编辑推荐
适读人群 :本书可供化学、生命科学、环境科学及材料科学等相关领域科研人员阅读参考,也可作为高等院校相关专业的教学用书。 1.“十二五”国家重点图书;
2.化学工业出版社出版基金资助出版;
3.本书主编长期从事电化学及电分析化学的教学及科研工作,参加和主持多项国家、省部级科研项目,先后在国内外学术刊物上发表论文近100余篇,多次获省部级以上科学技术奖。
4.本书遵循“加强基础,趋向前沿,反映现代,注意交叉”的编写原则,总结了生物电化学研究基础、常用方法及国内外前沿进展。
内容简介
《生物电化学》首次从生物电现象及其研究范围、应用现状涉及的电化学基础知识出发,总结了现代生物电化学研究常用方法的基本原理,阐述了当代生物电化学研究中的应用与发展,对生物电现象与生物传感新技术的原理、方法进行了深入浅出的描述,主要内容包括生物电化学基础、生物电现象及酶、微生物、DNA及免疫电化学生物传感器、生物环境、氧化还原自组装膜界面电子转移研究、数理基础、技术基础、生物电化学的研究领域、进展与应用。
本书适合于电化学分析工作者阅读,可供化学(包括化学生物学)、生命科学、环境科学及材料科学等领域工作者参考,同时也可作为大专院校化学专业高年级学生和分析化学专业研究生的教材。
作者简介
卢小泉,教授,博导,长期从事电化学及电分析化学的教学及科研工作.参加和主持多项国家、省部级科研项目,先后在国内外学术刊物上发表论文近100余篇,鉴定成果4项。荣获2012年度“长江学者奖励计划”特聘教授,入选甘肃省“555创新人才工程”,获得教育部第四届高校青年教师奖、中国化学会全国青年化学奖、甘肃省杰青、甘肃省青年科技创新杰出奖、甘肃省第六届青年成才奖、兰州市首届青年科技奖等,多次获甘肃省科学技术(自然科学)二等奖和甘肃省高校科技进步一等奖。
内页插图
目录
第1章绪论
1.1生物电现象1
1.2生物电化学及其研究范畴4
1.3生物电化学的应用现状及展望9
参考文献10
第2章电化学理论基础
2.1电极反应与电极电势12
2.1.1电极12
2.1.2电极反应13
2.1.3电极电势14
2.1.4液接界电势16
2.2双电层17
2.2.1电极/溶液界面的性质及其研究方法17
2.2.2双电层的结构20
2.3电化学过程热力学22
2.3.1Gibbs自由能变与电动势22
2.3.2可逆电化学过程热力学23
2.3.3不可逆及准可逆电化学过程热力学25
2.4电极反应动力学25
2.4.1动力学基本理论25
2.4.2电极过程的Butler�睼olmer模型27
2.4.3标准速率常数和传递系数29
2.4.4交换电流密度30
2.4.5多电子步骤机理31
2.5电极体系中的传质过程32
2.5.1物质传递的形成32
2.5.2物质传递普遍方程的推导34
2.5.3扩散36
2.6电极过程动力学44
2.6.1过电势公式44
2.6.2复杂电极过程47
参考文献50
第3章电化学技术基础
3.1电化学测量体系组成52
3.1.1三电极体系52
3.1.2电解质溶液53
3.1.3隔膜54
3.1.4盐桥54
3.1.5鲁金毛细管55
3.1.6电解池58
3.2稳态测量技术61
3.2.1稳态过程61
3.2.2恒电流稳态与恒电势稳态测量62
3.2.3稳态极化曲线的测定65
3.3暂态测量技术67
3.3.1暂态过程67
3.3.2控制电流暂态测量技术68
3.3.3常见的阶跃电流波形69
3.3.4控制电流技术的应用70
3.3.5控制电势暂态测量技术72
3.4线性电势扫描伏安技术75
3.4.1线性电势扫描过程中相应电流的特点75
3.4.2电化学极化下的动电势扫描法76
3.4.3循环伏安法77
3.4.4薄层伏安法80
3.4.5大幅度线性电势扫描法的特点与应用80
3.5脉冲伏安技术81
3.5.1常规脉冲伏安法82
3.5.2微分脉冲极谱法83
3.5.3脉冲极谱的充电电流和毛细管噪声电流84
3.5.4差示脉冲伏安法85
3.5.5旋转电极脉冲伏安法85
3.5.6方波伏安法86
3.5.7脉冲伏安法的应用87
3.6电化学阻抗谱技术88
3.6.1电化学阻抗谱的基础知识90
3.6.2复合元件的阻纳93
3.6.3电极过程的等效电路99
3.6.4电化学阻抗谱的测量技术101
3.7电化学噪声技术103
3.7.1电化学噪声分类104
3.7.2电化学噪声测定105
3.7.3电化学噪声分析107
参考文献110
第4章环境与生物电化学
4.1生物电化学系统115
4.1.1BES的基本工作原理116
4.1.2BES的产电过程119
4.1.3生物质能源的产生120
4.2微生物燃料电池125
4.2.1微生物燃料电池的发展历史126
4.2.2微生物燃料电池的分类127
4.2.3微生物燃料电池的优点133
4.2.4微生物燃料电池存在的问题134
4.2.5微生物燃料电池的应用前景136
4.3微生物电解电池138
4.3.1微生物电解电池与微生物燃料电池的差异138
4.3.2微生物电解电池的优点139
4.3.3微生物电解电池的局限性139
4.3.4微生物电解电池的研究现状140
4.4生物电化学与环境监测141
4.4.1生物电化学传感器与环境监测141
4.4.2生物芯片与环境监测146
4.4.3生物电化学反应器与环境监测147
4.4.4生物电化学的发展方向147
参考文献147
第5章电化学联用技术
5.1光谱电化学技术154
5.1.1现场光谱电化学技术155
5.1.2非现场光谱技术165
5.1.3现场显微技术168
5.2电致化学发光技术168
5.2.1电致化学发光的特点169
5.2.2电致化学发光的仪器结构169
5.2.3电致化学发光的基本反应机理171
5.2.4电致化学发光的基本类型172
5.2.5电致化学发光的应用175
5.3扫描电化学显微镜179
5.3.1SECM简介179
5.3.2SECM的实验装置179
5.3.3SECM的工作模式181
5.3.4SECM的定量分析理论186
5.3.5SECM的应用186
5.3.6SECM的展望189
5.4电化学石英晶体微天平189
5.4.1石英晶体微天平的基本原理190
5.4.2电化学石英晶体微天平的应用191
5.5其他一些联用技术193
5.5.1SECM和其他技术联用193
5.5.2压电、红外光谱、电化学三维联用技术194
5.5.3电化学�脖砻娴壤胱犹宀ü舱窦际�195
5.5.4磁共振方法196
参考文献198
第6章电化学酶传感器
6.1酶的化学本质及其组成202
6.1.1酶的化学本质203
6.1.2酶的组成203
6.1.3酶的特点204
6.2酶促反应的电化学研究205
6.2.1酶促反应的特点205
6.2.2酶促反应的影响因素206
6.3酶电化学生物传感器207
6.3.1酶电化学生物传感器的工作原理207
6.3.2酶电化学生物传感器的分类208
6.3.3酶在电极上的固定化方法210
6.3.4酶传感器的应用现状212
6.3.5酶传感器的未来发展趋势215
6.4酶基生物燃料电池215
6.4.1酶基生物燃料电池的电极215
6.4.2酶电极的分类216
6.4.3酶的活性中心218
6.4.4外场对酶的影响219
6.4.5催化机理227
6.4.6酶电极的局限性227
参考文献228
第7章电化学微生物传感器和DNA传感器
7.1微生物固定化技术235
7.1.1吸附法236
7.1.2包埋法237
7.1.3交联法241
7.1.4微生物固定中的纳米材料242
7.2呼吸型电化学微生物传感器246
7.3代谢型电化学微生物传感器248
7.4中介型电化学微生物传感器249
7.5电化学微生物传感器的换频方式249
7.5.1电流型微生物传感器250
7.5.2电位型微生物传感器251
7.5.3电导型微生物传感器252
7.5.4微生物燃料电池型传感器253
7.6电化学微生物传感器的应用255
7.6.1在食品和发酵中的应用255
7.6.2环境监测256
参考文献256
第8章电化学核酸传感器
8.1核酸探针264
8.1.1核酸简介264
8.1.2核酸杂交探针266
8.1.3核酸适配子268
8.1.4G�瞦uadruplex核酸探针272
8.2核酸探针在电极表面的固定方法273
8.2.1吸附固定273
8.2.2自组装274
8.2.3共价键合法275
8.2.4生物素�睬缀退亟岷戏�275
8.3电化学核酸传感器的信号检出276
8.3.1基于电化学活性指示剂的杂交检测276
8.3.2基于酶联反应的信号放大检测277
8.3.3基于纳米材料的信号检测278
8.3.4基于核酸体外扩增技术的信号放大检测281
8.4电化学核酸传感器的应用和发展趋势283
参考文献285
第9章电化学免疫型传感器
9.1电化学免疫分析291
9.2电化学免疫传感器293
9.2.1电化学免疫传感器的原理293
9.2.2电化学免疫传感器的分类294
9.2.3电化学免疫传感器中抗原抗体固定方法296
9.2.4电化学免疫传感器的表征302
9.2.5电化学免疫传感器的再生及更新302
9.2.6电化学免疫传感器的信号增强303
9.2.7电化学免疫传感器的应用317
9.3电化学酶联免疫分析320
9.3.1酶联免疫分析方法的基本原理321
9.3.2酶联免疫分析方法的常见类型321
9.4电化学酶联免疫传感器325
9.4.1电化学酶联免疫传感器的基本原理325
9.4.2电化学酶联免疫传感器的种类325
9.4.3电化学酶联免疫传感器的应用327
9.4.4电化学酶联免疫传感器的前景328
参考文献328
第10章氧化还原自组装膜界面电子转移研究
10.1氧化还原自组装膜电子传递研究的电化学分析方法338
10.1.1自组装膜338
10.1.2自组装膜电子传递研究的电化学分析方法340
10.1.3自组装膜长程电子转移的影响因素342
10.2自组装膜上的KET电化学测量的氧化还原体系343
10.2.1自组装膜长程电子转移理论简介344
10.2.2标准速率常数k�遱的理论计算公式345
10.2.3氧化还原体系K3Fe(CN)6-K4Fe(CN)6和亚甲基蓝-无色亚甲基蓝的电子转移速率常数的测定347
10.3ET动力学的微观效应351
10.3.1电子转移机理的基本概念351
10.3.2ET动力学352
10.3.3ET的微观理论353
10.4氧化还原自组装单层膜的结构354
10.5卟啉自组装膜电化学355
10.5.1卟啉自组装膜的制备355
10.5.2基于金属卟啉轴向配位的自组装研究358
10.6SECM表征卟啉自组装膜在金电极上的成膜过程361
10.6.1H2MPTPP修饰电极的循环伏安表征361
10.6.2表征卟啉自组装膜在金电极上的成膜过程363
10.6.3卟啉自组装单分子膜长程电子转移过程的SECM的研究366
10.6.4巯基卟啉在金电极表面自组装过程中的分子定位366
参考文献368
索引371
前言/序言
生物电化学是通过应用电化学基本原理和实验方法来研究生物体系在分子和细胞水平上的电荷能量传输运动规律和它们对生物体系活性功能的影响,并通过这些研究反过来促进电化学理论和应用发展的边缘分支学科,即运用电化学的技术、原理和理论来研究生物学事件,同时也是多门学科交叉形成的一门新兴的独立学科。
本书是由国家重大科技计划项目支持的一部基础理论著作,首次从生物电现象及其研究范围、应用现状涉及的电化学基础知识出发,总结了现代生物电化学研究常用方法的基本原理,阐述了当代生物电化学研究中的应用与发展,对生物电现象与生物传感新技术的原理、方法进行了深入浅出的描述。本书主要内容包括生物电化学基础、生物电现象及酶、微生物、DNA及免疫电化学生物传感器、生物环境、氧化还原自组装膜界面电子转移研究、数理基础、技术基础、生物电化学的研究领域、进展与应用。本书素材来源于笔者十多年来在电分析化学与生命科学领域中教学实践与科学研究的经验及成果,并吸收了国内外最新的有关参考文献和近年来该领域发展的新成就。注重生物与电化学两部分的交叉结合,将各种生物电化学原理和技术在其他领域的应用进行了详细的介绍,拓展了生物电化学的研究领域。本书传承了与时俱进和“精、全、新”的编写原则,力求科学性、先进性、系统性、启发性和教育性的统一,反映生物电化学的时代特点。本书注重对基本原理、基础知识、基本概念和基本技能的深入阐述,着力培养学生主动学习获得新知识的能力、高层次思考问题的能力和勇于探索创新的意识,强调严谨细致的分析推理。
本书适合电化学分析工作者阅读,可供化学(包括化学生物学)、生命科学、环境科学及材料科学等相关领域的工作者参考,同时也可作为高等院校化学专业高年级学生和分析化学专业研究生的教材。参加本书编写工作的有卢小泉(第1、5、10章)、王雪梅(第4、6、9章)、郭惠霞(第2、3章)和杜捷(第7、8章),由卢小泉统稿完成。
限于笔者的水平,不足之处恐难避免,敬希读者不吝指正。
编著者
生物电化学:跨越生命与电荷的交汇点 (图书名称:生物电化学) --- 书籍概述: 《生物电化学》并非一本关于生命体内部电信号传导(如神经冲动或心肌收缩)的基础生理学教科书,也不是专注于传统电镀、电池技术或高分子材料电化学的专业手册。本书深入探讨的是一个高度交叉的前沿领域——生命体系(生物分子、细胞器、微生物乃至完整的生物体)与电化学界面、电荷转移过程之间相互作用的精细机制、应用潜力及理论基础。 本书旨在为拥有一定化学、生物学或电化学背景的读者提供一个系统而深入的视角,理解生物系统如何利用或受到电化学原理的调控,并反之,如何利用电化学手段来“对话”或解析生命活动。 核心内容分布与深度解析: 本书结构严谨,分为四大核心模块,层层递进,展现了生物电化学的广阔图景: 第一部分:生物电化学的理论基石与界面动力学 本部分奠定了理解后续应用的基础,聚焦于电化学原理在生物环境中的特殊表现。 1. 生物体系中的电化学基础概念重塑: 双电层结构在生物界面上的特殊性: 区别于金属/溶液界面,生物膜、蛋白质或核酸分子与电极表面的接触会形成复杂的、受特定离子和环境pH值高度影响的电荷层结构。详细讨论了亥姆霍兹模型、郭因-佩金模型在生物体系界面张力、吸附等现象中的修正与应用。 生物大分子的电荷转移动力学: 探讨了电子和质子在蛋白质和酶活性中心(如细胞色素c、脱氢酶)中的量子隧穿效应及Marcus理论的适用性。重点分析了介电常数、溶剂极性对这些转移速率的调控。 微环境对电极反应的影响: 深入分析了生物缓冲体系(如磷酸盐缓冲液)对电极反应过电位的拖拽效应,以及蛋白质变性对电化学信号的干扰与利用。 2. 电化学传感器的生物兼容性与信号放大: 详细论述了如何设计具有高选择性和稳定性的生物传感器界面。这包括表面等离子体共振(SPR)技术在生物分子固定化中的电化学辅助作用,以及纳米材料(如碳纳米管、石墨烯衍生物)在生物电化学信号放大中的作用机理。 生物活性物质的电化学表征方法: 阐述了循环伏安法(CV)、方波脉冲伏安法(SWV)在检测生物分子(如核苷酸、抗氧化剂、神经递质)时的具体参数优化,以及微分电位阶跃(DPA)技术在解析快速吸附/解吸附过程中的优势。 第二部分:微生物电化学与能源转化 本模块将焦点从孤立的分子转移拓展到整个微生物群体及其代谢活动,探讨电能与生物能的互换。 3. 微生物电化学池(MFCs)的机制与效率瓶颈: 阴极与阳极的生物学过程解耦: 详述了阳极氧化(微生物分解有机物,释放电子)的生化通路,如外分泌电子转移(EET)和穿梭分子介导的电子转移。同时,深入分析了阴极还原过程,包括氧还原(ORR)和二氧化碳还原(CRR)中微生物的电子接收机制。 电荷收集效率的工程优化: 探讨了电极材料(导电聚合物、特殊碳材料)如何影响电子从细胞膜到电极的阻抗,以及如何通过调控电极孔隙率和表面官能团来优化微生物的“呼吸”效率。 4. 生物燃料电池与环境修复的电化学接口: 生物产氢与生物产甲烷的电化学调控: 研究了如何通过施加或抽取特定电位来引导微生物的代谢流向,例如抑制甲烷生成而促进氢气产生,反之亦然。 电化学驱动的生物修复(Bioremediation): 考察了电化学还原污染物(如硝基化合物、卤代烃)与微生物降解协同作用的模式,重点分析了电子在催化降解路径中的关键角色。 第三部分:生物电化学在生命科学研究中的应用 此部分关注如何利用精确的电化学手段来干预、监测和理解复杂的生命现象。 5. 活体/近生理条件下生物电化学的挑战: 细胞膜电位动态测量与调控: 不涉及传统的电生理学记录,而是聚焦于使用非侵入性或微创性的电化学探针(如微电极阵列MEA)实时监测细胞群体的代谢状态变化和电化学信号的传播。 氧化还原生物标志物的电化学检测: 详细介绍了一种特定靶向的电化学方法,用于量化细胞内关键氧化还原分子(如谷胱甘肽、辅酶Q)的浓度变化,这直接反映了细胞的氧化应激水平。 6. 电化学辅助的药物递送与生物材料: 电场与电势对细胞摄取的调控: 探讨了电渗透(Electroporation)效应的精确控制,以及如何通过施加特定频率和强度的电场脉冲,选择性地增强特定药物或基因载体进入目标细胞的效率,而最小化对周围健康组织的损伤。 植入式电化学器件的生物相容性界面设计: 讨论了植入电极(如神经接口)表面如何通过涂覆生物活性分子层或使用离子凝胶,来减少异物反应,并稳定记录或刺激信号。 第四部分:前沿展望与交叉学科融合 本书最后一部分展望了该领域未来几年可能取得突破的方向,强调跨学科的必要性。 7. 合成生物学与电化学的集成: “电活性”微生物的设计: 探讨如何利用基因工程手段,在微生物中引入或增强其外源电子转移通路,使其能更高效地与电极进行电子交换,以实现生物合成目标产物(如生物聚合物或高价值化学品)的电化学定向合成。 闭环生物电化学系统: 构想和分析了将电化学传感、数据处理与电化学干预(刺激或调控)整合在一起的自动化生物反馈系统,实现对细胞培养或生物反应器的智能控制。 --- 本书的独特视角: 《生物电化学》的重点在于“电化学”作为工具和原理,如何深入阐释“生物”过程的本质,而非仅仅停留在生物学现象的描述上。它涵盖了从原子尺度的电子转移到宏观尺度的能源转化,强调了界面控制和电荷平衡在生命活动中的核心地位。本书的深度在于其对复杂界面现象的定量分析和对前沿工程应用的理论指导,而非基础生理知识的重复。