生物电化学

生物电化学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1-4、色谱法5-8、免疫法9-12及各种用于分子结构测量的近代仪器分析方法13-16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。

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。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。

一、伏安分析在生命科学中的应用：伏安分析具有灵敏度高、分析对象广、操作简便快速、不需要昂贵仪器等一系列优点。近年来，把现代伏安技术引入生命科学和医学领域已成为研究的热点。特别是在医学临床分析中，直接采用伏安法测定人体内各种微量的无机和有机物质，已经取得了显着的效果并获得了广泛的应用。

1、人体微量元素的测定：调查儿童微量元素的含量并对其分析17。采用微量元素分析仅(溶出伏安法)测定手指全血中微量元素钙、缺、铜、锌、镁、铅含量.结果926例儿童中,缺锌(24.1%)和缺钙(20.6%)分别占第1位和第2位,男、女儿童间微量元素含量差异无统计学意义(P>0.05),不同年龄组儿童锌、钙含量差异显着(P<0.01),锌含量随年龄增长呈上升趋势;钙含量随年龄的增长而逐步降低;不同年龄组铁、铜、镁含量无显着差异(P>0.05)。用茜素红S／多壁碳纳米管修饰碳糊电极，提出了一种灵敏的溶出伏安法测定痕量铜的新方法18。应用于人发中铜含量的测定，回收率为98％～102％。在极谱分析仪上采用二阶导数线性扫描伏安法进行分析，在0．1moL／L的HAc-NaAc缓冲溶液（pH4．1）中，Cu与修饰电极表面的茜素红S（ARS）形成Cu（Ⅱ）。ARS络合物而富集于电极表面，于-400mV处还原后，再进行阳极化扫描，于64mV处获得一灵敏的铜的阳极溶出峰，峰电流与Cu（Ⅱ）浓度在2×10-11mol／L～6×10-7mol／L范围内呈良好的线性关系，检出限（S／N=3）为8．0×10-12mol／L（富集时间240s）。可以预计，在不久的将来，随着方法和仪器的改进，伏安技术将为人体内元素的形态和价态研究提供更多的重要信息，在生命科学中发挥更大的作用。

2、人体体液中药物的测定：测定人体内药物及其代谢产物是当前生

物分析领域中最具有挑战性的课题之一。了解药物在体液的分布和浓度，就可以使用最小剂量，获得最佳效果，对医、药学研究，疾病治疗，维护人类健康具有重要意义。采用伏安技术测定体液中药物的研究已有很多报道。Helfrick等人采用微分脉冲伏安法考察了两种核苷类抗病毒药物阿昔洛韦(aciclovir)和喷昔洛韦(peneielovir)在乙二胺修饰的玻碳电极上的电化学行为及其在代谢血样中的同时测定19。在pH 2．56的Britton—Robinson缓冲溶液中，阿昔洛韦和喷昔洛韦在乙二胺修饰的玻碳电极上均有一灵敏的不可逆氧化峰，峰电位分别为1．20和1．17 V。在优化的实验条件下，阿昔洛韦和喷昔洛韦分别在0．20~4．0 mg／L和0．02～0．40 mg／L浓度范围内与峰电流呈线性关系，其检出限分别为77和12 g ／L。Molina等人用循环伏安法、示差脉冲伏安法和紫外光谱法研究了抗癌药物6-巯基嘌呤与DNA的相互作用20。Menshykau等21用直流伏安法（DCV）、微分脉冲伏安法（DPV）和循环伏安法（CV）在玻璃电极（GCE）上研究了依沙吖啶（EAD）在不同介质中的阳极伏安行为，发现在0．1mol/L氢氧化钠溶液中于0．38V（vs.Ag/AgCl)左右产生一个良好的阳极氧化峰，浓度在0．05－80mg/L之间与其峰电流呈线性关系，用本法不需要分离，可直接测定药物制剂和加标尿样，RSD为1．4％－2．7％(n=10)。尿样中EAD的回收率为89％－95％。Beasley等22采用循环伏安法（CV），线性扫描伏安法（LSV）、常规脉冲伏安法（NPV），Osteryoung 方波伏安法（OS－WV）和计时库仑法（CC）等电化学技术研究了抗癌药物8－氮鸟嘌呤（8－AG）在活化玻碳电极（AGCE）上的阳极伏安行为。该方法用于模拟尿样中8－AG的测定，结果令人满意。

3、生命体中核酸等生化物质的测定：Mohan等23用循环伏安法对合

成的硝基吖啶酮（NACR）的电化学行为进行研究，建立硝基吖啶酮差示脉冲伏安法测定核酸的新方法。该法已用于实际样品DNA的测定，故硝基吖啶酮有望成为一种新型的生物小分子电化学探针。Oliveira等24以玻碳电极为基体，制备了单壁碳纳米管复合聚吖啶橙（SWNTs／POAO）修饰电极。此电极结合纳米材料电催化特性和吖啶橙聚合物薄膜的分子识别能力，以脱氧核糖核酸（DNA）分子中的碱基对为探针，研究了DNA中碱基对的电化学行为。该电极对腺嘌呤（ADE）、鸟嘌呤（GUA）、胞嘧啶（CYT）和胸腺嘧啶（THY）都表现了良好的电催化性，嘌呤碱和嘧啶碱的氧化峰能够完全分离。Wang等25以乙二胺为手臂分子制备的DNA修饰电极及其伏安性能。Chen等26研究了单链ＤＮＡ分子在石墨电上的固定方法，采用核酸分子杂交技术，使具有电化学活性的米托蒽酯嵌入ＤＮＡ分子双螺旋结构的碱基对中，在电极上形成ｄｓＤＮＡ－ＭＳ层，通过伏安法研究ＤＮＡ分子和ＭＸ相互作用的电化学行为。Molina等27提出了一种以红四氮唑（TTC）作为嵌合剂，采用石墨修饰电极监测核酸杂交过程和测定特定DNA片段的灵敏的电化学方法。TTC具有背景电流低，电活性强和对双链DNA（dsDNA)选择性好等一系列优点，可在石墨电极表面形成dsDNA－TTC层。在电化学测定中，TTC的还原电流与靶DNA 浓度具有良好的线性关系，对DNA的检测限可低达6×10-11mol/L。二、电化学生物传感器：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