生物电分析化学的兴起

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。

电分析化学是一门具有悠久历史的学科，但它决不是一门行将衰亡的学科；相反，由于近年来各种新的电分析化学技术的不断涌现，使电分析化学的研究工作呈现出一派兴旺发达的景象。电分析化学具有灵敏度高、仪器简单、方法灵活多样等特点，所以，将这些丰富多彩的电分析化学技术应用于研究生物物质，一定能得到许多新的重大的成果。

生物体系是一个十分复杂的体系。各种生物组分的分子量相差极大，而许多组分的含量极微。此外，不少生物组分没有电化学活性；蛋白质等大分子化合物由于吸附作用对测定产生干扰等。所有这些因素，对电分析化学方法都是极为不利的。尽管如此，电分析化学方法在生物体系的研究中已经取得了可喜的成果。　

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。关于这方面的内容，下面将要着重加以介绍。

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。在一这方面，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。不过，将生物学中的一些方法（如免疫法、酶技术等）与电化学结合起来，对于解决生物电分析化学中的问题，可能是更为有效的途径。在这一方面，伏安免疫法和生物传感器就是很好的例子。下面我们将着重对这两种生物电分析方法进行介绍。另外，我们还将简单地介绍在生物活体组织监测中具有特殊潜力的超微电极。　

三 伏安免疫法

免疫法是一种极其重要的生物化学方法。美国的R.S.Yalow因发展肽类激素的放射免疫法而获得1977年的生理和医学诺贝尔奖。目前，免疫法已被普遍应用于生物化学研究和临床病理检验。据初步估计，全世界每年要进行几亿次免疫法病理检验。由此可见，免疫法的成功，的确是生物化学中一件划时代的事件。

当一种抗原（antigen，Ag）作用于生物体时，体内的某些器官具有识别这种“异己”的能力，并做出快速反应，产生一种相应的抗体（antibody，Ab）。这种抗体能与抗原形成异常稳定的络合物，从而消除了抗原的危害。这是生物体赖以生存的本能。

抗体与抗原的反应，不仅具有异常高的稳定性，而且也具有异常高的选择性。多少年来，分析化学家致力于寻找真正的专属性试剂，但是否确能实现，仍是一个疑问。然而另一方面，许多抗体与抗原的反应，可以称得上专属性反应。据估计，生物体内能产生约10⁷—10⁸种不同性能的抗体，来对付各种各样抗原的侵袭。这是生物体具有很好的防卫功能的根本原因。

有些抗原只有免疫反应性，而无免疫原性，一般称为半抗原（hapten），如分子量较小的雌三醇、吗啡等药物等。由于它们也有免疫反应，故也可以用免疫法进行测定。

免疫法是基于抗体与抗原或半抗原之间的高选择性反应而建立起来的分析方法。它具有很高的选择性和很低的检测限，可以应用于测定各种抗原、半抗原或抗体。

免疫法有放射免疫法、荧光免疫法、发光免疫法及酶联吸附免疫法等。其中以放射免疫法的灵敏度最高。但由于放射免疫法涉及到示踪原子的处理，在使用上受到限制。

将免疫法的高选择性与电化学法的高灵敏性结合起来，产生了一种新型的免疫法——电化学免疫法。在电化学免疫法中，最引人注目的是伏安免疫法和免疫传感器。

实现伏安免疫法的途径很多。通常按标记方法的不同，分为酶标记法和非酶标记法。采用酶标记法时，通过酶的催化作用，产生一种电活性物质，再用适当的电化学方法进行测量。酶标记法的优点是灵敏度高，因为它利用了酶的催化作用（放大系数10³—10⁴以上）。非酶标记法通常利用抗体或抗原本身的电活性，或者通过适当的化学反应进行标记，使其产生电活性，然后再进行电化学测量。非酶标记的方法易于在一般化学实验室中实现，但灵敏度一般较低。

在上述两种方法中，根据是否要将抗体-抗原结合物（Ab-Ag）与游离抗体或抗原进行分离而又可将其分为非均相免疫法与均相免疫法。下面举例加以说明。

1.酶标记伏安免疫法

（1）非均相法 这种方法首先是将抗体固定（惰性吸附或共价键合）在聚苯乙烯容器表面上。表面上的空位置用Tween-20结合之。然后将酶标记的抗原（Ag^*）和抗原试样（Ag）加入容器中，让其与容器表面上有限的抗体进行竞争反应。待一定时间后，洗去游离的抗原。这时，由于竞争反应的结果，与容器表面上抗体相结合的标记抗原量与试样中的抗原量成反比。然后加入基物，让其与Ag^*中的酶相互作用，得到电活性产物P，最后用伏安法进行检测。这一过程可用图1表示。这种方法已成功地应用于强心药地高辛（digoxin），免疫球蛋白（IgG）及糖蛋白的测定。

 

另一种定量方法是形成夹心式化合物的定量法。在这种方法中将抗原试样加入固定了一定量抗体的容器中，让抗原与抗体进行反应。达到平衡后，洗去游离的抗原。然后加入另一种酶标记的抗体，使其与抗原再反应，形成夹心式化合物。洗去过量的酶标记抗体，再加入适当的基质S。这时，在酶的催化作用下，基质转变为具有电活性的P，从而进行测量之。在这种情况下，电信号与被测抗原成正比。这一过程可用图2表示。这种方法已应用于免疫球蛋白的测定。

 

采用上述酶标记的非均相伏安免疫法，具有灵敏度高的特点，尤其是这种方法可以将试样溶液中可能存在的干扰物质（如蛋白质等）分离，提高了方法的适应性；缺点是操作稍复杂。

（2）均相法 这种方法在溶液中进行，不涉及到Ag^*或Ag的分离步骤。其基本原理是根据Ag^*与Ab反应形成Ab∶Ag^*后，它的催化活性相应减小这一现象进行测定的。在这种方法中，被测抗原与一定量的酶标记抗原和抗体在溶液中进行反应，由于竞争反应的结果，一部分Ag^*形成了Ab∶Ag^*，引起Ag^*的催化活性降低，从而减小由基质（S）产生电活性物质（P）的量，据此可以推算出试样中抗原的含量。这一过程可表示如下：　

与非均相法比较起来，均相法比较简单，但灵敏度较低，干扰因素也较多。这种方法已应用于苯妥英等抗癫痫药物的测定。

2.非酶标记伏安免疫法

这种方法可能是电分析化学家最感兴趣的，因为它不涉及到酶操作技术。在这种方法中，可以直接利用抗体或抗原的电活性，或者通过适当的化学方法，使它们转变为具有电活性的物质，从而利用免疫反应进行测定。

非酶标记伏安免疫法也可以非均相或均相的方式进行。其基本原理已如上述，兹各举一例以说明之。

雌三醇是非电活性的，将其硝基化后，即转变为具有电活性的二硝基雌三醇（Ag^*）。它可借微分脉冲极谱进行测定。于溶液中加入雌三醇抗体，形成Ab∶Ag^*后，二硝基雌三醇即转变为非电活性物质。因此，利用这一均相免疫反应，可以测定雌三醇抗体含量。

采用In-DTPA进行标记的人血清蛋白（HSA）的测定属于非均相免疫伏安法。其基本原理如下：

 

目前，用于标记抗原的电活性物质还有Hg²⁺、Pb²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺以及Brdicka蛋白质的利用等。被测定的抗原或半抗原还有吗啡、免疫球蛋白、卵蛋白等。我国西北大学胡荫华等在白喉类毒素等的伏安免疫法测定中取得了好的结果。　

四　 生物电化学传感器

生物电化学传感器是将生物化学反应能转换为电信号的一种装置。重要的生物电化学传感器有酶传感器、细菌传感器、组织传感器以及免疫传感器等。

1.酶传感器 酶传感器是将对被测底物具有选择性响应的酶层固定在离子选择性电极表面上而制成。待测底物是各种有机物。它们在酶的催化作用下，生成或消耗某些能被电极所检测的催化产物，根据电极对催化产物的响应，即可测得产物的浓度。

血糖和尿糖的检查，是临床上常规化验项目之一。它对于糖尿病的诊断和治疗十分重要。用于测定葡萄糖的酶传感器所基于的生物化学反应是：

葡萄糖+氧气→葡萄糖酸+过氧化氢

可见氧的消耗量或过氧化氢的生成量，与待测葡萄糖含量有关。所以，通过采用电极法测得过氧化氢的生成量或氧的消耗量之后，就可测得体液中葡萄糖的含量。这种方法可在30秒内得到分析结果。

70年代以来，酶传感器的研制工作蓬勃兴起，传感器的设计形式不断翻新，采用的酶的种类日益增多，所测定的物质的范围越来越广。在美、日等国，许多酶传感器已用于临床，并有部分商品出售。

2.细菌或组织传感器 酶是从各种细菌和动物组织中分离提取出来的，它们在离开原有的自然环境后，便相当不稳定，极易失去其生物活性，从而导致酶传感器的使用寿命很短。酶的孔径约为0.5—1μm，由酶形成细菌或微器官组织之后，其孔径增大至1—10μm，而形成动植物的活体组织之后，其孔径更大。由细菌或组织制成的传感器，其稳定性要好得多，但选择性不如酶传感器，因为细菌或组织中可能有多种功能的酶同时存在。

氨基酸的测定，是细菌或组织传感器的成功应用的一例，其原理如下：　

氨基酸扩散至电极表面上的细菌膜或组织膜中，被氨基酸氧化酶催化分解，产生相当量的氨。此氨分子再扩散至电极与生物膜间隙的溶液中，借氨气敏电极进行测定，由此可求得试液中氨基酸的含量。

与酶传感器比较，虽然细菌或组织传感器的使用寿命大大延长，而且可以避免酶的提取和纯化过程。但由于待测底物必须首先扩散到细菌或组织中，再通过酶促反应转换为电极可响应的产物，最后产物才扩散到电极表面进行鉴测。这一过程比较缓慢，因而细菌或组织传感器的响应时间一般较酶电极为长。

3.免疫传感器 免疫传感器是一类能检测抗原或抗体的传感器。例如利用碘离子选择性电极，可以测定乙型肝炎抗原。这是一种酶免疫分析传感器。制作这种电极时，需要将乙型肝炎抗体固定在碘离子选择性电极表面的蛋白质膜上。测定时，将此电极插入含有乙型肝炎抗原的溶液中，使抗体与抗原结合，再用过氧化酶标记的免疫球蛋白抗体处理，这时就形成了抗原与抗体的夹心结构： 

图中实线表示共价健结合，虚线表示抗体与抗原间的静电作用。将此电极插入过氧化氢和碘化物的溶液中，在过氧化酶标记的免疫球蛋白的催化作用下，过氧化氢被还原，而碘化物因被氧化而消耗，碘离子浓度的减少与乙型肝炎抗原的量成正比，由此可推算乙型肝炎抗原的浓度。

另一种有趣的免疫传感器是离子免疫电极。例如载有特定离子的红细胞抗原，能与待测抗体结合。这种结合物能被一种称为补体的酶识别，并使红细胞溶解，释放出细胞所载的离子。这些释放出来的离子可用离子选择性电极来检测。

利用这种原理，以羊红细胞作离子载泡，三甲基苯铵作标记离子，可以测定牛血清蛋白抗体。另外，人造的脂泡也可代替红细胞进行上述免疫分析。例如：以四苯基铵离子作标记离子，把一种脑代谢的中间产物神经节苷脂连接到脂泡的表面作抗原，以四苯基铵离子选择性电极作检测电极，采用薄层电位测量技术，可以测定微升量血清中的神经节苷脂抗体。

应该指出，虽然生物传感器的研制已取得了很大的进展，但它们距离嗅觉器官、味觉器官那样的生物感觉系统还相差很远。因而，制作具有生物感觉系统水平的传感器，可能是生物传感器的主要发展目标。　

五 超微电极

超微电极简称微电极。这种电极的主要特征是其尺寸很小（＜100μm），小于其扩散层的厚度。它有很多特殊优点，故在电分析化学特别是生物电分析化学中具有很大的发展潜力。

设有一平面圆盘电极，其半径为rθ，则扩散电流为

T

可见扩散电流为时间的函数。它随时间的增长而减小，直至时间趋近无穷大时，电流达到恒态值（稳态电流）。

一条件，即上式括号中第二项可以忽略，此时电流为稳态电流，其值为

i=4πnFDCr

这样，用超微电极得到的i-E伏安曲线是S型，而不是峰形。

超微电极表面附近的扩散不是线性扩散，而是非线性扩散。超微电极表面有一种极重要的效应，称为边缘效应。边缘效应的大小用σ表示，

 

式中v为电压扫描速度。当r₀→∞时，σ等于0，此时为线性扩散，为普通的圆盘电极。当σ＞10³时，边缘效应相当明显，为超微电极。

由于超微电极的表面积很小，故相应的各类电流的绝对值很小，因此，电解池的iR降常小到可以忽略。这样，它就可以应用于高电阻的溶液，如某些有机溶剂及基本上不加支持电解质的纯水溶液等。在这种情况下，通常为消除iR降而设计的三电极体系就可用简单的两电极体系代替。这种情况对生物体系的测定极为有利，因为它基本上可以实现无破损分析，也不会引起明显的排他性反应。但是，由于电流的绝对值太小，常小于10^-9A，故要用pA级电流计进行测量。

超微电极的种类很多，对于生物体系来说，应用最多的是碳纤维电极。超微铂、金、汞等电极在其他许多情况中也用。超微电极有盘、环、球、筒等各种形式。若将多个电极组装在一起，成为一个组合电极，则电讯号增大很多，这对于实际应用当然是很有利的。应该指出的是，超微电极由于制造工艺上的困难而限制了它们的应用。

超息电极在电化学及电分析化学中已有许多应用，如研究快速电极反应及电沉积机理等。在生物电分析化学中，超微电极主要应用于活体组织的分析，如血液中O₂的连续测定，大脑神经传导过程中多巴胺等物质的测定，体内抗坏血酸浓度的监测等。

化学修饰超微电极可能是一种更为理想的生物电分析化学检测器，因为它可以消除许多生物物质的干扰，提高方法的选择性。例如用Nafion膜修饰的超微碳纤维电极，在测定活体组织中儿茶胺等神经传导质的应用中，取得了很好的结果。

总之，生物电分析化学是一门新兴的引人入胜的学科。尽管目前这方面的工作不是光彩夺目，但确实已经取得了令人振奋的结果。

来源：生命经纬