生物電化學

生物電化學是20世紀70年代由電生物學、生物物理學、生物化學以及電化學等多門學科交叉形成的一門獨立的學科。是用電化學的基本原理和實驗方法，在生物體和有機組織的整體以及分子和細胞兩個不同水平上研究或模擬研究電荷（包括電子、離子及其他電活性粒子）在生物體系和其相應模型體系中分佈、傳輸和轉移及轉化的化學本質和規律的一門新型學科。

具體包括生物體內各種氧化還原反應（如呼吸鏈、光合鏈等）過程的熱力學和動力學；生物膜及模擬生物膜上電荷與物質的分配和轉移功能；生物電現象及其電動力學科學實驗；生物電化學感測等電分析方法在活體和非活體中生物物質檢測及醫藥分析；仿生電化學（如仿生燃料電池、仿生計算機等）等方面的研究。是生命科學最基礎的學科之一。

電化學是研究電子導體(或半導體材料)/離子導體(一般為電解質溶液)或離子導體/離子導體界面結構、界面變化過程與反應機理的一門科學。生命現象最基本的過程是電荷運動，生物電的起因是由於細胞膜內外兩側存在電勢差，很多生命現象如人或動物的肌肉運動、細胞的代謝作用、神經的信息傳遞以及細胞膜的結構與功能都可用電化學原理來解釋。生物電池、心電圖、腦電圖等則是利用電化學方法模擬生物體內器官的生理規律及其變化過程的實際應用。由上可見，電化學是生命科學中最基礎的一門相關學科，因而研究生物電化學具有極其重要的意義。

電及電的利用人們早就熟知而習以為常了。在冬天手冷了，只要雙手互相使勁地搓就會產生電和熱；若用一塊毛皮擦一根金屬棒，則在金屬棒上會產生更多的電荷，此時用它碰碰小紙屑，小紙屑便可被吸引附著在金屬棒上。至於現代化的家庭幾乎樣樣都離不開電。電燈、電扇、電冰箱、電話、電視機等等。可是你可知道，我們人體也有電的產生與電的不斷變化呢！

我們人體是由許多許多細胞構成的。細胞是我們機體的最基本的單位，因為只有機體各個細胞均執行它們的功能，才使得人體的生命現象延續不斷。同樣地，我們若從電學角度考慮，細胞也是一個生物電的基本單位，它們還是一台台的“微型發電機”呢。原來，一個活細胞，不論是興奮狀態，還是安靜狀態，它們都不斷地發生電荷的變化，科學家們將這種現象稱為“生物電現象”。細胞處於未受刺激時所具有的電勢稱為“靜息電位”；細胞受到刺激時所產生的電勢稱為“動作電位”。而電位的形成則是由於細胞膜外側帶正電，而細胞膜內側帶負電的原因。細胞膜內外帶電荷的狀態醫生們稱為“極化狀態”。

由於生命活動，人體中所有的細胞都會受到內外環境的刺激，它們也就會對刺激作出反應，這在神經細胞（又叫神經元）、肌肉細胞更為明顯。細胞的這種反應，科學家們稱“興奮性”。一旦細胞受到刺激發生興奮時，細胞膜在原來靜息電位的基礎上便發生一次迅速而短暫的電位波動，這種電位波動可以向它周圍擴散開來，這樣便形成了“動作電位”。

既然細胞中存在著上述電位的變化，醫生們便可用極精密的儀器將它測量出來。此外，還由於在病理的情況下所產生的電變化與正常時不同，因此醫生們可從中看出由細胞構成的器官是否存在著某種疾病。

有一種叫“心電描記器”的儀器，它便是用來檢查人的心臟有否疾病的一種儀器。這種儀器可以從人體的特定部位記錄下心肌電位改變所產生的波形圖象，這就是人們常說的心電圖。醫生們只要對心電圖進行分析便可以判斷受檢人的心跳是否規則、有否心臟肥大、有否心肌梗塞等疾病。

同樣地，人類的大腦也如心臟一樣能產生電流，因此醫生們只要在病人頭皮上安放電極描記器，並通過腦生物電活動的改變所記錄下來的腦電圖，便知道病人腦內是否有病。當然，由於比起心電來，腦電比較微弱，因此科學家要將腦電放大100萬倍才可反映出腦組織的變化，如腦內是否長腫瘤、受檢查者有否可能發生癲癇（俗稱羊癲瘋）等。科學家們相信，隨著電生理科學以及電子學的發展，腦電圖記錄將更加精細，甚至有一天這類儀器還可正確地測知人們的思維活動。

電在生物體內普遍存在。生物學家認為，組成生物體的每個細胞都是一合微型發電機。細胞膜內外帶有相反的電荷，膜外帶正電荷，膜內帶負電荷，膜內外的鉀、鈉離子的不均勻分佈是產生細胞生物電的基礎。但是，生物電的電壓很低、電流很弱，要用精密儀器才能測量到，因此生物電直到1786年才由義大利生物學家伽伐尼首先發現。

人體任何一個細微的活動都與生物電有關。外界的刺激、心臟跳動、肌肉收縮、眼睛開閉、大腦思維等，都伴隨著生物電的產生和變化。人體某一部位受到刺激后，感覺器官就會產生興奮。興奮沿著傳入神經傳到大腦，大腦便根據興奮傳來的信息做出反應，發出指令。然後傳出神經將大腦的指令傳給相關的效應器官，它會根據指令完成相應的動作。這一過程傳遞的信息——興奮，就是生物電。也就是說，感官和大腦之間的“刺激反應”主要是通過生物電的傳導來實現的。心臟跳動時會產生1～2 毫伏的電壓，眼睛開閉產生5～6毫伏的電壓，讀書或思考問題時大腦產生0.2～1毫伏的電壓。正常人的心臟、肌肉、視網膜、大腦等的生物電變化都是很有規律的。因此，將患者的心電圖、肌電圖、視網膜電圖、腦電圖等與健康人作比較，就可以發現疾病所在。

在其他動物中，有不少生物的電流、電壓相當大。在世界一些大洋的沿岸，有一種體形較大的海鳥——軍艦鳥，它有著高超的飛行技術。能在飛魚落水前的一剎那叼住它，從不失手。美國科學家經過10多年研究，發現軍艦鳥的“電細胞”非常發達，其視網膜與腦細胞組織構成了一套功能齊全的“生物電路”，它的視網膜是一種比人類現有的任何雷達都要先進百倍的“生物雷達”，腦細胞組織則是一部無與倫比的“生物電腦”，因此它們才有上述絕技。

還有一些魚類有專門的發電器官。如廣佈於熱帶和亞熱帶近海的電鰩能產生100伏電壓，足可以把一些小魚擊死。非洲尼羅河中的電 縮，電壓有400～500伏。南美洲亞馬孫河及奧里諾科河中的電級，形似泥鍬、黃紹，身長兩米，能產生瞬間電流2安培，電壓800伏，足可以把牛馬甚至人擊斃在水中，難怪人們說它是江河裡的“魔王”。

植物體內同樣有電。為什麼人的手指觸及含羞草時它便“彎腰低頭”害羞起來？為什麼向日葵金黃色的臉龐總是朝著太陽微笑？為什麼捕蠅草會像機靈的青蛙一樣捕捉葉子上的昆蟲？這些都是生物電的功勞。如含羞草的葉片受到刺激后，立即產生電流，電流沿著葉柄以每秒14毫米的速度傳到葉片底座上的小球狀器官，引起球狀器官的活動，而它的活動又帶動葉片活動，使得葉片閉合。不久，電流消失，葉片就恢復原狀。在北美洲，有一種電竹，人畜都不敢靠近，一旦不小心碰到它，就會全身麻木，甚至被擊倒。

此外，還有一些生物包括細菌、植物、動物都能把化學能轉化為電能，發光而不發熱。特別是海洋生物，據統計，生活在中等深度的蝦類中有70％的品種和個體、魚類中70％的品種和95％的個體，都能發光。一到夜晚，在海洋的一些區域，一盞盞生物燈大放光彩，匯合起來形成極為壯觀的海洋奇景。

生物電現象是指生物機體在進行生理活動時所顯示出的電現象，這種現象是普遍存在的。

細胞膜內外都存在著電位差，當某些細胞（如神經細胞、肌肉細胞）興奮時，可以產生動作電位，並沿細胞膜傳播出去。而另一些細胞（如腺細胞、巨噬細胞、纖毛細胞）的電位變化對於細胞完成種種功能也起著重要作用。

隨著科學技術的日益進展，生物電的研究取得了很大的進步。在理論上，單細胞電活動的特點，神經傳導功能，生物電產生原理，特別是膜離子流理論的建立都取得了一系列的突破。在醫學應用上，利用器官生物電的綜合測定來判斷器官的功能，給某些疾病的診斷和治療提供了科學依據。

我們的臨床工作中經常遇到興奮性、興奮與興奮傳導這些概念，堵隔壁生物電有關。了解了生物電的現代基本理論，對於正確理解這些概念以及心電、腦電、肌電等的基本原理都有重要意義。細胞生物電現象有以下幾種：

1、靜息電位

組織細胞安靜狀態下存在於膜兩側的電位差，稱為靜息電位，或稱為膜電位。細胞在安靜狀態時，正電荷位於膜外一側（膜外電位為正），負電荷位於膜內一側（膜內電位為負，）這種狀態稱為極化。如果膜內外電位差增大，即靜息電位的數值向膜內負值加大的方向變化時，稱為超極化。相反地，如果膜內外電位差減小，即膜內電位向負值減小的方向變化，則稱為去極化或極化。一般神經纖維的靜息電位如以膜外電位為零，膜內電位為-70～-90mv。靜息電位是由於細胞內K+出膜，膜內帶負電，膜外帶正電導致的。

2、動作電位

當細胞受刺激時，在靜息電位的基礎上可發生電位變化，這種電位變化稱為動作電位。動作電位的波形可因記錄方法不同而有所差異以微電極置於細胞內，記錄到快速、可逆的變化，表現為鋒電位；鋒電位代睛細胞興奮過程，是興奮產生和傳導的標誌。

鋒電位在示波器上顯示為灰銳的波形，它可分為上升支和一個下降支。上升支先是膜內的負電位迅速降低到零的過程，稱為膜的去極化（除極），接著膜內電位繼續上升超過膜外電位，出現膜外電位變負而膜內電位變正的狀態，稱為反極化。下降支是膜內電位恢復到原來的靜息電位水平的過程，稱為復極化。鋒電位之後到完全恢復到靜息電位水平之前，還有微小的連續緩慢的電變化，稱為後電位。

心肌細胞的生物電現象和神經纖維、骨骼肌等細胞一樣，包括安靜時的靜息電位和興奮時的動作電位，但有其特點。心肌細胞安靜時，膜內電位約為-90mv。心肌細胞靜息電位形成的原理基本上和神經纖維相同。主要是由於安靜時細胞內高農度的k+向膜外擴散而造成的。當心肌細胞接受刺激由靜息狀態轉入興奮時，即產生動作電位。其波形與神經纖維有較大的不同，主要特徵是復極過程複雜，持續時間長。心肌細胞的某一點受刺激除極后，立即向四周擴散，直至整個心肌完全除極為止。已除極處的細胞膜外正電荷消失，未除極處的細胞膜仍帶正電而形成電位差。除極與未除極部位之間的電位差，引起局部電流，由正極流向負極。復極時，最先除極的地方首先開始復極，膜外又帶正電，再次形成復極處與未復極處細胞膜的電位差，又產生電流。如此依次復極，直至整個心肌細胞的同時除極也可以看成許多電偶同時在移動，不論它們的強度和方向是否相同，這個代表各部心肌除極總效果的電偶稱為等效電偶。心臟的結構是一個立體，它除極時電偶的方向時刻在變化，表現在心電圖上，是影響各波向上或向下的主要原因。由於各部心肌的大小、厚薄不同，心臟除極又循一定順序，所以心臟除極中，等效電偶的強度時刻都在變化。它主要影響心電圖上各波的幅度。人體是一個容積導體，心臟居人體之中，心臟產生的等效電偶，在人體各部均有它的電位分佈。在心動周期中，心臟等效電偶的電力強度和方向在不斷地變化著。身體各種的電位也會隨之而不斷變動，從身體任意兩點，通過儀器（心電圖機）就可以把它描記成曲線，這就是心電圖。

隨著分子生物學和膜的超微結構研究的進展，人們更試圖從膜結構中某些特殊蛋白和其他物質的分子構型的改變，來理解膜的通透性能的改變和生物電的產生，這將把生物電現象的研究推進到一個新階段。

近幾十年來生物電化學發展非常迅速，其研究分別在分子、細胞和生物組織等三個不同層次上進行。目前的研究領域主要有以下幾個方面：

1.生物膜與生物界面模擬研究

主要研究膜的電化學熱力學性質、物質的跨膜傳輸和生物電的傳遞等現象。

(1)SAM膜模擬生物膜的電化學研究

SAM是基於長鏈有機分子在基底材料表面的強烈化學結合和有機分子鏈間相互作用自發吸附在固/液或氣/固界面，形成的熱力學穩定、能量最低的有序膜。在單分子層中分子定向、有序、緊密地排列在一起，並且膜的結構和性質可以通過改變分子的頭基、尾基以及鏈的類型和長度來調節。因此，SAM成為研究各種複雜界面現象，如膜的滲透性、摩擦、磨損、濕潤、粘結、腐蝕、生物發酵、表面電荷分佈以及電子轉移理論的理想模型體系。有關SAM的電化學主要是用電化學方法研究SAM的絕對覆蓋量、缺陷分佈、厚度、離子通透性、表面電勢分佈、電子轉移等。利用SAM可研究溶液中的氧化還原物種與電極間的跨膜(跨SAM)電子轉移，以及電活性SAM本身與電極間的電子轉移。在膜電化學中，硫醇類化合物在金電極表面形成的SAM是最典型的和研究最多的體系。因為長鏈硫醇類化合物在分子尺寸、組織模型和膜的自然形成三方面很類似於天然的生物雙層膜，同時它具有分子識別功能和選擇性響應，且穩定性高。所以硫醇類化合物在金電極上形成的SAM對仿生研究有重要意義。例如可用SAM表面分子的選擇性來研究蛋白質的吸附作用；以烷基硫醇化合物在金上的SAM膜為基體研究氧化還原蛋白質中電子的長程和界面轉移機制等；在硫醇SAM上沉積磷脂可較容易地構造雙層磷脂膜，以SAM來模擬雙層磷脂膜的准生物環境和酶的固定化使酶進行直接電子轉移已在生物感測器的研究中得到應用。如以胱氨酸或半胱氨酸為SAM,通過縮合反應鍵合上媒介體(如tcnq、二茂鐵、醌類等)和酶可構成測葡萄糖、谷胱甘肽、膽紅素、蘋果酸等的多種生物感測器。

(2)　液/液界面模擬生物膜的電化學研究

所謂液/液(L/L)界面是指在兩種互不相溶的電解質溶液之間形成的界面，又稱為油/水(O/W)界面。有關L/L界面電化學的研究範圍很廣，包括L/L界面雙電層、L/L界面上的電荷轉移機理及動力學、生物膜模擬、以及電化學分析應用等。L/L界面可以看作與周圍電解質接觸的半個生物膜模型。生物膜是一種極性端分別朝細胞內和細胞外水溶液的磷脂自組裝結構，磷脂的親脂鏈形成像油一樣的膜內層。因此，從某種意義上來說，吸附著磷脂單分子層的L/L界面非常接近於生物膜/水溶液界面。磷脂是非常理想的實驗材料，它能很好地吸附在L/L界面上。電荷或電勢和磷脂單分子層表面張力之間的偶聯作用被認為是細胞和細胞中類脂質運動的基本驅動力。可見,Ｌ/Ｌ界面生物電化學是一很有生命力的研究領域，將繼續受到人們的廣泛重視。

細胞膜電勢

生物細胞膜是一種特殊類型的半透膜。

細胞膜對K+Cl-Na+等離子的通透性也不相同。

細胞膜內外的K+Cl-Na+等離子的濃度不同，因此產生的膜電勢稱為(細胞)生物膜電勢。

不同的電流通過動物細胞膜，死的細胞和活的細胞的表現不同。

2.生物電化應用技術

由於生命現象與電化學過程密切相關，因此電化學方法在生命科學中得到廣泛應用，主要有：電脈衝基因直接導入、電場加速作物生長、癌症的電化學療法、電化學控制藥物釋放、在體研究的電化學方法、生物分子的電化學行為、血栓和心血管疾病的電化學研究、骨骼的電生長、心電圖和腦電圖的研究、生物電池等。

電脈衝基因直接導入是基於帶負電的質粒DNA或基因片斷在高壓脈衝電場的作用下被加速“射”向受體細胞，同時在電場作用下細胞膜的滲透率增加(介電擊穿效應),使基因能順利導入受體細胞。由於細胞膜的電擊穿的可逆性，除去電場，細胞膜及其所有的功能都能恢復。此法已在分子生物學中得到應用。細胞轉化效率高，可達每微克DNA1010個轉化體，是用化學方法製備的感受態細胞的轉化率的10～20倍。

電場加速作物生長是很新的研究課題。Matsuzaki等報道過玉米和大豆苗在含0.5mmol/lK2SO4培養液中培養，同時加上20Hz,3V或4V(峰峰)的電脈衝，6天後與對照組相比，秧苗根鬚髮達，生長明顯加速。其原因可能是電場激勵了生長代謝的離子泵作用。

癌症的電化學療法是瑞典放射醫學家Nordenstrom開創的治療癌症的新方法。其原理是：在直流電場作用下，引起癌灶內一系列生化變化，使其組織代謝發生紊亂，蛋白質變性、沉澱壞死，導致癌細胞破滅。一般是將鉑電極正極置於癌灶中心部位，周圍紮上1～5根鉑電極作負極，加上6～10Ｖ的電壓，控制電流為30～100mA，治療時間2～6小時，電量為每厘米直徑癌灶100～150庫侖。此療法已推廣用於肝癌、皮膚癌等的治療。對體表腫瘤的治療尤為簡便、有效。

控制藥物釋放技術是指在一定時間內控制藥物的釋放速度、釋放地點，以獲得最佳藥效，同時緩慢釋放有利於降低藥物毒性。電化學控制藥物釋放是一種新的釋放藥物的方法，這種方法是把藥物分子或離子結合到聚合物載體上，使聚合物載體固定在電極表面，構成化學修飾電極，再通過控制電極的氧化還原過程使藥物分子或離子釋放到溶液中。藥物在載體聚合物上的負載方式分為共價鍵合型和離子鍵合型負載兩類。共價鍵合負載是通過化學合成將藥物分子以共價鍵方式鍵合到聚合物骨架上，然後利用塗層法將聚合物固定在固體電極表面形成聚合物膜修飾電極，在氧化或還原過程中藥物分子與聚合物之間的共價鍵斷裂，使得藥物分子從膜中釋放出來。離子鍵合負載是利用電活性導電聚合物如聚吡咯、聚苯胺等在氧化或還原過程中伴隨有作為平衡離子的對離子的嵌入將藥物離子負載到聚合物膜中，再通過還原或氧化使藥物離子從膜中釋放出來。

在體研究是生理學研究的重要方法，其目的在於從整體水平上認識細胞、組織、器官的功能機制及其生理活動規律。由於一些神經活性物質(神經遞質)具有電化學活性，因此電化學方法首先被用於腦神經系統的在體研究。當採用微電極插入動物腦內進行活體伏安法測定獲得成功后，立即引起了人們的極大興趣。該技術經過不斷的改善，被公認為在正常生理狀態下跟蹤監測動物大腦神經活動最有效的方法。通常可檢測的神經遞質有多巴胺、去甲腎上腺素、5-羥色胺及其代謝產物。微電極伏安法成為連續監測進入細胞間液中原生性神經遞質的有力工具。在體研究一般採用快速循環伏安法(每秒上千伏)和快速計時安培法。快速循環伏安法還被用於研究單個神經細胞神經遞質釋放的研究，發展成為所謂的“細胞電化學”。

生物分子的電化學行為的研究是生物電化學的一個基礎研究領域，其研究目的在於獲取生物分子氧化還原電子轉移反應的機理，以及生物分子電催化反應機理，為正確了解生物活性分子的生物功能提供基礎數據。所研究的生物分子包括小分子如氨基酸、生物鹼、輔酶、糖類等和生物大分子如氧化還原蛋白、RNA、DNA、多糖等。

3.電化學生物感測器和生物分子器件

感測器與通信系統和計算機共同構成現代信息處理系統。感測器相當於人的感官，是計算機與自然界及社會的介面，是為計算機提供信息的工具。

感測器通常由敏感(識別)元件、轉換元件、電子線路及相應結構附件組成。生物感測器是指用固定化的生物體成分(酶、抗原、抗體、激素等)或生物體本身(細胞、細胞器、組織等)作為感元件的感測器。電化學生物感測器則是指由生物材料作為敏感元件，電極(固體電極、離子選擇性電極、氣敏電極等)作為轉換元件，以電勢或電流為特徵檢測信號的感測器。由於使用生物材料作為感測器的敏感元件，所以電化學生物感測器具有高度選擇性，是快速、直接獲取複雜體系組成信息的理想分析工具。一些研究成果已在生物技術、食品工業、臨床檢測、醫藥工業、生物醫學、環境分析等領域獲得實際應用。

根據敏感元件所用生物材料的不同，電化學生物感測器分為酶電極感測器、微生物電極感測器、電化學免疫感測器、組織電極與細胞器電極感測器、電化學DNA感測器等。

(1)酶電極感測器

以葡萄糖氧化酶(GOD)電極為例簡述其工作原理。在GOD的催化下，葡萄糖(C6H12O6)被氧氧化生成葡萄糖酸(C6H12O6)和過氧化氫。根據上述反應，顯然可通過氧電極(測氧的消耗)、過氧化氫電極(測H2O2的產生)和PH電極(測酸度變化)來間接測定葡萄糖的含量。因此只要將GOD固定在上述電極表面即可構成測葡萄糖的GOD感測器。這便是所謂的第一代酶電極感測器。這種感測器由於是間接測定法，故干擾因素較多。第二代酶電極感測器是採用氧化還原電子媒介體在酶的氧化還原活性中心與電極之間傳遞電子。第二代酶電極感測器可不受測定體系的限制，測量濃度線性範圍較寬，干擾少。現在不少研究者又在努力發展第三代酶電極感測器，即酶的氧化還原活性中心直接和電極表面交換電子的酶電極感測器。

目前已有的商品酶電極感測器包括:GOD電極感測器、L-乳酸單氧化酶電極感測器、尿酸酶電極感測器等。(2)微生物電極感測器

將微生物(常用的主要是細菌和酵母菌)作為敏感材料固定在電極表面構成的電化學生物感測器稱為微生物電極感測器。其工作原理大致可分為三種類型：其一，利用微生物體內含有的酶(單一酶或複合酶)系來識別分子，這種類型與酶電極類似；其二，利用微生物對有機物的同化作用，通過檢測其呼吸活性(攝氧量)的提高，即通過氧電極測量體系中氧的減少間接測定有機物的濃度；其三，通過測定電極敏感的代謝產物間接測定一些能被厭氧微生物所同化的有機物。

微生物電極感測器在發酵工業、食品檢驗、醫療衛生等領域都有應用。例如；在食品發酵過程中測定葡萄糖的佛魯奧森假單胞菌電極；測定甲烷的鞭毛甲基單胞菌電極；測定抗生素頭孢菌素的Citrobacterfreudii菌電極等等。微生物電極感測器由於價廉、使用壽命長而具有很好的應用前景，然而它的選擇性和長期穩定性等還有待進一步提高。

(3)電化學免疫感測器

抗體對相應抗原具有唯一性識別和結合功能。電化學免疫感測器就是利用這種識別和結合功能將抗體或抗原和電極組合而成的檢測裝置。電化學免疫感測器從結構上可分為直接型和間接型兩類。直接型的特點是在抗體與其相應抗原識別結合的同時將其免疫反應的信息直接轉變成電信號。這類感測器在結構上可進一步分為結合型和分離型兩種。前者是將抗體或抗原直接固定在電極表面上，感測器與相應的抗體或抗原發生結合的同時產生電勢改變；後者是用抗體或抗原製作抗體膜或抗原膜，當其與相應的配基反應時，膜電勢發生變化，測定膜電勢的電極與膜是分開的。間接型的特點是將抗原和抗體結合的信息轉變成另一種中間信息，然後再把這個中間信息轉變成電信號。這類感測器在結構上也可進一步分為兩種類型：結合型和分離型。前者是將抗體或抗原固定在電極上；而後者抗體或抗原和電極是完全分開的。間接型電化學免疫感測器通常是採用酶或其他電活性化合物進行標記，將被測抗體或抗原的濃度信息加以化學放大，從而達到極高的靈敏度。

電化學免疫感測器的例子有：診斷早期妊娠的HCG免疫感測器；診斷原發性肝癌的甲胎蛋白(AFP)免疫感測器；測定人血清蛋白(HSA)免疫感測器；還有IgG免疫感測器、胰島素免疫感測器等等。

(4)組織電極與細胞器電極感測器

直接採用動植物組織薄片作為敏感元件的電化學感測器稱組織電極感測器，其原理是利用動植物組織中的酶，優點是酶活性及其穩定性均比離析酶高，材料易於獲取，製備簡單，使用壽命長等。但在選擇性、靈敏度、響應時間等方面還存在不足。

動物組織電極主要有：腎組織電極、肝組織電極、腸組織電極、肌肉組織電極、胸腺組織電極等。植物組織電極敏感元件的選材範圍很廣，包括不同植物的根、莖、葉、花、果等。植物組織電極製備比動物組織電極更簡單，成本更低並易於保存。細胞器電極感測器是利用動植物細胞器作為敏感元件的感測器。細胞器是指存在於細胞內的被膜包圍起來的微小“器官”，如線粒體、微粒體、溶酶體、過氧化氫體、葉綠體、氫化酶顆粒、磁粒體等等。其原理是利用細胞器內所含的酶(往往是多酶體系)。

(5)電化學DNA感測器

電化學DNA感測器是近幾年迅速發展起來的一種全新思想的生物感測器。其用途是檢測基因及一些能與DNA發生特殊相互作用的物質。電化學DNA感測器是利用單鏈DNA(ssDNA)或基因探針作為敏感元件固定在固體電極表面，加上識別雜交信息的電活性指示劑(稱為雜交指示劑)共同構成的檢測特定基因的裝置。其工作原理是利用固定在電極表面的某一特定序列的ssDNA與溶液中的同源序列的特異識別作用(分子雜交)形成雙鏈DNA(dsDNA)(電極表面性質改變)，同時藉助一能識ssDNA和dsDNA的雜交指示劑的電流響應信號的改變來達到檢測基因的目的。

4.生物能學和代謝過程

包括酶催化的氧化還原反應的力能學、線粒體呼吸鏈、光氧化還原反應和光合作用。光合作用作為整個過程，包括了吸收光子后的電子激發過程、膜電位的產生、電子和質子的轉移過程，以及隨後的一系列代謝反應。

生物電化學研究手段目前除了採用傳統的電化學方法外，電化學紫外可見光譜、電化學現場紅外光譜、電化學現場拉曼光譜、X射線衍射、掃描探針技術、電化學石英晶體微天平等方法得到廣泛應用。

生物材料敏感元件+電極轉換元件

例如：酶電極感測器

以葡萄糖氧化酶(GOD)電極為例

其工作原理為：在GOD的催化下，葡萄糖(C6H12O6)

被氧氧化，生成葡萄糖酸(C6H12O7)和過氧化氫。

根據上述反應，可以通過測量氧的消耗(氧電極),或者過氧化氫的產生(過氧化氫電極)等，間接測量葡萄糖的含量。

這就是所謂的第一代酶電極感測器，目前種類很多，包括用於檢測司機是否飲酒的。乙醇氧化酶電極感測器。

專利技術：將乙醇氧化酶電極感測器與汽車的點火裝置相連

細胞膜水通道，以及離子通道結構和機理

2003年的NOBEL化學獎介紹

彼得·阿格雷：美國科學家。1949年生於美國明尼蘇達州小城諾斯菲爾德，1974年在巴爾的摩約翰斯·霍普金斯大學醫學院獲醫學博士學位，現為該學院生物化學教授和醫學教授。羅德里克·麥金農：美國科學家。1956年出生，在美國波士頓附近的小鎮伯靈頓長大，1982年在塔夫茨醫學院獲醫學博士學位，現為洛克菲勒大學分子神經生物學和生物物理學教授。

科學貢獻

他們發現了細胞膜水通道，以及對離子通道結構和機理研究作出了開創性貢獻。這是個重大發現，開啟了細菌、植物和哺乳動物水通道的生物化學、生理學和遺傳學研究之門。

對生活的影響

水溶液占人體重量的70％。生物體內的水溶液主要由水分子和各種離子組成。它們在細胞膜通道中的進進出出可以實現細胞的很多功能。水分子是如何進出人體的細胞的？了解這一機理將極大地幫助人們更好地認識許多疾病，比如心臟病、神經系統疾病等。他們的發現闡明了鹽分和水如何進出組成活體的細胞。比如，腎臟怎麼從原尿中重新吸收水分，以及電信號怎麼在細胞中產生並傳遞等等，這對人類探索腎臟、心臟、肌肉和神經系統等方面的諸多疾病具有極其重要的意義。

實際上，早在十九世紀中期，人們就猜想人體細胞一定存在用以傳輸水分的特別的通道。然而，直到1988年，才由阿格雷在分離一種膜蛋白上獲得成功，約一年後，他明白了這個蛋白一定就是長期以來所尋求的水通道。這一決定性的發現打開了通向細菌、植物及哺乳動物體內水通道的生物化學、生理學以及遺傳學等完整的系列研究之門。今天，學者們詳知水分子通過細胞膜的方式並了解為何只有水分子能穿過而不是其他更小的分子或離子。

現代生物化學在求解生命過程的基本原理方面已經深入到了原子的水平。另一種類型的膜通道是離子通道。離子通道在神經和肌肉應激系統中具有重要意義。當位於神經細胞表面的離子通道在來自鄰近的神經細胞的化學信號的作用下而開啟時，會產生一種被稱為神經細胞電壓的作用，於是，一種電脈衝信號就會通過在數毫秒之內開啟和關閉的離子通道而沿著神經細胞的表面傳遞。麥金農在1998年確定了鉀離子通道的空間結構(高解析度電子顯微鏡)而使整個學術界震驚。這項貢獻，使我們現在知道離子可以通過由不同的細胞信號控制其開啟和關閉的通道而流動。

美國科學家用基因療法修復心臟起搏功能

美國科學家通過基因療法修復心臟細胞的起搏功能，已在動物實驗中取得成功。這一方法將來有可能取代昂貴而又危險的電動心臟起搏器。

心臟起搏細胞的功能是產生生物電刺激，使心臟有節律地跳動。在成年人的心臟里，起搏功能局限於一小部分細胞中。由於衰老和疾病，這些起搏細胞會死亡或失效，引起心臟病。全世界每年約有６０萬病例通過手術植入電動心臟起搏器。起搏器雖然挽救了許多人的生命，但也存在需要更換電池、不能接近強磁場等缺點。

美國約翰·霍普金斯大學的科學家在１２日出版的英國《自然》雜誌上發表報告說，他們使用基因療法，改變心臟細胞內外的化學物質流向，產生電壓，使普通細胞“變”成了起搏細胞，刺激心臟跳動。

細胞中有一種蛋白質，能像水泵一樣使帶正電的鉀離子流進細胞內部。研究人員使用一種病毒為載體，將一個基因釋放到細胞中，產生另一種蛋白質干擾“鉀離子泵”的作用。這樣，細胞內外部就產生負電位，形成的電信號刺激其它心臟細胞收縮。

科學家說，只需要對幾千個細胞進行基因改造，就能達到起搏的目的。他們已經在豚鼠身上取得了初步成功，下一步將在豬身上做試驗。科學家希望該技術４年內能夠付諸實用，成為一種比電動起搏器更安全、成本更低的療法。

不過在實際應用之前，這項技術還需要不斷完善，以保證經轉基因處理的細胞起搏功能正常，並且把這種處理限制在合適的範圍內，避免不適當的細胞獲得起搏功能，導致心跳節律失常。

2002年神州4號飛船內進行的實驗

神舟四號生物實驗成功“太空娃娃”降生

中國在神舟四號上進行的生物技術實驗獲得成功。該細胞實驗負責人、國家載人航天工程應用系統空間生命科學分系統副指揮王國強昨天表示，實驗成功標誌著我國掌握了在空間進行細胞的融合、分離技術，為中國不久后建立空間站、開展空間生命科學研究奠定了堅實的基礎。權威人士介紹，中國不久就將建設自己的空間實驗站，並開展大量生命科學實驗。

160分鐘產下“太空娃娃”

兩場籌備了10年的“太空結合”首次在神舟四號飛船上舉行，動物細胞“新人”是B淋巴細胞和骨髓瘤細胞，植物細胞“新人”有液泡的黃花煙草原生質體和脫液泡的革新一號煙草原生質體，兩批新人同時在一個“產房”電融合儀內孕育新生命。160分鐘后，中國首批“太空娃娃”終於順利誕生。專家表示，將實驗地點放到太空能使細胞融合率從在地面的0.8％以下提高到10％－12％，而細胞存活率也能從38.06％提高到53％。此次培育出的新生命最終到底長什麼樣？專家稱，一切必須過四五個月等“孩子”長大才能見分曉。

未來能吃上古怪太空食品

與細胞融合實驗在同時同地進行的還有一場“太空分居”，該實驗是在神舟四號上第一次進行生物大分子和細胞的空間分離純化，將生物樣品利用電泳的方法分離提純。此次神舟四號上的實驗品為細胞色素C和小牛血紅蛋白。從實驗結果看，我國最終成功提取到了更為精純的製藥原材料，為今後生產各類名貴的藥物做好了準備。細胞電融合實驗能育出地球上難得一見的植物新品種，老百姓的生活中將因此多出許多“新鮮玩意”。比如，通過太空雜交，不僅水稻質量可以大大提高，而且牛奶味米飯、耐鹽鹼水稻也將紛紛出現。憑藉此技術，中國還能利用微重力資源進行空間製藥探索新方法，製造出更多的名貴藥物，同時大大降低藥物成本，減輕百姓負擔。