主题：【转帖】生物电化学

(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[5]。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。　　

2.　用于生命科学的电化学技术　　

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[1]。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。　　

3.　电化学生物传感器　　

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。　　

(1)　酶电极传感器　　

以葡萄糖氧化酶(ＧＯＤ)电极为例简述其工作原理。在ＧＯＤ的催化下,葡萄糖(Ｃ6Ｈ12Ｏ6)被氧氧化生成葡萄糖酸(Ｃ6Ｈ12Ｏ7)和过氧化氢:


根据上述反应,显然可通过氧电极(测氧的消耗)、过氧化氢电极(测Ｈ2Ｏ2的产生)和ｐＨ电极(测酸度变化)来间接测定葡萄糖的含量。因此只要将ＧＯＤ固定在上述电极表面即可构成测葡萄糖的ＧＯＤ传感器。这便是所谓的第一代酶电极传感器。这种传感器由于是间接测定法,故干扰因素较多。第二代酶电极传感器是采用氧化还原电子媒介体在酶的氧化还原活性中心与电极之间传递电子。第二代酶电极传感器可不受测定体系的限制,测量浓度线性范围较宽,干扰少。现在不少研究者又在努力发展第三代酶电极传感器,即酶的氧化还原活性中心直接和电极表面交换电子的酶电极传感器。　　目前已有的商品酶电极传感器包括:ＧＯＤ电极传感器、Ｌ 乳酸单氧化酶电极传感器、尿酸酶电极传感器等。在研究中的酶电极传感器则非常多。

(2)　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。　　

微生物电极传感器在发酵工业、食品检验、医疗卫生等领域都有应用。例如:在食品发酵过程中测定葡萄糖的佛鲁奥森假单胞菌电极;测定甲烷的鞭毛甲基单胞菌电极;测定抗生素头孢菌素的Ｃｉｔｒｏｂａｃｔｅｒｆｒｅｕｄｉｉ菌电极等等。微生物电极传感器由于价廉、使用寿命长而具有很好的应用前景,然而它的选择性和长期稳定性等还有待进一步提高。　　

(3)　电化学免疫传感器　　

抗体对相应抗原具有唯一性识别和结合功能。电化学免疫传感器就是利用这种识别和结合功能将抗体或抗原和电极组合而成的检测装置。　　

根据电化学免疫传感器的结构可将其分为直接型和间接型两类。直接型的特点是在抗体与其相应抗原识别结合的同时将其免疫反应的信息直接转变成电信号。这类传感器在结构上可进一步分为结合型和分离型两种。前者是将抗体或抗原直接固定在电极表面上,传感器与相应的抗体或抗原发生结合的同时产生电势改变;后者是用抗体或抗原制作抗体膜或抗原膜,当其与相应的配基反应时,膜电势发生变化,测定膜电势的电极与膜是分开的。间接型的特点是将抗原和抗体结合的信息转变成另一种中间信息,然后再把这个中间信息转变成电信号。这类传感器在结构上也可进一步分为两种类型:结合型和分离型。前者是将抗体或抗原固定在电极上;而后者抗体或抗原和电极是完全分开的。间接型电化学免疫传感器通常是采用酶或其他电活性化合物进行标记,将被测抗体或抗原的浓度信息加以化学放大,从而达到极高的灵敏度。　　

电化学免疫传感器的例子有:诊断早期妊娠的ｈＣＧ免疫传感器;诊断原发性肝癌的甲胎蛋白(ＡＦＰ或αＦＰ)免疫传感器;测定人血清蛋白(ＨＳＡ)免疫传感器;还有ＩｇＧ免疫传感器、胰岛素免疫传感器等等。　　

(4)　组织电极与细胞器电极传感器　　

直接采用动植物组织薄片作为敏感元件的电化学传感器称组织电极传感器,其原理是利用动植物组织中的酶,优点是酶活性及其稳定性均比离析酶高,材料易于获取,制备简单,使用寿命长等。但在选择性、灵敏度、响应时间等方面还存在不足。　　动物组织电极主要有:肾组织电极、肝组织电极、肠组织电极、肌肉组织电极、胸腺组织电极等。测定对象主要有:谷氨酰胺、葡萄糖胺 6 磷酸盐、Ｄ 氨基酸、Ｈ2Ｏ2、地高辛、胰岛素、腺苷、ＡＭＰ等。　　

植物组织电极敏感元件的选材范围很广,包括不同植物的根、茎、叶、花、果等。植物组织电极制备比动物组织电极更简单,成本更低并易于保存。　　

细胞器电极传感器是利用动植物细胞器作为敏感元件的传感器。细胞器是指存在于细胞内的被膜包围起来的微小“器官”,如线粒体、微粒体、溶酶体、过氧化氢体、叶绿体、氢化酶颗粒、磁粒体等等。其原理是利用细胞器内所含的酶(往往是多酶体系)。　　

(5)　电化学ＤＮＡ传感器　　

电化学ＤＮＡ传感器是近几年迅速发展起来的一种全新思想的生物传感器。其用途是检测基因及一些能与ＤＮＡ发生特殊相互作用的物质。电化学ＤＮＡ传感器是利用单链ＤＮＡ(ｓｓＤＮＡ)或基因探针作为敏感元件固定在固体电极表面,加上识别杂交信息的电活性指示剂(称为杂交指示剂)共同构成的检测特定基因的装置。其工作原理是利用固定在电极表面的某一特定序列的ｓｓＤＮＡ与溶液中的同源序列的特异识别作用(分子杂交)形成双链ＤＮＡ(ｄｓＤＮＡ)(电极表面性质改变),同时借助一能识别ｓｓＤＮＡ和ｄｓＤＮＡ的杂交指示剂的电流响应信号的改变来达到检测基因的目的。　　

已有检测灵敏度高达10-13ｇ/ｍＬ的电化学ＤＮＡ传感器的报道,Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ等[8]采用一个20聚体的核苷酸探针修饰在金电极上检测了ＰＶＭ623的ＰａｔⅠ片断上的致癌基因ｖ ｍｙｃ。电化学ＤＮＡ传感器离实用化还有相当距离,主要是传感器的稳定性、重现性、灵敏度等都还有待于提高。有关ＤＮＡ修饰电极的研究除对于基因检测有重要意义外,还可将ＤＮＡ修饰电极用于其它生物传感器的研究,用于ＤＮＡ与外源分子间的相互作用研究[9],如抗癌药物筛选、抗癌药物作用机理研究;以及用于检测ＤＮＡ结合分子。无疑,它将成为生物电化学的一个非常有生命力的前沿领域。　　

生物电化学所涉及的面非常广,内容很丰富。以上介绍的只是该交叉学科一些领域的概况。可以相信,随着相关学科的发展,生物电化学将进一步蓬勃发展。