生物电化学的研究领域
1.生物膜和生物界面的模拟
本文主要研究膜的电化学热力学性质、物质的跨膜运输和生物电的传递。
(1)SAM膜模拟生物膜的电化学研究
SAM是一种热力学稳定、能量最低的有序薄膜，它是基于长链有机分子在基底表面的强烈化学结合，以及由于有机分子链之间的相互作用而在固/液或气/固界面上的自发吸附。在单分子层中，分子定向、有序、紧密地排列在一起，通过改变分子的头基、尾基和链的类型和长度，可以调节膜的结构和性质。因此，SAM已成为研究各种复杂界面现象的理想模型体系，如膜渗透性、摩擦、磨损、润湿、粘附、腐蚀、生物发酵、表面电荷分布和电子转移理论等。自组装膜的电化学主要是用电化学方法研究自组装膜的绝对覆盖度、缺陷分布、厚度、离子渗透性、表面电位分布和电子转移。SAM可用于研究溶液中氧化还原物种与电极之间的跨膜(trans-SAM)电子转移，以及电活性SAM本身与电极之间的电子转移。硫醇化合物在金电极表面形成的自组装膜是膜电化学中最典型和研究最多的体系。因为长链硫醇化合物在分子大小、组织模型、膜的自然形成等方面与天然生物双层膜非常相似，同时具有分子识别功能、选择性响应和高稳定性。因此，硫醇化合物在金电极上形成的自组装膜对仿生研究具有重要意义。例如，SAM表面分子的选择性可以用来研究蛋白质的吸附；基于烷基硫醇化合物在金上的自组装膜，研究了电子在氧化还原蛋白中的长程和界面转移机制。通过在硫醇SAM上沉积磷脂，很容易构建双层磷脂膜。在生物传感器的研究中，它被用于模拟双层磷脂膜的准生物环境和酶的固定化，使酶直接转移。例如，胱氨酸或半胱氨酸被用作SAM，以及介体(如TCNQ、二茂铁、醌类等。)和酶通过缩合反应结合，形成用于测量葡萄糖、谷胱甘肽、胆红素、苹果酸等的各种生物传感器。
(2)液/液界面模拟生物膜的电化学研究。
所谓液/液(L/L)界面是指两种不互溶的电解质溶液之间形成的界面，也称为油/水(O/W)界面。液/液界面电化学的研究范围很广，包括液/液界面双电层、液/液界面电荷转移机理和动力学、生物膜模拟和电化学分析应用。L/L界面可视为与周围电解质接触的半生物膜模型。生物膜是一种极性端分别面向细胞内和细胞外水溶液的磷脂自组装结构，磷脂的亲脂链形成一层类油膜内层。因此，从某种意义上说，吸附了磷脂的单层的L/L界面非常接近生物膜/水溶液界面。磷脂是一种理想的实验材料，可以很好地吸附在L/L界面上。电荷或电位与磷脂单分子层表面张力之间的耦合被认为是细胞和细胞内类脂质运动的基本驱动力。可见，L/L界面生物电化学是一个非常有生命力的研究领域，并将继续受到人们的广泛重视。
生物细胞膜是一种特殊类型的半透膜。
细胞膜对K+Cl-Na+血浆的通透性也不同。
细胞膜内外K+Cl-Na+血浆浓度不同，因此产生的膜电位称为(细胞)生物膜电位。
动物细胞膜通过的电流不同，死细胞和活细胞的行为也不同。
2.生物电化学应用技术
由于生命现象与电化学过程密切相关，电化学方法被广泛应用于生命科学，主要包括:电脉冲基因的直接导入、电场加速作物生长、癌症的电化学治疗、药物释放的电化学控制、体内研究的电化学方法、生物分子的电化学行为、血栓形成和心血管疾病的电化学研究、骨的电生长、心电图和脑电图的研究、生物电池。
电脉冲基因的直接导入是基于带负电荷的质粒DNA或基因片段在高压脉冲电场的作用下被“射”向受体细胞，同时在电场的作用下细胞膜的通透性增加(介电击穿效应)，从而使基因成功导入受体细胞。由于细胞膜电击穿的可逆性，当电场去除时，细胞膜及其所有功能都可以恢复。这种方法已经在分子生物学中得到应用。细胞转化效率高，达到每微克DNA 1010个转化子，比化学方法制备的感受态细胞高10 ~ 20倍。
电场促进作物生长是一个新的研究课题。Matsuzaki等人报道了在含有0.5mmol/l K2SO4的培养基中培养玉米和大豆幼苗，并加入20Hz、3V或4V(峰-峰)的电脉冲。6天后，与对照组相比，幼苗根系发达，生长明显加快。原因可能是电场刺激了生长和代谢的离子泵送。
癌症的电化学治疗是由瑞典放射学家Nordenstrom提出的一种治疗癌症的新方法。其原理是在直流电场的作用下，在癌灶内引起一系列生化变化，导致组织代谢紊乱，蛋白质变性、沉淀、坏死，导致癌细胞的瓦解。一般将铂电极的正极放在癌灶中心，周围绑1 ~ 5个铂电极作为负极，外加6 ~ 10V的电压，控制电流30 ~ 100 Ma，治疗时间2 ~ 6小时，每厘米直径癌灶耗电100 ~ 150库仑。这种疗法已被推广用于肝癌和皮肤癌的治疗。体表肿瘤的治疗特别简单有效。
药物控释技术是指在一定时间内控制药物的释放速度和释放部位，以获得最佳疗效，同时缓释有利于降低药物毒性。电化学控制药物释放是一种新的药物释放方法。这种方法是将药物分子或离子与聚合物载体结合，使聚合物载体固定在电极表面形成化学修饰电极，然后通过控制电极的氧化还原过程将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可分为* * *价键型和离子键型。* * *价键负载是通过化学合成将药物分子键合到聚合物骨架上，然后通过涂覆的方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* *价键断裂，使药物分子从膜中释放出来。离子键装载是利用电活性导电聚合物，如聚吡咯、聚苯胺等，将药物离子装载到聚合物膜中。，伴随着在氧化或还原过程中作为抗衡离子的离子的嵌入，然后通过还原或氧化从膜中释放药物离子。
活体研究是生理学研究的重要方法，旨在从整体水平上了解细胞、组织和器官的作用机制和生理活动规律。因为某些神经活性物质(神经递质)具有电化学活性，所以首先使用电化学方法在活体中研究大脑神经系统。当微电极被插入动物大脑进行体内伏安测定时，立即引起了人们极大的兴趣。经过不断的改进，这项技术被公认为在正常生理条件下追踪和监测动物大脑神经活动的最有效方法。通常可以检测到的神经递质有多巴胺、去甲肾上腺素、血清素及其代谢产物。微电极伏安法已经成为连续监测进入细胞间液的初级神经递质的有力工具。体内研究一般采用快速循环伏安法(每秒几千伏)和快速计时电流法。快速循环伏安法也被用于研究单个神经细胞释放神经递质的情况，发展成为所谓的“细胞电化学”。
生物分子电化学行为的研究是生物电化学的一个基础研究领域，其目的是获得生物分子的氧化还原电子转移反应和电催化反应的机理，从而为正确认识生物活性分子的生物学功能提供基础数据。所研究的生物分子包括氨基酸、生物碱、辅酶和糖等小分子，以及氧化还原蛋白、RNA、DNA和多糖等生物大分子。
3.电化学生物传感器和生物分子器件传感器、通信系统和计算机构成了现代信息处理系统。传感器相当于人的感官，是计算机与自然和社会的接口，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、电子电路和相应的结构附件组成。生物传感器是指使用固定的生物成分(酶、抗原、抗体、激素等)的传感器。)或生物体本身(细胞、细胞器、组织等。)作为传感元件。电化学生物传感器是指以生物材料为传感元件、电极(固体电极、离子选择性电极、气敏电极等)的传感器。)作为转换元件，并检测由电势或电流表征的信号。由于生物材料被用作传感器的敏感元件，电化学生物传感器具有高度的选择性，是快速、直接获得复杂体系组成信息的理想分析工具。部分研究成果已应用于生物技术、食品工业、临床检验、制药工业、生物医学、环境分析等领域。
根据传感元件所用生物材料的不同，电化学生物传感器可分为酶电极传感器、微生物电极传感器、电化学免疫传感器、组织电极和细胞器电极传感器、电化学DNA传感器等。
(1)酶电极传感器
简述了葡萄糖氧化酶电极的工作原理。在GOD的催化下，葡萄糖(C6H12O6)被氧气氧化生成葡萄糖酸(C6H12O6)和过氧化氢。根据上述反应，显然可以通过氧电极(测量氧的消耗)、过氧化氢电极(测量H2O2的产生)和PH电极(测量酸度的变化)来间接确定葡萄糖的含量。因此，只要将GOD固定在电极表面，就可以形成用于测量葡萄糖的GOD传感器。这就是所谓的第一代酶电极传感器。因为这种传感器是间接测量方式，所以干扰因素很多。第二代酶电极传感器利用氧化还原电子介体在酶的氧化还原活性中心和电极之间传递电子。第二代酶电极传感器不受测定系统的限制，测量浓度线性范围宽，干扰少。现在很多研究者都在尝试开发第三代酶电极传感器，即酶的氧化还原活性中心直接与电极表面交换电子。
目前商用的酶电极传感器有:GOD电极传感器、L-乳酸单加氧酶电极传感器、尿酸酶电极传感器等。(2)微生物电极传感器
将微生物(常用的细菌和酵母菌)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:一是利用微生物中所含的酶系统(单一酶或复合酶)来识别分子，类似于酶电极；其次，利用微生物对有机物的同化作用，通过检测其呼吸活动(摄氧量)的增加来间接确定有机物的浓度，即通过氧电极测量体系中氧的减少；第三，通过测量电极的敏感代谢物，间接确定一些能被厌氧微生物同化的有机物。
微生物电极传感器在发酵工业、食品检验、医疗保健等领域都有应用。比如说；用于食品发酵过程中葡萄糖测定的假单胞菌电极:用于甲烷测定的发状甲烷单胞菌电极:弗氏柠檬酸杆菌细菌电极用于测定抗生素头孢菌素等。微生物电极传感器价格低廉，使用寿命长，具有良好的应用前景，但其选择性和长期稳定性有待进一步提高。
(3)电化学免疫传感器
抗体对相应的抗原具有独特的识别和结合功能。电化学免疫传感器就是利用这种识别和结合功能，将抗体或抗原与电极结合起来的检测装置。电化学免疫传感器可分为两种类型:直接型和间接型。直接型的特点是抗体免疫反应的信息在识别并结合其相应抗原的同时直接转化为电信号。这种传感器在结构上可进一步分为组合式和分离式两种。前者是将抗体或抗原直接固定在电极表面，传感器与相应的抗体或抗原结合，同时产生电位变化；后者是由抗体或抗原制成的抗体膜或抗原膜。当它与相应的配体反应时，膜电位发生变化，测量膜电位的电极与膜分离。间接型的特点是将抗原和抗体结合的信息转换成另一种中间信息，再将这种中间信息转换成电信号。这种传感器在结构上还可以进一步分为组合式和分离式两种。前者是将抗体或抗原固定在电极上；后一种抗体或抗原与电极完全分离。间接电化学免疫传感器通常使用酶或其他电活性化合物来标记和化学放大抗体或抗原的浓度信息，以实现高灵敏度。
电化学免疫传感器的例子有:用于诊断早孕的HCG免疫传感器；诊断原发性肝癌的甲胎蛋白免疫传感器:用于测定人血清蛋白免疫传感器(HSA)；有IgG免疫传感器，胰岛素免疫传感器等等。
(4)组织电极和细胞器电极传感器
直接利用动植物组织切片作为敏感元件的电化学传感器称为组织电极传感器。其原理是利用动植物组织中的酶。它的优点是比分离酶具有更高的酶活性和稳定性，原料易得，制备简单，使用寿命长。然而，在选择性、灵敏度和响应时间方面仍然存在一些缺点。
动物组织电极主要包括: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。植物组织电极敏感元件的材料选择范围很广，包括不同植物的根、茎、叶、花、果实。与动物组织电极相比，植物组织电极的制备更简单、更便宜、更易保存。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。细胞器是指存在于被膜包围的细胞中的微小“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、磁性颗粒等。其原理是利用细胞器中含有的酶(往往是多酶系统)。
(5)电化学DNA传感器
电化学DNA传感器是近年来迅速发展起来的一种新型生物传感器。它的目的是检测基因和一些能与DNA特异相互作用的物质。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，并加入电活性指示剂(称为杂交指示剂)来识别杂交信息的装置。其工作原理是通过固定在电极表面的ssDNA的特定序列与溶液中的同源序列(电极表面的性质发生变化)的特异性识别(分子杂交)形成双链DNA(dsDNA)，同时通过能识别ssDNA和dsDNA的杂交指示剂的电流响应信号的变化达到基因检测的目的。
4.生物能学和代谢过程
包括酶催化氧化还原反应力学、线粒体呼吸链、光氧化还原反应和光合作用。光合作用作为一个整体过程，包括光子吸收后电子激发的过程，膜电位的产生，电子和质子的转移，以及一系列后续的代谢反应。
目前，除了传统的电化学方法外，电化学紫外-可见光谱、电化学原位红外光谱、电化学原位拉曼光谱、X射线衍射、扫描探针技术、电化学应时晶体微天平等方法被广泛应用。
生物材料传感元件+电极转换元件
例如:酶电极传感器
以葡萄糖氧化酶(GOD)电极为例。
它的工作原理是葡萄糖(C6H12O6)被上帝催化。
被氧气氧化生成葡萄糖酸(C6H12O7)和过氧化氢。
等式
根据上述反应，可以通过测量氧的消耗(氧电极)或过氧化氢的产生(过氧化氢电极)来间接测量葡萄糖的含量。
这就是所谓的第一代酶电极传感器，目前有很多种，包括用来检测司机是否饮酒的。酒精氧化酶电极传感器。
专利技术:将乙醇氧化酶电极传感器与汽车点火装置连接。
细胞膜水通道和离子通道的结构和机制2003年诺贝尔化学奖简介
彼得·阿格雷:美国科学家。1949出生于美国明尼苏达州诺斯菲尔德，1974在巴尔的摩约翰霍普金斯大学医学院获得医学博士学位，现为该学院生物化学和医学教授。罗德里克·麦金农:美国科学家。出生于1956，在美国波士顿附近的小镇伯灵顿长大。1982获得塔夫茨医学院医学博士学位，现为洛克菲勒大学分子神经生物学和生物物理学教授。
生物电化学
科学贡献
他们发现了膜水通道，为离子通道的结构和机理研究做出了开创性的贡献。这是一个重要的发现，它打开了对细菌、植物和哺乳动物的水通道进行生物化学、生理学和遗传学研究的大门。
对生活的影响
水溶液占人体体重的70%。生物体内的水溶液主要由水分子和各种离子组成。它们在细胞膜通道中的进出可以实现细胞的许多功能。水分子是如何进出人体细胞的？了解这一机制将极大地帮助人们更好地了解许多疾病，如心脏病和神经系统疾病。他们的发现说明了盐和水是如何进入和离开构成生命体的细胞的。比如肾脏如何从原来的尿液中重新吸收水分，电信号是如何在细胞内产生和传递的，对于人类探索肾脏、心脏、肌肉、神经系统等多种疾病都有重要意义。
事实上，早在19世纪中期，人们就怀疑人体细胞一定有运输水的特殊通道。然而，直到1988，阿格雷尔才成功地分离出一种膜蛋白。大约一年后，他明白了，这个蛋白质一定是他寻找了很久的水通道。这一决定性的发现开启了一系列完整的生物化学、生理学和遗传学研究的大门，这些研究导致了细菌、植物和哺乳动物体内的水通道。如今，学者们详细了解了水分子是如何穿过细胞膜的，也明白了为什么只有水分子可以穿过，而其他更小的分子或离子却不能。
现代生物化学在解决生命过程的基本原理方面已经达到了原子水平。另一种类型的膜通道是离子通道。离子通道在神经和肌肉应激系统中具有重要意义。当神经细胞表面的离子通道在相邻神经细胞的化学信号作用下打开时，就会产生一种被称为神经细胞电压的效应，因此电脉冲信号会通过在几毫秒内打开和关闭的离子通道沿着神经细胞表面传递。麦金农在1998年证实了钾离子通道的空间结构(高分辨率电子显微镜)，震惊了整个学术界。这一贡献使我们现在知道，离子可以通过通道流动，这些通道的打开和关闭由不同的细胞信号控制。