生物電化學(xué)生物電現(xiàn)象

電及電的利用人們早就熟知而習(xí)以為常了。在冬天手冷了，只要雙手互相使勁地搓就會(huì)產(chǎn)生電和熱；若用一塊毛皮擦一根金屬棒，則在金屬棒上會(huì)產(chǎn)生更多的電荷，此時(shí)用它碰碰小紙屑，小紙屑便可被吸引附著在金屬棒上。至于現(xiàn)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(jī)等等?？墒悄憧芍?，我們?nèi)梭w也有電的產(chǎn)生與電的不斷變化呢！

我們?nèi)梭w是由許多許多細(xì)胞構(gòu)成的。細(xì)胞是我們機(jī)體的最基本的單位，因?yàn)橹挥袡C(jī)體各個(gè)細(xì)胞均執(zhí)行它們的功能，才使得人體的生命現(xiàn)象延續(xù)不斷。同樣地，我們?nèi)魪碾妼W(xué)角度考慮，細(xì)胞也是一個(gè)生物電的基本單位，它們還是一臺(tái)臺(tái)的“微型發(fā)電機(jī)”呢。原來，一個(gè)活細(xì)胞，不論是興奮狀態(tài)，還是安靜狀態(tài)，它們都不斷地發(fā)生電荷的變化，科學(xué)家們將這種現(xiàn)象稱為“生物電現(xiàn)象”。細(xì)胞處于未受刺激時(shí)所具有的電勢稱為“靜息電位”；細(xì)胞受到刺激時(shí)所產(chǎn)生的電勢稱為“動(dòng)作電位”。而電位的形成則是由于細(xì)胞膜外側(cè)帶正電，而細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)帶負(fù)電的原因。細(xì)胞膜內(nèi)外帶電荷的狀態(tài)醫(yī)生們稱為“極化狀態(tài)”。

由于生命活動(dòng)，人體中所有的細(xì)胞都會(huì)受到內(nèi)外環(huán)境的刺激，它們也就會(huì)對刺激作出反應(yīng)，這在神經(jīng)細(xì)胞 （又叫神經(jīng)元）、肌肉細(xì)胞更為明顯。細(xì)胞的這種反應(yīng)，科學(xué)家們稱“興奮性”。一旦細(xì)胞受到刺激發(fā)生興奮時(shí)，細(xì)胞膜在原來靜息電位的基礎(chǔ)上便發(fā)生一次迅速而短暫的電位波動(dòng)，這種電位波動(dòng)可以向它周圍擴(kuò)散開來，這樣便形成了“動(dòng)作電位”。

既然細(xì)胞中存在著上述電位的變化，醫(yī)生們便可用極精密的儀器將它測量出來。此外，還由于在病理的情況下所產(chǎn)生的電變化與正常時(shí)不同，因此醫(yī)生們可從中看出由細(xì)胞構(gòu)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(chǎn)生的波形圖象，這就是人們常說的心電圖。醫(yī)生們只要對心電圖進(jìn)行分析便可以判斷受檢人的心跳是否規(guī)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(chǎn)生電流，因此醫(yī)生們只要在病人頭皮上安放電極描記器，并通過腦生物電活動(dòng)的改變所記錄下來的腦電圖，便知道病人腦內(nèi)是否有病。當(dāng)然，由于比起心電來，腦電比較微弱，因此科學(xué)家要將腦電放大100萬倍才可反映出腦組織的變化，如腦內(nèi)是否長腫瘤、受檢查者有否可能發(fā)生癲癇（俗稱羊癲瘋）等?？茖W(xué)家們相信。隨著電生理科學(xué)以及電子學(xué)的發(fā)展，腦電圖記錄將更加精細(xì)，甚至有一天這類儀器還可正確地測知人們的思維活動(dòng)。

電在生物體內(nèi)普遍存在。生物學(xué)家認(rèn)為，組成生物體的每個(gè)細(xì)胞都是一合微型發(fā)電機(jī)。細(xì)胞膜內(nèi)外帶有相反的電荷，膜外帶正電荷，膜內(nèi)帶負(fù)電荷，膜內(nèi)外的鉀、鈉離子的不均勻分布是產(chǎn)生細(xì)胞生物電的基礎(chǔ)。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年才由意大利生物學(xué)家伽伐尼首先發(fā)現(xiàn)。

人體任何一個(gè)細(xì)微的活動(dòng)都與生物電有關(guān)。外界的刺激、心臟跳動(dòng)、肌肉收縮、眼睛開閉、大腦思維等，都伴隨著生物電的產(chǎn)生和變化。人體某一部位受到刺激后，感覺器官就會(huì)產(chǎn)生興奮。興奮沿著傳入神經(jīng)傳到大腦，大腦便根據(jù)興奮傳來的信息做出反應(yīng)，發(fā)出指令。然后傳出神經(jīng)將大腦的指令傳給相關(guān)的效應(yīng)器官，它會(huì)根據(jù)指令完成相應(yīng)的動(dòng)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(yīng)”主要是通過生物電的傳導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)的。心臟跳動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生1～2 毫伏的電壓，眼睛開閉產(chǎn)生5～6毫伏的電壓，讀書或思考問題時(shí)大腦產(chǎn)生0.2～1毫伏的電壓。正常人的心臟、肌肉、視網(wǎng)膜、大腦等的生物電變化都是很有規(guī)律的。因此，將患者的心電圖、肌電圖、視網(wǎng)膜電圖、腦電圖等與健康人作比較，就可以發(fā)現(xiàn)疾病所在。

在其他動(dòng)物中，有不少生物的電流、電壓相當(dāng)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(shù)。能在飛魚落水前的一剎那叼住它，從不失手。美國科學(xué)家經(jīng)過10多年研究，發(fā)現(xiàn)軍艦鳥的“電細(xì)胞”非常發(fā)達(dá)，其視網(wǎng)膜與腦細(xì)胞組織構(gòu)成了一套功能齊全的“生物電路”，它的視網(wǎng)膜是一種比人類現(xiàn)有的任何雷達(dá)都要先進(jìn)百倍的“生物雷達(dá)”，腦細(xì)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(fā)電器官。如廣布于熱帶和亞熱帶近海的電鰩能產(chǎn)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(chǎn)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里的“魔王”。

植物體內(nèi)同樣有電。為什么人的手指觸及含羞草時(shí)它便“彎腰低頭”害羞起來"para" label-module="para">

此外，還有一些生物包括細(xì)菌、植物、動(dòng)物都能把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)光而不發(fā)熱。特別是海洋生物，據(jù)統(tǒng)計(jì)，生活在中等深度的蝦類中有70%的品種和個(gè)體、魚類中70%的品種和95%的個(gè)體，都能發(fā)光。一到夜晚，在海洋的一些區(qū)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(xiàn)象是指生物機(jī)體在進(jìn)行生理活動(dòng)時(shí)所顯示出的電現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是普遍存在的。

細(xì)胞膜內(nèi)外都存在著電位差，當(dāng)某些細(xì)胞（如神經(jīng)細(xì)胞、肌肉細(xì)胞）興奮時(shí)，可以產(chǎn)生動(dòng)作電位，并沿細(xì)胞膜傳播出去。而另一些細(xì)胞（如腺細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、纖毛細(xì)胞）的電位變化對于細(xì)胞完成種種功能也起著重要作用。

隨著科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)展，生物電的研究取得了很大的進(jìn)步。在理論上，單細(xì)胞電活動(dòng)的特點(diǎn)，神經(jīng)傳導(dǎo)功能，生物電產(chǎn)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(yī)學(xué)應(yīng)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(xué)依據(jù)。

我們的臨床工作中經(jīng)常遇到興奮性、興奮與興奮傳導(dǎo)這些概念，堵隔壁生物電有關(guān)。了解了生物電的現(xiàn)代基本理論，對于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(xì)胞生物電現(xiàn)象有以下幾種：

1、靜息電位

組織細(xì)胞安靜狀態(tài)下存在于膜兩側(cè)的電位差，稱為靜息電位，或稱為膜電位。細(xì)胞在安靜狀態(tài)時(shí)，正電荷位于膜外一側(cè)（膜外電位為正），負(fù)電荷位于膜內(nèi)一側(cè)（膜內(nèi)電位為負(fù)，）這種狀態(tài)稱為極化。如果膜內(nèi)外電位差增大，即靜息電位的數(shù)值向膜內(nèi)負(fù)值加大的方向變化時(shí)，稱為超極化。相反地，如果膜內(nèi)外電位差減小，即膜內(nèi)電位向負(fù)值減小的方向變化，則稱為去極化或極化。一般神經(jīng)纖維的靜息電位如以膜外電位為零，膜內(nèi)電位為-70～-90mv。靜息電位是由于細(xì)胞內(nèi)K 出膜，膜內(nèi)帶負(fù)電，膜外帶正電導(dǎo)致的 。

2、動(dòng)作電位

當(dāng)細(xì)胞受刺激時(shí)，在靜息電位的基礎(chǔ)上可發(fā)生電位變化，這種電位變化稱為動(dòng)作電位。動(dòng)作電位的波形可因記錄方法不同而有所差異以微電極置于細(xì)胞內(nèi)，記錄到快速、可逆的變化，表現(xiàn)為鋒電位；鋒電位代睛細(xì)胞興奮過程，是興奮產(chǎn)生和傳導(dǎo)的標(biāo)志。

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(gè)下降支。上升支先是膜內(nèi)的負(fù)電位迅速降低到零的過程，稱為膜的去極化（除極），接著膜內(nèi)電位繼續(xù)上升超過膜外電位，出現(xiàn)膜外電位變負(fù)而膜內(nèi)電位變正的狀態(tài)，稱為反極化。下降支是膜內(nèi)電位恢復(fù)到原來的靜息電位水平的過程，稱為復(fù)極化。鋒電位之后到完全恢復(fù)到靜息電位水平之前，還有微小的連續(xù)緩慢的電變化，稱為后電位。

心肌細(xì)胞的生物電現(xiàn)象和神經(jīng)纖維、骨骼肌等細(xì)胞一樣，包括安靜時(shí)的靜息電位和興奮時(shí)的動(dòng)作電位，但有其特點(diǎn)。心肌細(xì)胞安靜時(shí)，膜內(nèi)電位約為-90mv。心肌細(xì)胞靜息電位形成的原理基本上和神經(jīng)纖維相同。主要是由于安靜時(shí)細(xì)胞內(nèi)高農(nóng)度的k 向膜外擴(kuò)散而造成的。當(dāng)心肌細(xì)胞接受刺激由靜息狀態(tài)轉(zhuǎn)入興奮時(shí)，即產(chǎn)生動(dòng)作電位。其波形與神經(jīng)纖維有較大的不同，主要特征是復(fù)極過程復(fù)雜，持續(xù)時(shí)間長。心肌細(xì)胞的某一點(diǎn)受刺激除極后，立即向四周擴(kuò)散，直至整個(gè)心肌完全除極為止。已除極處的細(xì)胞膜外正電荷消失，未除極處的細(xì)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(fù)極。復(fù)極時(shí)，最先除極的地方首先開始復(fù)極，膜外又帶正電，再次形成復(fù)極處與未復(fù)極處細(xì)胞膜的電位差，又產(chǎn)生電流。如此依次復(fù)極，直至整個(gè)心肌細(xì)胞的同時(shí)除極也可以看成許多電偶同時(shí)在移動(dòng)，不論它們的強(qiáng)度和方向是否相同，這個(gè)代表各部心肌除極總效果的電偶稱為等效電偶。心臟的結(jié)構(gòu)是一個(gè)立體，它除極時(shí)電偶的方向時(shí)刻在變化，表現(xiàn)在心電圖上，是影響各波向上或向下的主要原因。由于各部心肌的大小、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(qiáng)度時(shí)刻都在變化。它主要影響心電圖上各波的幅度。人體是一個(gè)容積導(dǎo)體，心臟居人體之中，心臟產(chǎn)生的等效電偶，在人體各部均有它的電位分布。在心動(dòng)周期中，心臟等效電偶的電力強(qiáng)度和方向在不斷地變化著。身體各種的電位也會(huì)隨之而不斷變動(dòng)，從身體任意兩點(diǎn)，通過儀器（心電圖機(jī)）就可以把它描記成曲線，這就是心電圖。

隨著分子生物學(xué)和膜的超微結(jié)構(gòu)研究的進(jìn)展，人們更試圖從膜結(jié)構(gòu)中某些特殊蛋白和其他物質(zhì)的分子構(gòu)型的改變，來理解膜的通透性能的改變和生物電的產(chǎn)生，這將把生物電現(xiàn)象的研究推進(jìn)到一個(gè)新階段。

生物電化學(xué)是20世紀(jì)70年代由電生物學(xué)、生物物理學(xué)、生物化學(xué)以及電化學(xué)等多門學(xué)科交叉形成的一門獨(dú)立的學(xué)科。是用電化學(xué)的基本原理和實(shí)驗(yàn)方法，在生物體和有機(jī)組織的整體以及分子和細(xì)胞兩個(gè)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(yīng)模型體系中分布、傳輸和轉(zhuǎn)移及轉(zhuǎn)化的化學(xué)本質(zhì)和規(guī)律的一門新型學(xué)科。 具體包括生物體內(nèi)各種氧化還原反應(yīng)（如呼吸鏈、光合鏈等）過程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)；生物膜及模擬生物膜上電荷與物質(zhì)的分配和轉(zhuǎn)移功能；生物電現(xiàn)象及其電動(dòng)力學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)；生物電化學(xué)傳感等電分析方法在活體和非活體中生物物質(zhì)檢測及醫(yī)藥分析。仿生電化學(xué)（如仿生燃料電池、仿生計(jì)算機(jī)等）等方面的研究。是生命科學(xué)最基礎(chǔ)的學(xué)科之一。

近幾十年來生物電化學(xué)發(fā)展非常迅速 ，其研究分別在分子、細(xì)胞和生物組織等三個(gè)不同層次上進(jìn)行。目前的研究領(lǐng)域主要有以下幾個(gè)方面：

1.生物膜與生物界面模擬研究

主要研究膜的電化學(xué)熱力學(xué)性質(zhì)、物質(zhì)的跨膜傳輸和生物電的傳遞等現(xiàn)象。

(1)SAM膜模擬生物膜的電化學(xué)研究

SAM是基于長鏈有機(jī)分子在基底材料表面的強(qiáng)烈化學(xué)結(jié)合和有機(jī)分子鏈間相互作用自發(fā)吸附在固/液或氣/固界面,形成的熱力學(xué)穩(wěn)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,并且膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)可以通過改變分子的頭基、尾基以及鏈的類型和長度來調(diào)節(jié)。因此，SAM成為研究各種復(fù)雜界面現(xiàn)象，如膜的滲透性、摩擦、磨損、濕潤、粘結(jié)、腐蝕、生物發(fā)酵、表面電荷分布以及電子轉(zhuǎn)移理論的理想模型體系。有關(guān)SAM的電化學(xué)主要是用電化學(xué)方法研究SAM的絕對覆蓋量、缺陷分布、厚度、離子通透性、表面電勢分布、電子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移,以及電活性SAM本身與電極間的電子轉(zhuǎn)移。在膜電化學(xué)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?yàn)殚L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于天然的生物雙層膜，同時(shí)它具有分子識(shí)別功能和選擇性響應(yīng),且穩(wěn)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(zhì)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(zhì)中電子的長程和界面轉(zhuǎn)移機(jī)制等；在硫醇SAM上沉積磷脂可較容易地構(gòu)造雙層磷脂膜，以SAM來模擬雙層磷脂膜的準(zhǔn)生物環(huán)境和酶的固定化使酶進(jìn)行直接電子轉(zhuǎn)移已在生物傳感器的研究中得到應(yīng)用。如以胱氨酸或半胱氨酸為SAM,通過縮合反應(yīng)鍵合上媒介體(如TCNQ、二茂鐵、醌類等)和酶可構(gòu)成測葡萄糖、谷胱甘肽、膽紅素、蘋果酸等的多種生物傳感器。

(2)　液/液界面模擬生物膜的電化學(xué)研究

所謂液/液(L/L)界面是指在兩種互不相溶的電解質(zhì)溶液之間形成的界面,又稱為油/水(O/W)界面。有關(guān)L/L界面電化學(xué)的研究范圍很廣,包括L/L界面雙電層、L/L界面上的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理及動(dòng)力學(xué)、生物膜模擬、以及電化學(xué)分析應(yīng)用等。L/L界面可以看作與周圍電解質(zhì)接觸的半個(gè)生物膜模型。生物膜是一種極性端分別朝細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外水溶液的磷脂自組裝結(jié)構(gòu),磷脂的親脂鏈形成像油一樣的膜內(nèi)層。因此,從某種意義上來說,吸附著磷脂單分子層的L/L界面非常接近于生物膜/水溶液界面。磷脂是非常理想的實(shí)驗(yàn)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(lián)作用被認(rèn)為是細(xì)胞和細(xì)胞中類脂質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本驅(qū)動(dòng)力。可見,L/L界面生物電化學(xué)是一很有生命力的研究領(lǐng)域,將繼續(xù)受到人們的廣泛重視。

生物細(xì)胞膜是一種特殊類型的半透膜。

細(xì)胞膜對K Cl-Na 等離子的通透性也不相同。

細(xì)胞膜內(nèi)外的K Cl-Na 等離子的濃度不同，因此產(chǎn)生的膜電勢稱為(細(xì)胞)生物膜電勢。

不同的電流通過動(dòng)物細(xì)胞膜，死的細(xì)胞和活的細(xì)胞的表現(xiàn)不同。

2.生物電化應(yīng)用技術(shù)

由于生命現(xiàn)象與電化學(xué)過程密切相關(guān),因此電化學(xué)方法在生命科學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，主要有：電脈沖基因直接導(dǎo)入、電場加速作物生長、癌癥的電化學(xué)療法、電化學(xué)控制藥物釋放、在體研究的電化學(xué)方法、生物分子的電化學(xué)行為、血栓和心血管疾病的電化學(xué)研究、骨骼的電生長、心電圖和腦電圖的研究、生物電池等。

電脈沖基因直接導(dǎo)入是基于帶負(fù)電的質(zhì)粒DNA或基因片斷在高壓脈沖電場的作用下被加速“射”向受體細(xì)胞,同時(shí)在電場作用下細(xì)胞膜的滲透率增加(介電擊穿效應(yīng)),使基因能順利導(dǎo)入受體細(xì)胞。由于細(xì)胞膜的電擊穿的可逆性,除去電場,細(xì)胞膜及其所有的功能都能恢復(fù)。此法已在分子生物學(xué)中得到應(yīng)用。細(xì)胞轉(zhuǎn)化效率高，可達(dá)每微克DNA1010個(gè)轉(zhuǎn)化體,是用化學(xué)方法制備的感受態(tài)細(xì)胞的轉(zhuǎn)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(bào)道過玉米和大豆苗在含0.5mmol/l K2SO4培養(yǎng)液中培養(yǎng),同時(shí)加上20Hz,3V或4V(峰 峰)的電脈沖，6天后與對照組相比，秧苗根須發(fā)達(dá)，生長明顯加速。其原因可能是電場激勵(lì)了生長代謝的離子泵作用。

癌癥的電化學(xué)療法是瑞典放射醫(yī)學(xué)家Nordenstrom開創(chuàng)的治療癌癥的新方法。其原理是:在直流電場作用下，引起癌灶內(nèi)一系列生化變化,使其組織代謝發(fā)生紊亂，蛋白質(zhì)變性、沉淀壞死，導(dǎo)致癌細(xì)胞破滅。一般是將鉑電極正極置于癌灶中心部位，周圍扎上1～5根鉑電極作負(fù)極，加上6～10V的電壓，控制電流為30～100mA，治療時(shí)間2～6小時(shí)，電量為每厘米直徑癌灶100～150庫侖。此療法已推廣用于肝癌、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(shù)是指在一定時(shí)間內(nèi)控制藥物的釋放速度、釋放地點(diǎn)，以獲得最佳藥效，同時(shí)緩慢釋放有利于降低藥物毒性。電化學(xué)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(jié)合到聚合物載體上，使聚合物載體固定在電極表面，構(gòu)成化學(xué)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(fù)載方式分為共價(jià)鍵合型和離子鍵合型負(fù)載兩類。共價(jià)鍵合負(fù)載是通過化學(xué)合成將藥物分子以共價(jià)鍵方式鍵合到聚合物骨架上，然后利用涂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(jià)鍵斷裂，使得藥物分子從膜中釋放出來。離子鍵合負(fù)載是利用電活性導(dǎo)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(fù)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(xué)研究的重要方法，其目的在于從整體水平上認(rèn)識(shí)細(xì)胞、組織、器官的功能機(jī)制及其生理活動(dòng)規(guī)律。由于一些神經(jīng)活性物質(zhì)(神經(jīng)遞質(zhì))具有電化學(xué)活性,因此電化學(xué)方法首先被用于腦神經(jīng)系統(tǒng)的在體研究。當(dāng)采用微電極插入動(dòng)物腦內(nèi)進(jìn)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(shù)經(jīng)過不斷的改善,被公認(rèn)為在正常生理狀態(tài)下跟蹤監(jiān)測動(dòng)物大腦神經(jīng)活動(dòng)最有效的方法。通?？蓹z測的神經(jīng)遞質(zhì)有多巴胺、去甲腎上腺素、5-羥色胺及其代謝產(chǎn)物。微電極伏安法成為連續(xù)監(jiān)測進(jìn)入細(xì)胞間液中原生性神經(jīng)遞質(zhì)的有力工具。在體研究一般采用快速循環(huán)伏安法(每秒上千伏)和快速計(jì)時(shí)安培法?？焖傺h(huán)伏安法還被用于研究單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞神經(jīng)遞質(zhì)釋放的研究,發(fā)展成為所謂的“細(xì)胞電化學(xué)”。

生物分子的電化學(xué)行為的研究是生物電化學(xué)的一個(gè)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域,其研究目的在于獲取生物分子氧化還原電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的機(jī)理,以及生物分子電催化反應(yīng)機(jī)理,為正確了解生物活性分子的生物功能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。所研究的生物分子包括小分子如氨基酸、生物堿、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(xué)生物傳感器和生物分子器件 傳感器與通信系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)共同構(gòu)成現(xiàn)代信息處理系統(tǒng)。傳感器相當(dāng)于人的感官,是計(jì)算機(jī)與自然界及社會(huì)的接口,是為計(jì)算機(jī)提供信息的工具。

傳感器通常由敏感(識(shí)別)元件、轉(zhuǎn)換元件、電子線路及相應(yīng)結(jié)構(gòu)附件組成。生物傳感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(xì)胞、細(xì)胞器、組織等)作為感元件的傳感器。電化學(xué)生物傳感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(zhuǎn)換元件，以電勢或電流為特征檢測信號(hào)的傳感器。由于使用生物材料作為傳感器的敏感元件，所以電化學(xué)生物傳感器具有高度選擇性，是快速、直接獲取復(fù)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(shù)、食品工業(yè)、臨床檢測、醫(yī)藥工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境分析等領(lǐng)域獲得實(shí)際應(yīng)用。

根據(jù)敏感元件所用生物材料的不同，電化學(xué)生物傳感器分為酶電極傳感器、微生物電極傳感器、電化學(xué)免疫傳感器、組織電極與細(xì)胞器電極傳感器、電化學(xué)DNA傳感器等。

(1)酶電極傳感器

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(jù)上述反應(yīng),顯然可通過氧電極(測氧的消耗)、過氧化氫電極(測H2O2的產(chǎn)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(gòu)成測葡萄糖的GOD傳感器。這便是所謂的第一代酶電極傳感器。這種傳感器由于是間接測定法,故干擾因素較多。第二代酶電極傳感器是采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。第二代酶電極傳感器可不受測定體系的限制,測量濃度線性范圍較寬,干擾少?，F(xiàn)在不少研究者又在努力發(fā)展第三代酶電極傳感器,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傳感器。

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

將微生物(常用的主要是細(xì)菌和酵母菌)作為敏感材料固定在電極表面構(gòu)成的電化學(xué)生物傳感器稱為微生物電極傳感器。其工作原理大致可分為三種類型：其一，利用微生物體內(nèi)含有的酶(單一酶或復(fù)合酶)系來識(shí)別分子，這種類型與酶電極類似；其二，利用微生物對有機(jī)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(jī)物的濃度；其三，通過測定電極敏感的代謝產(chǎn)物間接測定一些能被厭氧微生物所同化的有機(jī)物。

微生物電極傳感器在發(fā)酵工業(yè)、食品檢驗(yàn)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域都有應(yīng)用。例如；在食品發(fā)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。微生物電極傳感器由于價(jià)廉、使用壽命長而具有很好的應(yīng)用前景,然而它的選擇性和長期穩(wěn)定性等還有待進(jìn)一步提高。

(3)電化學(xué)免疫傳感器

抗體對相應(yīng)抗原具有唯一性識(shí)別和結(jié)合功能。電化學(xué)免疫傳感器就是利用這種識(shí)別和結(jié)合功能將抗體或抗原和電極組合而成的檢測裝置。電化學(xué)免疫傳感器從結(jié)構(gòu)上可分為直接型和間接型兩類。直接型的特點(diǎn)是在抗體與其相應(yīng)抗原識(shí)別結(jié)合的同時(shí)將其免疫反應(yīng)的信息直接轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。這類傳感器在結(jié)構(gòu)上可進(jìn)一步分為結(jié)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，傳感器與相應(yīng)的抗體或抗原發(fā)生結(jié)合的同時(shí)產(chǎn)生電勢改變；后者是用抗體或抗原制作抗體膜或抗原膜，當(dāng)其與相應(yīng)的配基反應(yīng)時(shí)，膜電勢發(fā)生變化，測定膜電勢的電極與膜是分開的。間接型的特點(diǎn)是將抗原和抗體結(jié)合的信息轉(zhuǎn)變成另一種中間信息,然后再把這個(gè)中間信息轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。這類傳感器在結(jié)構(gòu)上也可進(jìn)一步分為兩種類型：結(jié)合型和分離型。前者是將抗體或抗原固定在電極上；而后者抗體或抗原和電極是完全分開的。間接型電化學(xué)免疫傳感器通常是采用酶或其他電活性化合物進(jìn)行標(biāo)記，將被測抗體或抗原的濃度信息加以化學(xué)放大，從而達(dá)到極高的靈敏度。

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

(4)組織電極與細(xì)胞器電極傳感器

直接采用動(dòng)植物組織薄片作為敏感元件的電化學(xué)傳感器稱組織電極傳感器，其原理是利用動(dòng)植物組織中的酶，優(yōu)點(diǎn)是酶活性及其穩(wěn)定性均比離析酶高，材料易于獲取，制備簡單，使用壽命長等。但在選擇性、靈敏度、響應(yīng)時(shí)間等方面還存在不足。

動(dòng)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范圍很廣，包括不同植物的根、莖、葉、花、果等。植物組織電極制備比動(dòng)物組織電極更簡單，成本更低并易于保存。 細(xì)胞器電極傳感器是利用動(dòng)植物細(xì)胞器作為敏感元件的傳感器。細(xì)胞器是指存在于細(xì)胞內(nèi)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(xì)胞器內(nèi)所含的酶(往往是多酶體系)。

(5)電化學(xué)DNA傳感器

電化學(xué)DNA傳感器是近幾年迅速發(fā)展起來的一種全新思想的生物傳感器。其用途是檢測基因及一些能與DNA發(fā)生特殊相互作用的物質(zhì)。電化學(xué)DNA傳感器是利用單鏈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(shí)別雜交信息的電活性指示劑(稱為雜交指示劑)共同構(gòu)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(shí)別作用(分子雜交)形成雙鏈DNA(dsDNA)(電極表面性質(zhì)改變)，同時(shí)借助一能識(shí)ssDNA和dsDNA的雜交指示劑的電流響應(yīng)信號(hào)的改變來達(dá)到檢測基因的目的。

4.生物能學(xué)和代謝過程

包括酶催化的氧化還原反應(yīng)的力能學(xué)、線粒體呼吸鏈、光氧化還原反應(yīng)和光合作用。光合作用作為整個(gè)過程，包括了吸收光子后的電子激發(fā)過程、膜電位的產(chǎn)生、電子和質(zhì)子的轉(zhuǎn)移過程，以及隨后的一系列代謝反應(yīng)。

生物電化學(xué)研究手段目前除了采用傳統(tǒng)的電化學(xué)方法外，電化學(xué)紫外可見光譜、電化學(xué)現(xiàn)場紅外光譜、電化學(xué)現(xiàn)場拉曼光譜、X射線衍射、掃描探針技術(shù)、電化學(xué)石英晶體微天平等方法得到廣泛應(yīng)用。

生物材料敏感元件 電極轉(zhuǎn)換元件

例如：酶電極傳感器

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。

反應(yīng)式

根據(jù)上述反應(yīng),可以通過測量氧的消耗(氧電極),或者過氧化氫的產(chǎn)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傳感器，目前種類很多，包括用于檢測司機(jī)是否飲酒的。乙醇氧化酶電極傳感器。

專利技術(shù)：將乙醇氧化酶電極傳感器與汽車的點(diǎn)火裝置相連

細(xì)胞膜水通道，以及離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理 2003年的NOBEL化學(xué)獎(jiǎng)介紹

彼得·阿格雷：美國科學(xué)家。1949年生于美國明尼蘇達(dá)州小城諾斯菲爾德，1974年在巴爾的摩約翰斯·霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院獲醫(yī)學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)為該學(xué)院生物化學(xué)教授和醫(yī)學(xué)教授。 羅德里克·麥金農(nóng)：美國科學(xué)家。1956年出生，在美國波士頓附近的小鎮(zhèn)伯靈頓長大，1982年在塔夫茨醫(yī)學(xué)院獲醫(yī)學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)為洛克菲勒大學(xué)分子神經(jīng)生物學(xué)和生物物理學(xué)教授。

生物電化學(xué)

科學(xué)貢獻(xiàn)

他們發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞膜水通道，以及對離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究作出了開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。這是個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，開啟了細(xì)菌、植物和哺乳動(dòng)物水通道的生物化學(xué)、生理學(xué)和遺傳學(xué)研究之門。

對生活的影響

水溶液占人體重量的70%。生物體內(nèi)的水溶液主要由水分子和各種離子組成。它們在細(xì)胞膜通道中的進(jìn)進(jìn)出出可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的很多功能。水分子是如何進(jìn)出人體的細(xì)胞的？了解這一機(jī)理將極大地幫助人們更好地認(rèn)識(shí)許多疾病，比如心臟病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等。他們的發(fā)現(xiàn)闡明了鹽分和水如何進(jìn)出組成活體的細(xì)胞。比如，腎臟怎么從原尿中重新吸收水分，以及電信號(hào)怎么在細(xì)胞中產(chǎn)生并傳遞等等，這對人類探索腎臟、心臟、肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)等方面的諸多疾病具有極其重要的意義。

實(shí)際上，早在十九世紀(jì)中期，人們就猜想人體細(xì)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，約一年后，他明白了這個(gè)蛋白一定就是長期以來所尋求的水通道。這一決定性的發(fā)現(xiàn)打開了通向細(xì)菌、植物及哺乳動(dòng)物體內(nèi)水通道的生物化學(xué)、生理學(xué)以及遺傳學(xué)等完整的系列研究之門。今天，學(xué)者們詳知水分子通過細(xì)胞膜的方式并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(xiàn)代生物化學(xué)在求解生命過程的基本原理方面已經(jīng)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(jīng)和肌肉應(yīng)激系統(tǒng)中具有重要意義。當(dāng)位于神經(jīng)細(xì)胞表面的離子通道在來自鄰近的神經(jīng)細(xì)胞的化學(xué)信號(hào)的作用下而開啟時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種被稱為神經(jīng)細(xì)胞電壓的作用，于是，一種電脈沖信號(hào)就會(huì)通過在數(shù)毫秒之內(nèi)開啟和關(guān)閉的離子通道而沿著神經(jīng)細(xì)胞的表面?zhèn)鬟f。麥金農(nóng)在1998年確定了鉀離子通道的空間結(jié)構(gòu)(高分辨率電子顯微鏡)而使整個(gè)學(xué)術(shù)界震驚。這項(xiàng)貢獻(xiàn)，使我們現(xiàn)在知道離子可以通過由不同的細(xì)胞信號(hào)控制其開啟和關(guān)閉的通道而流動(dòng)。

電化學(xué)是研究電子導(dǎo)體(或半導(dǎo)體材料)/離子導(dǎo)體(一般為電解質(zhì)溶液)或離子導(dǎo)體/離子導(dǎo)體界面結(jié)構(gòu)、界面變化過程與反應(yīng)機(jī)理的一門科學(xué)。生命現(xiàn)象最基本的過程是電荷運(yùn)動(dòng)，生物電的起因是由于細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)存在電勢差，很多生命現(xiàn)象如人或動(dòng)物的肌肉運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞的代謝作用、神經(jīng)的信息傳遞以及細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能都可用電化學(xué)原理來解釋。生物電池、心電圖、腦電圖等則是利用電化學(xué)方法模擬生物體內(nèi)器官的生理規(guī)律及其變化過程的實(shí)際應(yīng)用。由上可見，電化學(xué)是生命科學(xué)中最基礎(chǔ)的一門相關(guān)學(xué)科，因而研究生物電化學(xué)具有極其重要的意義。

美國科學(xué)家通過基因療法修復(fù)心臟細(xì)胞的起搏功能，已在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中取得成功。這一方法將來有可能取代昂貴而又危險(xiǎn)的電動(dòng)心臟起搏器。

心臟起搏細(xì)胞的功能是產(chǎn)生生物電刺激，使心臟有節(jié)律地跳動(dòng)。在成年人的心臟里，起搏功能局限于一小部分細(xì)胞中。由于衰老和疾病，這些起搏細(xì)胞會(huì)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(shù)植入電動(dòng)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(qiáng)磁場等缺點(diǎn)。

美國約翰·霍普金斯大學(xué)的科學(xué)家在12日出版的英國《自然》雜志上發(fā)表報(bào)告說，他們使用基因療法，改變心臟細(xì)胞內(nèi)外的化學(xué)物質(zhì)流向，產(chǎn)生電壓，使普通細(xì)胞“變”成了起搏細(xì)胞，刺激心臟跳動(dòng)。

細(xì)胞中有一種蛋白質(zhì)，能像水泵一樣使帶正電的鉀離子流進(jìn)細(xì)胞內(nèi)部。研究人員使用一種病毒為載體，將一個(gè)基因釋放到細(xì)胞中，產(chǎn)生另一種蛋白質(zhì)干擾“鉀離子泵”的作用。這樣，細(xì)胞內(nèi)外部就產(chǎn)生負(fù)電位，形成的電信號(hào)刺激其它心臟細(xì)胞收縮。

科學(xué)家說，只需要對幾千個(gè)細(xì)胞進(jìn)行基因改造，就能達(dá)到起搏的目的。他們已經(jīng)在豚鼠身上取得了初步成功，下一步將在豬身上做試驗(yàn)。科學(xué)家希望該技術(shù)4年內(nèi)能夠付諸實(shí)用，成為一種比電動(dòng)起搏器更安全、成本更低的療法。

不過在實(shí)際應(yīng)用之前，這項(xiàng)技術(shù)還需要不斷完善，以保證經(jīng)轉(zhuǎn)基因處理的細(xì)胞起搏功能正常，并且把這種處理限制在合適的范圍內(nèi)，避免不適當(dāng)?shù)募?xì)胞獲得起搏功能，導(dǎo)致心跳節(jié)律失常。

生物電化學(xué)飛船內(nèi)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)

中國在神舟四號(hào)上進(jìn)行的生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)獲得成功。該細(xì)胞實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人、國家載人航天工程應(yīng)用系統(tǒng)空間生命科學(xué)分系統(tǒng)副指揮王國強(qiáng)昨天表示，實(shí)驗(yàn)成功標(biāo)志著我國掌握了在空間進(jìn)行細(xì)胞的融合、分離技術(shù)，為中國不久后建立空間站、開展空間生命科學(xué)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。權(quán)威人士介紹，中國不久就將建設(shè)自己的空間實(shí)驗(yàn)站，并開展大量生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

生物電化學(xué)太空娃娃

兩場籌備了10年的“太空結(jié)合”首次在神舟四號(hào)飛船上舉行，動(dòng)物細(xì)胞“新人”是B淋巴細(xì)胞和骨髓瘤細(xì)胞，植物細(xì)胞“新人”—————有液泡的黃花煙草原生質(zhì)體和脫液泡的革新一號(hào)煙草原生質(zhì)體，兩批新人同時(shí)在一個(gè)“產(chǎn)房”———電融合儀內(nèi)孕育新生命。160分鐘后，中國首批“太空娃娃”終于順利誕生。

專家表示，將實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)放到太空能使細(xì)胞融合率從在地面的0.8%以下提高到10% －12%，而細(xì)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么樣？專家稱，一切必須過四五個(gè)月等“孩子”長大才能見分曉。

生物電化學(xué)古怪太空食品

與細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)在同時(shí)同地進(jìn)行的還有一場“太空分居”，該實(shí)驗(yàn)是在神舟四號(hào)上第一次進(jìn)行生物大分子和細(xì)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(hào)上的實(shí)驗(yàn)品為細(xì)胞色素C和小牛血紅蛋白。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，我國最終成功提取到了更為精純的制藥原材料，為今后生產(chǎn)各類名貴的藥物做好了準(zhǔn)備。

細(xì)胞電融合實(shí)驗(yàn)?zāi)苡龅厍蛏想y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(zhì)量可以大大提高，而且牛奶味米飯、耐鹽堿水稻也將紛紛出現(xiàn)。

憑借此技術(shù)，中國還能利用微重力資源進(jìn)行空間制藥探索新方法，制造出更多的名貴藥物，同時(shí)大大降低藥物成本，減輕百姓負(fù)擔(dān)。

構(gòu)置了三類共11種基于氧化酶及其與過氧化物酶、堿性磷酸酶耦合誘導(dǎo)生成金納米粒子、聚苯胺等納米材料的新型電化學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)了在自誘導(dǎo)納米材料促進(jìn)下葡萄糖氧化酶的直接電子轉(zhuǎn)移，提出了一種與眾不同的消除電化學(xué)生物傳感中抗壞血酸干擾的新模式；并將生物催化誘導(dǎo)生成納米材料的研究思路擴(kuò)展到DNA雜交分析和細(xì)菌催化誘導(dǎo)生成納米材料的新領(lǐng)域；建立了葡萄糖、膽固醇、尿酸、H2O2和DNA等生物物質(zhì)的高靈敏、高選擇性測定新方法，使相關(guān)測定靈敏度提高1至2個(gè)數(shù)量級、線性范圍達(dá)3至4個(gè)數(shù)量級。完成論文20篇，其中在《Biosens.Bioelectron.》、《J. Mater. Chem.》和《Analyst》等期刊上發(fā)表論文11 篇。項(xiàng)目中取得的研究成果，為生命科學(xué)中相關(guān)生物物質(zhì)的電子傳遞作用機(jī)理、定量分析以及納米材料生物合成的研究提供了新的手段，對豐富化學(xué)修飾電極技術(shù)與理論、拓展電化學(xué)分析技術(shù)在生物領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍具有重要意義。協(xié)助培養(yǎng)博士生5名、碩士生4名。

電化學(xué)在化工、冶金、機(jī)械、電子、航空、航天、輕工、儀表、醫(yī)學(xué)、材料、能源、金屬腐蝕與防護(hù)、環(huán)境科學(xué)等科技領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前世界上十分關(guān)注的研究課題, 如能源、材料、環(huán)境保護(hù)、生命科學(xué)等等都與電化學(xué)以各種各樣的方式關(guān)聯(lián)在一起。

電化學(xué)原電池

原電池是利用兩個(gè)電極之間金屬性的不同,產(chǎn)生電勢差,從而使電子的流動(dòng),產(chǎn)生電流.又稱非蓄電池，是電化電池的一種，其電化反應(yīng)不能逆轉(zhuǎn)，即是只能將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，簡單說就即是不能重新儲(chǔ)存電力，與蓄電池相對 。

原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。所以，根據(jù)定義，普通的干電池、燃料電池都可以稱為原電池。

組成原電池的基本條件：

1、將兩種活潑性不同的金屬（即一種是活潑金屬一種是不活潑金屬），或著一種金屬與石墨（Pt和石墨為惰性電極，即本身不會(huì)得失電子）等惰性電極插入電解質(zhì)溶液中。

2、用導(dǎo)線連接后插入電解質(zhì)溶液中，形成閉合回路。

3、要發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。

原電池工作原理

原電池是將一個(gè)能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在原電池的負(fù)極和正極上發(fā)生，從而在外電路中產(chǎn)生電流。

原電池的電極的判斷：

負(fù)極：電子流出的一極；發(fā)生氧化反應(yīng)的一極；活潑性較強(qiáng)金屬的一極。

正極：電子流入的一極；發(fā)生還原反應(yīng)的一極；相對不活潑的金屬或其它導(dǎo)體的一極。

在原電池中，外電路為電子導(dǎo)電，電解質(zhì)溶液中為離子導(dǎo)電。

原電池的判定：

（1）先分析有無外接電路，有外接電源的為電解池，無外接電源的可能為原電池；然后依據(jù)原電池的形成條件分析判斷，主要是“四看”：看電極——兩極為導(dǎo)體且存在活潑性差異（燃料電池的電極一般為惰性電極）；看溶液——兩極插入溶液中；看回路——形成閉合回路或兩極直接接觸；看本質(zhì)——有無氧化還原反應(yīng)。

（2）多池相連，但無外接電源時(shí)，兩極活潑性差異最大的一池為原電池，其他各池可看做電解池。

電化學(xué)電解池

電解池是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置。

電解是使電流通過電解質(zhì)溶液（或熔融的電解質(zhì)）而在陰、陽兩極引起氧化還原反應(yīng)的過程。

發(fā)生電解反應(yīng)的條件：

①連接直流電源

②陰陽電極 陰極：與電源負(fù)極相連為陰極

陽極：與電源正極相連為陽極

③兩極處于電解質(zhì)溶液或熔融電解質(zhì)中

④兩電極形成閉合回路

電解過程中的能量轉(zhuǎn)化（裝置特點(diǎn)）：

陰極：一定不參與反應(yīng) 不一定是惰性電極

陽極：不一定參與反應(yīng) 也不一定是惰性電極

電解結(jié)果：

在兩極上有新物質(zhì)生成

電解池電極反應(yīng)方程式的書寫：

陽極：活潑金屬—電極失電子（Au,Pt,Ir 除外）；惰性電極—溶液中陰離子失電子

注：失電子能力：活潑金屬（除Pt Au）>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根(NO3 ->SO4 2-)>F-

陰極：溶液中陽離子得電子

注：得電子能力：Ag >Hg2 >Fe3 >Cu2 >H （酸）>Pb2 >Sn2 >Fe2 >Zn2 >H2O（水）>Al3 >Mg2 >Na >Ca2 >K （即活潑型金屬順序表的逆向）

對應(yīng)關(guān)系：陽極連電源正極，陰極連電源負(fù)極（可見高中教材*《化學(xué)選修·四》）

規(guī)律：鋁前（含鋁）離子不放電，氫（酸）后離子先放電，氫（酸）前鋁后的離子看條件。

四類電解型的電解規(guī)律①電解水型（強(qiáng)堿，含氧酸，活潑金屬的含氧酸鹽），pH由溶液的酸堿性決定，溶液呈堿性則pH增大，溶液呈酸性則pH減小，溶液呈中性則pH不變。電解質(zhì)溶液復(fù)原—加適量水。

②電解電解質(zhì)型（無氧酸，不活潑金屬的無氧酸鹽，），無氧酸pH變大，不活潑金屬的無氧酸鹽PH不變。電解質(zhì)溶液復(fù)原—加適量電解質(zhì)。

③放氫生堿型（活潑金屬的無氧酸鹽），pH變大。電解質(zhì)溶液復(fù)原—加陰離子相同的酸。

④放氧生酸型（不活潑金屬的含氧酸鹽），pH變小。電解質(zhì) 溶液復(fù)原—加陽離子相同的堿或氧化物。

內(nèi)容簡介

《電化學(xué)基礎(chǔ)》不僅系統(tǒng)闡述了電化學(xué)基本原理和電化學(xué)研究方法，還重點(diǎn)介紹了電化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的幾個(gè)主要方面和目前研究的熱點(diǎn)問題，如電化學(xué)工業(yè)、電化學(xué)傳感器、金屬腐蝕、生物電化學(xué)、化學(xué)電源等。具有知識(shí)層次明確，內(nèi)容編排由淺入深、循序漸進(jìn)的特點(diǎn)。本書不僅可作為電化學(xué)專業(yè)的研究生教材，還可供科研院所從事電化學(xué)研究的人員閱讀參考，此外也是高校本科生進(jìn)一步探討電化學(xué)問題的參考書。