腐蚀、生物发酵、表面电荷分布以及电子转移理论的理想模型体系。有关ＳＡＭ的电化学主要是用电化学方法研究ＳＡＭ的绝对覆盖量、缺陷分布、厚度、离子通透性、表面电势分布、电子转移等。利用ＳＡＭ可研究溶液中氧化还原物种与电极间的跨膜(跨ＳＡＭ)电子转移,以及电活性ＳＡＭ本身与电极间的电子转移。在膜电化学中,硫醇类化合物在金电极表面形成的ＳＡＭ是最典型的和研究最多的体系。下面主要介绍与生物电化学有关的ＳＡＭ研究。　　
长链硫醇在金电极上形成的ＳＡＭ这种人工自组装体系对仿生研究有重要意义,因为它在分子尺寸、组织模型和膜的自然形成三方面很类似于天然的生物双层膜,同时它具有分子识别功能和选择性响应,且稳定性高。可用ＳＡＭ表面分子的选择性来研究蛋白质的吸附作用;以烷基硫醇化合物在金上的ＳＡＭ膜为基体研究氧化还原蛋白质中电子的长程和界面转移机制。如细胞色素ｃ(Ｃｙｔｃ)在ω 羧基烷基硫醇化合物修饰金电极(ＳＡＭ/Ａｕ)上的电子转移动力学和电子传递机理的研究,得到Ｃｙｔｃ的表面式电势为+215ｍＶ(ｖｓ.ＮＨＥ),接近于其在生理膜上的电势值。ＳＡＭ在酶的固定化及其生物电化学研究中也有很好的应用,Ｋｉｎｎｅａｒ等利用ＳＡＭ研究了大肠杆菌延胡索酸还原酶的电化学,Ｐｏｒｔｅｒ和Ｍｕｒｒａｙ分别报道了卟啉衍生物ＳＡＭ对氧还原过程的电催化作用,董献堆研究了葡萄糖氧化酶在ＳＡＭ上的固定化及其催化行为,并研究了ＤＮＡ与ＳＡＭ间的相互作用。　　
在硫醇ＳＡＭ上沉积磷脂可较容易地构造双层磷脂膜。以ＳＡＭ来模拟双层磷脂膜的准生物环境和酶的固定化使酶进行直接电子转移已在生物传感器的研究中得到应用。如以胱氨酸或半胱氨酸为ＳＡＭ,通过缩合反应键合上媒介体(如ＴＣＮＱ、二茂铁、醌类等)和酶可构成测葡萄糖、谷胱甘肽、胆红素、苹果酸等的多种生物传感器。随着研究的深入,膜模拟电化学将在生命过程的研究中发挥更大的作用。　　
(2)　液/液界面模拟生物膜的电化学研究
所谓液/液(Ｌ/Ｌ)界面是指在两种互不相溶的电解质溶液之间形成的界面,又称为油/水(Ｏ/Ｗ)界面。有关Ｌ/Ｌ界面电化学的研究范围很广,包括Ｌ/Ｌ界面双电层、Ｌ/Ｌ界面上的电荷转移及其动力学、生物膜模拟、以及电化学分析应用等。　　
Ｌ/Ｌ界面可以看作与周围电解质接触的半个生物膜模型。生物膜是一种极性端分别朝细胞内和细胞外水溶液的磷脂自组装结构,磷脂的亲脂链形成像油一样的膜内层。因此,从某种意义上来说,吸附着磷脂单分子层的Ｌ/Ｌ界面非常接近于生物膜/水溶液界面。磷脂是非常理想的实验材料,它能很好地吸附在Ｌ/Ｌ界面上。如在覆盖着蛋黄卵磷脂单分子层的1 2 二氯乙烷/水界面上观察到(ＣＨ3ＣＨ2)4Ｎ+转移受抑制的现象;硝基苯/水界面上的二月桂酰卵磷脂(ＤＬＰＣ)单分子吸附层对(ＣＨ3)4Ｎ+和(ＣＨ3ＣＨ2)4Ｎ+离子转移的作用不是抑制而是加速。二山酰卵磷脂(ＤＢＰＣ)单分子吸附层对阳离子转移也起抑制作用。二月桂酰基 磷脂酰乙醇胺单分子吸附层对阴离子如ＣｌＯ-4、ＢＦ-4转移有抑制。对于二棕榈酰卵磷脂(ＤＰＰＣ)和二棕榈酰磷脂酰丝氨酸(ＤＰＰＳ)单分子吸附层,不仅能观察到这种抑制作用,同时还观察到单分子层由液体膨胀态到浓缩态的相过渡现象等等。电荷或电势和磷脂单分子层表面张力之间的偶联作用被认为是细胞和细胞中类脂质运动的基本驱动力。有关Ｌ/Ｌ界面离子转移的研究工作非常多,涉及Ｋ+、Ｒｂ+、Ｃｓ+、ＳＣＮ-、Ｉ-、ＮＯ-3、ＲｅＯ-4、ＩＯ-4、Ｃｌ-、苦味酸根、辛酸根、十二烷基磺酸根、柠檬酸根、以及各种抗菌素和药物等。特别是有关药物在Ｌ/Ｌ界面的行为的研究可提供药物作用机理的有价值的信息。可见,Ｌ/Ｌ界面生物电化学是一很有生命力的研究领域,将继续受到人们的广泛重视。　

由于生命现象与电化学过程密切相关,因此电化学方法在生命科学中得到广泛应用,其内容非常丰富,主要有电脉冲基因直接导入、电场加速作物生长、癌症的电化学疗法、电化学控制药物释放、在体研究的电化学方法、生物分子的电化学行为等。本节简单地介绍一下这些用于生命科学的电化学技术。　　

电脉冲基因直接导入是基于带负电的质粒ＤＮＡ或基因片断在高压脉冲电场的作用下被加速“射”向受体细胞,同时在电场作用下细胞膜的渗透率增加(介电击穿效应),使基因能顺利导入受体细胞。由于细胞膜的电击穿的可逆性,除去电场,细胞膜及其所有的功能都能恢复。此法已在分子生物学中得到应用。细胞转化效率高,可达每微克ＤＮＡ1010个转化体,是用化学方法制备的感受态细胞的转化率的10～20倍。　　
电场加速作物生长是很新的研究课题。Ｍａｔｓｕｚａｋｉ等报道过玉米和大豆苗在含0 5ｍｍｏｌ/ＬＫ2ＳＯ4培养液中培养,同时加上20Ｈｚ,3Ｖ或4Ｖ(峰 峰)的电脉冲,6天后与对照组相比,秧苗根须发达,生长明显加速。据称其原因可能是电场激励了生长代谢的离子泵作用。　　
癌症的电化学疗法是瑞典放射医学家Ｎｏｒｄｅｎｓｔｒｏｍ开创的治疗癌症的新方法。其原理是:在直流电场作用下,引起癌灶内一系列生化变化,使其组织代谢发生紊乱,蛋白质变性、沉淀坏死,导致癌细胞破灭。一般是将铂电极正极置于癌灶中心部位,周围扎上1～5根铂电极作负极,加上6～10Ｖ的电压,控制电流为30～100ｍＡ,治疗时间2～6小时,电量为每厘米直径癌灶100～150库仑。此疗法已在推广用于肝癌、皮肤癌等的治疗。对体表肿瘤的治疗尤为简便、有效。　　
控制药物释放技术是指在一定时间内控制药物的释放速度、释放地点,以获得最佳药效,同时缓慢释放有利于降低药物毒性。电化学控制药物释放是一种新的释放药物的方法,这种方法是把药物分子或离子结合到聚合物载体上,使聚合物载体固定在电极表面,构成化学修饰电极,再通过控制电极的氧化还原过程使药物分子或离子释放到溶液中。药物在载体聚合物上的负载方式分为共价键合型和离子键合型负载两类。共价键合负载是通过化学合成将药物分子以共价键方式键合到聚合物骨架上,然后利用涂层法将聚合物固定在固体电极表面形成聚合物膜修饰电极,在氧化或还原过程中药物分子与聚合物之间的共价键断裂,使得药物分子从膜中释放出来。离子键合负载是利用电活性导电聚合物如聚吡咯、聚苯胺等在氧化或还原过程中伴随有作为平衡离子的对离子的嵌入将药物离子负载到聚合物膜中,再通过还原或氧化使药物离子从膜中释放出来。
在体研究是生理学研究的重要方法,其目的在于从整体水平上认识细胞、组织、器官的功能机制及其生理活动规律。由于一些神经活性物质(神经递质)具有电化学活性,因此电化学方法首先被用于脑神经系统的在体研究。当采用微电极插入动物脑内进行活体伏安法测定获得成功后,立即引起了人们的极大兴趣。该技术经过不断的改善,被公认为在正常生理状态下跟踪监测动物大脑神经活动最有效的方法。通常可检测的神经递质有多巴胺、去甲肾上腺素、5 羟色胺及其代谢产物。微电极伏安法成为连续监测进入细胞间液中原生性神经递质的有力工具。在体研究一般采用快速循环伏安法(每秒上千伏)和快速计时安培法。快速循环伏安法还被用于研究单个神经细胞神经递质释放的研究,发展成为所谓的“细胞电化学”。　　
生物分子的电化学行为的研究是生物电化学的一个基础研究领域,其研究目的在于获取生物分子氧化还原电子转移反应的机理,以及生物分子电催化反应机理,为正确了解生物活性分子的生物功能提供基础数据。所研究的生物分子包括小分子如氨基酸、生物碱、辅酶、糖类等和生物大分子如氧化还原蛋白、ＲＮＡ、ＤＮＡ、多糖等。　　

传感器与通信系统和计算机共同构成现代信息处理系统。传感器相当于人的感官,是计算机与自然界及社会的接口,是为计算机提供信息的工具。　　

传感器通常由敏感(识别)元件、转换元件、电子线路及相应结构附件组成。生物传感器是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)作为感元件的传感器。电化学生物传感器则是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。图1是电化学生物传感器基本构成示意图。由于使用生物材料作为传感器的敏感元件,所以电化学生物传感器具有高度选择性,是快速、直接获取复杂体系组成信息的理想分析工具。一些研究成果已在生物技术、食品工业、临床检测、医药工业、生物医学、环境分析等领域获得实际应用。　　
根据作为敏感元件所用生物材料的不同,电化学生物传感器分为酶电极传感器、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。　　

微生物电极传感器　　
由于离析酶的价格昂贵且稳定性较差,限制了其在电化学生物传感器中的应用,从而使研究者想到直接利用活的微生物来作为分子识别元件的敏感材料。这种将微生物(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。其工作原理大致可分为三种类型:其一,利用微生物体内含有的酶(单一酶或复合酶)系来识别分子,这种类型与酶电极类似;其二,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;其三,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。