全息生物电检测

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生物电化学人类在认识自然、改造自然的社会实践中创立了各门自然科学。随着认识的不断深入,以及深层次解决实际问题的需要,对许多基本问题必须作深入细致的研究。因此,自然科学的各门学科逐渐分化出许多分支学科。特别是进入20世纪以来,分化的速度愈来愈快。各门一级学科已分化出众多的二级、三级、甚至四级、五级学科等等。但是,由于实际要解决的许多问题非常复杂,所涉及的知识又是高度综合性的,如神经细胞跨膜释放神经传递物质的研究,就涉及生物学、化学、物理学、信息科学等多学科的知识,这样,便出现了高度分化的相对狭窄的学科难以解决高度复杂的实际问题的矛盾。从学科自身的发展来看,相对狭窄的研究领域,如不借鉴、利用相关学科的最新研究成果,则很难有大的突破,并可能最终致使学科发展无路可走。因此,无论是从学科自身的发展,还是从实际需要来看,都迫切需要多学科之间相互交叉、相互渗透。深层次交叉的结果是在多学科的界面上通过学科间的“碰撞”而生长出新型的“交叉学科”,或称“边缘学科”。生物电化学便是本世纪70年代由电生物学、生物物理学、生物化学以及电化学等多门学科交叉形成的一门独立的学科。电化学与生物电现象电化学是研究电子导体(或半导体材料)/离子导体(一般为电解质溶液)和离子导体/离子导体的界面结构、界面现象及其变化过程与机理的科学。生命现象最基本的过程是电荷运动。生物电的起因可归结为细胞膜内外两侧的电势差。人和动物的代谢作用以及各种生理现象,处处都有电流和电势的变化产生。人或其它动物的肌肉运动、大脑的信息传递以及细胞膜的结构与功能机制等无不涉及电化学过程的作用。显然,电化学是生命科学的最基础的相关学科。细胞的代谢作用可以借用电化学中的燃料电池的氧化和还原过程来模拟 生物电池是利用电化学方法模拟细胞功能 人造器官植入人体导致血栓与血液和植入器官之间的界面电势差这一基本电化学问题密切相关 心电图、脑电图等则是利用电化学方法模拟生物体内器官的生理规律及其变化过程的实际应用。由以上几个基本例子可见,交叉学科生物电化学的创立具有极其重要的基础理论意义和极强的应用背景。生物电化学由于近20年来生物电化学的发展非常迅速,所涉及的范围很广,要想系统全面地对生物电化学的研究领域进行归纳分类是一件很难的事情。下面仅就其研究领域进行简单介绍。1.　生物膜与生物界面模拟研究　　(1)　ＳＡＭ膜模拟生物膜的电化学研究　　由于生物电的起因可归结为细胞膜内外两侧的电势差,因此生物膜或模拟生物膜的电化学研究受到人们的广泛关注。ＬＢ(Ｌａｎｇｍｕｉｒ Ｂｌｏｄｇｅｔｔ)膜和ＢＬＭ(ＢｉｌａｙｅｒＬｉｐｉｄＭｅｍｂｒａｎｅ,双层磷脂膜)是人们了解生物膜结构与功能机制的常用模型体系。但由于ＬＢ膜是亚稳态结构,稳定性不好,且ＬＢ膜中分子的取向是基于亲水疏水作用而限制了对ＬＢ膜外表面性质的选择控制,因此使其电化学研究受到限制。ＢＬＭ的稳定性也不太好,难以承受高的电场强度。因此在80年代初,迅速发展起来的自组装单分子层(Ｓｅｌｆ ＡｓｓｅｍｂｌｅｄＭｏｎｏｌａｙｅｒ,ＳＡＭ)技术成为膜电化学研究的热点领域之一。　　ＳＡＭ是基于长链有机分子在基底材料表面的强烈化学结合和有机分子链间相互作用自发吸附在固/液或气/固界面,形成的热力学稳定、能量最低的有序膜[3]。组成单分子层的分子定向、有序紧密排列,且单层的结构和性质可以通过改变分子的头基、尾基以及链的类型和长度来控制调节。因此,ＳＡＭ成为研究界面各种复杂现象,如膜的渗透性、摩擦、磨损、湿润、粘结、腐蚀、生物发酵、表面电荷分布以及电子转移理论的理想模型体系。有关ＳＡＭ的电化学主要是用电化学方法研究ＳＡＭ的绝对覆盖量、缺陷分布、厚度、离子通透性、表面电势分布、电子转移等。利用ＳＡＭ可研究溶液中氧化还原物种与电极间的跨膜(跨ＳＡＭ)电子转移,以及电活性ＳＡＭ本身与电极间的电子转移。在膜电化学中,硫醇类化合物在金电极表面形成的ＳＡＭ是最典型的和研究最多的体系。下面主要介绍与生物电化学有关的ＳＡＭ研究。　　长链硫醇在金电极上形成的ＳＡＭ这种人工自组装体系对仿生研究有重要意义,因为它在分子尺寸、组织模型和膜的自然形成三方面很类似于天然的生物双层膜[4],同时它具有分子识别功能和选择性响应,且稳定性高。可用ＳＡＭ表面分子的选择性来研究蛋白质的吸附作用 以烷基硫醇化合物在金上的ＳＡＭ膜为基体研究氧化还原蛋白质中电子的长程和界面转移机制。如细胞色素ｃ(Ｃｙｔｃ)在ω 羧基烷基硫醇化合物修饰金电极(ＳＡＭ/Ａｕ)上的电子转移动力学和电子传递机理的研究,得到Ｃｙｔｃ的表面式电势为+215ｍＶ(ｖｓ.ＮＨＥ),接近于其在生理膜上的电势值。ＳＡＭ在酶的固定化及其生物电化学研究中也有很好的应用,Ｋｉｎｎｅａｒ等利用ＳＡＭ研究了大肠杆菌延胡索酸还原酶的电化学,Ｐｏｒｔｅｒ和Ｍｕｒｒａｙ分别报道了卟啉衍生物ＳＡＭ对氧还原过程的电催化作用,董献堆[3]研究了葡萄糖氧化酶在ＳＡＭ上的固定化及其催化行为,并研究了ＤＮＡ与ＳＡＭ间的相互作用。　　在硫醇ＳＡＭ上沉积磷脂可较容易地构造双层磷脂膜。以ＳＡＭ来模拟双层磷脂膜的准生物环境和酶的固定化使酶进行直接电子转移已在生物传感器的研究中得到应用。如以胱氨酸或半胱氨酸为ＳＡＭ,通过缩合反应键合上媒介体(如ＴＣＮＱ、二茂铁、醌类等)和酶可构成测葡萄糖、谷胱甘肽、胆红素、苹果酸等的多种生物传感器。随着研究的深入,膜模拟电化学将在生命过程的研究中发挥更大的作用。

简单介绍了生物电化学研究领域的概况。包括:生物膜与生物界面模拟研究(ＳＡＭ膜模拟生物膜的电化学、液/液界面模拟生物膜的电化学),用于生命科学的电化学技术(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)和电化学生物传感器(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) 人类在认识自然、改造自然的社会实践中创立了各门自然科学。随着认识的不断深入,以及深层次解决实际问题的需要,对许多基本问题必须作深入细致的研究。因此,自然科学的各门学科逐渐分化出许多分支学科。特别是进入20世纪以来,分化的速度愈来愈快。各门一级学科已分化出众多的二级、三级、甚至四级、五级学科等等。但是,由于实际要解决的许多问题非常复杂,所涉及的知识又是高度综合性的,如神经细胞跨膜释放神经传递物质的研究,就涉及生物学、化学、物理学、信息科学等多学科的知识,这样,便出现了高度分化的相对狭窄的学科难以解决高度复杂的实际问题的矛盾。从学科自身的发展来看,相对狭窄的研究领域,如不借鉴、利用相关学科的最新研究成果,则很难有大的突破,并可能最终致使学科发展无路可走。因此,无论是从学科自身的发展,还是从实际需要来看,都迫切需要多学科之间相互交叉、相互渗透。深层次交叉的结果是在多学科的界面上通过学科间的“碰撞”而生长出新型的“交叉学科”,或称“边缘学科”。生物电化学便是本世纪70年代由电生物学、生物物理学、生物化学以及电化学等多门学科交叉形成的一门独立的学科。 电化学与生物电现象　　 电化学是研究电子导体(或半导体材料)/离子导体(一般为电解质溶液)和离子导体/离子导体的界面结构、界面现象及其变化过程与机理的科学。　　 生命现象最基本的过程是电荷运动。生物电的起因可归结为细胞膜内外两侧的电势差。人和动物的代谢作用以及各种生理现象,处处都有电流和电势的变化产生。人或其它动物的肌肉运动、大脑的信息传递以及细胞膜的结构与功能机制等无不涉及电化学过程的作用。显然,电化学是生命科学的最基础的相关学科。细胞的代谢作用可以借用电化学中的燃料电池的氧化和还原过程来模拟 生物电池是利用电化学方法模拟细胞功能 人造器官植入人体导致血栓与血液和植入器官之间的界面电势差这一基本电化学问题密切相关 心电图、脑电图等则是利用电化学方法模拟生物体内器官的生理规律及其变化过程的实际应用。由以上几个基本例子可见,交叉学科生物电化学的创立具有极其重要的基础理论意义和极强的应用背景。