生物電化學

本書在編寫過程中努力遵循“加強基礎，趨向前沿，反映現代，注意交叉”的現代學科建設理念，從生物電現象及其研究範圍、應用現狀涉及的電化學基礎知識出發，總結了現代生物電化學研究常用方法的基本原理。全書主要內容包括生物電化學基礎、生物電現象及酶、微生物、DNA及免疫電化學生物感測器、生物環境、氧化還原自組裝膜界面電子轉移研究、數理基礎、技術基礎、生物電化學的研究領域、進展與應用。本書可供化學、生命科學、環境科學及材料科學等相關領域科研人員閱讀參考，也可作為高等院校相關專業的教學用書。

第1章緒論

1.1生物電現象1

1.2生物電化學及其研究範疇4

1.3生物電化學的應用現狀及展望9

參考文獻10

第2章電化學理論基礎

2.1電極反應與電極電勢12

2.1.1電極12

2.1.2電極反應13

2.1.3電極電勢14

2.1.4液接界電勢16

2.2雙電層17

2.2.1電極/溶液界面的性質及其研究方法17

2.2.2雙電層的結構20

2.3電化學過程熱力學22

2.3.1Gibbs自由能變與電動勢22

2.3.2可逆電化學過程熱力學23

2.3.3不可逆及准可逆電化學過程熱力學25

2.4電極反應動力學25

2.4.1動力學基本理論25

2.4.2電極過程的ButlerVolmer模型27

2.4.3標準速率常數和傳遞係數29

2.4.4交換電流密度30

2.4.5多電子步驟機理31

2.5電極體系中的傳質過程32

2.5.1物質傳遞的形成32

2.5.2物質傳遞普遍方程的推導34

2.5.3擴散36

2.6電極過程動力學44

2.6.1過電勢公式44

2.6.2複雜電極過程47

參考文獻50

第3章電化學技術基礎

3.1電化學測量體系組成52

3.1.1三電極體系52

3.1.2電解質溶液53

3.1.3隔膜54

3.1.4鹽橋54

3.1.5魯金毛細管55

3.1.6電解池58

3.2穩態測量技術61

3.2.1穩態過程61

3.2.2恆電流穩態與恆電勢穩態測量62

3.2.3穩態極化曲線的測定65

3.3暫態測量技術67

3.3.1暫態過程67

3.3.2控制電流暫態測量技術68

3.3.3常見的階躍電流波形69

3.3.4控制電流技術的應用70

3.3.5控制電勢暫態測量技術72

3.4線性電勢掃描伏安技術75

3.4.1線性電勢掃描過程中相應電流的特點75

3.4.2電化學極化下的動電勢掃描法76

3.4.3循環伏安法77

3.4.4薄層伏安法80

3.4.5大幅度線性電勢掃描法的特點與應用80

3.5脈衝伏安技術81

3.5.1常規脈衝伏安法82

3.5.2微分脈衝極譜法83

3.5.3脈衝極譜的充電電流和毛細管雜訊電流84

3.5.4差示脈衝伏安法85

3.5.5旋轉電極脈衝伏安法85

3.5.6方波伏安法86

3.5.7脈衝伏安法的應用87

3.6電化學阻抗譜技術88

3.6.1電化學阻抗譜的基礎知識90

3.6.2複合元件的阻納93

3.6.3電極過程的等效電路99

3.6.4電化學阻抗譜的測量技術101

3.7電化學雜訊技術103

3.7.1電化學雜訊分類104

3.7.2電化學雜訊測定105

3.7.3電化學雜訊分析107

參考文獻110

第4章環境與生物電化學

4.1生物電化學系統115

4.1.1BES的基本工作原理116

4.1.2BES的產電過程119

4.1.3生物質能源的產生120

4.2微生物燃料電池125

4.2.1微生物燃料電池的發展歷史126

4.2.2微生物燃料電池的分類127

4.2.3微生物燃料電池的優點133

4.2.4微生物燃料電池存在的問題134

4.2.5微生物燃料電池的應用前景136

4.3微生物電解電池138

4.3.1微生物電解電池與微生物燃料電池的差異138

4.3.2微生物電解電池的優點139

4.3.3微生物電解電池的局限性139

4.3.4微生物電解電池的研究現狀140

4.4生物電化學與環境監測141

4.4.1生物電化學感測器與環境監測141

4.4.2生物晶元與環境監測146

4.4.3生物電化學反應器與環境監測147

4.4.4生物電化學的發展方向147

參考文獻147

第5章電化學聯用技術

5.1光譜電化學技術154

5.1.1現場光譜電化學技術155

5.1.2非現場光譜技術165

5.1.3現場顯微技術168

5.2電致化學發光技術168

5.2.1電致化學發光的特點169

5.2.2電致化學發光的儀器結構169

5.2.3電致化學發光的基本反應機理171

5.2.4電致化學發光的基本類型172

5.2.5電致化學發光的應用175

5.3掃描電化學顯微鏡179

5.3.1SECM簡介179

5.3.2SECM的實驗裝置179

5.3.3SECM的工作模式181

5.3.4SECM的定量分析理論186

5.3.5SECM的應用186

5.3.6SECM的展望189

5.4電化學石英晶體微天平189

5.4.1石英晶體微天平的基本原理190

5.4.2電化學石英晶體微天平的應用191

5.5其他一些聯用技術193

5.5.1SECM和其他技術聯用193

5.5.2壓電、紅外光譜、電化學三維聯用技術194

5.5.3電化學表面等離子體波共振技術195

5.5.4磁共振方法196

參考文獻198

第6章電化學酶感測器

6.1酶的化學本質及其組成202

6.1.1酶的化學本質203

6.1.2酶的組成203

6.1.3酶的特點204

6.2酶促反應的電化學研究205

6.2.1酶促反應的特點205

6.2.2酶促反應的影響因素206

6.3酶電化學生物感測器207

6.3.1酶電化學生物感測器的工作原理207

6.3.2酶電化學生物感測器的分類208

6.3.3酶在電極上的固定化方法210

6.3.4酶感測器的應用現狀212

6.3.5酶感測器的未來發展趨勢215

6.4酶基生物燃料電池215

6.4.1酶基生物燃料電池的電極215

6.4.2酶電極的分類216

6.4.3酶的活性中心218

6.4.4外場對酶的影響219

6.4.5催化機理227

6.4.6酶電極的局限性227

參考文獻228

第7章電化學微生物感測器和DNA感測器

7.1微生物固定化技術235

7.1.1吸附法236

7.1.2包埋法237

7.1.3交聯法241

7.1.4微生物固定中的納米材料242

7.2呼吸型電化學微生物感測器246

7.3代謝型電化學微生物感測器248

7.4中介型電化學微生物感測器249

7.5電化學微生物感測器的換頻方式249

7.5.1電流型微生物感測器250

7.5.2電位型微生物感測器251

7.5.3電導型微生物感測器252

7.5.4微生物燃料電池型感測器253

7.6電化學微生物感測器的應用255

7.6.1在食品和發酵中的應用255

7.6.2環境監測256

參考文獻256

第8章電化學核酸感測器

8.1核酸探針264

8.1.1核酸簡介264

8.1.2核酸雜交探針266

8.1.3核酸適配子268

8.1.4Gquadruplex核酸探針272

8.2核酸探針在電極表面的固定方法273

8.2.1吸附固定273

8.2.2自組裝274

8.2.3共價鍵合法275

8.2.4生物素親和素結合法275

8.3電化學核酸感測器的信號檢出276

8.3.1基於電化學活性指示劑的雜交檢測276

8.3.2基於酶聯反應的信號放大檢測277

8.3.3基於納米材料的信號檢測278

8.3.4基於核酸體外擴增技術的信號放大檢測281

8.4電化學核酸感測器的應用和發展趨勢283

參考文獻285

第9章電化學免疫型感測器

9.1電化學免疫分析291

9.2電化學免疫感測器293

9.2.1電化學免疫感測器的原理293

9.2.2電化學免疫感測器的分類294

9.2.3電化學免疫感測器中抗原抗體固定方法296

9.2.4電化學免疫感測器的表徵302

9.2.5電化學免疫感測器的再生及更新302

9.2.6電化學免疫感測器的信號增強303

9.2.7電化學免疫感測器的應用317

9.3電化學酶聯免疫分析320

9.3.1酶聯免疫分析方法的基本原理321

9.3.2酶聯免疫分析方法的常見類型321

9.4電化學酶聯免疫感測器325

9.4.1電化學酶聯免疫感測器的基本原理325

9.4.2電化學酶聯免疫感測器的種類325

9.4.3電化學酶聯免疫感測器的應用327

9.4.4電化學酶聯免疫感測器的前景328

參考文獻328

第10章氧化還原自組裝膜界面電子轉移研究

10.1氧化還原自組裝膜電子傳遞研究的電化學分析方法338

10.1.1自組裝膜338

10.1.2自組裝膜電子傳遞研究的電化學分析方法340

10.1.3自組裝膜長程電子轉移的影響因素342

10.2自組裝膜上的KET電化學測量的氧化還原體系343

10.2.1自組裝膜長程電子轉移理論簡介344

10.2.2標準速率常數ks的理論計算公式345

10.2.3氧化還原體系K3Fe(CN)6-K4Fe(CN)6和亞甲基藍-無色亞甲基藍的電子轉移速率常數的測定347

10.3ET動力學的微觀效應351

10.3.1電子轉移機理的基本概念351

10.3.2ET動力學352

10.3.3ET的微觀理論353

10.4氧化還原自組裝單層膜的結構354

10.5卟啉自組裝膜電化學355

10.5.1卟啉自組裝膜的製備355

10.5.2基於金屬卟啉軸向配位的自組裝研究358

10.6SECM表徵卟啉自組裝膜在金電極上的成膜過程361

10.6.1H2MPTPP修飾電極的循環伏安表徵361

10.6.2表徵卟啉自組裝膜在金電極上的成膜過程363

10.6.3卟啉自組裝單分子膜長程電子轉移過程的SECM的研究366

10.6.4巰基卟啉在金電極表面自組裝過程中的分子定位366

參考文獻368

索引371