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经典|生物医学工程中的物理化学 精选

已有 2277 次阅读 2019-5-16 11:48 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述

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生物医学工程(biomedical engineering)是一门前沿交叉学科,它综合了医学、化学、生物学等多个学科的理论和方法,利用工程技术手段来解决医学诊断和治疗问题。生物医学工程对发展高端医疗装备和推动临床医学发展起着十分重要的支撑作用。


物理化学(physical chemistry)是以物理的原理和实验技术为基础,研究化学体系的性质和行为,发现并建立化学体系中最具有普遍性规律的一门学科。物理化学是生物医学工程专业的基础课程之一,对生物医学工程的学习和研究具有重要意义。本书从生物医学工程的角度,系统介绍物理化学的基本知识及其在生物医学工程中的应用。


物理化学基础


《生物医学工程中的物理化学》的第一章到第七章讲述物理化学的基础知识。其中第一章简要介绍了物理化学的研究内容、发展历史等,第二章到第七章详细介绍了物理化学的基本知识,包括热力学、化学势与化学平衡、电化学、表面物理化学、胶体化学及化学动力学基本原理。


生物医学工程中的物理化学


《生物医学工程中的物理化学》的第八章到第十二章结合作者在生物医学工程领域多年的科学研究,从五个方面介绍了物理化学在生物医学工程研究中的应用。包括:


气体表面吸附及检测


气体吸附理论是研究气体传感与检测的理论基础。关于气体吸附特性研究的不断发展,也推动了气体传感与检测的发展与进步。无创伤体外诊断技术一直是生物医学工程领域研究的一个热点。呼气诊断技术作为一种新型的体外诊断方法,通过检测人体呼出气体中疾病标志物气体的变化来实现对人体疾病的早期判别,具有操作简便、检测速度快且对人安全无创等特点,已越来越受到人们的关注。本书第八章首先介绍气体在固体表面吸附的基本理论,随后根据检测原理不同,详细介绍了目前常见的气体传感器及传感阵列;最后介绍了气体传感检测在生物医学工程的应用,即通过呼气诊断技术来实现对人体疾病的早期诊断研究。


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图1 胶体晶体传感阵列用于气体检测研究;(a)胶体晶体传感阵列的照片;(b)通过卟啉功能化的胶体晶体的荧光颜色变化对多种VOC气体进行定性检测;(c)通过胶体晶体的反射峰变化对VOC气体进行定量分析;


电化学传感器


电化学传感器是测量待测物质的电化学性质(如电势、电流和电量等)的变化,并将其转换为电信号,从而实现待测物质的定性或定量检测的装置。由于电化学传感器具有响应快、灵敏度高、选择性好、成本低等优点,已经被广泛应用于生物医学工程领域。《生物医学工程中的物理化学》第九章首先介绍了电化学传感器的基本概念和工作原理,随后依据敏感元件的不同简单概述了电化学传感器的分类,最后详细总结了电化学传感器在生物医学工程方面的应用,包括与临床诊断相关的遗传病和传染病的诊断、致病微生物的检测、生物标志物的检测、药物研究及在纸芯片和柔性可穿戴式传感器中的应用。


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图2 基于智能手机的唾液淀粉酶电化学传感器示意图


生物材料的表面修饰


利用物理化学原理对表面性质进行设计,并通过技术手段对表面进行改性,为表面赋予所需的功能,是物理化学的重要应用之一。通过技术手段为生物材料、医疗器械和检测装置表面赋予一定的功能,如防污性质、抗菌性质、生物相容性、与特定生物分子结合的能力等,是生物医学工程的重要组成部分。因此,理解表面物理化学的基础内容、了解常见的表面改性技术方法和生物芯片的制备方法显得十分必要。本书于第五章首先介绍了表面化学的相关内容,阐述了表面化学的基础知识及相关的简单应用,在第十章中对目前常用的表面改性技术和制备生物芯片的图案化技术进行了全面的介绍,使读者对于表面物理化学及其在生物医学工程中的应用有基本的了解。




图3 表面化学与表面修饰技术


胶体材料与生物分析


胶体是一种分散相颗粒的特征尺度介于粗分散体系和溶液之间的一类分散体系。胶体纳米粒子作为应用最为广泛的一类胶体材料,由于具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等独特的性质,在光学、传感、催化、生物医学检测、功能纳米器件等领域显示出巨大的潜力。本书第十一章首先概述了纳米粒子的性质与制备方法,随后从纳米粒子自组装的驱动力、自组装的类型及自组装方法等方面,详细论述了纳米粒子的自组装以及基于自组装纳米粒子的有序结构,并重点介绍了这些自组装有序结构在生物分析中的应用。


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图4 可用于编码与生物分析的自组装胶体粒子

 

贵金属纳米粒子合成及动力学调控


贵金属包括金、银和铂族金属(铂、钯、铑、钌、铱、锇)等8种金属元素。贵金属纳米粒子除了具备体相贵金属材料独特的物理化学性质之外,还被赋予了纳米材料的一系列特殊性质,在催化、能源、光学、电子、传感及生物医学等领域展示出广阔的应用前景。在实际应用中,贵金属纳米粒子的尺寸、形貌及结构对其光学、催化等物理化学性质具有极大影响。本书第十二章首先介绍了贵金属纳米粒子的表面等离子共振性质,随后从粒子的成核与生长、粒子形貌的热力学调控与动力学调控等方面,详细论述了尺寸及形貌可控的贵金属纳米粒子的合成方法与相关机理。


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图5 贵金属纳米粒子形貌的动力学调控


作者简介


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东南大学生物医学工程


东南大学生物医学工程学科创立于1984年,是国内较早设立生物医学工程专业的学校。1997 年“生物医学工程”成为国家一级学科博士点,2002 年“生物医学工程”成为国家重点学科,并于2017 年入选国家“双一流”学科。在2007年、2012年的生物医学工程学科全国评估中排名第一,2017 年学科评估为A+。


目  录


前言
第1章 绪论 1
1.1 物理化学的内容和任务 1
1.2 物理化学的研究内容 1
1.2.1 化学变化的方向和限度 2
1.2.2 化学反应的速率和机理 2
1.2.3 物质结构和性能之间的关系 2
1.3 物理化学的发展历史 2
1.4 生物医学工程中的物理化学 3
第2章 热力学概论 5
2.1 热力学的定义 5
2.2 热力学中的基本概念 5
2.2.1 系统和环境 5
2.2.2 系统的状态和状态函数 6
2.2.3 热力学平衡状态 7
2.2.4 过程和途径 7
2.2.5 热和功 7
2.2.6 功与过程的关系 8
2.2.7 准静态过程与可逆过程 9
2.3 热力学第一定律 10
2.3.1 热平衡与热力学第零定律 10
2.3.2 热力学第一定律及其数学表达 11
2.3.3 焓与热容 12
2.3.4 理想气体的热力学 13
2.3.5 化学反应的热与焓 16
2.4 热力学第二定律 20
2.4.1 自发过程与热力学第二定律 20
2.4.2 卡诺循环与卡诺定理 21
2.4.3 熵的概念与计算 23
2.4.4 克劳修斯不等式与熵增原理 24
2.4.5 熵变的计算 25
2.4.6 熵的物理意义 28
2.5 化学反应的熵变与热力学第三定律 30
2.5.1 热力学第三定律 30
2.5.2 规定熵与标准熵 30
2.5.3 亥姆霍兹函数和吉布斯函数 31
2.5.4 化学反应的ΔG 34
第3章 化学势与化学平衡 35
3.1 偏摩尔量 35
3.1.1 偏摩尔量的定义 35
3.1.2 偏摩尔量的集合公式 37
3.2 化学势 37
3.2.1 化学势的定义 37
3.2.2 化学势判据及应用举例 38
3.3 气体的化学势 40
3.3.1 理想气体的化学势 40
3.3.2 实际气体的化学势 41
3.4 理想溶液中物质的化学势 41
3.4.1 拉乌尔定律 42
3.4.2 理想液态混合物的定义和特征 42
3.4.3 理想液态混合物中任一组分的化学势 43
3.5 理想稀溶液中物质的化学势 44
3.5.1 亨利定律 44
3.5.2 理想稀溶液的定义 44
3.5.3 理想稀溶液中溶剂和溶质的化学势 45
3.6 不挥发性溶质稀溶液的依数性 46
3.6.1 蒸气压下降 46
3.6.2 凝固点降低 46
3.6.3 沸点升高 48
3.6.4 渗透压 48
3.7 非理想溶液中物质的化学势 49
3.7.1 活度与活度系数 49
3.7.2 活度求算 50
3.8 化学反应的方向和限度 50
3.8.1 反应系统的吉布斯函数 51
3.8.2 化学反应的平衡常数和等温方程 52
3.9 反应的标准吉布斯自由能变化 53
3.10 平衡常数的各种表示法 54
3.10.1 气相反应 55
3.10.2 液相反应 56
3.10.3 气固复相反应 57
3.11 温度对平衡常数的影响 57
3.12 其他因素对平衡常数的影响 58
3.12.1 压力的影响 58
3.12.2 惰性气体的影响 59
第4章 电化学 60
(一)电解质溶液 60
4.1 离子的迁移 60
4.1.1 电解质溶液的导电现象 60
4.1.2 法拉第定律 62
4.1.3 离子的电迁移 63
4.2 电解质溶液的电导 65
4.2.1 电导、电导率和摩尔电导率 65
4.2.2 电导的测定及应用 67
4.2.3 电导率、摩尔电导率与浓度的关系 68
4.2.4 离子独立运动定律和离子的摩尔电导率 69
4.3 电导率的应用 70
4.3.1 计算弱电解质的解离度和解离平衡常数 70
4.3.2 计算难溶电解质的溶解度 71
4.3.3 电导滴定 72
4.4 强电解质溶液的活度和活度系数 73
4.4.1 活度和活度系数 74
4.4.2 影响离子平均活度系数的因素 75
(二)可逆电池及其应用 76
4.5 可逆电池 76
4.5.1 可逆电池的概念 76
4.5.2 可逆电极的种类 77
4.5.3 电池的表示式 79
4.5.4 电池电动势的测定 80
4.6 可逆电池的热力学 82
4.6.1 能斯特方程 82
4.6.2 电动势及其温度系数与电池反应热力学量的关系 83
4.7 电极和电池电动势 84
4.7.1 电池电动势产生的机理 84
4.7.2 电池电动势 87
4.7.3 电极电势 87
4.7.4 电池电动势的计算 89
4.8 电极电势及电池电动势的应用 91
4.8.1 判断氧化还原反应的方向 91
4.8.2 化学反应标准平衡常数和难溶盐的溶度积的计算 92
4.8.3 电解质的平均活度系数的计算 93
4.8.4 溶液的pH的计算 94
4.9 浓差电池和液体接界电势 95
4.9.1 浓差电池 95
4.9.2 液体接界电势 96
(三)不可逆电极过程及其应用 97
4.10 电极的极化 97
4.10.1 分解电压 97
4.10.2 极化作用与超电势 98
4.11 电解时电极上的竞争反应 100
4.11.1 电极反应速率 100
4.11.2 电极反应的竞争 101
4.12 电化学的应用 103
4.12.1 金属的电化学腐蚀 103
4.12.2 金属的电化学防腐 104
4.12.3 化学电源 107
第5章 表面物理化学 113
5.1 表面吉布斯函数和表面张力 113
5.2 纯液体的表面现象 115
5.2.1 弯曲液面的附加压力 115
5.2.2 弯曲液面的蒸气压 116
5.3 溶液的表面吸附 117
5.3.1 溶液的表面能 117
5.3.2 溶液的表面吸附作用 118
5.3.3 表面活性剂 119
5.4 表面的润湿 122
5.4.1 润湿作用 122
5.4.2 铺展系数与黏附功 122
5.4.3 接触角与杨氏方程 123
第6章 胶体化学 125
6.1 引言 125
6.2 胶体的基本性质和分类 126
6.2.1 胶体的基本性质 126
6.2.2 胶体的分类 127
6.3 溶胶的动力性质 128
6.3.1 布朗运动 128
6.3.2 扩散和渗透压 130
6.3.3 沉降和沉降平衡 131
6.4 溶胶的光学性质 132
6.4.1 丁铎尔效应 133
6.4.2 瑞利散射定律 134
6.5 溶胶的电性质 135
6.5.1 电动现象 135
6.5.2 胶体粒子带电的原因 136
6.5.3 胶体粒子的双电层 138
6.5.4 胶体粒子的结构 141
6.6 溶胶的稳定性 142
6.6.1 胶体稳定性理论 142
6.6.2 影响溶胶稳定性的因素 144
6.7 溶胶的制备与纯化 145
6.7.1 溶胶的制备 145
6.7.2 溶胶的纯化 146
第7章 化学动力学基本原理 148
7.1 引言 148
7.2 化学反应速率 150
7.2.1 化学反应速率的表示法 150
7.2.2 化学反应速率的测定 151
7.2.3 化学反应的速率方程 152
7.2.4 反应级数与反应分子数 154
7.2.5 质量作用定律 154
7.2.6 阿伦尼乌斯方程 155
7.3 具有简单级数的反应 156
7.3.1 一级反应 156
7.3.2 二级反应 157
7.3.3 三级反应 159
7.3.4 零级反应 161
7.4 典型的复杂反应 162
7.4.1 对峙反应 162
7.4.2 平行反应 164
7.4.3 连续反应 166
7.5 链反应 168
7.5.1 直链反应 168
7.5.2 支链反应 170
7.6 基元反应速率理论 171
7.6.1 碰撞理论 171
7.6.2 过渡态理论 173
第8章 气体表面吸附与检测 177
8.1 气体在材料表面的吸附 177
8.1.1 固体表面的特点 177
8.1.2 气固吸附的类型 178
8.1.3 吸附量与吸附平衡 179
8.1.4 吸附曲线 179
8.2 气固吸附的本质 185
8.2.1 气固吸附的作用力 185
8.2.2 吸附热 187
8.2.3 影响气固吸附的主要因素 188
8.3 气体传感与检测 188
8.3.1 气体传感器 188
8.3.2 气体传感阵列 199
8.4 气体传感与检测在生物医学工程中的应用 205
参考文献 208
第9章 电化学传感器 210
9.1 电化学传感器的基本概念 210
9.2 电化学传感器的工作原理 210
9.2.1 电流式传感器 210
9.2.2 电位式传感器 211
9.2.3 电导式传感器 212
9.3 电化学传感器的分类 213
9.3.1 电化学核酸传感器 213
9.3.2 电化学酶传感器 214
9.3.3 电化学免疫传感器 215
9.3.4 电化学组织传感器 216
9.3.5 电化学微生物传感器 216
9.4 电化学传感器在生物医学工程方面的应用 216
9.4.1 遗传病和传染病的诊断 217
9.4.2 致病微生物的检测 217
9.4.3 生物标志物的检测 218
9.4.4 药物研究 220
9.4.5 纸芯片 221
9.4.6 可穿戴式传感器 223
参考文献 224
第10章 生物材料的表面修饰 226
10.1 生物材料表面修饰的意义 226
10.2 生物材料的表面修饰方法 227
10.3 基于物理沉积的表面修饰方法 227
10.3.1 吸附法 227
10.3.2 气相沉积 227
10.3.3 等离子喷涂 228
10.3.4 溶胶凝胶法 228
10.4 基于化学偶联的表面修饰方法 229
10.4.1 传统的化学改性法 229
10.4.2 表面接枝 231
10.5 生物芯片的表面修饰 232
10.5.1 生物芯片与图案化修饰 232
10.5.2 常见的表面图案化方法简介 233
第11章 胶体材料与生物分析 238
11.1 引言 238
11.2 纳米粒子的结构和性质 239
11.3 纳米粒子的制备 240
11.3.1 制备纳米粒子的物理方法 240
11.3.2 制备纳米粒子的化学方法 241
11.3.3 制备纳米粒子的物理化学方法 243
11.4 纳米粒子的自组装 244
11.4.1 纳米粒子自组装的驱动力 244
11.4.2 纳米粒子自组装的类型 246
11.4.3 纳米粒子自组装的方法 247
11.5 胶体晶体在生物分析中的应用 253
11.5.1 基于胶体晶体的有序结构 254
11.5.2 基于胶体晶体的生物分析 256
参考文献 263
第12章 贵金属纳米粒子合成及动力学调控 267
12.1 引言 267
12.2 金属的表面等离子共振性质 267
12.3 贵金属纳米粒子的合成方法 269
12.4 贵金属纳米粒子的形貌调控 271
12.4.1 成核与生长 271
12.4.2 贵金属纳米粒子形貌的热力学调控 274
12.4.3 贵金属纳米粒子形貌的动力学调控 276
参考文献 283
索引 285



本文摘编自顾忠泽、徐华、朱存、杜鑫编著《生物医学工程中的物理化学》,内容有删减。


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生物医学工程中的物理化学

顾忠泽  徐华  朱存  杜鑫  编著

责任编辑:翁靖一  孙静惠

ISBN 978-7-03-060646-4

北京:科学出版社 2019.03


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《生物医学工程中的物理化学》从生物医学工程的角度,系统介绍物理化学的基本知识及其在生物医学工程中的应用,其中包括作者多年来的部分研究成果。全书共12章,其中第1章为绪论,第2章至第7章为物理化学的基本知识,包括热力学、化学势与化学平衡、电化学、表面物理化学、胶体化学、化学动力学基本原理。第8章至第12章为物理化学在生物医学工程中的应用,包括气体表面吸附与检测、电化学传感器、生物材料的表面修饰、胶体材料与生物分析、贵金属纳米粒子的合成及动力学调控。


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