谁能告诉我生物电的发展历史

谁能告诉我关于能量守恒的发展与历史~

能量和能量守恒定律

世界是由运动的物质组成的，物质的运动形式多种多样，并在不断相互转化正是在研究运动形式转化的过程中，人们逐渐建立起了功和能的概念能是物质运动的普遍量度，而功是能量变化的量度。

这种说法概括了功和能的本质，但哲学味道浓了一些在物理学中，从19世纪中叶产生的能量定义：“能量是物体做功的本领”，一直延用至今但近年来不论在国外还是国内，物理教育界却对这个定义是否妥当展开过争论于是许多物理教材，例如现行的中学教材，都不给出能量的一般定义，而是根据上述定义的思想，即物体在某一状态下的能量，是物体由这个状态出发，尽其所能做出的功来给出各种具体的能量形式的操作定义（用量度方法代替定义）。

能量概念的形成和早期发展，始终是和能量守恒定律的建立过程紧密相关的由于对机械能、内能、电能、化学能、生物能等具体能量形式认识的发展，以及它们之间都能以一定的数量关系相互转化的逐渐被发现，才使能量守恒定律得以建立这是一段以百年计的漫长历史过程随着科学的发展，许多重大的新物理现象，如物质的放射性、核结构与核能、各种基本粒子等被发现，都只是给证明这一伟大定律的正确性提供了更丰富的事实尽管有些现象在发现的当时似乎形成了对这一定律的冲击，但最后仍以这一定律的完全胜利而告终。

能量守恒定律的发现告诉我们，尽管物质世界千变万化，但这种变化决不是没有约束的，最基本的约束就是守恒律也就是说，一切运动变化无论属于什么样的物质形式，反映什么样的物质特性，服从什么样的特定规律，都要满足一定的守恒律物理学中的能量、动量和角动量守恒，就是物理运动所必须服从的最基本的规律与之相较，牛顿运动定律、麦克斯韦方程组等都低了一个层次。


1定律的经验性表述——永动机是不可能造成的（1475～1824）

很早以前，人类就开始利用自然力为自已服务，大约到了十三世纪，开始萌发了制造永动机的愿望。到了十五世纪，伟大的艺术家、科学家和工程师达·芬奇（Leonard·do·Vinci 1452～1519），也投入了永动机的研究工作。他曾设计过一台非常巧妙的水动机，但造出来后它并没永动下去。1475年，达·芬奇认真总结了历史上的和自己的失败教训，得出了一个重要结论：“永动机是不可能造成的。”在工作中他还认识到，机器之所以不能永动下去，应与摩擦有关。于是，他对摩擦进行了深入而有成效的研究。但是，达·芬奇始终没有，也不可能对摩擦为什么会阻碍机器运动作出科学解释，即他不可能意识到摩擦（机械运动）与热现象之间转化的本质联系。

此后，虽然人们还是致力于永动机的研制，但也有一部分科学工作者相继得出了“永动机是不可能造成的”结论，并把它作为一条重要原理用于科学研究之中。荷兰的数学力学家斯台文（SimonStevin 1548～1620），于1586年运用这一原理通过对“斯台文链”的分析，率先引出了力的平行四边形定则。伽俐略在论证惯性定律时也应用过这一原理。



尽管原理的运用已取得了如此显著的成绩，但人们研制永动机的热情不减。惠更斯（C·Huygens1629～1695）

在他1673年出版的《摆式时钟》一书中就反映了这种观点。书中，他把伽俐略关于斜面运动的研究成果运用于曲线运动，从而得出结论：在重力作用下，物体绕水平轴转动时，其质心不会上升到它下落时的高度之上。因而，他得出用力学方法不可能制成永动机的结论；但他却认为用磁石大概还是能造出永动机来的。针对这种情况，1775年，巴黎科学院不得不宣布：不再受理关于永动机的发明。



历史上，运用“永动机是不可能制成”的这一原理在科研上取得最辉煌成就的是法国青年科学家卡诺（sadi Carnot 1796～1832）。1824年，他将该原理与热质说结合推出了著名的“卡诺定理”。定理为提高热机效率指明了方向，也为热力学第二定律的提出奠定了基础。但这里要特别强调的是，卡诺虽然将永动机不能造成的原理运用于热机，但他的思想方法还是“机械的”。他在论证时将热从高温热源向低温热源的流动同水从高处向低处流动类比，认为热推动热机作功就像水推动水轮机作功一样，水和热在流动中并无任何损失。

可见，从1475年达·芬奇提出“水动机是不可能造成的”起到1824年卡诺推出“卡诺定理”止，原理只能在机械运动和“热质”流动中运用，它远不是现代意义上的能量的转化和守恒定律，它只能是机械运动中的能量守恒的经验总结，是定律的原始形态。

1891年，亥姆霍兹（H·Helmloltz1821～1894）

在回顾他研究力的守恒律的起因时说：“如果永动机是不可能的话，那么在自然条件下的不同的力之间应该存在什么样的关系呢？而且，这些关系实际上是否真正存在呢？”可见，“永动机是不能造成的”还很肤浅，要认识它的深刻的内涵，还须人们付出艰苦的劳动。

2定律的初期表述——力的守恒（1824～1850）

“能量的转比和守恒定律”的提出必须建立在134三个基础之上：对热的本质的正确认识；对物质运动的各种形式之间的转化的发现；相应的科学思想。到十九世纪，这三个条件都具备了。

1798年，伦福特（C· Rumford 1753～1814）向英国皇家学会提交了由炮筒实验得出的热的运动说的实验报告。1800年，戴维（D·H·Davy 1778～1829）



用真空中摩擦冰块使之溶化的实验支持了伦福特的报告。1801年，托马斯·杨（ThomasYoung 1773～1829）在《论光和色的理论》中，称光和热有相同的性质，强调了热是一种运动。从此，热的运动说开始逐步取代热质说。

十八世纪与十九世纪之交，各种自然现象之间的相互转化又相继发现：在热向功的转化和光的化学效应发现之后，1800年发现了红外线的热效应。电池刚发明，就发现了电流的热效应和电解现象。1820年，发现电流的磁效应，1831年发现电磁感应现象。1821年发现热电现象，1834年发现其逆现象。等等。

世纪之交，把自然看成是“活力”的思想在德国发展成为“自然哲学”。这种哲学把整个宇宙视为某种根源性的力的发现而引起的历史发展的产物。由这种观点看来，一切自然力都可以看作是一种东西。当时，这种哲学思想在德国和西欧一些国家占有支配地位。

这时，力的守恒原理的提出就势在必行了。

历史上，最早提出热功转换的是卡诺。他认为：“热无非是一种动力，或者索性是转换形式的运动。热是一种运动。对物体的小部份来说，假如发生了动力的消灭，那么与此同时，必然产生与消灭的动力量严格成正比的热量。相反地，在热消灭之处，就一定产生动力。因此可以建立这样的命题：动力的量在自然界中是不变的，更确切地说，动力的量既不能产生，也不能消灭。”同时他还给出了热功当量的粗略值。

可惜，卡诺的这一思想是在他死了46年以后的1878年才被人们发现的。而这之前的1842年，德国的迈耳（J·R·Mayer 1814～1878）

最先发表了比较全面的《力的守恒》的论文《论无机界的力》。文中他从“自然哲学”出发，以思辩的方式，由“原因等于结果”的因果链演释出二十五种力的转化形式。1845年，他还用定压比热容与定容比热容之差：Cp-Cv=R，计算出热功当量值为1卡等于365g·m。

1843年，英国实验物理学家焦耳（J·P·Joule 1818～1889）

在《哲学杂志》上发表了他测量热功当量的实验报告。此后，他还进行了更多更细的工作，测定了更精确的当量值。1850年，他发表的结果是：“要产生一磅水（在真空中称量，其温度在55°和60°之间）增加华氏1°的热量，需要消耗772英磅下落一英尺所表示的机械功。”焦耳的工作，为“力的守恒”原理奠定了坚实的实验基础。



德国科学家亥姆霍兹于1847年发表了他的著作《论力的守恒》。文中，他提出了一切自然现象都应用中心力相互作用的质点的运动来解释



由此证明了活力与张力之和对中心力守恒的结论。进面，他还讨论了热现象、电现象、化学现象与机械力的关系，并指出了把“力的守恒”原理运用到生命机体中去的可能性。由于亥姆霍兹的论述方式很有物理特色，故他的影响要比迈耳和焦耳大。

虽然，到此为止，定律的发现者们还是把能量称作“力”；而且定律的表述也不够准确，但实质上他们已发现了能量的转化和守恒定律了。将两种表述比较，可以看出：“力的守恒”比“永动机不能造成”要深刻得多。“力的守恒”涉及的是当已认识到的物质的一切运动形式；同时，它是在一定的哲学思想指导下（迈耳），在实验的基础上（焦耳），用公理化结构（亥姆霍兹）建立起的理论。如果现在仍用“永动机不能造成”来表述定律的话，那已赋予它新的内涵了，即现在的机器可以是机械的，也可以是热的，电磁的、化学的，甚至可以是生物的了；同时，永动机不能永动的原因也得到揭示。

另外，也要看到，“力的守恒”原理虽然有焦耳的热功当量和电热当量的关系式，还有亥姆霍兹推出的各种关系式，但它们都是各自独立的，还没能用一个统一的解析式来表述。因此“力的守恒”还是不够成熟的。

3定律的解析表述——热力学第一定律（1850～1875）

要对定律进行解析表述，只有对“热量”、“功”、“能量”和“内能”这些概念的准确定义才行。

“热量”的慨念早在十八世纪就给出了，就是热质的量。1829年，蓬斯莱（J·V· Poncelet 1788～1867）在研究蒸汽机的过程中，明确定义了功为力和距离之积。而“能量”的概念则是1717年，J·伯努力（J·Bernoulli 1667～1748）在论述虚位移时就采用过了的。托马斯·扬于1805年就把力称为能量，用过了的。托马斯·扬于1805年就把力称为能量，由此定义了扬氏模量。但他们的定义一直未被人们接受，难怪迈耳、焦耳和亥姆霍兹还用“力”来称为能量。这对定律的表述极不利，再加上热质说的影响还远未肃清，因此“力的守恒”原理一直不为大多数人所接受。当然，也有一批有识之士认识到定律的重大意义并为它的完善进行了卓有成效的工作。其中最著名的是英国的W·汤姆孙（W·Thomson1824～1907）和德国的克劳修斯（R·Clausius 1822～1888）正是他们在前人的基础上提出了热力学第一和第二定律，由此建立了热力学理论体系的大厦。

1850年，克劳修斯在德文版《物理学和化学年报》第79卷上，发表了《论热的动力和能由此推出的关于热学本身的定律》的论文。文中指出：卡诺定理是正确的，但要用热运动说并加上另外的方法证明才行。他认为，单一的原理即“在一切由热产生功的情况，有一个和产生功成正比的热量被消耗掉，反之，通过消耗同样数量的功也能产生这样数量的热。”是不够的；还得加上一个原理即“没有任何力的消耗或其它变化的情况下，就把任意多的热量从一个冷体移到热体，这与热素来的行为相矛盾。”来论证。他说，只有这佯，才能把热看成一种状态量。接下来他作了以下的十分重要的工作：

对于永久气体，下式成立：

pV=R（273+t） （1）

P是压力，V是单位质量的体积，t是摄氏温度。再考虑微小的卡诺循环，可由（1）式得出这一过程中所做的功为：



同时也可计算这一过程消耗的热量：



设热功当量的系数为A，应用焦耳原理，由（2）和（3）得：



这时克劳修斯引进了一个新的态函数U，（4）式变为：



对于这个新的态函数，他指出“其性质有如人们通常所说的那样，假定它为总热量，是一个V和t的函数，由变化的过程的初态和终态完全确定。”

U=U（V，t） （6）

就这样，他得出了热力学第一定律的解析式：

dQ=dU=dW （7）

我们知道，一个知识领域只有发展到了揭示和把握对象的规定和量的联系时，也就是当用上了数学工具时，它才真正成为了一门科学。因此，只有到了这个时候，能量的转化和守恒定律才同热力学第二定律的熵的表述一起构成了热力学的理论体系的基础。

1853年，W·汤姆孙重新提出了能量的定义。他是这样说的：“我们把给定状态中的物质系统的能量表示为：当它从这个给定状态无论以什么方式过渡到任意一个固定的零态时，在系统外所产生的用机械功单位来量度的各种作用之和。”他还把态函数U称为内能。直到这时，人们才开始把牛顿的“力”和表征物质运动的“能量”区别开来，并广泛使用。在此基础上，苏格兰的物理学家兰金*（W·J·M·Rankine 1820～1872）才把“力的守恒”原理改称为“能量守恒”原理。

热力学理论建立之后，很多人还是觉得不好理解，尤其是第二定律。为此，从1854年起，克劳修斯作了大量的工作，努力寻找一种为人们容易接受的证明方法来解释这两条原理（当时还是叫原理），并多次用通俗的语言进行宣讲。这样，直到1860年左右，能量原理才被人们普遍承认。

4定律的准确表述——能量的转化和守恒定律（1875～1909）

1860年后，能量定律“很快成为全部自然科学的基石。特别是在物理学中，每一种新的理论首先要检验它是否跟能量守恒原理相符合。”但是，时至那时，原理的发现者们还只是着重从量的守恒上去概括定律的名称，而没强调运动的转比。那到底是什么时候原理才被概括成“能量的转比和守恒定律”的呢？从恩格斯在《反杜林论》的一段论述中，可以得到问题的答案。

恩格斯说：“如果说，新发现的、伟大的运动基本规律，十年前还仅仅慨括为能量守恒定律，仅仅概括为运动不生不灭这种表述，就是说，仅仅从量方面概括它，那么这种狭隘的、消极的表述日益被那种关于能量的转化的积极表述所代替，在这里过程的质的内容第一次获得了自己的权利，……”恩格斯这段话发表于1885年，他说十年前消极表述日益被积极表述所代替，由此判断，“能量的转化和守恒定律”这一准确而完善的表述应形成于1875年或稍后一点。

到此为止，似乎有关定律的一切问题都解决了。其实不然。

我们知道，直到二十世纪初，热力学中的一个重要基本概念——热量还是沿用的十八世纪的定义，而这个定义是以热质说为基础的。也就是说，在热力学大厦的基石中还有一块是不牢固的。因此，1909年，喀喇氏（C·Caratheeodory）对内能进行了重新定义：“任何一个物体或物体系在平衡态有一个态函数U，叫做它的内能，当这个物体从第一态经过一个绝热过程到第二态后，它的内能的增加等于在过程中外界对它所做的功W。”

U2-U1=W （8）

这样定义的内能就与热量毫不相关了，它只与机械能和电磁能有关。在这一基础上可以反过来定义热量：

Q=U2-U1-W （9）

直到这个时候，热力学第一定律（能量的转化和守恒定律）、第二定律及整个热力学理论才同热质说实行了最彻底的决裂。

综观全文，可知“能量的转化和守恒定律”的三种表述反映了人类认识这一自然规律的历程。这三种表述一种比一种更深刻，一种比一种更接近客观真理。人类正是这样一步一步地认识物质世界的。

转载自作者：王骁勇

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生物电简介。
生物电化学是20世纪70年代由电生物学、生物物理学、生物化学以及电化学等多门学科交叉形成的一门独立的学科。电化学是研究电子导体(或半导体材料)/离子导体(一般为电解质溶液)或离子导体/离子导体界面结构、界面变化过程与反应机理的一门科学。生命现象最基本的过程是电荷运动，生物电的起因是由于细胞膜内外两侧存在电势差，很多生命现象如人或动物的肌肉运动、细胞的代谢作用、神经的信息传递以及细胞膜的结构与功能都可用电化学原理来解释。生物电池、心电图、脑电图等则是利用电化学方法模拟生物体内器官的生理规律及其变化过程的实际应用。由上可见，电化学是生命科学中最基础的一门相关学科，因而研究生物电化学具有极其重要的意义。
近几十年来生物电化学发展非常迅速 ，其研究分别在分子、细胞和生物组织等三个不同层次上进行。目前的研究领域主要有以下几个方面：

1.生物膜与生物界面模拟研究

主要研究膜的电化学热力学性质、物质的跨膜传输和生物电的传递等现象。

(1)SAM膜模拟生物膜的电化学研究

SAM是基于长链有机分子在基底材料表面的强烈化学结合和有机分子链间相互作用自发吸附在固/液或气/固界面,形成的热力学稳定、能量最低的有序膜。在单分子层中分子定向、有序、紧密地排列在一起,并且膜的结构和性质可以通过改变分子的头基、尾基以及链的类型和长度来调节。因此，SAM成为研究各种复杂界面现象，如膜的渗透性、摩擦、磨损、湿润、粘结、腐蚀、生物发酵、表面电荷分布以及电子转移理论的理想模型体系。有关SAM的电化学主要是用电化学方法研究SAM的绝对覆盖量、缺陷分布、厚度、离子通透性、表面电势分布、电子转移等。利用SAM可研究溶液中的氧化还原物种与电极间的跨膜(跨SAM)电子转移,以及电活性SAM本身与电极间的电子转移。在膜电化学中，硫醇类化合物在金电极表面形成的SAM是最典型的和研究最多的体系。因为长链硫醇类化合物在分子尺寸、组织模型和膜的自然形成三方面很类似于天然的生物双层膜，同时它具有分子识别功能和选择性响应,且稳定性高。所以硫醇类化合物在金电极上形成的SAM对仿生研究有重要意义。例如可用SAM表面分子的选择性来研究蛋白质的吸附作用；以烷基硫醇化合物在金上的SAM膜为基体研究氧化还原蛋白质中电子的长程和界面转移机制等；在硫醇SAM上沉积磷脂可较容易地构造双层磷脂膜，以SAM来模拟双层磷脂膜的准生物环境和酶的固定化使酶进行直接电子转移已在生物传感器的研究中得到应用。如以胱氨酸或半胱氨酸为SAM,通过缩合反应键合上媒介体(如TCNQ、二茂铁、醌类等)和酶可构成测葡萄糖、谷胱甘肽、胆红素、苹果酸等的多种生物传感器。

(2) 液/液界面模拟生物膜的电化学研究

所谓液/液(L/L)界面是指在两种互不相溶的电解质溶液之间形成的界面,又称为油/水(O/W)界面。有关L/L界面电化学的研究范围很广,包括L/L界面双电层、L/L界面上的电荷转移机理及动力学、生物膜模拟、以及电化学分析应用等。L/L界面可以看作与周围电解质接触的半个生物膜模型。生物膜是一种极性端分别朝细胞内和细胞外水溶液的磷脂自组装结构,磷脂的亲脂链形成像油一样的膜内层。因此,从某种意义上来说,吸附着磷脂单分子层的L/L界面非常接近于生物膜/水溶液界面。磷脂是非常理想的实验材料,它能很好地吸附在L/L界面上。电荷或电势和磷脂单分子层表面张力之间的偶联作用被认为是细胞和细胞中类脂质运动的基本驱动力。可见,L/L界面生物电化学是一很有生命力的研究领域,将继续受到人们的广泛重视。

2.生物电化应用技术

由于生命现象与电化学过程密切相关,因此电化学方法在生命科学中得到广泛应用，主要有：电脉冲基因直接导入、电场加速作物生长、癌症的电化学疗法、电化学控制药物释放、在体研究的电化学方法、生物分子的电化学行为、血栓和心血管疾病的电化学研究、骨骼的电生长、心电图和脑电图的研究、生物电池等。

电脉冲基因直接导入是基于带负电的质粒DNA或基因片断在高压脉冲电场的作用下被加速“射”向受体细胞,同时在电场作用下细胞膜的渗透率增加(介电击穿效应),使基因能顺利导入受体细胞。由于细胞膜的电击穿的可逆性,除去电场,细胞膜及其所有的功能都能恢复。此法已在分子生物学中得到应用。细胞转化效率高，可达每微克DNA1010个转化体,是用化学方法制备的感受态细胞的转化率的10～20倍。

电场加速作物生长是很新的研究课题。Matsuzaki等报道过玉米和大豆苗在含0.5mmol/l K2SO4培养液中培养,同时加上20Hz,3V或4V(峰 峰)的电脉冲，6天后与对照组相比，秧苗根须发达，生长明显加速。其原因可能是电场激励了生长代谢的离子泵作用。

癌症的电化学疗法是瑞典放射医学家Nordenstrom开创的治疗癌症的新方法。其原理是:在直流电场作用下，引起癌灶内一系列生化变化,使其组织代谢发生紊乱，蛋白质变性、沉淀坏死，导致癌细胞破灭。一般是将铂电极正极置于癌灶中心部位，周围扎上1～5根铂电极作负极，加上6～10V的电压，控制电流为30～100mA，治疗时间2～6小时，电量为每厘米直径癌灶100～150库仑。此疗法已推广用于肝癌、皮肤癌等的治疗。对体表肿瘤的治疗尤为简便、有效。

控制药物释放技术是指在一定时间内控制药物的释放速度、释放地点，以获得最佳药效，同时缓慢释放有利于降低药物毒性。电化学控制药物释放是一种新的释放药物的方法，这种方法是把药物分子或离子结合到聚合物载体上，使聚合物载体固定在电极表面，构成化学修饰电极，再通过控制电极的氧化还原过程使药物分子或离子释放到溶液中。药物在载体聚合物上的负载方式分为共价键合型和离子键合型负载两类。共价键合负载是通过化学合成将药物分子以共价键方式键合到聚合物骨架上，然后利用涂层法将聚合物固定在固体电极表面形成聚合物膜修饰电极，在氧化或还原过程中药物分子与聚合物之间的共价键断裂，使得药物分子从膜中释放出来。离子键合负载是利用电活性导电聚合物如聚吡咯、聚苯胺等在氧化或还原过程中伴随有作为平衡离子的对离子的嵌入将药物离子负载到聚合物膜中，再通过还原或氧化使药物离子从膜中释放出来。

在体研究是生理学研究的重要方法，其目的在于从整体水平上认识细胞、组织、器官的功能机制及其生理活动规律。由于一些神经活性物质(神经递质)具有电化学活性,因此电化学方法首先被用于脑神经系统的在体研究。当采用微电极插入动物脑内进行活体伏安法测定获得成功后，立即引起了人们的极大兴趣。该技术经过不断的改善,被公认为在正常生理状态下跟踪监测动物大脑神经活动最有效的方法。通常可检测的神经递质有多巴胺、去甲肾上腺素、5-羟色胺及其代谢产物。微电极伏安法成为连续监测进入细胞间液中原生性神经递质的有力工具。在体研究一般采用快速循环伏安法(每秒上千伏)和快速计时安培法。快速循环伏安法还被用于研究单个神经细胞神经递质释放的研究,发展成为所谓的“细胞电化学”。

生物分子的电化学行为的研究是生物电化学的一个基础研究领域,其研究目的在于获取生物分子氧化还原电子转移反应的机理,以及生物分子电催化反应机理,为正确了解生物活性分子的生物功能提供基础数据。所研究的生物分子包括小分子如氨基酸、生物碱、辅酶、糖类等和生物大分子如氧化还原蛋白、RNA、DNA、多糖等。

3.电化学生物传感器和生物分子器件

传感器与通信系统和计算机共同构成现代信息处理系统。传感器相当于人的感官，是计算机与自然界及社会的接口，是为计算机提供信息的工具。传感器通常由敏感(识别)元件、转换元件、电子线路及相应结构附件组成。生物传感器是指用固定化的生物体成分(酶、抗原、抗体、激素等)或生物体本身(细胞、细胞器、组织等)作为感元件的传感器。电化学生物传感器则是指由生物材料作为敏感元件，电极(固体电极、离子选择性电极、气敏电极等)作为转换元件，以电势或电流为特征检测信号的传感器。由于使用生物材料作为传感器的敏感元件，所以电化学生物传感器具有高度选择性，是快速、直接获取复杂体系组成信息的理想分析工具。一些研究成果已在生物技术、食品工业、临床检测、医药工业、生物医学、环境分析等领域获得实际应用。

根据敏感元件所用生物材料的不同，电化学生物传感器分为酶电极传感器、微生物电极传感器、电化学免疫传感器、组织电极与细胞器电极传感器、电化学DNA传感器等。

(1)酶电极传感器

以葡萄糖氧化酶(GOD)电极为例简述其工作原理。在GOD的催化下，葡萄糖(C6H12O6)被氧氧化生成葡萄糖酸(C6H12O6)和过氧化氢。根据上述反应,显然可通过氧电极(测氧的消耗)、过氧化氢电极(测H2O2的产生)和PH电极(测酸度变化)来间接测定葡萄糖的含量。因此只要将GOD固定在上述电极表面即可构成测葡萄糖的GOD传感器。这便是所谓的第一代酶电极传感器。这种传感器由于是间接测定法,故干扰因素较多。第二代酶电极传感器是采用氧化还原电子媒介体在酶的氧化还原活性中心与电极之间传递电子。第二代酶电极传感器可不受测定体系的限制,测量浓度线性范围较宽,干扰少。现在不少研究者又在努力发展第三代酶电极传感器,即酶的氧化还原活性中心直接和电极表面交换电子的酶电极传感器。

目前已有的商品酶电极传感器包括:GOD电极传感器、L-乳酸单氧化酶电极传感器、尿酸酶电极传感器等。

(2)微生物电极传感器

将微生物(常用的主要是细菌和酵母菌)作为敏感材料固定在电极表面构成的电化学生物传感器称为微生物电极传感器。其工作原理大致可分为三种类型：其一，利用微生物体内含有的酶(单一酶或复合酶)系来识别分子，这种类型与酶电极类似；其二，利用微生物对有机物的同化作用，通过检测其呼吸活性(摄氧量)的提高，即通过氧电极测量体系中氧的减少间接测定有机物的浓度；其三，通过测定电极敏感的代谢产物间接测定一些能被厌氧微生物所同化的有机物。

微生物电极传感器在发酵工业、食品检验、医疗卫生等领域都有应用。例如；在食品发酵过程中测定葡萄糖的佛鲁奥森假单胞菌电极；测定甲烷的鞭毛甲基单胞菌电极；测定抗生素头孢菌素的Citrobacterfreudii菌电极等等。微生物电极传感器由于价廉、使用寿命长而具有很好的应用前景,然而它的选择性和长期稳定性等还有待进一步提高。

(3)电化学免疫传感器

抗体对相应抗原具有唯一性识别和结合功能。电化学免疫传感器就是利用这种识别和结合功能将抗体或抗原和电极组合而成的检测装置。电化学免疫传感器从结构上可分为直接型和间接型两类。直接型的特点是在抗体与其相应抗原识别结合的同时将其免疫反应的信息直接转变成电信号。这类传感器在结构上可进一步分为结合型和分离型两种。前者是将抗体或抗原直接固定在电极表面上，传感器与相应的抗体或抗原发生结合的同时产生电势改变；后者是用抗体或抗原制作抗体膜或抗原膜，当其与相应的配基反应时，膜电势发生变化，测定膜电势的电极与膜是分开的。间接型的特点是将抗原和抗体结合的信息转变成另一种中间信息,然后再把这个中间信息转变成电信号。这类传感器在结构上也可进一步分为两种类型：结合型和分离型。前者是将抗体或抗原固定在电极上；而后者抗体或抗原和电极是完全分开的。间接型电化学免疫传感器通常是采用酶或其他电活性化合物进行标记，将被测抗体或抗原的浓度信息加以化学放大，从而达到极高的灵敏度。

电化学免疫传感器的例子有：诊断早期妊娠的HCG免疫传感器；诊断原发性肝癌的甲胎蛋白(AFP)免疫传感器；测定人血清蛋白(HSA)免疫传感器；还有IgG免疫传感器、胰岛素免疫传感器等等。

(4)组织电极与细胞器电极传感器

直接采用动植物组织薄片作为敏感元件的电化学传感器称组织电极传感器，其原理是利用动植物组织中的酶，优点是酶活性及其稳定性均比离析酶高，材料易于获取，制备简单，使用寿命长等。但在选择性、灵敏度、响应时间等方面还存在不足。

动物组织电极主要有：肾组织电极、肝组织电极、肠组织电极、肌肉组织电极、胸腺组织电极等。

植物组织电极敏感元件的选材范围很广，包括不同植物的根、茎、叶、花、果等。植物组织电极制备比动物组织电极更简单，成本更低并易于保存。

细胞器电极传感器是利用动植物细胞器作为敏感元件的传感器。细胞器是指存在于细胞内的被膜包围起来的微小“器官”，如线粒体、微粒体、溶酶体、过氧化氢体、叶绿体、氢化酶颗粒、磁粒体等等。其原理是利用细胞器内所含的酶(往往是多酶体系)。

(5)电化学DNA传感器

电化学DNA传感器是近几年迅速发展起来的一种全新思想的生物传感器。其用途是检测基因及一些能与DNA发生特殊相互作用的物质。电化学DNA传感器是利用单链DNA(ssDNA)或基因探针作为敏感元件固定在固体电极表面，加上识别杂交信息的电活性指示剂(称为杂交指示剂)共同构成的检测特定基因的装置。其工作原理是利用固定在电极表面的某一特定序列的ssDNA与溶液中的同源序列的特异识别作用(分子杂交)形成双链DNA(dsDNA)(电极表面性质改变)，同时借助一能识ssDNA和dsDNA的杂交指示剂的电流响应信号的改变来达到检测基因的目的。

4.生物能学和代谢过程

包括酶催化的氧化还原反应的力能学、线粒体呼吸链、光氧化还原反应和光合作用。光合作用作为整个过程，包括了吸收光子后的电子激发过程、膜电位的产生、电子和质子的转移过程，以及随后的一系列代谢反应。

生物电化学研究手段目前除了采用传统的电化学方法外，电化学紫外可见光谱、电化学现场红外光谱、电化学现场拉曼光谱、X射线衍射、扫描探针技术、电化学石英晶体微天平等方法得到广泛应用。

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