生物电分析化学的

生物电分析化学的研究及应用进展 一、引言

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，得出了十分有意义的结果。

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。 模拟生物膜内的蛋白质研究也是蛋白膜伏安法的一种, 同样具有蛋白膜伏

安法的众多优越性。Zhang 等[17]建立了肌红蛋白在模拟生物膜内与配体(以咪唑

为例)相互作用的电化学研究体系,在此基础上系统探讨了膜的特性对蛋白质2配

体相互作用的影响,并研究了其氧化还原热力学过程[18]。Fan等[13]对血红蛋白与NO 的分子相互作用进行了深入研究,并发现血红蛋白在模拟生物膜存在下可直

接催化还原NO,并显著降低NO的还原能。通过将该过程与血红蛋白的直接电化

学过程耦联,研制成可对NO这一生理过程中重要信号分子进行快速灵敏检测的

生物传感器[14]。

模拟生物膜不仅促进了蛋白质电子传递,而且有着更为深刻的生物学意义。

例如,细胞色素c 在包埋于合成的脂双层膜中并与之形成超分子化合物后获得了N-去甲基酶( N-demethylase) 活性[19]。这种使蛋白质获得新的酶活性的方法可

以看作为一种非共价相互作用的蛋白质工程[20]。蛋白质的这种功能调节与功能

转换可能与脂膜提供的特定微环境有关[20]。同样,蛋白膜伏安法研究在模拟生物

膜中也发现了蛋白质的功能转换。细胞色素P450 在微生物降解环境中的有机卤

化物有重要的作用[21]。肌红蛋白虽然在结构上与细胞色素P450有一定的相似之

处,但其天然状态不具有脱卤化能力。然而,当把肌红蛋白包埋于DDAB 膜内并加

以电压驱动后,发现它模拟细胞色素P450脱卤化的过程,具有降解有机卤化物的酶

活性[22]。研究者还发现处于膜相的肌红蛋白可以通过形成ferryl Mb来氧化苯乙

烯[23]。血红蛋白在膜内也有类似的酶活性[15] 。肌红蛋白和血红蛋白在结构上

与过氧化物酶类似，然而天然状态的肌红蛋白和血红蛋白的过氧化物酶活性很

低。Fan等[9]发现肌红蛋白和血红蛋白在模拟生物膜内表现出类似于天然过氧化

物酶的活性。这一研究不仅建立了一个良好的过氧化物酶模拟体系,而且为基于

血红蛋白直接电化学可进行过氧化氢灵敏检测的第三代电化学生物传感器奠定

了基础[24]。总之,这些发现不仅有利于揭示蛋白质存在于模拟生物膜内的功能,

而且为研制生物传感器和生物反应器开辟了新的途径。

总之，蛋白质直接电化学为揭示蛋白质(酶) 的结构-功能关系提供了一条有

效途径,也为进行蛋白质电子传递过程的热力学和动力学研究提供了强有力的方

法,已经成为制备新一代电化学生物传感器领域的重要手段。这一方法尚处于不

断发展中,目前研究者对于相当多数结构复杂的蛋白质和酶的直接电化学还束手

无策。尤其值得注意的是,当前的研究还更多地处在经验研究阶段,如何预期甚至

可控地实现蛋白质在给定情况下直接与电极发生电子传递尚是一个挑战性问题。

尽管如此,蛋白质直接电化学20多年来的飞速发展使我们相信它必将在蛋白质及

相关应用研究中将发挥越来越大的作用。

四、电化学生物传感器

传感器与通信系统和计算机共同构成现代信息处理系统。传感器相当于人的

感官，是计算机与自然界及社会的接口，是为计算机提供信息的工具。1962年，Clark[25]提出将生物和传感器联用的这一设想，制得一种新型分析装置“酶电

极”(enzyme electrode)，这为生命科学打开一扇新的大门，酶电极也成为了发展最早一类的生物传感器。自此，生物传感器这一新技术引起生物医学、环境科学、

农业科学等领域科学家的重视，使之在国际上开始广泛研究。时至今日，生物传

感器已发展成为现代生物技术的重要领域之一。

生物传感器是指用固定化的生物材料作为敏感元件的传感器。根据用不同的

基础传感器件，生物传感器可分为六大类型[26]：电化学生物传感器、介体生物

传感器、热生物传感器、压电晶体生物传感器、半导体生物传感器和光生物传感

器。其中，电化学生物传感器占有重要位置。近十年来，电化学生物传感器的研

究工作取得了巨大的进步，其性能和种类也得到了很大的发展。其检测对象[27-30]从单糖、氨基酸、酶等发展到更为复杂的多糖、蛋白质、核酸等多种生物

大分子。在功能方面已从检测单一的发展到多通道的多功能生物传感器[31](multifunction biosensor)和集成生物传感器[32](multi-biosensor)，下面从原理、

分类、应用以及最新进展几个方面介绍电化学生物传感器。

原理：电化学生物传感器是指由生物体成分（酶、抗原抗体、激素等）或生

物体本身（细胞、细胞器、组织等）作为敏感元件，电极（固体电极、离子选择

性电极、气敏电极等）作为转换元件，以电势或电流为特征检测信号的传感器。

其原理结构[33]如下图所示：

分类：根据[34]作为敏感元件所用生物材料的不同,电化学生物传感器分为酶

电极传感器、微生物电极传感器、电化学免疫传感器、组织电极与细胞器电极传

感器、电化学DNA传感器等；根据[34]基底电极的不同可以分为汞电极(主要是

悬汞电极)和固体电极(包括半导体金属氧化物电极，金电极，碳电极等)；根据[35]

生物材料的修饰(或固定)到电极上的方法不同，现有的文献报道主要集中在共价