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浅谈生物电化学_化工系物理化学教研室逯宝娣
2015-12-30 12:03  

生物电化学(bioelectrochemistry)是20世纪70年代由电生物学、生物物理学、生物化学及电化学等多门学科交叉形成的一门独立的学科。生物电化学是用电化学的基本原理和实验方法,从分子和细胞水平上研究生物系统电荷(包括电子、离子及其他电活性粒子)及能量传输的规律,认识生命过程。生命现象中许多过程(如呼吸过程、神经传导、大脑思维、基因传通、癌病防治等)都涉及电化学问题,电化学过程是生命活动的主要基元过程之一。

1 生物氧化还原

生物氧化还原反应是指物质在生物体的细胞内发生的氧化还原作用。其特点是在体温条件下的水溶液中,在酶的催化作用下,经过一系列连续的氧化还原反应逐步释放能量,供生命活动之需。在生物活性体内有一种重要的高能物质三磷酸腺苷(ATP),它是许多生物化学反应的初级能源,在pH=7.0及体温(310K)条件下,ATP水解反应的,这个较强的放能过程可为其他反应提供的化学能。生物体内蛋白质的合成、离子的迁移、肌肉的收缩和神经细胞的电活动等均依赖ATP水解放能才得以进行。

生物燃料电池的研究也是依据生物氧化还原反应。人体液中存在的葡萄糖和氧可作为阳极和阴极反应物质,将载有催化剂的电极与体液可组成生物体内的燃料电池,其反应为

负极 C6H12O6+24OH-→6CO2+18H2O+24e-

正极 6O2+12H2O+24e-1→24OH-

电池反应 C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O

2 生物膜电势

生物膜是指构成生物细胞的半透膜,膜的厚度为60×10-10~100×10-10m,细胞膜的内外都充满溶有一定量电解质的液体。生物膜电势的构成主要包括膜的唐南平衡产生的电势差、细胞膜内外离子浓度不同产生的电势差和进行的氧化还原反应构成原电池所产生的电势差。其中细胞膜电势是膜两侧的K+、Na+及Cl的浓度不同产生的,由于K+比Na+、Cl更容易透过细胞膜,因此在细胞膜两侧的K+浓度差最大。例如,静止神经细胞膜内K+的浓度比为35 : 1,则由膜电势公式

(1)

计算(298K时)得-91mV,实验测得神经细胞膜电势为-70mV,其差别是由于式(1)只适用于平衡态的情况,而静止神经细胞溶液则是处于非平衡态。

膜电势的应用非常广泛。根据细胞膜电势变化的规律研究生物机体活动的情况,是当前生物电化学研究的一个非常活跃的领域。关于膜电势产生的机理目前尚不十分清楚。电化学家认为,膜电势产生的本质是在膜与溶液界面上进行电荷传递过程,在细胞膜的一侧进行有机物的氧化反应,在另一侧进行氧的还原反应。

3 生物传感器

传感器是一种可以获取并处理信息的装置。而生物传感器是利用生物体对特定物质进行选择性识别的化学传感器。生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。因其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、在复杂的系统中进行在线连续监测,特别是它的高度自动化、微型化与集成化的特点,使其在近几十年获得蓬勃而迅速的发展。

生物传感器由分子识别元件、理化换能器及信号放大装置构成,常用的生物敏感材料识别元件有酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质,用氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等作为理化换能器。

生物传感器在食品工业、环境检测、发酵工业及医学上都有广泛的应用。例如,在临床医学中,酶电极是最早研制且应用最多的一种传感器。葡萄糖电化学生物传感器应用于测定血液中氧的浓度,继而测定血液中葡萄糖的浓度。目前,生物传感器已成功地应用于血糖、乳酸、维生素C、尿酸、尿素、谷氨酸等物质的检测。其原理是:用固定化技术将酶装在生物敏感膜上,检测样品中若含有相应的酶底物,则可反应产生可接受的信息物质,指示电极发生响应可转换成电信号的变化,根据这一变化,就可测定某种物质的有无和多少。又如,以微生物为识别材料制成的微生物传感器可用于致癌物质的筛选、测定。

在生命过程中,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,并具体表现为无论是能量转换、神经传导、光合作用、呼吸过程,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—离子以及离子—离子导体界面性质变化过程与机理的科学,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,生命科学也把电化学方法作为重要的实验手段。尤其是近期伴随着两个学科在一些基础相关理论和实验方法方面所取得的进步,把二者结合起来研究更显出其优势。

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