生物电分析化学的

生物电分析化学的研究及应用进展

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。

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。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。在这一方面，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。

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

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。其研究内容主要包括以下几个部分：蛋白质和酶的直接电化学，生物传感器，免疫分析等。下面分别详细介绍各个研究方面的具体内容。

三、蛋白质和酶的直接电化学

蛋白质直接电化学是研究者一直非常感兴趣的领域。蛋白质在生物体内广泛存在于荷电界面上, 如生物膜就是一种荷电界面[1]。蛋白质直接电化学研究的意义在于:首先,可以方便地获得蛋白质的热力学和动力学性质,有助于深入了解蛋白质电子传递过程;其次,由于蛋白质直接电化学涉及界面专一性、界面相容性和蛋白质的变性问题等,因此在研究过程中可以得到很多关于生物大分子界面问题的启示,进而模拟生物体内的电子传递过程;再次,从应用角度,这项研究把电极与生物大分子联系起来,可以获得一种专一的电催化模式,以实现高灵敏度和高选择性的分子传感。目前与蛋白质直接电化学相关的研究领域包括蛋白质界面相互作用、蛋白质电子传递机制、酶氧化还原中间态、蛋白质分子识别、电极界面设计和生物传感器等。下面仅对其在模拟生物膜界面中的研究及应用作详细介绍。

生物膜是由蛋白质和磷脂构成的,磷脂则是一种双亲分子,带有一个疏水端和一个亲水端。我们知道,生物体内很多电子传递蛋白都是膜蛋白。那么蛋白质的电子传递能力与其所处的膜环境是否存在联系呢? 有趣的是,一些表面活性剂或脂链在固体基底(如石墨)表面成膜后可以自发组装成有序的模拟生物膜(biomemtic membranes) ,并且可以稳定地包裹蛋白质。Tollin等[2]研究表明,细胞色素类蛋白质在磷脂双分子层中电子传递能力明显提高。Hawkridge等[3]也发现当细胞色素c氧化酶被包埋于脂双层中并固定到金电极上后,能够与金之间发生直接电子传递。Niu等[4]则把肌红蛋白固定在冰-水凝胶膜内,实现了肌红蛋白在玻碳电极表面的直接电化学。

Rusling 等[5]的系列工作把研究更推进一步，他们把蛋白质固定于模拟生物膜内,发现其电子传递能力明显增强。他们[6]把肌红蛋白包埋到一种阳离子表面活性剂双十二烷基二甲基溴氨(didodecyldimethyl ammonium bromide, DDAB)中,发现其异相电子传递速率比在水溶液中提高了1000倍以上。肌红蛋白在磷脂膜[7]和DNA膜[8]中电子传递能力均有不同程度的提高。在此之后Rusling和其他研究组进一步研究了其它血红素蛋白质,如血红蛋白[9,10]细胞色素P450[11]在各种模拟生物膜中的性质,包括表面活性剂[12]、核酸[13,14]、无机材料[15]等。实验观察到这些蛋白质在膜相的电子传递能力均有明显提高,可以发生直接电化学。光谱证据表明,血红素在膜相会形成特定的分子定向,这可能是蛋白质电子传递速率提高的原因。此外,原子力显微镜研究提供了肌红蛋白分别在裸的热解石墨表面和在DDAB膜内的形貌对比,结果显示肌红蛋白在石墨表面聚集成一种链状结构,而在膜内则处于液晶相[16]。这种不同的物理存在状态也可能是蛋白质电子传递能力提高的重要因素。