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主题：【分析技术】生物电分析化学的崛起

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发表于：2005/11/27 03:19:00 楼主 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊

生物电分析化学的崛起

今天，生命科学已经成为最活跃的研究领域之一。将生物学、化学与工程学结合起来，就形成了生物工程学。采用生物工程学方法，不仅可以增加产量，而且可以生产出许多新的品种来。毫无疑问，这种方法已经在农业、医药和工业上取得了引人注目的实际应用。

在生物工程学研究领域中，需要对各种各样的生物分子进行分离、鉴定和结构表征，这就要用到各种各样的分析方法。目前，有好几种分离、分析方法已经成为生物工程学的主要研究手段，如电泳法、色谱法、免疫法及各种用于分子结构测量的近代仪器分析方法等。当然，这几种方法还需要不断地加以改进，才能适应生物工程学继续发展的需要。然而另一方面，电分析化学对于解决生物工程学方面的问题，目前尚显得软弱无力。可是，正是这种新的挑战，开拓了电分析化学的一个新的生长点——生物电分析化学。
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2005/11/27 3:20:00 沙发 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
电分析化学是一门具有悠久历史的学科，但它决不是一门行将衰亡的学科；相反，由于近年来各种新的电分析化学技术的不断涌现，使电分析化学的研究工作呈现出一派兴旺发达的景象。电分析化学具有灵敏度高、仪器简单、方法灵活多样等特点，所以，将这些丰富多彩的电分析化学技术应用于研究生物物质，一定能得到许多新的重大的成果。

生物体系是一个十分复杂的体系。各种生物组分的分子量相差极大，而许多组分的含量极微。此外，不少生物组分没有电化学活性；蛋白质等大分子化合物由于吸附作用对测定产生干扰等。所有这些因素，对电分析化学方法都是极为不利的。尽管如此，电分析化学方法在生物体系的研究中已经取得了可喜的成果。
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2005/11/27 3:20:00 板凳 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
二　 生物电分析化学概况

电分析化学技术在生物体系研究中的应用是多方面的。概略地说，大致有以下几个方面。

1.生物微量元素的测定及其在生物、医学及生物无机化学中的应用 这方面的工作大家比较熟悉，如电极法测定pH、po2、pco2、K+、Na+、Cl-、Ca2+等，已成为临床检验中的常规手段。许多重要的微量元素，如Se、Mo、Co、重金属等，用极谱催化波法和溶出伏安法进行测定，已达到了很高的灵敏度。

2.生物体中氨基酸、蛋白质、激素、碳水化合物等重要组分的测定在这一方面，酶电极和组织电极的应用特别受到重视，因为它们可能为体内这些重要组分的测定提供简单、直接和连续的分析。当然，伏安法由于其灵敏度高，特别是由于伏安免疫法的出现，可以看出，它们在这一领域的研究中具有很大的潜力。关于这方面的内容，下面将要着重加以介绍。

对某些生物组分的氧化还原机理进行研究，是生物电分析化学的另一个重要的研究课题。在一这方面，循环伏安法及光谱电化学法是重要的研究手段。采用这些方法，可对某些蛋白质，细胞色素C、尿酸、嘌呤、铁-卟啉及含硫生物物质等的电还原机理进行研究。通过这些研究，对人们认识它们在生物活体组织中在酶的催化作用下所进行的氧化还原机理，有很大启发。
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2005/11/27 3:21:00 马扎 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
3.生物体中某些微量药物成分的测定及其在药物作用机制研究方面的应用 许多抗菌素、抗癌药物、镇静剂及强心药等，均已采用电化学方法进行了研究。

4.微型离子选择性电极及微电极在某些生理现象研究中的应用 近年来，这方面的研究工作特别引人注目。例如有人利用铂微电极循环伏安法，以抗坏血酸为电化指示剂，研究了肾皮层的渗透功能。有人利用微型钾离子选择性电极，通过测定细胞外间隙中K+的浓度变化，研究了中枢神经系统功能正常的情况下，K+作为反馈剂的作用，并由此而了解到K+在人脑病理和危急状态下的重要作用。在这一方面，特别值得提出的是微型碳纤维电极，在脑化学研究中的应用。采用这种微型碳纤维电极，可以将其植入动物体内进行活体组织的连续测定。监测时间可达一个月之久。利用这种微电极，可以采用各种伏安法测量脑组织中多巴胺及儿茶胺等物质的浓度变化，从而对脑神经的传导机制等问题，得出了十分有意义的结果。

总之，生物电分析化学的研究内容和方法都是非常丰富的。现有的各种电分析化学技术，在生物体系的研究中都是有用的。不过，将生物学中的一些方法（如免疫法、酶技术等）与电化学结合起来，对于解决生物电分析化学中的问题，可能是更为有效的途径。在这一方面，伏安免疫法和生物传感器就是很好的例子。下面我们将着重对这两种生物电分析方法进行介绍。另外，我们还将简单地介绍在生物活体组织监测中具有特殊潜力的超微电极。
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2005/11/27 3:22:00 地毯 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
三 伏安免疫法

免疫法是一种极其重要的生物化学方法。美国的R.S.Yalow因发展肽类激素的放射免疫法而获得1977年的生理和医学诺贝尔奖。目前，免疫法已被普遍应用于生物化学研究和临床病理检验。据初步估计，全世界每年要进行几亿次免疫法病理检验。由此可见，免疫法的成功，的确是生物化学中一件划时代的事件。

当一种抗原（antigen，Ag）作用于生物体时，体内的某些器官具有识别这种“异己”的能力，并做出快速反应，产生一种相应的抗体（antibody，Ab）。这种抗体能与抗原形成异常稳定的络合物，从而消除了抗原的危害。这是生物体赖以生存的本能。

抗体与抗原的反应，不仅具有异常高的稳定性，而且也具有异常高的选择性。多少年来，分析化学家致力于寻找真正的专属性试剂，但是否确能实现，仍是一个疑问。然而另一方面，许多抗体与抗原的反应，可以称得上专属性反应。据估计，生物体内能产生约107—108种不同性能的抗体，来对付各种各样抗原的侵袭。这是生物体具有很好的防卫功能的根本原因。

有些抗原只有免疫反应性，而无免疫原性，一般称为半抗原（hapten），如分子量较小的雌三醇、吗啡等药物等。由于它们也有免疫反应，故也可以用免疫法进行测定。
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2005/11/27 3:23:00 地板 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
免疫法是基于抗体与抗原或半抗原之间的高选择性反应而建立起来的分析方法。它具有很高的选择性和很低的检测限，可以应用于测定各种抗原、半抗原或抗体。

免疫法有放射免疫法、荧光免疫法、发光免疫法及酶联吸附免疫法等。其中以放射免疫法的灵敏度最高。但由于放射免疫法涉及到示踪原子的处理，在使用上受到限制。

将免疫法的高选择性与电化学法的高灵敏性结合起来，产生了一种新型的免疫法——电化学免疫法。在电化学免疫法中，最引人注目的是伏安免疫法和免疫传感器。

实现伏安免疫法的途径很多。通常按标记方法的不同，分为酶标记法和非酶标记法。采用酶标记法时，通过酶的催化作用，产生一种电活性物质，再用适当的电化学方法进行测量。酶标记法的优点是灵敏度高，因为它利用了酶的催化作用（放大系数103—104以上）。非酶标记法通常利用抗体或抗原本身的电活性，或者通过适当的化学反应进行标记，使其产生电活性，然后再进行电化学测量。非酶标记的方法易于在一般化学实验室中实现，但灵敏度一般较低。
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2005/11/27 3:24:00 6楼 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
在上述两种方法中，根据是否要将抗体-抗原结合物（Ab-Ag）与游离抗体或抗原进行分离而又可将其分为非均相免疫法与均相免疫法。下面举例加以说明。

1.酶标记伏安免疫法

（1）非均相法 这种方法首先是将抗体固定（惰性吸附或共价键合）在聚苯乙烯容器表面上。表面上的空位置用Tween-20结合之。然后将酶标记的抗原（Ag*）和抗原试样（Ag）加入容器中，让其与容器表面上有限的抗体进行竞争反应。待一定时间后，洗去游离的抗原。这时，由于竞争反应的结果，与容器表面上抗体相结合的标记抗原量与试样中的抗原量成反比。然后加入基物，让其与Ag*中的酶相互作用，得到电活性产物P，最后用伏安法进行检测。这一过程可用图1表示。这种方法已成功地应用于强心药地高辛（digoxin），免疫球蛋白（IgG）及糖蛋白的测定。
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2005/11/27 3:24:00 7楼 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
另一种定量方法是形成夹心式化合物的定量法。在这种方法中将抗原试样加入固定了一定量抗体的容器中，让抗原与抗体进行反应。达到平衡后，洗去游离的抗原。然后加入另一种酶标记的抗体，使其与抗原再反应，形成夹心式化合物。洗去过量的酶标记抗体，再加入适当的基质S。这时，在酶的催化作用下，基质转变为具有电活性的P，从而进行测量之。在这种情况下，电信号与被测抗原成正比。这一过程可用图2表示。这种方法已应用于免疫球蛋白的测定。

采用上述酶标记的非均相伏安免疫法，具有灵敏度高的特点，尤其是这种方法可以将试样溶液中可能存在的干扰物质（如蛋白质等）分离，提高了方法的适应性；缺点是操作稍复杂。
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2005/11/27 3:25:00 8楼 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
（2）均相法 这种方法在溶液中进行，不涉及到Ag*或Ag的分离步骤。其基本原理是根据Ag*与Ab反应形成Ab∶Ag*后，它的催化活性相应减小这一现象进行测定的。在这种方法中，被测抗原与一定量的酶标记抗原和抗体在溶液中进行反应，由于竞争反应的结果，一部分Ag*形成了Ab∶Ag*，引起Ag*的催化活性降低，从而减小由基质（S）产生电活性物质（P）的量，据此可以推算出试样中抗原的含量。这一过程可表示如下：　

与非均相法比较起来，均相法比较简单，但灵敏度较低，干扰因素也较多。这种方法已应用于苯妥英等抗癫痫药物的测定。
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2005/11/27 3:25:00 9楼 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
2.非酶标记伏安免疫法

这种方法可能是电分析化学家最感兴趣的，因为它不涉及到酶操作技术。在这种方法中，可以直接利用抗体或抗原的电活性，或者通过适当的化学方法，使它们转变为具有电活性的物质，从而利用免疫反应进行测定。

非酶标记伏安免疫法也可以非均相或均相的方式进行。其基本原理已如上述，兹各举一例以说明之。

雌三醇是非电活性的，将其硝基化后，即转变为具有电活性的二硝基雌三醇（Ag*）。它可借微分脉冲极谱进行测定。于溶液中加入雌三醇抗体，形成Ab∶Ag*后，二硝基雌三醇即转变为非电活性物质。因此，利用这一均相免疫反应，可以测定雌三醇抗体含量。

采用In-DTPA进行标记的人血清蛋白（HSA）的测定属于非均相免疫伏安法。其基本原理如下：

目前，用于标记抗原的电活性物质还有Hg2+、Pb2+、Co2+、Ni2+、Cd2+以及Brdicka蛋白质的利用等。被测定的抗原或半抗原还有吗啡、免疫球蛋白、卵蛋白等。我国西北大学胡荫华等在白喉类毒素等的伏安免疫法测定中取得了好的结果。
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2005/11/27 3:26:00 10楼 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
四　 生物电化学传感器

生物电化学传感器是将生物化学反应能转换为电信号的一种装置。重要的生物电化学传感器有酶传感器、细菌传感器、组织传感器以及免疫传感器等。

1.酶传感器 酶传感器是将对被测底物具有选择性响应的酶层固定在离子选择性电极表面上而制成。待测底物是各种有机物。它们在酶的催化作用下，生成或消耗某些能被电极所检测的催化产物，根据电极对催化产物的响应，即可测得产物的浓度。

血糖和尿糖的检查，是临床上常规化验项目之一。它对于糖尿病的诊断和治疗十分重要。用于测定葡萄糖的酶传感器所基于的生物化学反应是：

葡萄糖+氧气→葡萄糖酸+过氧化氢

可见氧的消耗量或过氧化氢的生成量，与待测葡萄糖含量有关。所以，通过采用电极法测得过氧化氢的生成量或氧的消耗量之后，就可测得体液中葡萄糖的含量。这种方法可在30秒内得到分析结果。

70年代以来，酶传感器的研制工作蓬勃兴起，传感器的设计形式不断翻新，采用的酶的种类日益增多，所测定的物质的范围越来越广。在美、日等国，许多酶传感器已用于临床，并有部分商品出售。
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手机版： 【分析技术】生物电分析化学的崛起
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