電化學在診斷和治療的器件的應用

1、電化學在診斷和治療的器件的應用摘要：本文主要介紹應用電化學方法診斷和治療的器件，主要從生物燃料電池、FET和DNA生物傳感器、利用電刺激傳導的治療方法、人工腎臟的電氧化除脲。關鍵詞：生物燃料電池、FET生物傳感器、DNA生物傳感器、生物兼容性電極電刺激傳導、血液透析、血液過濾、人工腎臟中的電氧化除脲.前言電化學是從研究電能和化學能的相互轉換開始形成的。1791年，Galvani的“青蛙試驗”不僅為以后電化學學科的形成奠定了基礎也首次揭示

2、出電化學與生物學之間存在著密切的關系。進入20世紀70年代之后，電化學及其相關技術突破宏觀和介觀領域進入到微觀世界，實現了可以在原子及分子水平上研究界面電荷傳遞的行為。這些技術上的突破為在細胞及分子水平上深入理解和研究生命過程的化學本質創造了更多的機會與條件，使電化學在生命科學研究中的地位與作用日益突出。在此背景下，一門新的交叉學科——生物電化學應運而生【1】。生物電化學是在20世紀70年代初由電生物學、生物物理學、生物化學、電生理及電

3、化學等多門學科交叉形成的獨立學科，其主要研究的內容是生物分子電化學、生物電催化、光合作用、活組織電化學、生物技術中的電化學技術等內容。隨著生命科學特別是分子生物學和臨床醫學的發展，其研究開始對生命起源、癌癥成因、遺傳突變、藥理機制、衰老過程等的研究，有關生物分子的檢查和分子間作用機制的研究也就愈顯重要。電化學作為重要的實驗手段，結合其自身的優點，尤其基于近期在光譜電化學等方面的研究進展，可以預計，電化學方法不僅在上面提到的幾個方面的應用

4、將得到加強，而且電化學方法對于研究生物體系或模擬某些生物過程中發生的重要生化反應，揭示生物體內的物質代謝和能量轉換，發展高靈敏度和高選擇性的生化分析方法和生物分子器件等都將有很大的應用前景【2】。應用電化學方法診斷和治療的器件主要從生物燃料電池、FET生物傳感器和DNA生物傳感器、利用電刺激傳導的治療方法、人工腎臟中的電氧化除脲這四方面進行探討和研究。1.生物燃料電池(biologicalfuelcellBFC)【3】1.1生物燃料電池

5、的原理與定義1.11生物燃料電池的原理目前，正在研發的生物燃料電池種類很多，結構也有一定的差異，但其原1.3生物燃料電池在電化學方面的應用植入人體內的電化學系統能夠完成生物學和醫學研究，以及診斷和治療各種任務。例如當心臟不能進行協同動作，而且病態從一部分區域漫延到大部分心肌，就會造成心臟停跳；在這種情況下，必須靠一個植入的心臟起搏器來拯救生命，這就要把人工脈沖傳送給心臟，刺激它的功能活性。植入器件需要電源，LiI2電池用于臨床試驗已有較

6、好的效果，但若利用人體內的活性物質進行發電則更理想。按照燃料電池的原理，對“肉體物質”進行體內電化學能量轉換，即直接將生物化學能轉變為電能。使用體內的氧和生物燃料如葡萄糖，在生理體液中啟動燃料電池。葡萄糖是體內最重要的燃料，它在血液和體液中的含量接近1gL。因為缺少可以迅速是葡萄糖定量氧化到CO2的催化系統，5W以上的功率的目標尚未達到，故人們更傾向于發展提供低功率的生物燃料電池，如心臟起搏器用的電池。LiI2電池具有高能量密度和低自放

7、電速率，用膠囊把它完成包封后可植入體內，臨床壽命接近十年。這一突破使需求生物燃料電池的迫切性減少了，但是可把生物燃料電池應用到探測器，例如葡萄糖傳感器。生物電功率的產生也是很有魅力的研究課題，例如植入的藥物釋放器所用的電源。2.FET生物傳感器和DNA生物傳感器21生物傳感器的簡介【4】自20世紀中葉以來，隨著人類生命本質、生命過程和生命體與其生存環境的信息交流的認識的不斷深入，研究發展新的分析手段越來越重要。分析生物技術的一個重要領域

8、便是生物傳感器（biosens）它是一個典型的多學科交叉產物，結合了生命科學、分析化學、物理學和信息科學及其相關技術，能夠對所需要檢查的物種進行快速分析和追蹤。生物傳感器的出現，是科學家的興趣和科學技術發展及社會發展需求多方面雙驅動的結果，經過30多年的發展，已經成為一個涉及內容廣泛、多學科介入和交叉、充滿創新活力的領域。2.1.1生物傳感器的原理和特點生物傳感器的傳感原理如圖（1）所示，其結構包括兩部分：生物敏感膜和換能器（又稱一次儀