生物电分析考试大纲.docx

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生物电分析考试大纲

1.当两个组成或浓度不同的电解质溶液相接触时，由于正负离子扩散速度不同，有微小的电位差产生——液接电位或扩散电位。

由于扩散速度不同产生的液接电位，可用盐桥来消除或减小到忽略不计。

盐桥是“连接”和“隔离”不同电解质的重要装置

•盐桥是一个盛满饱和KCl溶液和3%琼脂的U形管，用盐桥将两溶液连接，饱和KCl溶液的浓度很高（一般为3.5~4.2mol.L-1）。

（1）作用

接通电路，消除或减小液接电位。

（2）使用条件

a.盐桥中电解质不含被测离子。

b.电解质的正负离子的迁移速率应基本相等。

常用作盐桥的电解质有:

KCl,NH4Cl,KNO3等。

c.要保持盐桥内离子浓度的离子强度5～10倍于被测溶液。

2.极化与过电位

•极化——电流通过电极与溶液界面时，电极电位偏离平衡电位（即能斯特公式计算的电位）的现象。

•电极电位与平衡电位之差称为过电位

•一般阳极极化，电极电位更正，阴极极化，电极电位更负。

利用过电位的大小评价电极的极化程度。

•极化产生的原因：

浓差极化和电化学极化

1浓差极化

•电解过程中，电极表面附近溶液的浓度与主体溶液的浓度差别引起的。

•电极表面与溶液主体间形成的浓度梯度引起偏离平衡电位的现象。

•减小浓差极化的方法：

增大电极面积、减小电流密度、提高温度、搅拌溶液等。

2.电化学极化

——电极反应速率慢引起的

•很多电极反应是分步进行的，某一步反应慢就限制整个电极反应的速率。

•以阴极反应还原为例，若电极反应较慢，离子来不及与电极表面上过剩的电子结合，使电子积聚起来，使电位更负。

3.

词根

含义

实例

安

电流

“安（培）”计测量电流强度

计时

时间

计时电流测量电流随时间的变化

库伦

电量

库仑计测量通过的电量

图

曲线图

伏安图表示电流随电位变化的曲线图

电位

电位

电位计：

用于测量电位的高内阻仪器

电位滴定：

以电位的变化作为终点的滴定

伏安

电位与电流

伏安图表示电流随电位变化的函数曲线图

4.电子传输路径

①还原反应：

电子由电源出发，通过电极，穿过电极-溶液界面，传递给溶液中的电活性物质。

②氧化反应：

电子进行反方向传输，由溶液中的电活性物质提供电子，在电子传递反应发生时穿过电极-溶液界面。

③a.电子流经电极，不管是从界面流入还是流出；

b.溶液中待反应的电活性物质在界面上的传输；

c.电子穿过界面过程，即电极反应本身。

5.迁移：

荷电物质在电场作用下的运动

最小化迁移的方法：

加入惰性盐—KCl或KNO3；降低电极电位（很少用）。

对流：

含有电活性物质的物理运动

引起因素：

机械搅拌（水动力学控制）；当有电流通过电极时，使得与电极接触部分的溶液变热，其密度变小，引起对流。

扩散：

最重要的物质传输方式

①通量：

单位时间内接触电极表面的物质的多少。

②Fick第一定律：

电活性物质的通量与距离电极表面x处的物种i的浓度c的变化成正比。

③Fick第二定律描述浓度随时间变化的定量关系

④扩散是熵驱动作用，故体系有降低浓度梯度、增加混乱度的趋势。

6.离子-离子相互作用简述

遵循Debye-Hückel理论，讨论的活度定律是建立在静电作用的基础上，适用于在溶液中的离子，其能量服从Maxwell-Boltzman定律。

Debye-Hückel理论表明吸引力越强，在离子氛中出现带相反电荷离子的可能性越大。

与其他离子相结合，对电极而言，该离子是被屏蔽的，这就意味着不能“感觉到”其带电程度：

阳离子被阴离子包围，阴离子本身又被阳离子包围，从而电荷被彼此“抵消”了。

7.平均离子活度系数通常是无法获知的，该如何处理活度因子的问题？

•离子强度的变化是很重要的考虑因素，因此最好在离子强度已知并可控的情况下进行电位分析。

•测定标准曲线的过程，即测定标准电极电位也应该在相同的离子强度的溶液中进行。

•假设I总是高于分析物的浓度，分析物浓度对总的离子强度贡献很小，可以忽略其对活度因子带来的波动。

•如果保持溶液的离子强度恒定来测定标准曲线，那么活度和浓度可以毫无阻碍地相互转换。

离子强度调节剂离子强度调节缓冲液TISABs

•8.电极的面积为100μm2或更小时，称为微电极。

•由于电极小，电极周围的分析物耗尽层远薄于传统电极。

耗尽层薄意味着电极表面和溶液主体之间浓度梯度大，因此，向微电极传质的速率明显高于正常尺寸的电极。

快速传质使得法拉第电量的成分变大，非法拉第电流不受其影响。

第六章：

动力学测量分析A：

扩散控制的系统

1.各种伏安实验都是在电极电位变化的同时监测电流的变化。

2.极化是指电极电位偏离其平衡值。

3.三电极体系介绍

4.计时电流法：

电流随时间变化

原理：

向工作电极施加单电位阶跃或双电位阶跃后，测量电流响应与时间的函数关系。

5.应用循环伏安法时氧化还原电对电化学可逆性判据

①Ipc=Ipa

②峰电位值Epc和Epa与扫描速率υ无关

③EΘˊ位于Epc和Epa中间，即EΘˊ=（Epc+Epa）/2

④Ip与υ½成正比

⑤对于n电子转移过程，Epc和Epa之间的距离为59mV/n

•循环伏安法中，可逆的含义

①电对氧化态和还原态的活度比与工作电极电位满足Nernst方程。

②电子转移速率ket非常快。

“快”是相对于分析物传到和离开电极的扩散速度而言。

6.在普通极谱法中，影响灵敏度的主要因素是充电电流，脉冲极谱法是在研究消除充电电流方法的基础上发展起来的一种新极谱技术，它具有灵敏度高，分辨力强等特点。

7.溶出伏安法

以电解富集和电解溶出测定相结合的一种电化学测定方法

•溶出伏安法包含电解富集和电解溶出两个过程

电解富集：

首先将工作电极固定，在产生极限电流电位上进行电解，使待测物质富集在电极上，经过一段时间的富集后，停止搅拌。

•电解溶出：

再逐渐反方向改变电极电位，使富集在电极上的物质重新溶出，记录所得的电流—电位曲线，尖峰状。

峰高与待测物浓度、电解富集时间、溶液搅拌速度、电极面积及溶出时电位变化速度等因素有关，当这些因素都固定时，峰高与待测物的浓度呈线性关系。

第七章：

动力学测量分析B:

对流控制系统

1.为什么要用大面积的对电极在旋转圆盘电极体系中？

①对流是一种高效的传质形式，因此在RDE上分析物的流量会很高。

②如果IRDE很大，则ICE也会很大。

③电流密度i=I/A，则A越大，i越小。

④任意电极都存在着固有的、能允许通过的最大电流密度。

⑤RDE分析中的CE通常以铂网制成，并同心地置于圆盘电极周围。

2.溶液流过RDE表面时的重现性如何？

①RDE表面正确放置于溶液中；

②RDE绕其中轴同心旋转，即不会“摇摆”

③对电极比较大，并且并不置于靠近RDE边缘的地方，以免引起溶液流动的紊乱。

3.将环和盘一起使用的实验优势：

RRDE是测定溶液内快速反应的速率常数（k）的最佳方式之一。

•RRDE是如何测量速率的？

分析物在圆盘中心形成，并且因为圆盘旋转，这些反应物被向外抛开，通过环电极回到本体溶液。

因为环与圆盘是同心的，分析物必会掠过环，而环电位已经预先设好，从而可以通过安培法确使用RRDE时有两种电流，每一种都对应于一种浓度：

圆盘电流ID与形成多少分析物有关，而环电流IR与有多少分析物还原到起初的原料有关

定分析物的残留值。

第八章其他方法

1在进行光谱电化学分析时，有两个与分析物浓度相关的定律：

①Lambert-Beer定律，将吸光度和发色团的浓度相关联，即A∝c分析物

②法拉第定律，将生成物质的数量（n）与生成该物质通过的电量（Q）相关联。

2.什么是阻抗？

•在电池或样品上施加一个微小的扰动电位。

•与电位分析法相比，其优势是产生了电流，这是因为电位偏离了平衡电位——即存在过电位。

•与电流分析法相比，其优势在于电位仅仅是“扰动”，因此电池内或样品的如何浓度变化都被最小化了。

3.超微电极的基本特性

⑴超微电极表面的扩散呈非线性

⑵超微电极易于达到稳定电流

⑶双电层充电电流小

⑷时间常数RC小

⑸iR降低

4.化学修饰电极的定义是由导体和半导体制成的电极，在电极的表面涂敷了单分子的、多分子的、离子的和聚合物的化合物薄膜，借Faladay（电荷消耗）反应而呈现出此修饰薄膜化学的、电化学的以及／或光学的性质。

5.鉴定固体电极表面的电化学方法：

玻碳电极在含0.1M的KCl的5mM的铁氰化钾溶液中进行循环伏安扫描；金电极在0.1M的硫酸溶液中进行循环伏安扫描

生物传感器

1.生物传感器的原理

生物传感器:

一种装置,其采用某种生物敏感元件与转换器相连接.检测物质也可以是纯化化学物质,识别元件是生物物质

分子识别元件（生物敏感膜）：

酶、全细胞、组织、细胞器、免疫物质、具有生物亲和能力的物质、核酸、模拟酶

生物活性材料：

各种酶电极、细菌，真菌，动物，植物的细胞、动物、植物的组织切片、线粒体，叶绿体、抗体，抗原，酶标抗原等、配体，受体、寡聚核苷酸、高分子聚合物

2.酶电极的优点

（1）它既有不溶于酶体系的优点，又具有电化学系统的高灵敏性；

（2）由于酶的专属反应性，使其具有很高的选择性，能够直接在复杂试样中进行测定。

3.电势型酶电极电势信号大小与底物浓度的对数值呈线性关系。

所用的基础电极主要有：

pH电极、氨气敏电极、CO2电极、离子选择性电极或场效应管等。

电流型酶电极电流信号大小与被测物浓度呈线性关系。

所用的基础电极主要有：

氧电极、过氧化氢电极、金属电极、碳材料电极等

（1）第一代

（2）第二代

（3）第三代

以葡萄糖氧化酶（GOD）催化葡萄糖为例介绍以上三代电流型酶电极

4.某些物质能通过静电吸附或共价键合固定在固-液、固-气界面上，自发地组装成一种热力学稳定且高度有序的单分子层，这一现象被称为表面分子自组装。

含硫化合物在金表面、硅烷在二氧化硅或其他氧化物电极表面

自组装过程可以使固体表面带上所需的官能团，实现修饰电极功能的多样化，提高检测的灵敏度和选择性，为生物传感器的制备提供了好的途径。

不同的官能团对蛋白质在电极表面上的结构及吸附取向具有不同的影响

5.纳米金加快氧化还原蛋白质与电极之间电子传递的原因

（1）纳米金具有很高的比表面积、表面能和活性，能与蛋白质分子发生强烈的相互作用。

（2）小尺寸的纳米金（约30nm）能给蛋白质分子提供更自由的取向，增加了蛋白质的磷酸盐骨架靠近金属离子表面的可能性，缩短了蛋白质分子与金属离子表面之间的电子传递距离，从而有利于电子传递反应的发生。

（3）纳米金粒子能够充当蛋白质分子的磷酸盐骨架与电极表面之间的电子传输通道，因而加快了电子传递的过程。

（4）蛋白质与纳米金表面的强烈的相互作用将导致纳米金表面上吸附的蛋白质的表面密度增加，以至于一些本来受到限制的方位也能适合于蛋白质分子与导电性物质表面的直接电子传递。

6.DNA电化学性质

在中性pH条件下，ssDNA和RNA中的胞嘧啶C和腺嘌呤A可以在汞电极上还原，产生的还原峰接近-1.4V。

胸腺嘧啶T和尿嘧啶U仅仅能在非水介质中很负的电势下发生还原。

鸟嘌呤G的还原产物在-0.3V左右产生一个氧化峰。

DNA的固定方法

吸附法自组装膜法电聚合法亲和素——生物素反应体系固定法共价键合法

离子键合法

DNA杂交检测

（1）电活性杂交指示剂有机染料过渡金属配合物金属纳米粒子

（2）无指示剂利用DNA中碱基的电化学氧化，或者杂交前后电极的界面性质，如电子转移电阻和界面电容的变化直接进行检测

抗体固定模式

一、生物素-（链霉）亲和素相互作用

二、抗体结合蛋白

三、导电聚合物

导电聚合物，如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等，已广泛应用于免疫分析体系中捕获抗体的固定，可用于电流型、电位型及阻抗型免疫分析体系。

利用导电聚合物固定抗体的方法通常是将抗体包埋于聚合链中。

另一种方法是先将导电聚合物膜修饰到电极上，利用其活性基团共价键合抗体。

细胞内电子传递的统一性

1、建立细胞内电场

在电子受体的作用下，电子脱离氢核的束缚，在代谢系统中，电子与质子分别按各自专有的途径传输。

由于电子传输比质子快得多，使体系得到极化，导致细胞内局部电场的建立。

细胞内部无数局部电场的建立有机地影响细胞的电化学行为。

2、生命体内电子传导的重要性在于深刻地认识生命活动的原动力。

3、不仅在线粒体膜体系，在细胞质膜体系、细胞核膜体系及细胞表面膜等非线粒体膜体系中也存在着电子传递。

肿瘤细胞电化学行为及其应用

1、与正常细胞相比，肿瘤细胞的介电行为、界面阻抗、电泳速度等电化学行为发生明显改变。

①肿瘤细胞的识别

②可建立肿瘤组织的电化学疗法

③定量分析药物对肿瘤细胞的作用

④鉴定细胞是否发生癌变、区分正常细胞和肿瘤细胞、判断正常细胞的活力强弱

2、肿瘤细胞特殊的电化学行为可用于肿瘤及癌症活体组织离体及在体的临床诊断。

分析图谱

一

电极过程由表面吸附电极过程控制，峰电流与扫速成正比可以证明

二

峰电势随着pH值的增加右移，说明有质子参与反应

三

单链探针DNA中的碱基呈无序排列，探针DNA关闭了二茂铁和电极之间的电子交换，然而当探针DNA与待检测的目标序列杂交后，通过互补配对原理生成的有序碱基堆积为电子传递开启了一个π通道，杂交后二茂铁的阳极和阴极峰电流分别增大了3倍以上。

四

K3Fe（CN）6在不同膜修饰电极表面的阻抗谱图

上图显示了K3Fe（CN）6在裸电极表面电子传递很快，电子传递电阻很小Rct，电极修饰了仿生膜后Rct没有明显的变化，说明该两性膜对电活性物质的电子传递没有影响。

而细胞增殖后，测定的Rct显著增加，电极的界面阻抗逐渐变大，证明细胞膜电阻影响了整个系统的电子传递电阻。

五

从循环伏安图中可测得阴极峰电流ipc和峰电位pc、阳极峰电流ipa和峰电位pa。

对于可逆反应，则曲线上下对称，此时上下峰电流的比值及峰电位的差值分别为：

从峰电流比可以推断反应是否可逆；峰电位差与扫描速率无关，可以求得可逆反应的条件电极电位（pa+pc）/2。

循环伏安法可用于研究电极反应过程。