生物电化学全解共120页

生物电化学基础123

细胞蛋白质膜通道蛋白（由于结构排列疏密
不同而形成孔穴成为离子通道）
糖类
2.细胞膜电势

（一）静息电位
定义：细胞处于未受刺激时所具有稳定电势差。
原理：
N a +++++++++++++++++++++ -----------------------------------k
+
E

-----++++++++++++++++++++
问：心电图是怎么来的？

心肌细胞安静时，膜内电位约为-90mv。主要是由于安静时细胞内高浓度的k+向膜外扩散而造成的。当心肌细胞接受刺激由静息状态转入兴奋时，即产生动作电位。心肌细胞的某一点受刺激去极后，立即向四周扩散，直至整个心肌完全去极为止。已去极处的细胞膜外正电荷消失，未去极处的细胞膜仍带正电而形成电位差。去极与未去极部位之间的电位差，引起局部电流，由正极流向负极。

复极时，最先去极的地方先开始复极，膜外又带正电，再次形成复极处与未复极处细胞膜的电位差，又产生电流。如此依次复极，直至整个心肌细胞的同时去极也可以看成许多电偶同时在移动，不论它们的强度和方向是否相同，这个代表各部心肌除极总效果的电偶称为等效电偶。在心动周期中，心脏等效电偶的电力强度和方向在不断地变化着。身体各种的电位也会随之而不断变动，从身体任意两点，通过仪器（心电图机）就可以把它描记成曲线，这就是心电图。

生物电化学全解

生物体的电现象
生物体的电现象：由细胞膜电势产生的电流称为生物电。 • 刺激青蛙腿部肌肉可产生收缩电流 • 向日葵的向阳运动；含羞草受到冲击叶片闭合，刺激严重甚
至叶柄下垂等 • 心电图 • 脑电图 • 监测骨架肌肉细胞电活性的肌动电流图 • 血液凝固问题 • 龋病即“虫牙”
生物体的电现象
生物体表面测定到的生物体的电现象
液接电位理论
把液接电位的概念应用到一个生物细胞，则得到霍奇金-赫克斯利(Hodgkin-Huxley)公式：
ln RT
P
K
(C
K
)e
x
P
Na
(CNa
)ex
P
Cl
(C
Cl
)in
C
F
P
K
(CK
)in PNa
(CNa
)in
P
Cl
(C
Cl
)ex
式中： C 为细胞膜电位 PK+、PNa+ 、PCl-分别代表K+、Na+、Cl-通过细胞膜的可
反应时常用的条件类似。
所以进行氧化-还原的酶粒子的反应完全可以认为是一种有电子迁移过程的电化学反应。
生物电化学
以生物体系的研究及其控制和应用为目的，并融合了生物学、电化学和化学等多门学科交叉而形成的一门独立的学科。是在分子水平上研究生物体系荷电粒子(还可能包括非荷电粒子)运动过程所产生的电化学现象的科学。
液体接界电位是指当两个不同的电解质溶液（浓度或离子种类不同）接触时，在两个溶液接界处会产生一个电位差，这个电位称为液体接界电位。
产生这个电位的原因是不同离子的扩散速率不同。
H+迁移的速率比Cl-快；

生物电化学ppt

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生物膜特有的脂双分子层结构是属于生命的一种基本结构。用电化学的理论、方法和技术进行模拟生物膜功能的研究是认识生命活动的有效途径，已成为生物电化学研究的热点.
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生物膜的流动镶嵌模型的特点
有序性流动性不对称性
生物膜的电化学研究
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三电化学对单细胞水平的检测
单个细胞中的组分分析，是在细胞水平上了解生化反应的基本要求。单细胞特点：体积小、组分复杂、含量极微。分析要求：高选择、高灵敏、快响应、超小体积。
目前用得最多的氧电极是电解式的Clark 氧电极， Clark 氧电极是由铂阴极、 Ag/AgCl阳极、KCl电解质和透气膜所构成。
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谢谢
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氧化还原电极氧化还原电极是不同于离子选择电极的另一类电位型电极。这里指的主要是零类电极。
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2、电流型电极
电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转换器的趋势日益增加，这是因为这类电极和电位型电极相比有以下优点：
①电极的输出直接和被测物浓度呈线性关系，不像电位型电极那样和被测物浓度的对数呈线性关系。
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目前为止存在的问题：只有极少数氧化还原蛋白质可在裸固体电极上表现出电化学活性。这主要是由于：
多数蛋白质的电活性基团被深埋在其多肽链的内部,与电极表面距离较远,很难与电极表面直接交换电子。
蛋白质在电极表面的取向往往不利于其电活性基团与电极之间的电子交换。
某些杂质在电极表面上的吸附或蛋白质本身
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微电极与超微电极
microelectrode and ultramicroelectrode
超微直径<100m；活体分析；细胞中物质分析；材料：铂、金、碳纤维；形状：微盘、微环、微球、组合等。

电化学专题详解PPT课件

考纲对知识内容的要求层次：了解、理解（掌握）、综合应用
五个关注点
电极反应式和电池反应方程式膜结构电化学计算真实的电化学问题新型化学电源
关注一：电极反应式和电池反应方程式
测量电源仪器
I/A
（2015安徽卷·25）（4）常温下，将除去表面氧化膜的Al、Cu
片插入浓HNO3中组成原电池（图1），测得原电池的电流强度（I）随时间（t）的变化如图2所示，反应过程中有红棕色气体
（2014重庆卷·11）（4）一定条件下，图所示装置可实现有机物的电化学储氢（忽略其它有机物）。
③该储氢装置的电流效率η＝_____。（η＝生成目标产物消耗的电子数/转移的电子总数×100%，计算结果保留小数点后1位。）
依据：阴阳两极得失电子数目相等。
阳极：4OH－－4e－＝2H2O＋O2↑
②环境中的Cl－扩散到孔口，并与正极反应产物和
负极反应产物作用生成多孔粉状锈Cu2(OH)3Cl，其离子方程式为
2Cu2＋＋3OH－＋Cl－＝Cu2(OH)3Cl↓ ； ③若生成4.29 g Cu2(OH)3Cl，则理论上耗氧体积为 0.448 L（标准状况）。
Cu2(OH)3Cl ~ 3OH－ ~ 3/4O2（×）
（2015北京卷·12）在通风橱中进行下列实验：
步
插入Cu
骤
现 Fe表面产生大量无色气泡 Fe表面生少量红棕色 Fe、Cu接触后，其表象，液面上方变为红棕色气泡后，迅速停止面均产生红棕色气泡
D．针对Ⅲ中现象，在Fe、Cu之间连接电流计，可判断Fe是否被氧化（√）
（2）Q ＝ I×t ＝ n(e－)×F
关注二：膜结构
（2015新课标I卷·11）
A
微生物

物理化学第七章电化学全解

第七章电化学7.1电极过程、电解质溶液及法拉第定律原电池：化学能转化为电能（当与外部导体接通时，电极上的反应会自发进行，化学能转化为电能，又称化学电源）电解池：电能转化为化学能(外电势大于分解电压，非自发反应强制进行）共同特点：（1)溶液内部:离子定向移动导电(2)电极与电解质界面进行的得失电子的反应----电极反应（两个电极反应之和为总的化学反应，原电池称为电池反应，电解池称为电解反应）不同点：（1）原电池中电子在外电路中流动的方向是从阳极到阴极，而电流的方向则是从阴极到阳极，所以阴极的电势高，阳极的电势低，阴极是正极，阳极是负极；（2）在电解池中，电子从外电源的负极流向电解池的阴极，而电流则从外电源的正极流向电解池的阳极，再通过溶液流到阴极，所以电解池中，阳极的电势高，阴极的电势低，故阳极为正极，阴极为负极。

不过在溶液内部阳离子总是向阴极移动，而阴离子则向阳极移动。

两种导体：第一类导体（又称金属导体，如金属，石墨）；第二类导体（又称离子导体，如电解质溶液，熔融电解质）法拉第定律:描述通过电极的电量与发生电极反应的物质的量之间的关系=n=FQξzF电F -- 法拉第常数; F = Le =96485.309 C/mol = 96500C/molQ --通过电极的电量；z -- 电极反应的电荷数（即转移电子数），取正值；ξ--电极反应的反应进度；结论：通过电极的电量，正比于电极反应的反应进度与电极反应电荷数的乘积，比例系数为法拉第常数。

依据法拉第定律，人们可以通过测定电极反应的反应物或产物的物质的量的变化来计算电路中通过的电量。

相应的测量装置称为电量计或库仑计coulometer,通常有银库仑计和铜库仑计。

7.2 离子的迁移数1. 离子迁移数:电解质溶液中每一种离子所传输的电量在通过的总电量中所占的百分数，用 tB 表示1=∑±=-++t 或显然有1:t t离子的迁移数主要取决于溶液中离子的运动速度，与离子的价数无关，但离子的运动速度会受到温度、浓度等因素影响。

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电池过程
阴极
阳极
ZnSO4
CuSO4
Zn
Cu
盐桥
1.1 V
典型电化学过程
e
电化学过程的特点
Zn(s) + CuSO4(aq) ZnSO4(aq) + Cu(s) 半反应: Zn(s) Zn2+ + 2e- 阳极反应 Cu2+ + 2e- Cu(s) 阴极反应电子不能在离子导体中运动离子不能在电子导体中运动即：电子与离子间必定在界面处发生了转化，这个转化就发生在离子导体和电子导体的界面处。
高频区为电极反应动力学（电荷传递过程）控制，低频区由电极反应的反应物或产物的扩散控制。
从图可得体系R、Rct、Cd以及参数，与扩散系数有关，利用它可以估算扩散系数D。由Rct可计算i0和k0。
扩散阻抗的直线可能偏离45，原因：
电极表面很粗糙，以致扩散过程部分相当于球面扩散；除了电极电势外，还有另外一个状态变量，这个变量在测量的过程中引起感抗。
盐桥
1. 可以同时测量极化电流和极化电位； 2. 三电极两回路具有足够的测量精度。
三电极的优点
1.2.5.1 辅助电极的作用实现WE导电并使WE电力线分布均匀。 1.2.5.2 辅助电极的要求 ①辅助电极面积大；为使参比电极等势面，应使辅助电极面积增大，以保证满足研究电极表面电位分布均匀，如是平板电极：； ②辅助电极形状应与研究电极相同，以实现均匀电场作用。
参比电极
常见的参比电极 ①甘汞电极； Hg|Hg2Cl2|Cl- 由于Hg+→Hg2+ （亚汞不稳定，高温时易变成Hg2+，受温度影响大。<70℃，另外，［Cl-］要饱和，防止发生变化)。

生物电化学系统

生物电化学系统
生物电化学系统是一种可以生成电能的机械或电气-生物学系统，它主要利用生物活
性物质（如酶、药物和细胞等）作为能量转换的介质，从而在生物体内产生电能。

生物电
化学系统对于电能的转换具有良好的可控性、安全性和可持续性，并且产生的电能可用于
许多电子应用，包括家庭用电、电动汽车和医疗器械等。

生物电化学系统包括一个由两个或更多部分组成的电路。

一般情况下，这些部分分别
是一个正极/阴极电池、一个电池恒定补偿电路或类似器件、一个工作电流控制器以及一
个电池管理器。

在某些情况下，还可以添加一些附加的模块，例如传感器，以检测系统环
境内的电位或其他参数。

每个模块的工作参数和功能都由系统设计人员进行调整以达到最
佳的生物电化学能力。

生物体内的生物活性物质将传导的氢离子转换为可用于产生微量电流进而产生可中央
处理器应用和直流电源的电能。

其中，电池恒定补偿电路不断监测电池电压，并将它调节
到一给定的电压。

控制器负责确保系统能够有效地控制电池供电，这有助于提高系统效率。

而电池管理器则负责监测电池电流、温度和充放电平等数据，并根据这些数据加以调整让
电池正常运行。

生物电化学系统的发展一直日新月异，从根源上解决了传统电池的一些缺陷，同时也
提高了系统可靠性、安全性和可持续性。

生物电化学系统正越来越受到重视，并成为了可
持续发展的又一重要技术手段。

电化学全解

④确定两半反应方程式得、失电子数目的最小公倍数。将两个半反应方程式中各项分别乘以相应的系数，使得、失电子数目相同。然后，将两者合并，就得到了配平的氧化还原反应的离子方程式。有时根据需要可将其改为分子方程式。
例1：MnO4 Fe2 H Fe3 Mn 2 H 2O
(1)把反应分为氧化反应, 还原反应(均为“半反应”, “电极反
11-2-3 表示符号
(1) 负极写在左边，正极写在右边 (2) 用∣ 表示电极与离子溶液之间的物相界面 (3) 不存在相界面，用, 分开。加上不与金属离子反应的金属惰性电极。 (4) 用表示盐桥（饱和KCl或NH4NO3 + 琼脂）。
作用：沟通两个半电池；作为正、负离子通道，使两个“半电池”的溶液都保持电中性，使反应能继续进行，电流不断产生。
Zn|Zn2+ (c),
Cu|Cu2+ (c)
（2）气体-离子电极，如：2H++2e=H2 通常以Pt或石墨为电极，起导电作用，不参加反应，
故称惰性电极。表示为 Pt, H2 ∣ H +
（3）金属（金属难溶盐）— 阴离子电极
金属表面涂有该金属的难溶盐，然后浸入与该盐具有相同阴离子的溶液中。如：
AgCl + e- Ag + Cl – 表示为Ag-AgCl ∣ Cl –
11-3 标准电极电势
指定温度(25°C)，浓度Ci均为 1 mol/dm3, 气体的分压pi都是标准压力（ 1bar= 100 kPa), 固体及液
3. 注意：
（1）配平
（2）酸表：在酸性溶液中存在如Fe3 + / Fe2 + 或H +或 OH未参与半反应的。如Cl2/Cl - 。（3）碱表：在碱性溶液中存在的。如Zn(OH)42 - /Zn

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