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關鍵詞:配位化學;無機化學;配位化合物;研究方向
一、配位化學的起源與研究范圍
配位化學是在無機化學基礎上發展起來的一門邊沿學科。它所研究的主要對象為配位化合物(CoordinationCompounds,簡稱配合物)。早期的配位化學集中在研究以金屬陽離子受體為中心(作為酸)和以含N、O、S、P等給體原子的配體(作為堿)而形成的所謂“Werner配合物”。第二次世界大戰期間,無機化學家在圍繞耕耘周期表中某些元素化合物的合成中得到發展,在工業上,美國實行原子核裂變曼哈頓(Manhattan)工程基礎上所發展的鈾和超鈾元素溶液配合物的研究。以及在學科上,195l年Panson和Miler對二茂鐵的合成打破了傳統無機和有機化合物的界限。從而開始了無機化學的復興。
當代的配位化學沿著廣度、深度和應用三個方向發展。在深度上表現在有眾多與配位化學有關的學者獲得了諾貝爾獎,如Werner創建了配位化學,Ziegler和Natta的金屬烯烴催化劑,Eigen的快速反應。Lipscomb的硼烷理論,Wnkinson和Fischer發展的有機金屬化學,Hoffmann的等瓣理論Taube研究配合物和固氮反應機理,Cram,Lehn和Pedersen在超分子化學方面的貢獻,Marcus的電子傳遞過程。在以他們為代表的開創性成就的基礎上,配位化學在其合成、結構、性質和理論的研究方面取得了一系列進展。在廣度上表現在自Werner創立配位化學以來,配位化學處于無機化學趼究的主流,配位化合物還以其花樣繁多的價鍵形式和空間結構在化學理論發展中。及其與其它學科的相互滲透中。而成為眾多學科的交叉點。在應用方面,結合生產實踐。配合物的傳統應用繼續得到發展。例如金屬簇合物作為均相催化劑,在能源開發中C1化學和烯烴等小分子的活化,螯合物穩定性差異在濕法冶金和元素分析、分離中的應用等。隨著高新技術的日益發展。具有特殊物理、化學和生物化學功能的所謂功能配合物在國際上得到蓬勃的發展。
自從Werner創建配位化學至今100年以來,以Lehn為代表的學者所倡導的超分子化學將成為今后配位化學發展的另一個主要領域。人們熟知的化學主要是研究以共價鍵相結合的分子的合成、結構、性質和變換規律。超分于化學可定義為分子間弱相互作用和分子組裝的化學。分子間的相互作用形成各種化學、物理和生物中高選懌性的識別、反應、傳遞和調制過程。而這些過程就導致超分子的光電功能和分子器件的發展。
二、我國配位化學的研究現狀
我國配位化學的研究在前幾乎屬于空白。1949年后隨著國家經濟建設的發展,僅在個別重點高等院校及科研單位開展了這方面的教學和科研工作,60年代中期以前。主要工作集中在簡單配合物的合成、性質、結構及其應用方面的研究。特別是在溶液配合物的平衡理論、混合和多核配合物的穩定性、取代動力學、過渡金屬配位催化以及稀土和W、Mo等我國豐產元素的分離提純以及配位場理論的研究。除了個別方面的研究外,總體來說與國際水平差距還較大。
80年代后。在改革開放政策指引下,我國的配位化學取得了突飛猛進的發展。我國配位化學研究已步入國際先進行列,研究水平大為提高。特別在下列幾個方面取得了重要進展:
(1)新型配合物、簇合物、有機金屬化合物和生物無機配合物,特別是配位超分子化合物的基礎無機合成及其結構研究取得豐碩成果,豐富了配合物的內涵。
(2)開展了熱力學、動力學和反應機理方面的研究,特別在溶液中離子萃取分離和均向催化等應用方面取得了成果。
(3)現代溶液結構的譜學研究及其分析方法以及配合物的結構和性質的基礎研究水平大為提高。
(4)隨著高新技術的發展,具有光、電、熱、磁特性和生物功能配合物的研究正在取得進展。它的很多成果還包含在其他不同學科的研究和化學教學中。
我國配位化學的進展具有一系列特點。作為化學的重要分支領域之一的配位化學。在其學科本身發展的同時創造出更為奇妙的新材料,揭示出更多生命科學的奧妙。在研究對象上日益重視與材 料科學和生命科學相結合。在從分子進到材料合成的研究中更加重視功能體系的分子設計。金屬離子在生物體系中的成鍵。除維生素B12中的Co-C鍵以外,幾乎都是以配位鍵形式結合。其功能體系組裝是一個更為復雜的問題。這時要求將正確的物種放在正確的位置(在與動力學有關的問題中,還要按著正確的時間)才能發揮應有的功能。高效、經濟和微量的組合化學的應用,將有助于分子合成和設計的實踐。
從超分子之類的新觀點研究分子的合成和組裝,在我國日益受到重視。化學模板有助于提供組裝的物種和創造有序的組裝,但是其最大的困難在于克服熱力學第二定律所要求的無序。這時配位化學家的任務之一就是和熱力學進行妥協。盡管目前我們了解一些局部的組裝規律和方法。但比起自然界長期進化而得到的完滿而言。還有很大差距。正如有了一群能分別演奏各種樂器的音樂家。若沒有很好的指揮。還不能演奏出一場滿意的交響樂。其原因就是缺乏有意識地進行組裝。對于組裝的本質和規律。有很多基礎性研究有待深入進行。
三、配位化學的研究方向
作為邊沿學科的配位化學日益和其他相關學科相互滲透和交叉。正如Lehn所指出。超分子化學可以看作是廣義的配位化學。另一方面,配位化學又是包含在超分子化學概念之中。配位化學的原理和規律,無疑將在分子水平上對未來復雜的分子層次以上聚集態體系的研究起著重要作用。其概念及方法也將超越傳統學科的界限。我國配位化學家在進一步促進它和化學內有杌化學、物理化學、分析化學、高分子化學、環境化學、材料化學、生物化學、以及凝聚態物理、分子電子學等學科的結合方面有了很好的開端。進一步的發展必將給配位化學帶來新的發展前景。
中醫是我國傳統、獨創的治療方式,但是,中藥制藥的制藥手段和方式正在突破傳統工藝,如中藥配位化學研究就是一個極有發展前途的新的研究方向。
我國幅員遼闊,資源豐富。經濟建設中有備方面的要求。還存在一些無人問津的薄弱領域,例如配位光化學、界面配位化學、納米配位化學、新型和功能配合物以及配位超分子化合物的研究。金屬配合物的研究有明顯的應用背景,具有開發成重大經濟效益的潛力。它的基礎和理論性研究也處在現代化學發展的前沿領域。對下一世紀我國化學學科的發展。必將產生深遠影響。
【參考文獻】
[1]翟慕衡.配位化學[M].北京:安徽人民出版社,2007-09
[2]李英華,呂秀陽,劉霄,柳葉.中藥配位化學研究進展[J].中國中藥雜志,2006年8月 31卷第16期
1．1光譜法研究含氟卟啉-蒽醌化合物與DNA相互作用卟啉類化合物具有較強的吸光和發光性能，是一種良好的大環芳香系光敏劑，蒽醌類化合物具有良好的DNA光斷裂特性，它們易于插入DNA堿基對之間，以不同的作用機理使DNA斷裂。含氟化合物具有強的生理活性，它有可能和生物組織相互作用而顯示出抗腫瘤作用。黃岡師范學院的趙勝芳等［4］采用微波輻射合成了以二肽鍵聯的含氟卟啉-蒽醌化合物及其金屬鋅配合物。用紫外可見光譜法和熒光光譜滴定法考察了兩種合成的目標化合物與質粒DNA的相互作用，探討了它們與DNA的作用模式。即卟啉-二肽-蒽醌化合物與DNA發生自堆積的外部鍵合。該研究將在生命科學、醫藥學、配位化學的研究中得到廣泛應用。
1．2基于DNA自組裝無酶循環放大猝滅化學發光法檢測核酸G-四鏈體DNA酶是一類具有催化功能的核酸分子，由于富含G的核酸分子可以在血紅素存在下，形成G-四鏈體的結構，表現出類似于辣根過氧化物酶的活性，可以催化H2O2氧化魯米諾產生化學發光。基于目標催化DNA自組裝，廣西師范大學的褚志丹等［5］基于G-四鏈體是富含鳥嘌呤堿基的DNA序列形成的一種特殊的DNA二級結構，當其與血紅素結合后，可顯示較強的過氧化物酶催化活性的事實，利用DNA自組裝、G-四鏈體的催化化學發光性能，構建了一種無酶循環放大猝滅化學發光生物傳感新體系，用于DNA檢測。該傳感系簡單、低耗、靈敏。該研究將在生命科學、醫學及生物學研究中得到廣泛應用。
1．3基于DNA鏈置換酶輔助信號放大G-四鏈體脫氧核酶DNAzyme催化化學發光檢測腺苷腺苷在各種生物組織和器官功能的生理活性調節中起著重要的作用。因此檢測生物體中腺苷含量意義重大。化學發光檢測具有靈敏度高、線性范圍寬、分析速度快等優點。廣西師范大學的李梅等［6］利用富含G堿基的DNA在血紅素和K+存在下，形成G-四鏈體結構并表現出過氧化物酶活性的特點，結合DNA鏈置換反應和核酸內切酶的置換反應，構建了一種基于DNA鏈體脫氧核酶DNA鏈置換反應和核酸內切酶輔助信號放大的G-四鏈體脫氧核酶(DNAzyme)的催化發光檢測腺苷的新方法。該方法靈敏度高、選擇性好、檢測限量為0．5μmol/L，用于人血清中腺苷的檢測效果良好。
1．4南海紅樹林真菌Fusariumsp．301次級代謝產物研究紅樹林生態系統是一種分布在熱帶、亞熱帶潮間帶具有海洋環境特有森林類型的木本植物群落，其特殊環境孕育出的紅樹林內生真菌是此生態系統的主要降解者，也是海洋真菌的第二大生態群落［7］。從1994年至今，國內外對海洋真菌次級代謝產物的研究表明，紅樹林內生真菌的次級代謝中含有極其豐富的結構新穎且在抗腫瘤、抗氧化、抗真菌、細菌等藥理方面表現出良好活性的化合物。海洋真菌活性代謝產物已經成為重要的新型藥物來源之一。為了尋找結構新穎且具有藥理活性的海洋真菌次級代謝產物，中山大學的方平等［8］對一株采自海口桐花樹的紅樹林內生菌Fusariumsp．301次級代謝產物，根據化合物的理化性質、采用正反相硅膠、凝膠柱層析法和高效液相色譜法對其次級代謝產物進行分離純化，通過波譜解析以及文獻數據對照的方法，分離得到并確定了5個鏈紅菌素類化合物的結構。該研究將在生命科學、生物學及醫藥學中得到廣泛應用。
1．5鹽酸氨溴索的電化學氧化作用鹽酸氨溴索(AMB)，trans-4-［(2-氨基-3，5-二溴芐基)氨基］環己醇鹽酸鹽，是治療呼吸系統疾病的一種特效藥物。它對活性自由基(ROS)有不同的清除能力，對羥基自由基(HO•)的清除能力強，對超氧陰離子(O2－)弱，對過氧化氫(H2O2)很少或沒有作用。因此研究AMB的氧化作用和過程對了解AMB的生化過程很有意義。為此西北大學的孫杰娟等［9］在酸性水溶液中，研究了鹽酸氨溴索(AMB)的伏安行為，參照取代苯胺的伏安特性，說明了AMB的氧化機理。該研究將在生命科學、醫藥學的研究中得到應用。
2現代有機及生物分析在有機物分析分離科學中的應用
2．1殼聚糖衍生化杯［4］芳烴鍵合硅膠固定相對八種單取代苯的分離及分析殼聚糖大分子中有活潑的羥基和氨基，具有較強的化學反應能力和生物相容性;杯芳烴的孔腔大小可調，構象和取代基可以人為控制。鄭州大學的盧靜等［10］利用二者的優點將其結合制備了一種新型固定相并對八種單取代苯進行了分離分析研究。他們的做法是采用自制殼聚糖衍生化杯［4］芳烴鍵合硅膠固定相(CBS4)，對8種單取代苯(苯胺、苯甲醛、苯酚、甲苯、氯苯、溴苯、碘苯、丁苯)進行了分離、熱力學、疏水作用的研究。實驗結果表明，8種單取代苯在CBS4上分離時間短，分離效果好，符合反相色譜機理;分析物的保留時間會隨柱溫的增加而減小;疏水作用在分離單取代苯時起著重要作用。該研究將在分析分離科學、環境科學、生物學中得到應用。
2．2Cu2+-羧甲司坦絡合物的光譜特征及其應用羧甲司坦為一種黏痰調節劑，用于治療支氣管炎、支氣管哮喘等疾病引起的痰液黏稠，咳出困難者，但用量過大會有醫療副作用。為此廣西大學的林瑜等［11］根據羧甲司坦分子結構特征，推測其分子應該具有與金屬離子絡合的條件。通過紫外可見分光光度法考察了羧甲司坦與各種金屬離子絡合的可能性。他們的研究發現，羧甲司坦與Cu2+可以形成穩定絡合物，該絡合物在237nm處有一個最大特征吸收峰。確定了絡合物的絡合比羧甲司坦Cu2+為2∶1，絡合物穩定常數為4．98×109，在237nm處絡合物的摩爾吸光系數最大為4．74×103L/(mol•cm)建立了基于Cu2+絡合的紫外分光光度法定量測定羧甲司坦的新方法。該方法簡單、快速、靈敏、準確，且成功的應用于藥廠的產品分析，結果與標量相符合。
3結束語
【關鍵詞】生物醫學工程普通化學課程教學改革
【中圖分類號】G【文獻標識碼】A
【文章編號】0450-9889（2012）10C-0135-02
一、生物醫學工程專業的特點
生物醫學工程旨在運用工程技術的原理和方法，研究和解決生物學和醫學問題的新興、邊緣、交叉學科。其主要任務是：從工程學角度研究、解釋生物體特別是人體的生理、病理變化過程。其主要研究方向包括：生物系統的建模與仿真、生物醫學信號的檢測與分析、生物醫學成像和圖像處理、電磁場生物效應、腦科學與認知、人工器官以及相關的醫療設備的研制等。生物醫學工程學是醫療衛生健康、保健性產業的重要基礎和動力，它所帶動的產業在國民經濟中占有重要地位，世界各國都在不斷加大對生物醫學工程的投入。經過本專業培養的學生，不僅應能夠在醫學中較熟練地運用電子技術、信息處理技術、計算機技術，而且還應具備生物科學理論基礎以及醫工結合的研究和實驗技能，以及醫療電子設備、醫學信息處理的初步開發、研究、應用、維護和管理能力。本專業畢業的學生擇業面寬，就業適應能力強。畢業生既可以在醫療儀器行業從事新產品的開發與應用，又可以在醫院醫學工程部門比如醫學儀器、醫學影像設備與技術，國家技術監督部門，以及其他電子技術、計算機技術、信息產業等部門從事研究、開發、維護與維修、教學及管理等方面的工作。此外，本專業的學生還可以進入生物醫學工程、電子信息工程、通信工程與技術、計算機應用技術等方向繼續深造。生物醫學工程專業培養要求知識方面：打好堅實的數學、化學、物理學、外語、計算機與信息科學和電子技術的基礎，掌握寬厚的生物醫學工程專業知識，具備寬廣而深遠的科技視野、強烈的求知欲望、事業心和創新意識。
二、普通化學課程及其教學的基本要求
（一）課程的地位、性質和任務
化學是在原子、分子層次上研究物質的組成、結構、性質及其變化規律的一門科學。在解決人類最關心的環境、材料、能源、醫藥保健、糧食增產、資源利用等問題中，化學科學處于中心地位。而普通化學則是化學的導言，它包含了現代化學的基本理論、基礎知識和基本技能，是現代大學生應該普遍掌握的自然科學基礎知識的重要部分，是高等院校非化學專業必修的一門重要的基礎課。通過本課程的學習，學生在一定程度上掌握一些必需的近代化學基本理論、基本知識和基本技能，并了解這些理論、知識和技能在生物醫學工程領域中的應用；培養學生具有應用化學觀點分析生活、生產中的一些簡單的化學問題的初步能力；為今后的專業學習和工作打下一定的化學知識基礎。
（二）課程教學的基本要求
通過對普通化學課程的學習，學生應掌握化學熱力學、化學動力學、化學平衡以及原子、分子結構等方面的基本理論和基礎知識；掌握一定的元素化合物的基本知識；掌握重要的有機化合物結構、性能以及一些重要的有機合成反應；掌握分析化學基本原理和一些重要的化學、儀器分析方法；并了解化學在生物醫學、環境保護、新材料的研究與應用、能源開發與利用以及生命科學研究等領域的作用，為生物醫學工程專業課程打下化學理論基礎。
三、普通化學教學改革的具體措施
（一）修改教學大綱
應根據生物醫學工程專業的培養方案，修改普通化學的教學大綱，并將本課程分為理論教學和實驗教學。理論課時為32學時，實驗課時為16學時。首先從普通化學課程的地位、性質和任務來定位。普通化學則是化學的導言，它包含現代化學的基本理論、基礎知識和基本技能，使學生掌握化學熱力學、化學動力學、化學平衡；掌握一定的元素化合物的基本知識；掌握重要的有機化合物結構、性能以及一些重要的有機合成反應；掌握分析化學基本原理和一些重要的化學、儀器分析方法；并了解化學在生物醫學以及生命科學研究等領域的作用，為生物醫學工程專業課程打下化學理論基礎。
為了培養學生的動手能力，應讓學生熟悉化學實驗及實驗室的基本規則；培養學生認真觀察實驗現象、正確記錄和實驗數據的習慣；了解常用化學儀器的性能、使用和維護方法。同時，應培養學生正確處理實驗數據，正確書寫實驗報告的能力；促使學生逐漸養成嚴謹的科學態度、實事求是的實驗習慣和工作作風，并初步具有獨立思考、獨立設計實驗、獨立進行實驗以及獨立分析、綜合問題的能力，從而為后續課程的學習和進一步的科學研究打下基礎。主要實驗項目如下：玻璃工操作實驗（2學時）；離解平衡與沉淀一溶解平衡（2學時）；銅、鋅、銀、鎘及其離子的鑒定（2學時）；烴的性質和鑒定（2學時）；粗鹽的提純（4學時）。
值得注意的是，理論教學大綱和實驗教學大綱的修訂，應體現專業特色明確、重點突出、思路清晰的教學思路。
（二）探索新的教學方法
1.理論聯系實際。普通化學是非化學化工類專業學生開設的一門基礎化學課，主要介紹化學學科基本情況，化學各個分支對社會發展的作用，化學學科的發展現狀、發展趨勢，化學與其他自然科學、工程技術學科的關系。因此，普通化學課程知識點多、內容復雜、概念跨度大，需要與學生所學專業及實際情況有機結合起來。然而，在教學實踐中，本課程的教學課時不足，教學過程中，化學理論和化學與專業結合選擇是，教師往往容易顧此失彼，使化學教學演變成一堆化學名詞和專業術語的堆積，枯燥乏味。同時，學生重視度不夠、學習興趣不濃。但是化學知識在各種領域中不斷滲透，在日常社會生活中起著越來越重要的作用。面對實際問題，針對生物醫學工程專業特點，在教學過程中，教師可首先和學生進行討論，解決如下問題：（1）學習的原動力。（2）學習的方法和習慣；告訴大學課程內容多，上課進度快、信息量大，并且輔導課和習題課少，要掌握好學習方法；設計了從實驗現象一引發思考一理論內容一實驗內容一在線測試的教學路線。（3）學習精神，只有更加刻苦才有可能適應大學階段的學習。通過討論和示范，激發學生的學習興趣，以求達到最佳教學效果。
將普通化學中基礎部分的講授與中學化學教學良好接軌，在上課時首先回顧一下中學化學相關知識點，再引入新的知識點。在講例題的采用為“先示例、后解析”的方式。上實驗課，采用實驗前提問和預習，代替實驗課先講實驗原理和步驟的方式，要求、鼓勵學生預習和思考。在指導實驗時，及時發現問題，引導學生深入思考。建議學校平時適當開放實驗室，為對化學感興趣的學生提供實際操作平臺。鼓勵學生根據個人興趣參加項目創新活動，和指導教師一起選題，查閱文獻，學習相關知識，進行科研活動。當然，也可結合其他課外科技活動展開教學。
2引入實例。在實際的教學過程中，針對生物醫學工程專業特點，可適當引入生活和專業應用中的具體實施例。課堂講授時，利用具體實例，引入每一章節內容，再將每一章節的重點、難點內容在學生深入挖掘的基礎上，將內容分解成若干小問題或將若干相關小問題合并起來，指導學生聯想、討論思考、聯想歸納、比較總結本課程的目標是系統講授化學基本理論和知識，加強基礎，提煉基本，按需拓寬，注重實踐性和應用性。
在講到酸堿時，可把知識點延伸，把電子舌知識和酸堿性結合起來。電子舌測量酸味時就是利用酸性，檢測出酸的濃度，也就是將酸的濃度通過化學傳感器轉化為可檢測的信號，信號的強弱就能反映酸的濃度。同樣，電子舌檢測其他味覺，就是將其味覺物質，通過化學傳感器轉化為可檢測的信號，通過信號的強弱來反映味覺物質的含量，進一步體現味道的內涵。
可引入直觀形象的化學反應動畫效果，加強學生對反應機理和抽象概念的理解；同時，可采用動態圖表，充分發揮各類圖形的優勢。
3.突出重點，擴大信息量。根據培養方案和生物醫學工程專業的特點，可將下列內容列為普通化學的教學重點和難點：熱力學的基本概念；蓋斯定律和標準生成焓、標準熵、標準吉布斯自由能計算方法；化學反應自發進行的判劇；化學平衡常數、化學平衡移動的規律及有關計算；分散體系的概念及分類；溶液的依數性；膠體分散體系的性質及結構；弱酸、弱堿解離平衡；溶度積規則和溶解平衡；電極電勢的概念；用電極電勢的數據判斷氧化劑和還原劑的相對強弱及氧化還原反應自發進行的方向和程度；配位體的相關概念及命名規則；核外電子運動的特殊性；四個量子數的取值及物理意義。教學難點為：化學反應等溫方程式的應用；相似相溶液原理；能斯特方程式的應用；吉布斯自由能變、原電池電動勢、氧化還原反應平衡常數的關系。根據重點和難點，可采取理論講解、PPT、板書和學生互動相結合的教學模式，講解后再讓學生來回答問題，加深學生對重點知識點的印象與理解，在原有知識點的基礎上擴大信息量。
【關鍵詞】：滲透 物理 化學 同位素示蹤法 光學知識
自然界是一個相互聯系的、統一的有機整體，生物學與物理、化學、數學等各門學科之間也是相互聯系、縱橫貫通的。因此必須加強學科間的橫向聯系，這樣有利于打破因單學科教學而造成的知識、思想的禁錮，解決多學科之間交叉滲透的一些問題.現代生物學研究需要大量運用物理、化學等學科的知識和方法。因此，教師在生物教學中，要加強學生生物學科與其他學科，特別是理化學科之間的聯系。培養學生的綜合能力，有利于高素質人才的培養。
一、生物與化學的滲透
高中生物內容與化學有著高度的雙向滲透性（在大學中甚至就有一門生化學科）。在教材中，幾乎每一章都滲透著化學知識，一些生物學的實驗現象、實驗原理都是建立在一定的化學知識上。這些知識是理解生命現象的基礎。但是由于高中生物教材與化學教材知識點存在脫節。對于高一學生而言，高中生物最初一段時間所學的知識如：蛋白質、多肽、氨基酸及肽鍵的分子結構等知識都難以理解及記憶。因此我上高一課的時候，對一些化學知識進行適當的解釋、補充。并且安慰學生生物學在開始時較難理解與記憶，萬事開頭難吧。以后的知識點好學多了，以防止學生一開始就失去學生物的信心和興趣。與化學知識的聯系滲透的例子主要有：
1.生物組織中的還原糖、蛋白質和脂肪的鑒定原理與化學知識。
在化學學科中學過、做過許多物質的鑒定實驗，其原理大多是利用被鑒定的物質與所用的化學試劑發生顏色反應，或者產生沉淀。我們生物學上物質鑒定也利用此原理：如某些化學試劑能夠使生物組織（如花生的子葉）的某些有機化合物產生特定的顏色反應。
例如：①可溶性還原糖+ 斐林試劑（水浴加熱）磚紅色沉淀。
②脂肪 + 蘇丹Ⅲ染液（顯微鏡觀察）橘黃色。
③蛋白質 + 雙縮脲試劑（要先加NaOH 溶液創造堿性環境再加CuSO4 溶液）紫色反應。
高一學生對什么是還原糖、蛋白質和脂肪還不是很了解，因此先通過直觀的實驗培養他們學習生物的興趣。了解生物學是一門實驗的科學。
2.蛋白質、核酸、糖類和脂質的結構、性質與化學知識。
還是由于高中生物教材與化學教材知識存在脫節，高一學生有機化學還沒有學習。因此許多學生對氨基酸、核苷酸和多肽等結構難以理解。教師除要把有關知識講透，還是要讓學生了解教材知識的脫節問題，以提振學生的信心。
3.同位素示蹤法在生物科學中的應用與滲透。
高一學生對放射性同位素的概念還不了解，應適當加以介紹：同位素示蹤劑對研究對象進行標記， 可以利用放射性探測技術來跟蹤，判斷放射性原子通過什么路徑，運動到哪里去，以及分布情況等。用于示蹤技術的同位素一般是構成細胞化合物的重要元素。例如3H、15N、18O、32P和35S等。在生物科學的許多實驗中廣泛使用。如：
①分泌蛋白在細胞中合成部位及運輸方向。科學家用3H標記的亮氨酸注射豚鼠的胰臟腺泡細胞中，觀察放射性同位素的轉移情況。從而得到是按照：內質網高爾基體細胞膜的方向運輸的。
②光合作用中氧氣的來源。1939年，魯賓和卡門研究光合作用中釋放的氧到底是來自于水，還是來自于二氧化碳。他們用氧的同位素18O標記H218O和C18O2，做兩組光合作用的實驗，最終證明了光合作用中釋放的氧全部來自水。
③ 噬菌體侵染細菌的實驗。1952年赫爾希和蔡斯用被35S（只標記蛋白質）和32P（只標記DNA）標記的噬菌體分別去侵染未標記的細菌，然后測定子代噬菌體中含放射性同位素的情況，而得到DNA是遺傳物質。
此外，在研究光合作用的暗反應（卡爾文循環）、DNA分子半保留復制的確認及胚胎發育的過程等方面也運用到此化學知識。
二、與物理學的滲透
高中生物內容與物理也有著高度的雙向滲透性，在《普通高中生物課程標準》所列的具體內容標準中，許多都涉及物理學知識。例如，“使用顯微鏡觀察有絲分裂的細胞”應用了光學知識；在 “葉綠體色素的提取和分離”實驗中也涉及光譜的知識；而“神經沖動的產生和傳導”則要物理學上的關于電勢差的內容。當然，在各個版本教材中，還可能涉及其他的物理學知識。這些物理學的知識對于學生學習生物有著重要的促進作用。下面對涉及到的主要物理學知識做一簡介。
1.與光學的聯系：
①光學知識和顯微鏡
顯微鏡是生物實驗常用的儀器之一。在初中階段，學生已經使用過顯微鏡，并在生物和物理教材中，對顯微鏡的結構和原理做了簡單的描述。在高中階段，進一步要求學生使用高倍顯微鏡來觀察各種細胞及結構。（如：花生子葉中脂肪的檢測和觀察、觀察有絲分裂的細胞等實驗）。 而顯微鏡的工作原理就涉及到物理學知識。可以給有興趣的同學提供有關材料或進行講座。
②光學知識和色素
必修第一冊課本P100的例題：海洋中的藻類植物習慣上依其顏色分為綠藻、褐藻（如：海帶）和紅藻（如：紫菜），它們在海水中的垂直分布依次是淺、中、深，這與光能的捕獲有什么關系？要解釋好本題就得讓學生先了解有關光學的知識。
在光合作用“葉綠體色素的提取和分離”中也涉及到光譜的知識；在光合作用的研究史上，美國科學家恩吉爾曼的實驗就是利用光通過棱鏡時的色散，得到葉綠素主要吸收紅光和藍紫光。
③ X射線衍射圖和DNA雙螺旋結構的提出
必修二在介紹DNA雙螺旋結構模型的提出時，出示一張富蘭克林使用X射線拍的DNA分子的衍射圖，但對這張照片是如何獲得、什么意思則沒有做說明。如果要了解這張圖，就需要物理學上，關于光的衍射的知識。其實從1951年開始，富蘭克林、威爾金斯就研究DNA對X射線的衍射，獲得了一系列DNA的X射線衍射圖譜，沃森和克里克則是根據這些圖譜、數據提出了DNA的雙螺旋結構模型。從而奠定了現代分子生物學發展的基礎，開辟了生命科學的新紀元。
當然在生物教材中還有許多與物理學的滲透點。利用物理因素（X射線、紫外線）提高了基因的突變率；有氧呼吸、無氧呼吸的能量轉換效率要聯系的熱力學第二定律等等。
正因為生物科學與物理、化學等多學科知識的高度雙向滲透，高中生物教材中，幾乎每一章都滲透著物理、化學的知識，這些知識又是理解生命現象的基礎。因此要讓學生形成各學科間融會貫通的知識體系；培養和提高學生綜合運用知識的能力和創造力，從而造就高素質的人才。
參考文獻
關鍵詞：原子力顯微鏡 探針 RNA聚合酶 分子間相互作用
一、原子力顯微鏡（AFM）簡介
原子力顯微鏡（AFM）有兩種類型：接觸式和非接觸式，分別基于排斥作用和吸引作用。原子力顯微鏡（AFM）試驗中，探針尖端近似為顯微球，則針尖與樣品表面間的作用力為：F（Z）=2πR0B/3Z3其中Z為針尖與樣品之間的距離，R0為近似顯微球針尖的半徑，B為一個與物體介電常數有特殊關系的常量。原子力顯微鏡（AFM）探針安裝在一個靈活的懸臂上，激光二極管發出的一束激光經懸臂反射后，打在一個分裂式光電二極管上，當探針在樣品表面掃描時，由于樣品表面原子結構起伏不平，懸臂也就隨之起伏，于是激光束的反射也就起伏。光電二極管將其接收、放大，即可獲得樣品表面凹凸信息的原子結構圖像。原子量級的表面形態記錄是原子力顯微鏡（AFM）特有的性能。
二、原子力顯微鏡（AFM）的技術特點
原子力顯微鏡（AFM）本身的優勢是其在生物學中得以迅速發展的主要原因。首先，原子力顯微鏡（AFM）技術的樣品制備簡單，無需對樣品進行特殊處理，因此，其破壞性較其它生物學常用技術（如電子顯微鏡）要小得多；第二，原子力顯微鏡（AFM）能在多種環境（包括空氣、液體和真空）中運作，生物分子可在生理條件下直接成像，也可對活細胞進行實時動態觀察；第三，原子力顯微鏡（AFM）能提供生物分子和生物表面的分子/亞分子分辨率的三維圖像；第四，原子力顯微鏡（AFM）能以納米尺度的分辨率觀察局部的電荷密度和物理特性，測量分子間（如受體和配體）的相互作用力；第五，原子力顯微鏡（AFM）能對單個生物分子進行操縱；另外，由原子力顯微鏡（AFM）獲得的信息還能與其它的分析技術和顯微鏡技術互補。
原子力顯微鏡（AFM）還具有對標本的分子或原子進行加工的能力，例如，可搬移原子，切割染色體，在細胞膜上打孔等等。綜上所述，原子級的高分辨率、觀察活的生命樣品和加工樣品的力行為成就了原子力顯微鏡的三大特點。
三、使用原子力顯微鏡（AFM）研究生化過程
原子力顯微鏡（AFM）能對轉錄的過程進行實時觀察，在加入核苷酸后，沉積到云母上的延長復合物沿著DNA模板單向移動。兩個對照實驗證實RNAP與DNA的相對移動與轉錄的實際情況相符。通過PAGE對反應產物進行分析，結果顯示與云母結合的復合物具有活性，而且轉錄的速度與用原子力顯微鏡（AFM）測得的近似生物分子的構象改變也是原子力顯微鏡（AFM）的重要觀察內容。將尿素酶沉積到云母上并用原子力顯微鏡（AFM）掃描，在液池中加入尿素后發現，懸臂的垂直波動明顯增加，這提示由酶活動引起的構象改變能直接通過原子力顯微鏡（AFM）記錄下來。
原子力顯微鏡（AFM）在研究分子識別中的應用分子間的相互作用在生物學領域中相當普遍，例如受體和配體的結合，抗原和抗體的結合，信息傳遞分子間的結合等，是生物體中信息傳遞的基礎。原子力顯微鏡（AFM）可作為一種力傳感器來研究分子間的相互作用。生物素（biotin）和抗生物素蛋白鏈菌素（streptavidin）間有高親和力，其相互作用的熱力學數據也較為清楚。因而，生物素和抗生物素蛋白鏈菌素是原子力顯微鏡（AFM）測定特異相互作用力的良好典型。
原子力顯微鏡（AFM）在物質超微結構研究中的應用： 原子力顯微鏡（AFM）可以直接觀察到表面缺陷、表面重構、 表面吸附體的形態和位置、以及有表面吸附體引起的表面重構等。原子力顯微鏡（AFM）可以觀察許多不同材料的原子級平坦結構，例如，可以用原子力顯微鏡（AFM）對DL-亮氨酸晶體進行研究，可觀察到表面晶體分子的有序排列，其晶格間距與X射線衍射數據相符。已有文獻報道了關于采用原子力顯微鏡（AFM）對APA薄膜的表面結構進行研究的內容，發現了APA表面的特殊結構，從而揭示了APA表面超微結構對半滲透性的重要意義。目前，利用原子力顯微鏡（AFM）已獲得了DNA、透析薄膜、烷烴分子、脂肪酸薄膜以及多糖等的超微結構的圖象。
四、原子力顯微鏡（AFM）在細胞檢測的應用
應用原子力顯微鏡（AFM）可研究活細胞或固定細胞如紅細胞、白細胞、細菌、血小板、心肌細胞、活腎上皮細胞及神經膠質細胞的動態行為。原子力顯微鏡（AFM）對體外動態細胞的分析具有非凡的能力。這些研究大都把樣品直接放置在玻片上，不需要染色和固定，樣品制備和操作環境相當簡單。用免疫膠體金標記細胞膜則打開了細胞表面抗原高分辨定位之門。原子力顯微鏡（AFM）細胞成像如：用原子力顯微鏡（AFM）研究活腎上皮細胞，可在漿膜小斑上以50nm的分辨率觀察細胞骨架元素、漿膜淺凹和膜結合絲。用原子力顯微鏡（AFM）觀察血小板的運動，可看到微絲結構、顆粒傳輸到細胞質外側及活化中細胞成份的再分配。游走上皮細胞的漿膜可用原子力顯微鏡（AFM）實時成像。
五、應用前景
原子力顯微鏡（AFM）現已成為一種獲得樣品表面結構高分辨率圖像的有力工具。而更為吸引人的是其觀察生化反應過程及生物分子構象變化的能力。因此，原子力顯微鏡（AFM）在生物學領域中的應用前景毋庸置疑。而對于原子力顯微鏡（AFM）技術本身，以下幾個方面的進展將更加有利于它在生物學中的應用。大多數生物反應過程相當快速，原子力顯微鏡（AFM）時間分辨率的提高有助于這些過程的觀察。高分辨率是原子力顯微鏡的優勢。其分辨率在理論上能達到原子水平，但目前還沒有實現，如何作出更細的針尖將有助于其分辨率的進一步提高。而隨著樣品制備技術的完善，原子力顯微鏡（AFM）必將成為生物學領域中一種常規的研究工具。
參考文獻：
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關鍵詞：生態化學計量學；概念；歷史；進展
收稿日期：2011-06-16
作者簡介：王振興（1984―），男，黑龍江齊齊哈爾人，福建師范大學生命科學學院碩士研究生。
中圖分類號：F590文獻標識碼：A文章編號：1674-9944（2011）07-0195-02
1生態化學計量學概念
生態化學計量學（ecological stoichiometry）結合了生物學、化學和物理學等基本原理,包括了生態學和化學計量學的基本原理,考慮了熱力學第一定律、生物進化的自然選擇原理和分子生物學中心法則的理論,是研究生物系統能量平衡和多重化學元素（主要是碳、氮、磷）平衡的科學,以及元素平衡對生態交互作用影響的一種理論,這一研究領域使得生物學科不同層次（分子、細胞、有機體、種群、生態系統和全球尺度）的研究理論能夠有機地統一起來［1］。
2生態化學計量學小史
1862年李比希提出的最小因子定律（Liebig's law of the minimum）,這個理論認為低于某種生物需要的最少量的任何特定因子,是決定該種生物生存和分布的根本因素。這個定律闡述的精華就是生物體中元素的組成平衡對于生物體生長是非常重要的。李比希認為化學在動物和植物生理學研究中具有不可替代的地位,許多生命有機體對于貧瘠環境的適應的研究以此為基礎產開,大量證據表明,限制性元素的含量不同會影響有機體元素的組成。
1925年,Lotka首先將物理-化學系統熱力學定律與生物世界相聯系起來,著成了《物理生物學的基礎》（Elements of Physical Biology） 一書,提出了一個重要的模型s捕食者-獵物相互作用模型,這個模型定量闡述了生物之間的相互作用關系。許多生態學基礎理論由于他的思想的影響得到了廣泛的完善和發展。1958年,哈佛大學的A.Redfiel首次提出了Redfield比率:海洋浮游生物的C、N、P有特定的組成,摩爾比為106:16:1,后人認為這個比率不是不變的,而是受海洋環境和生物相互作用的調節。這個假設的提出極大發展了海洋生物地球化學研究。
1986年Reiners 集合前人的研究結果,提出了化學計量學理論在生態學中的應用,并且結合化學計量學理論提出了生態學研究的理論模型。
自Reiners提出生態化學計量學,拉開了化學計量學在生態學中應用的序幕,科學家們在20多年的時間內取得了矚目的成績。研究結果顯示,不僅群落結構與動態、物種共生、營養級動態、生物的養分限制受生態化學計量學的影響,生態系統養分循環與供求平衡和全球生物地球化學循環等關系也受生態化學計量學的制約。因此,生態化學計量學成了探索從個體到生態系統的統一化的一個重要理論,成為連接分子、細胞、種群、群落和生態系統等不同尺度生物學研究的新工具,為研究營養級動態、生物多樣性和生物地球化學循環提供了嶄新的視點［2］。
生態化學計量學近年來在國內發展較快。最近的研究不僅包括了不同生態系統類型之間不同演替階段植物之間生態化學計量特征的差異,還包括了植物葉片生態化學計量學特征的季節變化,以及植物葉片和細根不同器官之間計量特征的關聯［3］。
3生態化學計量學在我國的研究進展
3.1不同生態系統類型之間
自從生態化學計量學被作為生態系統研究的一個重要補充理論,已經在需多個方面得到了應用,比如種群動態、森林演替和碳循環。盡管我國在這方面的研究起步較國外玩,但是也在東部南北樣帶、草地生態系統及全國水平的陸地生態系統做了大尺度的研究。2004年,McGroddy等總結了世界范圍內森林生態系統的葉片和凋落物的生態化學計量學特征,發現了不同生物群（溫帶闊葉林、溫帶針葉林和熱帶森林）具有不同的生態化學計量學特征,但有關同一區域不同森林類型間的生態化學計量學研究還未曾報道,于是吳統貴［4］以珠江三角洲3種典型森林類型（常綠闊葉林、針闊混交林和針葉林）為研究對象,分析了各類型優勢喬木葉片C、N、P化學計量特征。閆恩榮［5］以浙江天童常綠闊葉林、常綠針葉林和落葉闊葉林為對象,通過對葉片和凋落物C:N:P比率與N、P重吸收的研究,揭示3種植被類型N、P養分限制和N、P重吸收的內在聯系。
3.2不同演替階段之間
2004年,Wardle等研究發現,如果沒有災難性的干擾,當森林生態系統演替到后期時,生產力經常會呈現下降的趨勢,而且新鮮的凋落物和腐殖質中氮磷比增加,這說明隨著演替進行,森林生態系統受到磷的限制。我國南亞熱帶森林分布在低緯度地區,是氮限制的區域,而這個地區由于工業化,城市化的迅速發展,存在高氮沉降的現象,所以植被和土壤中氮、磷狀況及其比值特點就需要進一步深入研究。劉興詔［6］選擇南亞熱帶森林演替過程3個階段（初期、中期和后期）的典型森林生態系統為研究對象,在測定植物與土壤中全氮,全磷含量的基礎上,揭示了該地區的森林演替過程中植物與土壤的氮磷化學計量特征。
3.3不同季節變化之間
已有研究表明植物葉片的養分含量隨季節而變化。在新葉中N和P隨著生長季節的變化而變化,通過研究葉片養分含量季節變化,可以估算葉片養分的轉移,植物葉片在凋落前將養分轉移到生長組織中,降低了因為葉片凋落而引起的養分損失,提高了植物對養分的利用效率,這是植物保存養分的一個重要途徑,可以減少植物對土壤養分的過分依賴。由于N和P是植物生長的重要限制元素,所以N、P在樹木體內的轉移受到普遍的重視。雖然對葉片養分含量季節變化以多有研究,但進行分析時多是以濃度為基礎。當葉片成熟時,干重會增加,因為纖維素和木質素增加了。以干重的百分比來表示養分,那么碳在成熟葉中的積累以及在老葉中的減少將使養分含量的計算產生偏差。因為葉片充分展開后的大小形狀變化不大,所以單位葉面積的養分含量變化可以客觀地反映養分轉移,基于此,薛立［7］對日本中部10 種樹木葉片中氮和磷的季節變化及其轉移做了研究,更加精確的揭示了植物葉片的養分含量的季節變化規律。
3.4植物葉片和不同器官之間
理解物種性狀演化的一個關鍵是查明植物葉片和不同器官之間計量特征的聯系,闡明不同器官結構和功能屬性的關系,這對于確定控制功能性狀的內在機制以及性狀間的比例關系是非常有益的,許多全球生態系統機理模型將因此得到重大改進,周鵬等對調查研究了植物葉片和細根不同器官之間計量特征的關聯,以此來探索溫帶草地草本植物各功能性狀在不同器官內是否具有一致的關系；這些性狀在不同器官間是否存在一致的相關關系。
4結語
盡管葉片生態化學計量學研究涉及到了植物生態學的多個尺度,但是各個尺度上的生態化學計量學研究并未同步展開。已有的研究顯示我國的生態化學計量學特征與全球尺度的生態化學計量學特征有所不同,但是,目前針對生態系統的生態化學計量學的研究,主要是針對植物個體水平和物種水平的研究調查,對于群落水平的研究報道尤為罕見,植物在群落水平和個體水平生態化學計量學特征是否相似,目前還是個未知數,這一問題關系到能否將不同植物個體的特征和生理生態功能與群落以及生態系統的結構、動態相連接,統一各個尺度的相關問題,綜合理解群落乃至生態系統水平的化學計量學特征以及相關功能。楊闊［8］等就探討了群落水平的化學計量學特征及隨環境的變化,這必將是以后研究的一個重要方向。
參考文獻：
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［8］ 楊闊,黃建輝,董丹,等.青藏高原草地植物群落冠層葉片氮磷化學計量學分析［J］.植物生態學報，2010（1）:17～22.
Research Advances and Prospect of Ecological Stoichiometry in China
Wang Zhenxing
（College of Life Sciences,Fujian Normal University,Fujian,Fuzhou 350108,China）
[關鍵詞] 中醫藥基礎理論；經絡臟腑；臟象；中藥藥性；超分子；化學；物質基礎；方證關聯；中藥；中藥復方；氣析；中醫藥現代化
[收稿日期] 2013-06-09
[基金項目] 國家自然科學基金項目（81073142，81173558，81270055）；國家博士點基金項目（20124323110002）；湖南省自然基金重點項目（11JJ2055）；湖南省教育廳十二五藥學重點學科項目
[通信作者] 賀福元，教授，博士生導師，主要從事中藥藥理學、中藥藥劑學、中醫藥超分子機制及數理特征化研究工作，Tel：（0731）5381372，E-mail：
超分子化學（supramolecular chemistry）根源于配位化學，有人稱之為廣義配位化學（generalized coordination chemistry），是30多年來迅猛發展起來的一門交叉學科，它與材料科學、信息科學、生命科學等學科緊密相關，是當代最前沿的化學研究領域之一。這個領域起源于堿金屬陽離子被天然和人工合成的大環和多環配體，即冠醚和穴醚的選擇性結合。1967年C J Pederson報道了冠醚配位性能的發現，揭開了超分子化學發展的序幕。1973年，D J Cram基于在大環配體與金屬或有機分子絡合化學方面的研究，提出了以配體（受體）為主體，以絡合物（底物）為客體的主客體化學。超分子化學概念和術語是1978年J M lehn模擬蛋白質螺旋結構自組裝體的研究內容而引進的，在一定程度上超越了大環與主客體化學而進入了所謂“分子工程”領域，即在分子水平上制造有一定結構的分子聚集體而起到一定的特殊性質的工程，并進一步提出了超分子化學即“超越分子的化學”的概念。“基于共價鍵存在著分子化學領域，基于分子組裝體和分子間鍵而存在著超分子化學”是對分子與超分子化學的中肯詮釋。自從1987年Pederson，Cram和Lehn因為對超分子化學領域的杰出貢獻而獲得該年度的諾貝爾化學獎以來，超分子化學便蜚聲世界，受到了科學界和大眾的廣泛關注[1]。
分子化學是原子之間通過化學鍵作用形成分子，是以分子為研究對象的化學，可稱為特征化學；而超分子化學是以多種弱相互作用力而非化學鍵為基礎，是由多個分子通過這種弱的分子間非共價鍵的相互作用為研究對象的化學，和原子間由化學鍵作用而形成分子的化學不同，超分子化學是研究分子間相互作用的科學，也可以稱為表觀化學[2-3]。
超分子化合物是由主體分子和一個或多個客體分子之間通過非共價鍵作用而形成的復雜而有組織的化學體系。主體通常是富電子的分子，可以作為電子給體，如堿、陰離子、親核體等；客體是缺電子的分子，可作為電子受體，如酸、陽離子、親電體等。超分子體系中主體和客體之間不是經典的配位鍵，而是分子間的弱相互作用，即氫鍵、主客體作用、靜電作用、π-π堆積作用等，其鍵能大約為共價鍵的5%～10%，且具有累加性，但形成的基礎是相同的，都是分子間的協同和空間的互補，因此可以認為，超分子化學是配位化學概念的擴展。
中醫藥基礎理論是中華民族幾千年同疾病臨床斗爭的結晶，其正確性與科學性不容置疑。眾所周知，中醫藥理論是建立在對人體有序的多分子群作用基礎上的宏觀規律表征，長期以來大家多是從宏觀方面尋找解決問題的線索，對于能否從微觀物質基礎層面找到詮釋物質基礎多持否認的態度，并且認為這是中醫藥理論區別于西醫的固有特點，這些觀點容易強化“中醫藥不存在微觀物質屬性”的觀點。這主要有2個原因，一是中醫藥長期的宏觀思維阻礙了以體現中醫藥理論為核心的微觀物質的尋找，從思想上固執地認為找不到，也不想怎么找到，這多體現在中醫藥院校的人才思維之中；二是長期尋找無果，由于對現代非醫學科學缺乏系統而精心的學習，沒有找準現代非醫學科學理論，只牽強附會地將中醫藥理論與現代科學湊合，多借助現代科學儀器設備從“靜態”的角度進行人體觀察，卻試圖找到能反映宏觀“動態”中醫藥理論的微觀物質基礎，其結果注定要失敗，這多體現在非中醫藥院校的人才思維之中。由于中醫藥理論的微觀物質運行規律長期不明，累遭非中醫人士的詬病，因此能否從微觀層面找到中醫藥理論化學作用的本質規律是能否詮釋中醫藥理論并為現代社會所接受（所謂的中醫藥現代化）的關鍵，長期縈繞在作者心頭。近年作者在研究網絡藥理學的成分群與網絡靶點的作用規律、在研究中藥“穴藥”法歸經理論、在研究單成分的構效關系時，首次接觸到了超分子化學，發現兩者有天然淵源關系，這種大小分子群間作用的印跡模板（鑰匙）關系理論正是整合人體“海洋般”分子群相互作用而表現出的宏觀規律，闡述中醫藥理論的“不二法門”理論。因此，本文先從超分子化學的研究現狀入手，然后與中醫的經絡臟腑理論與中藥藥性理論結合，剖析人體大小分子群作用的超分子運行規律，證明能從微觀物質作用規律層面上勾畫出中醫藥基礎理論，據此可提出中醫藥基礎理論微觀與宏觀現代化的途徑與框架圖。
1 超分子化學的研究現狀
1.1 超分子化學研究的3個階段
超分子化學研究經過了主客體化學、分子識別化學和自組裝化學3個發展階段。主客體化學是以主體洞穴包裹客體小分子而形成超分子，為超分子研究的起初階段，只追求特異的非化學鍵組成的超分子特異性結構；分子識別化學與醫學有歷史淵源，早源于免疫學的抗體與抗原識別化學，抗體依抗原表面決定簇識別而合成抗體，兩者結合可形成巨大的超分子；自組裝化學是基于既有氫鍵供體又有氫鍵受體的易形成氫鍵的分子，或基于既有電子供體又有電子受體的易形成傳荷絡合物分子，當這種分子以特定的結構存在時會自組裝成高分子聚合物。當然，這3個過程不是嚴格的順承關系，而是相互滲透和相互關聯的。例如，在模擬細胞膜的研究中，超分子化學家就同時運用了主客體化學和超分子自組裝化學的知識和手段。荷蘭的Reinhoudt率先提出了分子印刷板（molecular-printboard）的新概念[4]，即將修飾有主體分子（自組裝單分子層）的表面作為分子印刷板。這種富集了大量主體分子的表面像自然界的細胞膜一樣具有表面識別位點，在這種表面上，客體分子通過超分子相互作用可以有效定位。由超分子化學研究的3個階段可知，其理論將對中醫藥基礎理論的解釋將會產生重大而深遠的影響。
1.2 超分子中的主要主體化合物
超分子的主體化合物是指構成超分子印跡孔穴（通道）的化合物，其中潛在特異的可結合的模板分子，兩者為鑰鎖關系。在超分子化學的發展過程中，越來越多的主體分子被發現或者合成，目前經典的超分子化學中的主體化合物如下。
1.2.1 冠醚配合物 這是最早發現和研究的化學超分子物質。冠醚一般是具有（CH2CH2X）重復結構單元的大環化合物，其中X代表雜原子。從環上所含雜原子來看，冠醚化學己從最初的全氧冠醚發展到硫、硒、氮、磷、砷、硅、鍺和錫等雜冠醚。冠醚化合物都具有確定的大環結構，不像一般非環配體那樣，只是在形成金屬配合物時才形成環[5]。
1.2.2 環糊精和環糊精包合物 環糊精（cyclodextrin，CD）也稱作環聚葡萄糖，是由若干D-吡喃葡萄糖單元環狀排列而成的一組低聚糖的總稱。它具有圓筒狀疏水性內腔和親水性外沿，與柔性的開鏈類似物相比具有特別的物理和化學性質。Villiers于1891年通過用酶降解淀粉發現了環糊精并分離出來，1904年Scharidinerge表征它們為環狀低聚糖，1938年Freudenberg等把它們描述成吡喃葡萄糖單元通過α-1，4-糖苷鍵連接構成的大環化合物。迄今為止，己有不少專著與若干長篇綜述、多于1 400個以上的專利和數以千計的文章描述環糊精及其包合物的結構、性質和應用。在藥劑學上已有廣泛的應用，多采用β-環糊精。含有環糊精結構的自組裝體己經被應用到分子識別[6]、藥物輸運[7]、超分子凝膠[8]和微反應器等領域。我國著名化學家徐光憲院士曾經特別指出環糊精超分子科學是21世紀化學領域11個突破口之一[9]。
1.2.3 杯芳烴 杯芳烴是一類對位烷基苯酚通過亞甲基在酚羥基鄰位連接而構成的一類大環化合物，是酚醛樹脂縮合的環狀化合物。最有代表性的是20世紀40年代Zinke等用對叔丁基苯酚和甲醛在氫氧化鈉存在下加熱得到的由對叔丁基苯酚結構單元和亞甲基交替連接的四聚體。該化合物的分子模型表明它的形狀像一個杯子或花瓶，故稱之為杯芳烴。在杯芳烴p-tert-butylcalix（n）-arene的杯狀結構底部緊密而有規律地排列著n個酚羥基，而杯狀結構的上部具有疏水性的空穴。前者鰲合和輸送陽離子，后者則能與中性分子形成配合物。由于杯芳烴的這種獨特的結構，離子和中性分子均可作為其形成配合物的客體。
1.2.4 瓜環 瓜環是一類由n個甘脲單元和 2n個亞甲基橋聯起來的大環化合物，具有剛性疏水性穴腔及親水性端口的特殊結構，與客體作用后有可能改變客體物質的理化性質，使得瓜環成為超分子化學的重要主體之一。瓜環作為一種潛在的藥物運轉、緩釋或控釋載體，藥物與瓜環作用后，可顯著地改變藥物性質。瓜環是繼冠醚、環糊精和杯芳烴等大環化合物之后的一類新型大環化合物[10-11]。
1.2.5 其他類型的大環化合物 ①葫蘆脲：由尿素、乙二醛和甲醛之間的簡單反應獲得的大環化合物[12]。葫蘆脲與環糊精或其他大環化合物相比，其另一特征是具有更加剛性的結構；②卟啉和酞菁：卟啉是在卟吩環上擁有取代基的一類大環化合物的總稱。卟吩是由4個吡咯環和4個次甲基橋聯起來的大π共軛體系；卟吩分子中4個吡咯環的8個β位和4個中位的氫原子均可被其他基團所取代，生成各種各樣的卟吩衍生物，即卟啉。酞菁是與卟啉結構相近的大環化合物。卟吩環“中位”上的碳原子被氮原子取代即為酞菁。環上未曾和氫結合的氮原子可以接受2個質子，形成正二價離子；已和氫結合的氮原子又能給出2個質子，形成負二價的離子，而同正價的金屬離子形成配合物。卟啉和酞菁陰離子對過渡金屬離子有很強的配位能力[13]；③環肽：環肽是以多個氨基酸的肽鍵構成的環狀化合物，廣泛存在于自然界中，已報道的環肽大多來自于海棉狀和海洋中的節肢動物等低等生物中，實際上環肽和類環肽也廣泛存在于微生物、真菌、藻類和高等植物，并在生物體的生命活動中扮演著重要的角色。除此，還有雜多酸類、多胺類、樹狀、液晶類等超分子化合物[14]。
1.2.6 人體巨復超分子體 首先人體內的單分子、超分子通過自組織、自組裝、自識別與自復制組成一定功能的超分子，在眾多小分子模板基礎上進行超分子主體結構的合成，如參與的各種生化代謝反應酶合成、基于氨基酸的蛋白質合成、基于葡萄糖的肝糖元合成，基于核苷酸的DNA，RNA合成等。這此合成的超分子主體又以亞單位合成巨大功能性超分子主體，眾多功能性巨大超分子主體組成細胞器，眾多細胞器構成細胞，然后通過自我復制分化成各種功能類型的細胞，再聯接形成器官組織，最終構成整個人體。在這個多級的超分子主體生成過程，母體超分子保留了子體超分子的印跡模板，因此人體就是一個擁有各種層次印跡模板，按一定的空間孔穴通道結構進行聯接所形成的巨復超分子體。
1.3 超分子的結構與作用的主要特征
1.3.1 超分子結構的主要特征 由上述的主體化合物可知超分子結構特征有：①超分子是主體與客體兩部分分子組成的非成鍵化合物，可以結合也可以脫離，主客體分子存在一定的分子構象關系，兩者結合程度由構象決定；②主體分子中存在一定形狀的孔穴，容納與孔穴模板相同或相似小分子，不相同或不相似的小分子難能進入孔穴或結合不緊，兩者存在鑰鎖關系；③超分子主體之間可結合形成更大的超分子主體化合物； ④主體分子可以環合生成封閉孔穴，也可非環合聚合成開放孔穴，以螺旋狀、片狀、膠束、納米囊、聚合亞單、細胞器及細胞等各種形式，由小分子到大分子形成各種超分子聚集主體；細胞是龐大超分子聚集主體體系，人體更是巨復超分子聚集主體體系，包含了從單分子到各種超分子聚集體的通道結構與印跡模板；⑤各種層次的超分子主體化合物以特定的孔穴模板相連，形成經絡臟腑，組織器管，能與相一致的模板小分子進行作用；⑥超分子的主體與客體結合后形成的超分子，會改變主客體分子的性質，宏觀上會表現出小分子在主體分子中的遷移、理化性質的各向異性，同時主體分子的理化性質也會發生變化。
1.3.2 超分子作用的主要特征 具有分子間的自組織、自組裝、自識別和自復制。
自組織：分子自組織通常指許多相同的分子，由于分子間力的協同作用而自動組織起來，形成有一定結構但數目可以多少不等的多分子聚集體，有以下特點：①包括在空間上或時間上都表現出自發的有序性體系；②包括空間結構和平衡結構和非平衡的結構兩者的瞬間動力學的有序性，結構的有序性，結合的非線性化學過程的有序性及能量流動和時間方向上的有序性；③僅僅限于非共價鍵的超分子層次；④多組分在分子組分間由分子識別或在動力學過程中產生特殊相互作用，表現出超分子的自組織和長程有序性，從而形成多分子有序體。簡而言之，就是越有序，組織性越好。如分子層、分子晶、體膜、液晶、膠束、膠體、細胞器、細胞等都是自組織的有序體，人體更是自組織的有序體。
自組裝：自然界中存在眾多的自組裝作用，在生物過程中，基質和蛋白質受體的結合，酶反應中的鎖鑰關系，蛋白質-蛋白質絡合物的組裝，免疫抗體抗原的結合，分子間遺傳密碼的讀碼翻譯和轉錄，神經遞素誘發信號等。自組裝體包含了①分子識別：主體有選擇性地識別客體并以某種方式與客體配位形成化合物。②分子催化：自組裝的超分子配合物具有反應性和催化作用，體現高效能、高選擇性。生物體內的氧化、還原、酰基轉移、β-消除、C-C鍵形成及斷裂等可在特定的酶中進行[15]。③分子轉移：組裝后的超分子常能促進光子、電子或離子的傳遞。
自識別：分子在自組裝過程會產生自識別。這是在主客體體系中，主體有選擇性地識別客體并以適宜的形式形成主客體化合物，亦超分子體系，與沒有相互作用的主體和客體的混合物相比，這種超分子體系體現出不同的特性。主體識別各種客體的主要方式有與主體空穴的大小形狀匹配、配位點特性及數目、配體種類與數目、電荷強弱等。
自復制：超分子的自復制作用就相當于DNA 的自復制。對于后者，首先是DNA 雙螺旋的兩辮拆開，兩根母辮即形成模板，它們的復制原理是一樣的。
1.4 超分子的研究與檢測手段
現階段超分子化學的目標主要集中于超分子形成中的機制及應用研究，如確定分子間作用力的協同；研究分子識別與位點識別的機制與過程；研究不同結構層次的組裝體、組裝過程及組裝方法，尤其是生物活性體系及低維體系的組裝，自然界的自組裝，以及超分子體系中結構與功能的關系等等。
由于主客體分子間包合作用力的主要來源是分子間存在的范德華力、疏水作用力及氫鍵作用力等，超分子體系分子間弱相互作用力的理論研究目前常用的方法有量子化學和統計熱力學2種。量子化學方法主要在電子結構水平上準確地研究分子間弱相互作用力，可望在深層次的理論水平上揭示生命現象的本質[16]，用于超分子體系弱相互作用力研究的量子化學方法有abinitio，HF，SCF，MP，DFT等方法。熱力學方法主要是研究超分子中的主客體作用的形成隨著溫度變化的重要的熱力學參數。主要主體分子、客體分子與超分子的自由能變（ΔGsup）和平衡常數Ksup，可用熱力學的方法研究過程的狀態函數變量[17]。用 Schneid提出的成對作用的自由能線性估算方法進行超分子自由能變（ΔGsup）的研究，可得到較滿意的結果。
實驗方法有多種形式，用譜學方法研究分子間弱相互作用已成為實驗研究的主要手段。紅外光譜法：形成了超分子體系時，相互作用部位或基團伸縮振動受到影響，從而吸收峰頻率發生一系列的位移，根據位移可對超分子體系間選擇性作用力作半定量研究；核磁共振法：形成超分子體系時，選擇性部位原子的化學環境發生變化，根據化學位移發生變化的值可研究超分子體系的弱相互作用。分子散射法：對于簡單超分子體系給出精確的分子間相互作用勢函數，根據散射數據可以確定超分子體系的弱相互作用，但對復雜超分子體系無能為力；X 射線單晶衍射法：則可通過鍵長及鍵角直觀地確定超分子體系的弱相互作用力，另外還有色譜法和生成熱測定法。其余研究超分子化學的手段也很多，例如可見光譜和熒光光譜、圓二色光譜、電位法和色譜法等[18-21]。
1.5 超分子藥物與應用
1.5.1 超分子藥物研究 在藥物制備、合成與發現中超分子化學得到了廣泛的應用。①超分子動態組合化學用于藥物發現：以酶、受體型蛋白等作為模板加入到動態組合庫中，庫中與之最有親和力的成分就被放大，而與之無作用的成分將減少。這些放大的成分是該庫中最有可能成為先導化合物的成分。②超分子載體用于藥物合成：在多相合成藥物時，可采用金屬超分子載體形式將金屬催化劑由水相轉移到有機相而促進藥物的合成。③包合型超分子藥物制備：將主體分子包合客體藥物分子制成超分子包合物，形成分子膠囊可改良藥物的水溶性與穩定性。目前，多采用環糊精作為主體分子包合親脂性藥物以增加其生物利用度。如采用β-環糊精包合物包合大蒜素[22]、苯佐卡因[23]。利用環糊精制備結腸、腦、特殊細胞靶向給藥系統[24]。還可用來掩蓋藥物的不良氣味，降低藥物的刺激性與毒副作用等[25]。④印跡模板技術用于藥物分離：先將被分離的物質作為模板分子與高分子材料進行聚合，然后水解釋放模板藥物分子。
超分子化學藥物可能改變藥物的穩定性和在人體的傳送機制，即改進藥物在體內的膜運輸，使藥物達到特定的作用靶點，提高和特異靶點結合的能力，提高藥物的有效利用度，降低藥物的毒副作用。因此可能開發出具有新的結構、藥理、藥效和劑型的藥物。
1.5.2 超分子藥物 對超分子藥物進行了概括，主要包括以下幾類①抗癌超分子藥物：基于卟啉及唑類化合物的結構特點及抗癌活性[26]，如替加氟和硝基咪唑類卟啉[27]。替加氟修飾的卟啉化合物對肝癌細胞 SMCC-7721、結腸癌Volo細胞的體外抑瘤有較好活性。②抗炎鎮痛類超分子藥物：如將阿司匹林、 煙酰胺與鋅離子形成的絡合物超分子佛立沙后，不僅改善了阿司匹林的胃腸道刺激性，還有效地提高了其鎮痛抗炎作用[28]。鋅（II）-巴氯芬絡合物超分子的止痛活性也強于其母體藥物[29]。③抗瘧類超分子藥物：將青蒿素與環糊精制成絡合物超分子，水溶性得到了很大改善，其口服生物利用度得到了提高。還有二茂鐵喹是含二茂鐵結構的抗瘧類絡合物，可以長期穩定的在生物體內表現出抗瘧活性，已成為抗瘧類候選藥物[30]。 ④抗菌類超分子藥物：將過渡金屬與抗生素或其他潛在抗菌化合物形成的絡合物大部分具有比配體本身更好的抗菌活性，如將喹諾酮類、磺胺類、席夫堿類、縮氨硫脲類和大環類與過渡金屬Au（I），Ag（Ⅰ），Pd（Ⅱ）等生成超分子，從這些絡合物超分子中篩選出了良好抗菌活性的藥物分子。⑤抗結核類超分子藥物：異煙肼是一個良好的金屬離子螯合劑，能與錳（Ⅱ），鈷（Ⅱ），鎳（Ⅱ），銅（Ⅱ），鋅（Ⅱ），鎘（Ⅱ），鉛（Ⅱ）及稀土等金屬離子形成穩定的絡合物，研究發現將異煙肼及其衍生物制成絡合物超分子可提高其脂溶性[31-32]，增強其抗結核作用。⑥心血管系統的超分子藥物：將硝苯地平、尼群地平、卡托普利、尼卡地平和尼莫地平制成β-CD或HP-β-CD包結絡合物，可有效提高該類藥物的穩定性、生物利用度和溶解性等。將硝苯地平分別用2-HP-β-CD和羥丙基纖維素制成雙層片劑，可通過調節二者比例來滿足不同釋藥速率要求[33]。
由上可知，目前的超分子藥物多為過渡態金屬絡合物和β-CD的包合物兩大類，多以化學藥物的形式研究報批，總體研究層次不高，作為中藥及復方制劑的化學成分存在天然的超分子形式，并且中藥本身就是生物體的模板分子產物，具有與人體共模板的生物相容性，因此作為超分子的中藥藥物的研究更有廣闊的空間。
2 生物體內、中藥超分子存在形式及超分子現象
超分子化學的起源在一定程度上來自生物體系，如植物進行光合作用的葉綠素是卟啉環的鎂絡合物超分子；血紅蛋白吸收和運載氧的血紅素是卟啉環的鐵絡合物超分子等。在生物體內，超分子的主體是各種酶、受體、基因、免疫系統的抗體和離子載體的接受位點等，客體是底物、抑制劑、抗原或者藥物等。主客分子的共同協作用是產生生命現象的基礎，因此可以說生命體系是一個巨復的生物超分子體系[34-35]。
2.1 糖類
可以分為單糖類、低聚糖和多聚糖類及其衍生物，有均多糖與雜多糖之分。高聚糖類的螺旋結構是開環的主體分子，可與小分子形成超分子，如淀粉與碘呈藍色；環糊精是由5～7個葡萄糖而成的閉環聚合主體分子，可與很多分子量較小的藥物形成超分子，改善藥物的不良水溶性與穩定性；氨基糖類也是很好的細胞間質連接物，與脂肪、蛋白質構成細胞間孔穴通道，是構成中醫經絡臟腑的重要物質基礎；同時糖類又是很好的氫供體與受體，分子間可相互作用、結合及自組裝形成超分子體系；單糖也可作為客體分子與其他的主體分子結合形成超分子體系；而多糖則可以作為主體分子包合其他中藥成分構成超分子體系。由于糖類的普遍存性，研究糖類的超分子形式對解釋人體的經絡臟腑現象有重大作用。
2.2 氨基酸、蛋白質類
自然界中各種形式的氨基酸300左右，但能以肽鍵形成蛋白質的為20種，均為α-氨基酸。蛋白質是超分子主體最好的表現形式。常現的酶類及催化作用，抗體抗原反應，受體、轉運體及各種離子通道均能發現超分子物質及能尋找到超分子作用蹤影。蛋白質的螺旋、β-片層及四級結構形式是形成天然超分子體最杰出的代表。與糖類一樣，蛋白質普遍存在，因此蛋白質的超分子形式對解釋人體內經絡臟腑現象具有更加重大意義。
2.3 核苷酸及DNA類
生物體的遺傳信息靠核苷酸順序結構產物DNA貯存，構成DNA的核苷酸雙螺旋結構本身就是超分子物質。在DNA，RNA的合成及基于RNA信息合成蛋白質均是以超分子形式而發生作用。
2.4 苷類
苷類是糖或糖的衍生物與非糖物質（稱為苷元或配基）通過糖的端基碳原子連接而成的化合物，也是在自然界廣泛存在的天然產物。根據其結構中苷元、糖或糖的衍生物的存在形式，可自身結合形成各種形式的超分子，如甾醇類與甾體皂苷形成的分子復合物，金屬離子與苷元的酚羥基、羧基形成的絡合物，多電子苷與缺電子苷形成的傳荷絡合物等；同時也可與體內的大分子主體形成超分子化合物。
2.4.1 醌及苷類 這是一類分子中具有醌式結構的化合物，分子中多具有酚羥基，有一定的酸性。醌類為缺電子基團，可與供電子基團，如酚、苯胺形成傳荷絡合物，如氫醌復合物；也可與β-環糊精（β-CD）衍生物形成包合物，同樣可被多糖螺旋形成包合物；也可與空軌道的金屬離子形成絡合物；也易與酰胺鍵形成氫健絡合物；也可與蛋白質形成氫鍵絡合物等超分子。
2.4.2 香豆素及苷類 其基本骨架可視為由鄰羥基桂皮酸形成的內酯，在稀堿溶液中內酯環可水解開環，生成能溶于水的順鄰羥桂皮酸的鹽，加酸后可環合成為原來的內酯。主要與多糖、蛋白質等主體分子形成超分子。
2.4.3 木脂素及苷類 這為苯丙素的二聚體，本類化合物可作為客體分子與多糖、蛋白質主體分子結合形成超分子。
2.4.4 黃酮類 泛指具有2個苯環通過中間三碳鏈相互聯結而成的一類化學成分。為多電子供體，可與空軌道的金屬離子、氫鍵受體、電子受體等形成超分子；也可作為客體分子與多糖、蛋白質主體分子結合形成超分子體系。
2.5 萜類和揮發油
萜類和揮發油由異戊二烯單位構成，分單萜、倍半萜、二萜等。根據其結構不同形成超分子能力相差很大。大多可作客體分子與β-環糊精孔穴分子形成包合分子；也可自身聚合成樹脂，也可形成分子復合物；也可形成低共熔物；也可與吐溫等表面活性劑形成氫鍵復合物與傳荷絡合物，也可作為客體分子與多糖、蛋白質主體分子結合形成超分子體系。
2.6 生物堿
生物堿是一類存在于生物體內的含氮有機化合物，結構復雜而多樣。可作為客體小分子被包合成超分子；在酸性條件下可與重金屬、有機酸、多電子基團形成復合物；與鞣質結合形成超分子；環肽類大分子可作為主體分子包合其它成分形成超分子，因此在不同條件下，不同結構的生物堿可能形成不同形式的超分子，因此生物堿應是形成各種超分子物質較為豐富的一類化合物，加上它富有強大的生物活性，因此研究生物堿各種形式的超分子對闡明中醫藥理論具有重大意義。
2.7 甾體類
甾體類是一類結構中具有環戊烷駢多氫菲甾核的化合物。可作為客分子進行包合，另外最重要的是β-甾醇類形成有機分子復合物超分子。
2.8 三萜類
三萜類是一類基本骨架由30個碳原子組成的萜類化合物。可作為客分子、氫或電子供受體形成超分子復合物，也可作為客體分子與多糖、蛋白質主體分子結合形成超分子體系。與糖結合形成皂苷具有表面活性作用，自已可以聚合成膠束形成超分子。
2.9 鞣質
鞣質是一類復雜的多元酚類化合物的總稱，可與蛋白質結合形成致密、柔韌、不易腐敗又難透水的超分子化合物；也可與生物堿復合生成超分子；同時自身聚合生成鞣紅超分子；還可與重金屬鹽如醋酸鉛、醋酸銅等產生超分子沉淀。因此鞣質是中藥成分中最易生成超分子的一類物質。
由上可知生命體及中藥中各種成分均可以以主體或客體形成超分子，是研究超分子化學，闡明生命現象的最好載體材料。
3 具有超分子載體特性的生物體決定了超分子化學對闡明中醫藥理論科學內涵的特殊影響
誠如前述作為生物體的人體與中藥可以看成是一個由單分子、超分子、聚合超分子及巨復超分子構成的復雜體系。在由小分子構成整個人體有序超分子過程中，其超分子主體保留了客體小分子的印跡模板，形成孔穴通道結構與外界發生化學反應，進行物質能量聯系，否則生命現象難以為繼。當人體的各類小分子在心臟搏血功能的推動下，人體各組織器官的主體分子對客體小分子表現出機體結構的各向異性作用，亦“氣析”現象。水為洗脫劑，溶于水的各類客體分子與組織器官主體分子的孔穴通道產生印跡作用，包括“分子篩、離子交換、吸附、分配與親合色譜”的各種形式，體現出“印跡模板”特征的“氣析”（由于這種作用是產生中醫氣的本源，并且各組織器官能能象色譜學那樣區別客體分子，故定義為“氣析”）現象，亦經絡臟腑現象。其結果是與組織器官“印跡模板”相吻合的分子產生作用，而不吻合的分子就難產生作用。因此，中醫經絡臟腑理論正是對人體眾多大小分子群在血液流動下所表現出各種 “印跡模板”形式的超分子印跡作用規律高度總結：具有相同或相似的“印跡模板”分子通道結構便構成了經絡臟腑；通過通道結構與外界機體子體小分子作用就形成了臟象；具有與之相同或相似的“印跡模板”中藥分子便構成了中藥有效成分；中藥有效成分與經絡臟腑的印跡作用便形成了中藥藥性理論和功效[36]；中藥復方配伍又能顯著性地改變這一超分子印跡作用規律，由此便形成了中醫藥的“理、法、方、藥”基礎理論的微觀物質基石。
誠如上述分析，人體各個臟器與血液中的各類成分作用的選擇性或偏向性，用現在的化學語言表述為分子間作用的結構因素的各向異性，亦超分子鑰鎖關系；而宏觀上就是幾千年來中醫藥總結出來的臨床用藥的藥性理論。其實這種類似的作用在單分子藥物與靶點的構效關系研究中已有表述，也很容易用超分子的自組織、自組裝、自識別與自復制解釋，但由于中醫藥研究者沒有將其歸納總結上升到分子群間的超分子印跡作用規律，以超分子化學解釋罷了。
由于與生物體具有自然淵源的中藥及復方成分必然是這個巨大的超分子體系中的一部分，中醫藥基礎理論正是這種形形的各種形式的超分子共同作用的宏觀現象。因此超分子化學在闡明中醫藥基礎理論中所蘊藏的巨大作用是其他現代科學理論所無與倫比的。據目前僅有的超分子化學知識，對中醫基礎理論可作初步解釋如下。
3.1 經絡及現象
經絡的宏觀屬性已為大量的針灸臨床治病實踐所證實，但微觀屬性卻沒有完全闡明。據目前研究結果，對經絡認識有：①神經系統觀；②廣義的經絡觀；③生化物質觀，代表性觀點有P物質的觀點，細胞外基質的觀點，鈣離子（Ca2+）富集觀點；④經絡的生物物理學特性研究，表明聲傳播的高振聲、低頻聲和聲信號循經性，電傳導的低電阻、高電容、良導絡性[37]，體表紅外線熱輻射軌跡的循經性，體表發光強度與對稱的循經性，磁振動線的循經性，圖象掃描（用正電子發射斷層掃描儀的透射掃描圖象和發射掃描圖象的融合技術顯示出示蹤跡循經遷移線在體內的三維斷層圖像及立體透視圖像[38]）。古人采用內視的方法觀察經絡的走向。據上述研究結果可知，經絡的組織形態學位置至今仍在肉眼觀察能力之外，沒有一種公認的學說進行解釋，但大量的臨床與科學實驗表明，人體經絡及現象是客觀存在的。
如果將目前的經絡研究結果與人體超分子化學結合，由超分子的自組織、自組裝、自識別與自復制的性質可以推斷人體特定模板分子孔穴通道結構，亦經絡的必然存在。因此人體經絡的微觀物質基礎是：基于細胞內外巨型超分子主體物質的一定“印跡模板”分子孔穴空間有序排列通道結構；而經絡現象是：基于這一通道的體內“印跡模板”分子在心臟搏血作用下，按“氣析”所表現出的印跡宏觀作用現象，體現出各組織器官“印跡模板”通道的各向異性。根據主體通道結構與客體“印跡模板”分子的鑰鎖對應關系，具特定通道結構的經絡必然體現與客體“印跡模板”分子相一致的光、電、磁、熱等效應。由此推知，與十四經絡一致，人體的主體“印跡模板”孔穴通道大體上為14種模式，而這種微觀的“印跡模板”分子孔穴通道相互混雜重疊，你中有我，我中有你，散布于各個實體臟器之中，因此相互干擾大，同時經絡中的客體小分子受當時的身體狀態、飲食習慣不同而變化，因此采用目前的“靜態”的觀察方法是很難發現其蹤跡的，但如果采用“靜態”與“動態”相結合的超分子化學研究方法，定能找到“蛛絲馬跡”，本團隊現已展開了各臟器的體外印跡吸附動力學實驗研究工作，結果初步驗證上述假說。
3.2 臟腑理論
如果經絡的微觀物質基礎及現象得以闡明，則中醫的臟腑理論自出。心、肝、肺、脾、腎臟象系統為與心、肝、肺、脾、腎經絡相似的超分子主體“印跡模板”孔穴通道結構，但可能更規則，更集中。同樣六腑也與相應的經絡有相似超分子主體“印跡模板”孔穴通道結構。臟腑所體現的臟象與功能也與超分子主體孔穴通道印跡作用相關，是血液中客體分子物質與組織器官主體分子“氣析”作用的結果。由于五臟、六腑有各自的超分子主體物質孔穴通道，且相互混存重疊，只是在各臟器中的比例大小不同而已，所以不能用簡單的西醫形態學的研究來發現經絡臟象，按目前西醫的實體解剖器官來闡明中醫藥理論是行不通的。因此，對于中醫藥基礎理論研究，只能基于超分子化學，以經絡臟腑與各分子所表現出的“共“印跡模板”氣析”規律的研究為核心，建立人體內超分子孔穴通道、“印跡模板”、遷移規律、微觀物質與宏觀現象關聯的新分析方法才能揭示中醫藥作用規律。其中小分子對經絡臟腑孔穴通道的“印跡模板”規律，也就是各經絡的標準“印跡模板分子”的研究尤為重要，也最為困難。
3.3 氣的物質特征
中醫所述氣抽象而不好解釋，但根據經絡的微觀物質基礎及產生臟象的超分子印跡作用原理則變得容易解釋。中醫所述的氣是指運行于經絡臟腑主體之中的客體分子及作用關系。根據經絡臟腑主體與客體的特點，可分為①元氣：泛指所有經絡臟腑主體之中的客體分子及作用關系，包括先天、后天所產生主、客體分子及相互作用關系。②宗氣：與呼吸相關的經絡臟腑主體及客體小分子及作用關系。③營氣：運行于經絡臟腑主體的食物客體分子及作用關系。④衛氣：與免疫功能相關的經絡臟腑主體的客體小分子及作用關系。⑤經絡臟腑之氣：運行于具體經絡臟腑主體的客體小分子及作用關系。因此中醫氣的共同特點是所觀察經絡臟腑主體與客體分子的“印跡模板”特征及“超分子印跡”作用關系。根據主體與客體的作用及表現形式不同而分類，關系錯綜復雜，僅用中醫抽象的概念難以解釋和理解，若用超分子化學則變得非常清楚明了，而且還可以測定。
3.4 中藥藥性理論
同樣中藥藥性理論也就不難研究了。基于與經絡臟腑“印跡模板”是中藥有效成分的物質基礎理論，可建立超分子“印跡模板”通道法：根據各經絡臟腑孔穴通道特征，建立最佳的模板分子模型，然后采用分子相似度方法，分析各分子與各經絡臟腑的相似程度，再經多元統計學可以得出所含成分群的中藥對哪個經絡臟腑的選擇性最強，效應最好，首先解決中藥歸經問題；再根據各經絡的分布走向，分析中藥成分群的升降沉浮；再研究味蕾的超分子孔穴分子模板特征并將其與藥物歸經結果聯系，則解決中藥的五味問題；再結合中藥毒性效應，闡明中藥有毒無毒問題；最后將中藥作用規律與生物熱效應關系，解決中藥四性問題。因此中藥與經絡臟腑的超分子印跡作用規律，亦中藥的歸經理論既是研究中藥藥性突破口，也是闡明中醫經絡臟腑理論的突破口，而中藥四性問題研究表面容易，實際最難，只有等到中醫藥研究方法的全部建立后才能研究，在掌握中藥作用前后主、客成分的變化規律后，可建立熱力學方程解決。
3.5 中醫藥理、法、方、藥理論
當經絡、臟象、氣與中藥藥性基礎問題解決，則可闡明中醫基礎理論、中醫的診斷、方劑學等基礎性學科問題；構建中醫藥的理、法、方、藥基礎理論。
中醫基礎理論：構建起以經絡、臟象、氣為核心的印跡作用規律研究方法及理論體系，包括微觀的經絡臟腑超分子作用機制，宏觀的超分子作用現象測定方法及狀態函數表征體系。
中醫診斷學：構建主、客體分子的“印跡模板”超分子化學作用規律的中醫診斷系統，包括微觀與宏觀、體內與體外、宏觀現象測定與狀態函數表征、測算與預測等相統一的理論體系。創立適用于中醫藥基礎理論“氣析”的現代診斷儀器系統。
方劑學：構建基于中藥群體配伍超分子群對經絡臟腑“印跡模板”作用規律的預測及驗證科學體系，闡明中醫方劑的配伍理論。
其他臨床學科：將中醫藥理論與臨床諸科的特點結合，構建中醫臨床諸科的疾病的病因分析、治則、治法及遣方用藥的科學體系。
因此，就目前的已知超分子化學知識來看，超分子化學對詮釋中醫藥基礎理論將會產生重大的作用，應引起中醫藥現代化工作者的高度重視。
4 當前中醫藥基礎理論現代應注意的問題
自從1997年全國第一次召開中醫藥現代化戰略研討會至今，中醫藥理論現代化歷程快20年了，雖取得了一些成績，但突破性的進展甚微，究其原因，主要存在以下應注意的問題。①強調中醫的整體觀念，但研究時卻難能推行：眾所周知，中醫藏象證候、中藥復方作用機制、經絡研究為實現中醫藥現代化的三大基礎關鍵樞紐問題，目前一般都將三者分開單列研究，盡管單獨研究可取得一時成果，但要獲得突破性進展困難。這種研究方法容易割裂中醫治病“理、法、方、藥”的整體關系，與中醫藥的整體觀相悖。由于中醫的理、法需中藥干預則明；方、藥需對證治療才靈；理、法、方、藥需整體貫通方活。因此在中醫藥現代化過程中，應將其作整體融為一爐進行研究才能收到事半功倍的效果。②中醫藥基礎理論自成體系，不需要現代化。目前中醫藥現代化進展不大，研究處于低潮，有一部分對現代科學知識還不了解的中醫藥工作者認為中醫藥難能、也不需要現代化，持這種觀點的人最終會損害中醫。③過分強調整體，忽視微觀。整體觀念是中醫特色，但不能認為中醫只有整體而沒有微觀，應重視整體與微觀的辨證關系。眾所周知，物理學既研究宏觀物質的運行規律，如力學、電磁學；也研究微觀物質的運行規律，如原子結構理論，統計物理學；也研究宏觀與微觀的關系，如熱力學、動力學方程。因此宏觀與微觀物質運行規律是相互聯系的，中醫藥也是如此。有中醫藥經絡臟腑理論的臨床存在，必然有其微觀的物質基礎進行支撐。④區分宏觀與微觀的測定與表征方法。目前盡管中醫藥理論強調宏觀特征，但研究思路與方法卻是微觀成分；因此應區別宏觀與微觀的研究與表征方法不同，宏觀采用狀態函數表征，多測定光、電、磁、色等宏觀變化，微觀采用化學物質結構表征，多測定物質的量變及化學性質等。⑤中醫與西醫結合。中西醫來源于不同體系的醫學理論，盡管目前還難能從科學的本源上實現結合，但隨著中醫藥理論作用物質基礎的揭示，中西醫藥會從微觀化學本源基礎進行結合：基于單分子化學成就西醫理論；基于超分子化學則輝煌中醫理論。⑥中醫藥的發展方向。由上述中醫藥超分子化學分析可以預知本世紀將是中醫藥理論現代的世紀。代表了未來化學發展方向的超分子化學也同樣代表以此為基礎的中醫藥理論是未來生命學科的發展方向。⑦藥物研究方向。同樣基于生物體超分子理論，藥物將由目前單一“化學型”藥物向基于“印跡模板“超分子客體群的宏觀“數理型”藥物方向發展。
由上可知，隨著中醫藥超分子化學研究的不斷深入，隨著以上問題的不斷廓清與解決，中醫藥與西醫將在化學與超分子化學間消融，以超分子理論表征的現代化的中醫藥理論將會成為21世紀醫藥發展的主流方向。
5 中醫藥基礎理論現代化路線圖
經過上述分析可知，中醫藥現代化的過程已非常清晰，中醫藥現代化實際上是用超分子化學重新整合中醫藥理論并進行表述的過程。對于超分子化學研究中所采用的方法在一定程度上適用于人體的超分子作用規律研究，但由于人體是更為復雜的超分子體系，體內各種主、客體分子混雜，相互干擾。因此創立適用于人體的超分子物質、性質與現象的研究技術與現代儀器將會更加重要與艱苦。下面就中醫藥現代化的框架圖進行說明。
5.1 首次創立中醫藥體內超分子化學與技術研究方法
在超分子化學與技術（主要是體外）的研究基礎上，結合中醫藥物質基礎的特殊情況，創建以研究生物體（主要為人體）為主的超分子化學與技術方法研究平臺。
5.2 展開經絡超分子印跡孔穴通道的物質基礎研究，闡明經絡實質
采用超分子化學手段，展開經絡超分子印跡孔穴通道的基本屬性、特異性與各向異性研究，闡明經絡的科學內涵，主要難點在于尋找標準的經絡“印跡模板”分子，作為探針分子研究經絡，通過光、電、磁、色等組織性質的各向異性變化，顯現經絡的實體。
5.3 展開臟腑超分子印跡孔穴通道的物質基礎研究，闡明臟腑實質
采用超分子化學手段，展開臟腑超分子印跡孔穴通道的基本屬性、特異性與各向異性研究，闡明臟腑的科學內涵，主要難點是怎樣克服各實體臟器孔穴相互混雜干擾測定的難題，建立各經絡臟腑孔穴印跡模板專屬性高的檢測方法。
5.4 展開經絡臟腑實質（超分子印跡孔穴通道）與功能關系研究，闡明臟象與氣的實質
采用超分子化學手段，展開經絡臟腑實質的特性與其功能屬性關聯性的研究，闡明微觀超分子物質基礎與宏觀臟象、氣的內在聯系的本質規律，解決氣的物質屬性。主要難點是怎樣測定各孔穴通道與模板分子的印跡效應，建立中醫經絡臟腑、氣血的測定方法與儀器。
5.5 展開經絡臟腑的宏觀狀態函數的表征方法研究，建立臟象表征方法
采用生物數學、物理學、化學動力學原理，展開經絡臟腑宏觀狀態函數的表征方法，建立相應的數學模型，闡明微觀超分子作用規律與宏觀臟象表征規律，主要難點是建立微觀分子與宏觀統計學的數學模型及參數體系。這一過程叫中醫藥數理特征化（而非中醫藥數字化），也就是用數學、物理學、物理化學方法表征基于巨復超分子體系的宏觀綜合性質。
整合上述5個方面，結合現在的中醫基礎理論，將創立起以超分子化學為基石的中醫經絡臟腑理論與數理特征化現代學科體系。完成這一過程，可實現中醫基礎理論、針灸及中醫診斷學科現代化。
5.6 展開中藥微觀物質基礎及宏觀狀態函數的表征方法研究，闡明中藥微觀物質基礎的實質
采用超分子化學、免疫學與現代儀器科學建立基于印跡孔穴為基礎的免疫芯片中藥成分高通量分析方法；結合生物數學、化學動力學、化學計量學和計算化學原理，展開中藥微觀物質基礎的宏觀狀態函數的表征方法，建立相應的數學模型，闡明中藥微觀超分子結構與宏觀臟象作用的印跡表征規律，主要難點為中藥全成分群快速高通量測繪分析方法的建立。
5.7 建立中藥藥性與功效研究方法，實現中藥學現代化
如前述，采用超分子化學、生物數學、化學動力學、化學計量學和計算化學原理展開中藥歸經、升降沉浮、五味、毒性及四性及功效研究，構建以經絡臟腑的超分子作用規律為核心的中藥藥性及功效理論。實現中藥學學科現代化，主要難點是構建中藥藥性定量表征體系。
5.8 建立中藥復方配伍研究方法，實現方劑學現代化
采用超分子化學、生物數學、化學動力學、化學計量學和計算化學原理展開中藥復方配伍及方證關聯研究，構建以經絡臟腑的超分子作用規律為核心的中藥復方配伍理論，實現方劑學現代化。
5.9 中醫臨床諸學科的現代化
以已現代化的中醫藥學科的研究方法為基礎，展開中醫臨床諸科病因與病機、治則與治法、遣方用藥規律研究，實現諸學科現代化。
5.10 中藥學諸學科的現代化
以已現代化的中醫藥學科的研究方法為基礎，展開中藥學諸學科，如中藥藥劑學、中藥鑒定學、中藥炮制學與中藥藥理學規律研究，實現諸學科現代化。
這樣就可以創立以中醫藥經絡臟腑為基礎，以中藥復方多成分群用藥為特點，以超分子化學印跡作用規律為表達內容的“理、法、方、藥”現代化的中醫藥理論體系。至此，作為以單物質屬性研究擅長的西醫將與中醫藥理論融合成新的醫學體系：既體現單分子特征化學屬性，又體現多分子的超分子表觀化學屬性的醫學理論體系，宏觀與微觀實現高度的統一。
值得一提的是目前超分子化學研究方法多為體外建立的方法，對于像人體這樣包含了極其復雜的超分子復合體，上述方法能否適用還需驗證，但創建適用于人體的超分子分析方法及儀器設備將對闡述中醫藥基礎理論至關重要，是實現中醫藥現代化的瓶頸問題，充滿著挑戰。
綜上所述，本文首次闡明了超分子化學理論可以重構中醫藥基礎理論的科學內涵，這為實現中醫藥現代化與國際化奠定了基礎。
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Special impact of supramolecular chemistry on Chinese medicine theories
HE Fu-yuan， ZHOU Yi-qun， DENG Kai-wen， DENG Jun-lin， SHI Ji-lian，
LIU Wen-long， YANG Yan-tao， TANG Yu， LIU Zhi-gang
（1. Department of Pharmaceutics， Hunan University of Chinese Medicine， Changsha 410208， China；
2. Property and Pharmacodaynamic Key Laboratory of Chinese Material Medica， State Administration of
Chinese Medicine， Changsha 410208， China；
3. Pharmaceutical Preparation Technology and Evaluation Laboratory of Chinese Medicine， Hunan University of
Chinese Medicine， Changsha 410208， China；
4. The First Affinity Hospital， Hunan University of Chinese Medicine， Changsha 410007， China；
5. Supramolecular Mechanism and Mathematic-Physics Chracterization for Chinese Materia Medica，
Hunan University of Chinese Medicine， Changsha 410208， China）
[Abstract] The paper aimed to elucidate the specific impact of supramolecular chemistry on the Chinese medicine theories（CMT）in their modernization， after had summarized up the research status of supramolecular chemistry and analyzed the possible supramolecular forms of Chinese medicine（CM）， as well as considered the problems in modernization of CM theories. On comparison of the classical chemistry that delt with chemical bonds among atoms，the supramolecular chemistry was rather concerned with varietes of weak noncovalent bonds intermolecules， and reflected the macro-apparent chemical properties of each molecules， and was the most appropriate chemical theories to explain the CMT and microcosmic materials. The molecules in the human body and Chinese material medica（CMM）formed supramolecules by way of self-assembly， self-organization， self-recognition and self-replication， with themselves or with complexation， composition， chelation， inclusion， neutralization etc. Meridian and Zang-fu viscera in CMT might be a space channel structure continuously consisted of unique molecules cavity that was imprinted with the supramolecularly template inside and outside of cells， through which the molecules in CMM interacted with the meridian and Zang-fu viscera. When small molecules in human body imprinted with macromolecules in meridian and Zang-fu viscera， in other words， they migrated along within imprinting channels of meridian and Zang-fu viscera on behavior of "Qi chromatography" impulsed by the heart beat， finally showed up on macroscopic the anisotropy of tissue and organ， as described namely as visceral manifestation in Chinese medical science. When small molecules in CMM interacted with imprinting channel on meridian and Zang-fu viscera， the natural properties and efficacy regularities of CMM was reflected on macroscopic. Therefore， the special representation forms of basic CMT is based on the macroscopic expression of "Qi chromatography" abided by imprinting effect regularities， and on whether the imprinted template of small molecules matched with cavity template of macromolecules in meridian and Zang-fu viscera， only is the adequate representation of supramolecular chemistry for them. The CMM materials is the mixture including single molecules and supramolecules. The compatibility for CM prescriptions can significantly change the function rules. Therefore in the study of basic CMT， we should pay special attention to the laws of supramolecular chemistry. It is the most essential differences of the CMT from the modern medicine which established by the laws of single molecular theories.
作為新陳代謝的活性中間體,正常狀態下自由基在生物體中保持相對穩定的動態平衡。細胞自身的細胞色素c(Cytochromec,Cyt.c)、超氧化物歧化酶（Superoxidedismutase,SOD)等具有抗氧化能力，可以將自由基轉化為無害物質進行自我修復，這一系列的過程對細胞增殖、凋亡、損傷具有重要的影響,并在細胞信號轉導過程中起著十分重要的作用。當細胞受到外界剌激或發生病變過程中會產生過量O2'_自由基,使得細胞產生氧化應激，引起癌癥、神經性疾病、帕金森病等生理病變,從而對細胞的生理和病理功能產生重要的影響。因此,檢測生物體中O〗_自由基的濃度具有十分重要的現實意義。
然而，因為自由基具有氧化活性高、體內濃度低、壽命短等特點,所以需要發展原位、實時、活體的自由基檢測方法。電化學方法具有操作簡單、易微型化、靈敏度高、易于原位、實時、在體檢測等優點而備受關注,其中，基于酶傳感器的電化學分析方法最為引人注目。
2溶液/電極界面的設計及酶的直接電子傳遞
2.1溶液/電極界面的設計
針對自由基的電化學分析,對溶液/電極界面進行設計以改善和提高電極的分析性能是一個極其關鍵的問題^2?16。酶自身體積較大,而活性中心通常都深埋在其內部,從而加大了活性中心到電極表面的電子傳遞距離，不利于實現直接電子傳遞。第二代酶傳感器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，但存在媒介體的流失和干擾大的缺陷，給O〗_自由基的準確測定帶來干擾,從而極大限制了其實際應用。第三代酶傳感器的開發使這個領域向前邁進了一大步。通過界面設計優化,利用酶的直接電子傳遞機理克服了原先的不足，能夠實現細胞或生物體中自由基的直接檢測。界面設計優化是人為地設計電極表面微結構和其界面反應，通過將酶固定在電極表面上,使暴露的電活性中心更接近電極表面，實現酶與電極之間快速的電子傳遞,達到預期檢測的目標。2.1.1分子設計分子自組裝是對固體表面進行修飾最為有效的手段之一。高度有序、結構可控、定向密集的穩定分子層為保持酶蛋白質的天然結構和構象提供理想的微環境。同時，單分子作為加快電子傳遞的促進劑，可以用于探索電極表面分子微結構和宏觀電化學響應之間的關系。巰基化物在金屬表面自組裝是目前研究得最廣泛、最深入的一類物質。其自組裝膜有序性強,不易聚合,條件控制容易等優點擴展其在傳感方面研究和應用的范圍。Tian等^在金電極表面自組裝一層巰基半胱氨酸單分子膜來考察溶液中SOD的電化學活性，同時以裸金電極作為對比，實驗結果證實SOD能夠固定于分子修飾電極的表面上,使得電極反應更容易實現,這可能由于半胱氨酸在界面自發形成的一種熱力學穩定分子層，更有利于實現SOD“軟著陸”。隨后，他們又將3種SOD(Cu,Zn-SOD,Fe-SOD和Mn-SOD)分別固定在巰基半胱氨酸修飾的金電極界面上，首次同時實現3種SOD的直接電子傳遞；巰基半胱氨酸作為促進劑加快電子的傳遞。通過分子設計在界面上自組裝單分子體系考察電子轉移過程，為更深層次的分子設計和功能組裝反饋信息M。
此外,作為一種常用的選擇性結合組氨酸標記蛋白質的方式，次氮基三乙酸/組氨酸（NTA/HT)技術成為組氨酸結合最成功的模版。其將蛋白質定向有序固定在電極表面上,并加快電子傳遞。Joln_等㈣利用該通用模版技術成功將蛋白質固定在金電極表面上，通過大環效應使NTA衍生物的三氮雜環與金屬離子穩定反應,使得該體系具有更高的穩定性。Wang等^1首次利用NTA/HT技術將SOD修飾到電極表面上,極大提高了電子傳遞速率，電子傳遞常數為（24±1.1)S!1;同時，實現了SOD的直接電化學,并進一步應用于鼠腦在局部缺血和再灌注的過程中自由基濃度變化的檢測。
在簡單的蛋白質^分子仿生體系中，分子設計在提高傳感器檢測底物的靈敏度、控制活性中心與電極表面距離、加快長程電子轉移等電分析化學的應用和理論方面發揮了重要作用。
2.1.2納米材料利用酶的特異性檢測O2'_自由基時,往往受限于酶負載量過少或缺乏電子傳遞導體從而致使電信號過小或者電子傳遞過慢,影響傳感器的整體分析性能。納米材料是材料學中最基礎、最活躍的組成部分。不同于體材料和單個分子，納米材料具有小尺寸效應、表面效應和量子尺寸效應等獨特的物理化學性質,特別是良好的生物相容性和穩定性，可作為負載酶的良好基質，在傳感領域獲得廣泛的應用。
Brown等M將直徑12nm單層金溶膠顆粒修飾二氧化錫電極,實現了溶液中Cyt.c的直接、可逆電化學，且無需任何預處理步驟。金溶膠顆粒可看作是空間緊密而獨立的微電極組合體。但隨著納米顆粒的聚集,Cyt.c的電化學變的準可逆或者不可逆,表明納米金屬尺寸和形貌在實現蛋白質的直接電子傳遞中也起到極其關鍵的作用。Zhu等122首次利用1,5或二硫醇交替連接Au、Ag膠體制備多層Au/Ag膜,在溫和條件下通過氯金酸溶液去除成孔物質納米Ag,通過層層自組裝技術在氧化銦錫（ITO)電極表面制備了納米多孔金膜。Cyt.c保持其生物催化活性，電子轉移速率為3.9s!1。同時,該第三代傳感器具有良好的選擇性和穩定性,其檢出限達到6.3x106mol/L,線性范圍是1.0x105~1.2x102mol/L。
Bi等M通過將多壁碳納米管修飾玻碳電極上實現了SOD的固定。多壁碳納米管表面的晶格缺陷提供了較高的局部電子密度,有利于電子在酶蛋白和碳納米管之間傳遞；同時,特殊結構的碳納米管可以作為“分子導線”，加快電子傳遞到SOD的活性中心，以上兩方面因素致使SOD在電極表面上實現直接電子傳遞。
Deng等M利用蒸汽方法直接在預處理ITO表面沉積上一層花狀ZnO納米材料，設計出新型納米材料界面,增大了基底的比表面積和導電性。同時，生物相容性保持了SOD的高生物催化活性，結合ZnO作為“納米導線”加快電子的傳遞作用，實現了SOD的直接電子傳遞,構筑了第三代生物傳感器，異相電子傳遞常數可達（10.4±1.8)s!l。Zhu等123將Cyt.c固定在SiO:納米材料修飾的玻碳電極表面上，實現了Cyt.c的直接電化學。實驗數據證實Cyt.c的直接電子傳遞及微環境的改變與SiOi雙功能結構的空間幾何構象有關。該模型能夠定性的解釋納米材料的尺寸和濃度對氧化還原蛋白的直接電子傳遞的影響，同時也為廣泛應用無機納米材料來促進電子傳遞提供一種新思路。
隨著納米技術的不斷發展和壯大,各種納米材料在傳感器領域的應用日趨廣泛。納米材料所具有的高比表面積、高活性、特殊物理性質及生物相容等特性使其成為應用于傳感方面最有前途的材料之一。2.2基于酶直接電子傳遞的傳感器
直接電子傳遞是蛋白質分子與電極表面在沒有任何媒介和試劑的情況下直接進行電荷交換，這樣有利于電子傳遞效率的提高,更能反映生物體系內的氧化還原系統,為揭示生物體內電子傳遞的機理奠定了基礎。但是酶蛋白的活性中心通常是深埋在其內部，當其固定在裸電極表面時,沒有合適的界面微
環境來實現其直接電子傳遞,致使阻礙其在活體檢測方面的實際應用。通過界面設計使修飾電極可以建立理想的接觸界面,暴露酶的電活性中心，實現酶與電極之間快速的直接電子傳遞,并利用其對自由基的選擇性達到預期的檢測目的，對于預防和治療疾病以及抗氧化藥物的研發都具有現實意義。
2.2.1基于Cyt.c的傳感器Cyt.c是一種存在于線粒體內膜外側的金屬蛋白分子，是呼吸鏈中一個重要的電子載體。通過血紅素輔基中心鐵離子價態的變化來傳遞電子，在細胞呼吸鏈中具有舉足輕重的作用。研究其在電極上的電子傳遞及與O2'_自由基的生物作用，對于了解生命體內的能量轉化和物質代謝具有重要的意義。因此,探索實現Cyt.c與電極表面之間的直接電子傳遞成為電分析化學研究的方向之一。 Cooper等將巰基半胱氨酸自組裝到裸金電極表面,通過碳二亞胺縮合反應固定Cyt.c,考察了yt.c與電極之間的電子傳遞情況,結果顯示Cyt.c在電極表面實現直接電子傳遞；其表觀電位為2mV(vs.SCE),表明此傳感器具有潛在實際應用的可行性。Cooper等M采用電化學分析方法檢測黃嘌昤/黃嘌昤氧化酶體系酶化反應產生的自由基，其原理如圖1所示。酶化反應產生O〗_自由基還原Cyt.c,自身被氧化成Oi;同時還原態的Cyt.c在電極表面正電位下迅速被氧化為氧化態。基于此反應機理,他們實現了嗜中性粒細胞中應激產生的02’_自由基的動態檢測，且引起的電流響應速率與02"自由基的產生速率成線性關系。-傳感器的靈敏度取決于負載活性酶的數量以及酶與自由基的反應速率。Wegrich等63利用定點誘變技術在Cyt.c活性位點附近引進帶正電荷的賴氨酸,考察其在巰基分子修飾的金電極上的分析性能。實驗數據表明誘變重組的Cyt.c均具有氧化還原圖10廠電流傳感器的作用機理示意圖電活性,能夠實現直接電化學，并且與O2’_自由基的Fig.1Mechanismofoperationofamperometric反應速率顯著加快。基于誘變Cyt.c構筑的電化學生sensor物傳感器在靈敏度和穩定性上都有不同程度的提
高。納米材料的不斷發展為電極界面設計提供了新的契機,其巨大的比表面積和良好的生物相容性,既
能增大酶的負載量,又能較好的保持酶蛋白的高催化活性，同時作為良好導體加快電子的傳遞。Rahimi
等M將多層碳納米管/室溫離子液體的納米復合材料與Cyt.c混勻后，直接滴涂到玻碳電極表面上,簡單有效地制備了O〗_第三代生物傳感器。首先,多層碳納米管作為電子促進劑,加快Cyt.c和電極之間的電子傳遞;其次,室溫離子液體保持了Cyt.c的空間構象結構和生物催化活性,二者協同提高了傳感器的
靈敏度、響應時間、檢測限等分析性能。正如人們所期望的，基于Cyt.c的O〗_傳感器可避免抗壞血酸、尿酸的干擾，能夠在低電位下檢測。然而,作為過氧化物酶的本質特點,Cyt.c同樣能夠還原來自酶化反應產生和體內共存的&O2,受其干擾。雖然Gobi等M報道可以通過設計電極來控制Cyt.c的過氧化酶活性,但Cyt.c不是O〗-的特異性酶,這極大限制了其在復雜生物體系中的選擇性檢測的作用。眾所周知，SOD可高活性和選擇性地將O〗-歧化為O:和H2O2M,從而完成O〗-高選擇性測定。因此,采用SOD替代Cyt.c來構筑高靈敏度和高選擇性的O〗_生物傳感器越來越受到業內人士的普遍關注。
2.2.2基于SOD與仿生SOD的O「傳感器SOD是廣泛分布于生物體內重要的抗氧化酶,也是生物體內清除自由基的首要物質。作為一種金屬蛋白酶，常見的幾種不同金屬中心SOD是Cu,Zn-SOD,n-SOD,Fe-SOD和Ni-SOD,它們都能將O；-自由基有效的歧化為%。2和。2保護機體不受毒性的侵害。但其電活性中心都包埋于蛋白質深處，致使SOD與電極表面的直接電子傳遞難以實現。
因此，實現SOD與電極之間的直接電子傳遞對第三代O2’_生物傳感器的構筑以及實際應用的發展具有現實意義。
Ohsaka等M首次將Cu,Zn-SOD修飾在半胱氨酸自組裝修飾的金電極表面上構筑了第三代傳感器。實驗結果表明，自組裝的半胱氨酸分子可作為SOD電極反應的促進劑。結合傳感器高靈敏度、高選擇性和快速響應的良好分析性能，實現對酶化反應產生O^自由基的檢測，這一工作是利用SOD直接電化學實現O;_自由基檢測的一個巨大突破。Ohsaka課題組M首次發現O;_自由基在SOD電極上能夠同時氧化和還原,并進行對比實驗證實了可以在氧化和還原電壓雙向檢測自由基，這為實現溶液中自由基的分析檢測提供了第一手資料，同時為實現持久和可靠的檢測生物體系里的O；-自由基奠定了基礎。接著，Tian等^首次在半胱氨酸膜修飾的電極上同時實現3種活性中心SOD(Cu,Zn-SOD,Fe-SOD和Mn-SOD)的直接電子傳遞。如圖2所示，通過活性中心的氧化還原循環，SODs能夠催化還原成H2O2和氧化成O2,使得陽極和陰極上的電流響應明顯增大，這說明SOD對O；-具有雙功能電催化活性。結合SOD快速電子傳遞的特性,該傳感器為雙向實現O^電化學檢測的提供了一條可行性路線。
Ge等M將Cu,Zn-SOD和Fe-SOD固定在巰基半胱氨酸修飾的裸金電極表面上,研究其動力學和吸附過程,結果表明通過不同動能學過程均能結合到電極表面上。
在實際應用檢測中，高靈敏、高選擇性的檢測方法越來越顯示出其重要性。納米技術的發展為高靈敏電化學分析方法的發展提供了機遇。例如，納米材料在生物分析檢測中得到了廣泛應用，已有多種信號放大方法用于高靈敏電化學分析方法的構建。
如圖3所示,Tian課題組[43首次在錐狀、棒狀和球狀3種不同形貌的納米金表面上同時實現了SOD的直接電化學。熱力學和動力學分析表明SOD在不同界面上的電子轉移速度，與納米金的形貌有關；同時，
良好的生物相容性讓納米金表面的SOD保持了其自身的生物催化活性，可用來構建既可在氧化電位又可在還原電位下進行0廠自由基檢測的生物傳感器。
無需其它步驟，結合良好的分析性能大大增加了其應用于實現生物體內O^測定的可行性。
綜上所述，分析檢測都是在體外分析體系中通過外來不斷加入O2'_自由基進行電分析，與體內的復雜生物環境截然不同。因此我們很有必要對體內O；-自由基進行準確的分析檢測，以便更好的深入理解O^自由基在生理和病理上中所發揮的作用。
3細胞釋放檢測
在細胞水平上，當細胞受到外界剌激或者生理病變過程中會產生過量自由基，從而對細胞生理功能產生重要影響，進而引起生理病變。因此，構筑適于檢測細胞內O2'_自由基的傳感器,原位、實時地檢測自由基濃度的變化,對疾病預防與治療的途徑具有重要的生理及病理意義。
Tanaka等[44利用碳纖維修飾電極檢測由免疫球蛋白G和卟啉醇肉豆蔻酸乙酸酯剌激單中性白細胞產生O^自由基的氧化電流。實驗證明自由基會在剌激1min后產生，5min達到最大值,20min后消失，這種方法獲得的電流4寸間關系與傳統方法獲得的結果一致。隨后,Tanaka課題組[45設計了一種檢測由單個噬菌細胞釋放自由基的電流方法,其靈敏度高達到fA級。
在實際樣品檢測時,天然酶的空間結構和構象變化容易致使其喪失催化活性,成為制約它們實際應用瓶頸。為了避免這些缺陷，基于活性位點■銅、鐵和錳設計的低分子量、具有SOD生物活性的仿生酶研究已陸續報道[4649]。Cabelli等^研究了錳磷酸鹽作為仿生SOD在有機活體內的抗氧化機理。為了證明結果的可靠性,他們采用兩種不同方法:脈沖輻射法和Co~60i輻射法產生自由基。實驗證明Mn2+與O「自由基反應生成暫態的MnO:+,然后MnO:+快速歧化生成O:和^O:。
Tian課題組利用M%(PO4)2具有仿生SOD的生物特性,在高導電納米針狀TiOi膜上構筑了一個具有選擇性高和穩定性好的第三代O〗_生物傳感器，提供了一種方便、快速原位直接檢測貼壁生長在修飾膜表面的正常人胚腎細胞HEK293T和CHO癌細胞釋放的O〗_自由基的電化學分析新方法。檢測原理如圖4所示,在M%(PO4)2仿生酶的催化作用下發生歧化反應的過程中，將Or分別轉化成Oi和&O2(如圖4A)。此過程可看成是分別在兩個電極上獨立進行的兩個反應。一方面,在陽極反應中圖（4B),電解液中的被MnOi+的氧化生成O2,同時MnOi+被還原成Mn2+。而生成的Mn2+能夠在電極上失去電子，重新被氧化成MnO2+。另一方面，在陰極反應中（圖4C),O；-氧化Mn2+生成MnO2+,而生成的MnO2+在電極表面得到電子被還原成Mn2+。因此,在O〗-存在的情況下,通過Mn2+修飾電極上的氧化或還原電流檢測O2'_。因此,通過兩極上氧化或還原電流信號的變化，即可實現對O2’_的檢測。電化學信號表明此生物傳感器可以實現細胞應激反應產生0廠自由基的可逆響應，暗示02'_自由基可作為_種癌癥生物標記物，為生理和病理方面的研究提供了基礎。
基于SOD生物仿生酶(PO4)2,Zhou等開發了一種可靠和持久原位實時檢測O-自由基的方法。Mn2+通過離子交換作用進入zeolite~ZSM-5的納米結構中，進一步被聚二烯丙基二甲基氯銨化覆蓋固定到電極表面上。沸石的納米微結構加快了Mn2+的直接電子傳遞，其表觀電位是（561±6)mV(vs.Ag/AgCl),位于O2'-/O2和O2'-/H2O2動力學電位內，可以將O〗_歧化為Oi和％O2。利用分子篩較好的生物相容性和細胞黏附性，讓細胞貼壁生長，
可靠、持久的原位實時測定了細胞釋放出來的O‘-自由基濃度,實現從理論到實踐應用的轉變。
作為細胞信號的傳導分子，自由基與金屬離子密切關系，包括Ca2+通道、K+通道、Na+通道等。
Tian課題組153基于Mn^TPAA(Mn-tris2-(2-pyridylmethyl)aminoethyl]amine)仿生酶構筑了O;生物傳感器,具有高的穩定性和良好的重現性。以Hela細胞為模型,他們進一步研究了細胞釋放O〗_自由基與細胞內Ca2+之間的依存關系。如圖5所示，在無抑制劑時，加入Ang后熒光強度明顯增強，說明Angn剌激細胞產生的O「促使細胞內Ca2+的釋放,Ca2+與Fluo4-AM結合,從而使熒光增強。然而，在實驗前先用NADPH氧化酶抑制劑Apo或陰離子通道阻滯劑DIDS處理10min,再進行的相同實驗時,AngH剌激細胞前后熒光強度沒有明顯變化。這說明Apo抑制細胞外O〗_的產生而影響熒光強度的增加，DIDS阻止細胞外O〗_進入細胞而抑制細胞Ca2+濃度的增大。這一研究對認識自由基信號的傳導與其它生理和病理的關系提供了一種新思路。
4活體電化學分析
電化學分析方法雖具有高靈敏性、原位、實時在線檢測等優點,適于活體內o2'_自由基的分析和檢測,但目前這方面鮮有文獻報道。
對于植物體內0廠自由基的檢測,Deng等M基于半導體ZnO納米材料成功構筑了第三代生物傳
感器，實現了豆芽體內O^的檢測。如圖6所示，活體實驗采用雙電極體系,ZnO/SOD微電極作為工作電極,鉑絲作為對電極。ZnO/SOD微電極的制備步驟如下：首先，ITO導電玻璃切割成剌狀；然后，將ZnO納米材料電沉積到導電玻璃表面上，并進一步負載Cu,Zn-SOD。結果表明，通過一步、無模版的電沉積得到新型六角形ZnO納米材料，可實現了SOD的直接電子傳遞;再結合SOD對O^自由基的催化歧化，實現了豆芽體內O^自由基的在線檢測。該項研究不僅為酶蛋白在納米結構半導體膜上構筑第三代生物傳感器建立了一個模型，也為研究生物體內O2’-作用機理開啟了一扇窗口，可以更深入的理解O；-自由基在生理學和病理學中的作用。
利用TTCA(5,2:5,2-terthiophene-3-carboxylicacid)聚合物膜依次共價鍵固定DGPD(1,2-Dipalmi-toylsn~glycero-3~phosphoethanolamine^i~dodecanylamine)和Cyt.c,Rahman等1551制備了一種高穩定、高靈敏的體內檢測O2_的第三代傳感器。他們通過持續不斷的往鼠腦注入可卡因溶液剌激產生O2_,并利用該傳感器對細胞外的o2’-進行檢測。如圖1所示，該傳感器在鹽水、急性和重復注射可卡因不同實驗條件下產生了不同程度的電流響應，其中重復注射可卡因操作下傳感器的靈敏度最高。-0.31V的低電位結合聚合物膜的屏蔽可使傳感器在測定0廠自由基時避免抗壞血酸、尿酸、過氧化氫、氧氣等干擾,從而保證此微型傳感器植入鼠腦成功測定體內02'-自由基的濃度，并且能夠實現動態檢測體內02-自由基濃度隨可卡因不斷急性注入的變化。該微型生物傳感器可以作為監測興奮劑藥物暴露引起細胞外0廠自由基濃度變化的一種有效工具。
近來，Tian等63提出了一種植入型微碳纖維電極直接實現活體內0廠自由基檢測的新思路。此碳纖維基底上固定的SOD在測定0廠上擁有顯著的高選擇性和良好的穩定性；同時背景電流的減小使得碳纖維微電極在高靈敏測定生物體內0廠自由基占有優勢。隨后,Tian課題組M首次利用NTA/HT技術實現了SOD在NTA修飾電極上的直接電化學,極大提高了電子傳遞。整個傳感器的制備過程如圖8(A和B)所示。結合傳感器的高靈敏度、高穩定性的分析性能以及碳纖維電極生物相容性和可微型化特點,該課題組成功實現鼠腦在缺血再灌注過程中0廠自由基濃度的變化檢測（圖8C)。該研究為體內活性氧的進一步研究提供了一種新思路，同時也為理解其在氧化應激和生理病理過程中的作用提供了獨特的視角。
建立基于納米材料與功能分子設計界面的02’-自由基檢測新方法和適于活體檢測的超微電極技圖8(A)NTA和SOD修飾電極過程示意圖；（B和C)碳纖維電極制備過程以及利用碳纖維電極檢測鼠腦內02’_過程示意圖
術,將為研究等活性氧在細胞信號轉導中的作用，進而解析0廠自由基等活性氧在生命活動中的作用機理,治療和預防與氧化應激等有關疾病,以及抗氧化物新藥的研制與開發等提供一種新的研究思路。
