电化学在诊断和治疗的器件的应用

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1、电化学在诊断和治疗的器件的应用摘要：本文主要介绍应用电化学方法诊断和治疗的器件，主要从生物燃料电池、FET和DNA生物传感器、利用电刺激传导的治疗方法、人工肾脏的电氧化除脲。关键词：生物燃料电池、FET生物传感器、DNA生物传感器、生物兼容性电极电刺激传导、血液透析、血液过滤、人工肾脏中的电氧化除脲.前言电化学是从研究电能和化学能的相互转换开始形成的。1791年，Galvani的“青蛙试验”不仅为以后电化学学科的形成奠定了基础也首次揭示出电化学与生物学之间存在着密切的关系。进入20世纪70年代之后，电化学及其相关技术突破宏观和介观领域进入到微观世界，实现了可以在原子及分子水平上研究界面电

2、荷传递的行为。这些技术上的突破为在细胞及分子水平上深入理解和研究生命过程的化学本质创造了更多的机会与条件，使电化学在生命科学研究中的地位与作用日益突出。在此背景下，一门新的交叉学科——生物电化学应运而生【1】。生物电化学是在20世纪70年代初由电生物学、生物物理学、生物化学、电生理及电化学等多门学科交叉形成的独立学科，其主要研究的内容是生物分子电化学、生物电催化、光合作用、活组织电化学、生物技术中的电化学技术等内容。随着生命科学特别是分子生物学和临床医学的发展，其研究开始对生命起源、癌症成因、遗传突变、药理机制、衰老过程等的研究，有关生物分子的检查和分子间作用机制的研究也就愈显重要。电化

3、学作为重要的实验手段，结合其自身的优点，尤其基于近期在光谱电化学等方面的研究进展，可以预计，电化学方法不仅在上面提到的几个方面的应用将得到加强，而且电化学方法对于研究生物体系或模拟某些生物过程中发生的重要生化反应，揭示生物体内的物质代谢和能量转换，发展高灵敏度和高选择性的生化分析方法和生物分子器件等都将有很大的应用前景【2】。应用电化学方法诊断和治疗的器件主要从生物燃料电池、FET生物传感器和DNA生物传感器、利用电刺激传导的治疗方法、人工肾脏中的电氧化除脲这四方面进行探讨和研究。1.生物燃料电池(biologicalfuelcell,BFC)【3】1.1生物燃料电池的原理与定义1.1．

4、1生物燃料电池的原理目前，正在研发的生物燃料电池种类很多，结构也有一定的差异，但其原理基本相似。原理：在生物燃料电池中，阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，反应过程中释放电子，电子经外电路由阳极流至阴极产生电流，通过生物代谢过程，不断向电解液里补充反应所需的各种离子，促进循环电路的电流不断产生。通常，生物燃料电池是利用微生物的细胞外酶和分离酶等作为催化剂，无需使用铂之类的贵金属催化剂，酶可以固定在固体电极的表面。1.1.2生物燃料电池的定义Palmore和Whitesides依据生物在生物燃料电池中的功能将其定义如下：生物燃料电池是一种燃料电池，其结构中至少有一部分是以酶为催化剂，以电化

5、学方式将化学能转化为电能的体系或装置。广义的生物燃料电池的定义如下：生物燃料电池是以酶或非酶蛋白质为催化剂，通过生物化学途径将化学能转化为电能的装置。广义的生物燃料电池的定义比较全面正确，但是，随着生物燃料电池技术的发展，其定义的外延也在不断扩大。因此，为了适应研究和发展的需要，可以对生物燃料电池做出以下定义：生物燃料电池是一种以生物电化学的方式将生物质的生物和化学能转化为电能的体系或装置，其中生物燃料电池的结构中至少有一部分以酶、非酶蛋白质活细胞或微生物为催化剂。1.2生物燃料电池的基本特点和分类1.2.1生物燃料电池的基本特点生物燃料电池的基本特点主要有可持续性、维护成本低、安全性强

6、、操作条件温和、良好的生物相容性。1.2.2生物燃料电池的基本分类1985年，Higgins等依据生物燃料电池与传统电池和燃料电池的关系，将生物燃料电池分为以下三类：（1）在电化学装置内，微生物、活体生物细胞或转移酶将非活性物质转化为电化学活性物质的生物燃料电池。（2）在电化学装置中，微生物、活体生物细胞或酶还原再生燃料化合物，并进行电化学反应的再生燃料生物燃料电池。（3）在电化学装置内，微生物、活体生物细胞或酶在电极上作为催化剂，在电极表面进行电化学反应，并且直接传递电子的去极化型。由于生物燃料电池的分类很多，为了方便叙述，将采用生物催化剂来源和生物燃料提供的方式进行分类，而将生物燃料

7、电池分为微生物型燃料电池、酶型燃料电池和生物催化单元与燃料电池结合的耦合型燃料电池三大类。当然，随着生物燃料电池的发展其分类方法还将不断完善。1.3生物燃料电池在电化学方面的应用植入人体内的电化学系统能够完成生物学和医学研究，以及诊断和治疗各种任务。例如当心脏不能进行协同动作，而且病态从一部分区域漫延到大部分心肌，就会造成心脏停跳；在这种情况下，必须靠一个植入的心脏起搏器来拯救生命，这就要把人工脉冲传送给心脏，刺激它的功能活性。植入