《生物信息与仿生材料测试技术》 课件 -第5章-第二节生物信息采集中的化学量测试方法.pptx

第二节生物信息采集中的化学量测试方法

自然科学的学科是根据某一特定领域的研究对象进行划分的。化学是研究物质发生化学变化的科学。化学在研究化学变化中涉及电子转移的氧化还原反应时，主要是讨论化学能与热能的相互转化(反应热效应)而很少涉及电能。如果进行的氧化还原反应消耗外部电能或直接对外提供电能则称为电化学反应，是电化学研究的对象。为此，电化学定义为研究化学能与电能的相互转化以及这个转化过程中有关现象和规律的科学。在生物信息采集中，电化学方法是一种重要的化学量测试手段，尤其在生物传感器和生物电子学领域有着广泛的应用。本节将详细介绍电化学的基本原理，并探讨其在生物信息采集中的应用。

1电化学的基本原理1.1电化学基本概念电化学体系由电极、电解质和外部电路组成。电极是电化学反应发生的地方，电解质则是离子导电的介质。在外部电路中，电子流动形成电流，而在电解质中，离子流动形成电解流。下面先来看看实际生活中常见的三种导电回路，分析一下这三种回路的导电机理。

1电化学的基本原理电子导电回路在图5.106中,E是电源,R是负载(如灯泡)。这是大家熟悉的最简单的导电回路。暂且不考虑电源内部的导电机理。在外线路中,电流I从电源E的正极流向负极。电流经过负载时，一部分电能转化为热能，使灯丝加热而发光。回路中形成电流的载流子是自由电子。

凡是依靠物体内部自由电子的定向运动而导电的物体，即载流子为自由电子(或空穴)的导体，叫做电子导体，也称为第一类导体，如金属、合金、石墨及某些固态金属化合物。所以，图5.106中的外线路是由第一类导体(导线、灯丝)串联组成的，称为电子导电回路。

1电化学的基本原理电解池回路在图5.107中E仍为电源,负载则为电解池R(如电镀槽)。同样,在外线路中,电流从电源E的正极经电解池流向电源E的负极。已知在金属导线内，载流子是自由电子。但在电解池中电荷是怎样传递的呢?仍然依靠自由电子的流动吗：实验表明，溶液中不可能有独立存在的自由电子,因而来自金属导体的自由电子是不能从电解池的溶液中直接流过的。在电解质溶液中，是依靠正、负离子的定向运动传递电荷的，即载流子是正、负离子而不是电子。凡是依靠物体内的离子运动而导电的导体叫做离子导体，也称为第二类导体，例如各种电解质溶液、熔融态电解质和固体电解质。由此可见，图5.107中的外线路是由第一类导体和第一类导体串联组成的，可称之为电解池回路。

1电化学的基本原理电解池回路现在，又有了一个新的问题：既然存在着两类导体,有不同的载流子，那么不同载流子之间又是怎样传递电荷的呢：也就是说，两类导体的导电方式是怎样相互转化的呢?如果仔细观察电解池通电时，如电镀时的现象，就容易发现:在导电的同时，电解池的两个极板上有气体析出或金属沉积，也就是在极板上有化学反应发生。

这样，从外电源E的负极流出的电子，到了电解池的负极,经过还原反应,将负电荷传递给溶液(电子与正离子复合,等于溶液中负电荷增加)。在溶液中依靠正离子向负极运动,负离子向正极运动,将负电荷传递到了正极。又经过氧化反应,将负电荷以电子形式传递给电极，极板上积累的自由电子经过导线流回电源E的正极。由此可见,两类导体导电方式的转化是通过电极上的氧化还原反应实现的。

1电化学的基本原理电解池回路在电化学中，通常把发生氧化反应(失电子反应)的电极叫做阳极；把发生还原反应(得电子反应)的电极叫做阴极。因此,电解池中的正极通常叫做阳极，负极称为阴极，氧化反应是指物质失去电子，还原反应是指物质获得电子。在生物信息采集中，电极反应通常涉及到生物分子（如DNA、蛋白质、酶等）的氧化还原。

1电化学的基本原理原电池回路在图5.108中，R为负载，E为电源,称作原电池。原电池和电解池类似，也是由两个极板和电解质溶液组成的，在原电池内部是离子导电，同时在阳极上发生氧化反应，在阴极上发生还原反应。不同的是,电解池中的氧化还原反应是由电源E供给电流(电能)而引发的；原电池中的氧化还原反应则是自发产生的。因此，原电池中化学反应的结果是在外线路中产生电流供负载使用，即原电池本身是一种电源。原电池的阳极上，因氧化反应而有了电子的积累，故电位较负，是负极；阴极上则因还原反应而缺乏电子，故电位较正，是正极。在外线路中，电子就由阳极流向阴极,即电流从阴极(正极)流出，A经外线路流入阳极(负极)。整个原电池回路也是由第一类导体和第二类导体串联组成的。

通过对上述三个回路的分析,可以得出以下结论：

1电化学的基本原理原电池回路这三个回路都是导电的回路，但是导电的机理因组成回路的导体类型不同而异。在电子导电回路中，回路的各部分(除E外)都是由第一类导体组成，因此只有一种载流子--自由电子。自由电子可以从一个相跨越相界面进入另一相而进行定向运动，在相界面上不发生任何化学变化。在电解池和原电池回