生物醫學工程中的物理化學

生物醫學工程（biomedical engineering）是一門前沿交叉學科，它綜合了醫學、化學、生物學等多個學科的理論和方法，利用工程技術手段來解決醫學診斷和治療問題。生物醫學工程對發展高端醫療裝備和推動臨床醫學發展起著十分重要的支撐作用。

物理化學（physical chemistry）是以物理的原理和實驗技術為基礎，研究化學體系的性質和行為，發現並建立化學體系中最具有普遍性規律的一門學科。物理化學是生物醫學工程專業的基礎課程之一，對生物醫學工程的學習和研究具有重要意義。本書從生物醫學工程的角度，系統介紹物理化學的基本知識及其在生物醫學工程中的應用。

物理化學基礎

《生物醫學工程中的物理化學》的第一章到第七章講述物理化學的基礎知識。其中第一章簡要介紹了物理化學的研究內容、發展歷史等，第二章到第七章詳細介紹了物理化學的基本知識，包括熱力學、化學勢與化學平衡、電化學、表面物理化學、膠體化學及化學動力學基本原理。

生物醫學工程中的物理化學

《生物醫學工程中的物理化學》的第八章到第十二章結合作者在生物醫學工程領域多年的科學研究，從五個方面介紹了物理化學在生物醫學工程研究中的應用。包括：

氣體表面吸附及檢測

氣體吸附理論是研究氣體感測與檢測的理論基礎。關於氣體吸附特性研究的不斷發展，也推動了氣體感測與檢測的發展與進步。無創傷體外診斷技術一直是生物醫學工程領域研究的一個熱點。呼氣診斷技術作為一種新型的體外診斷方法，通過檢測人體呼出氣體中疾病標誌物氣體的變化來實現對人體疾病的早期判別，具有操作簡便、檢測速度快且對人安全無創等特點，已越來越受到人們的關注。本書第八章首先介紹氣體在固體表面吸附的基本理論，隨後根據檢測原理不同，詳細介紹了目前常見的氣體感測器及感測陣列；最後介紹了氣體感測檢測在生物醫學工程的應用，即通過呼氣診斷技術來實現對人體疾病的早期診斷研究。

圖1膠體晶體感測陣列用於氣體檢測研究；(a)膠體晶體感測陣列的照片；(b)通過卟啉功能化的膠體晶體的熒光顏色變化對多種VOC氣體進行定性檢測；（c）通過膠體晶體的反射峰變化對VOC氣體進行定量分析；

電化學感測器

電化學感測器是測量待測物質的電化學性質（如電勢、電流和電量等）的變化，並將其轉換為電信號，從而實現待測物質的定性或定量檢測的裝置。由於電化學感測器具有響應快、靈敏度高、選擇性好、成本低等優點，已經被廣泛應用於生物醫學工程領域。《生物醫學工程中的物理化學》第九章首先介紹了電化學感測器的基本概念和工作原理，隨後依據敏感元件的不同簡單概述了電化學感測器的分類，最後詳細總結了電化學感測器在生物醫學工程方面的應用，包括與臨床診斷相關的遺傳病和傳染病的診斷、致病微生物的檢測、生物標誌物的檢測、藥物研究及在紙晶元和柔性可穿戴式感測器中的應用。

圖2 基於智能手機的唾液澱粉酶電化學感測器示意圖

生物材料的表面修飾

利用物理化學原理對錶面性質進行設計，並通過技術手段對錶面進行改性，為表面賦予所需的功能，是物理化學的重要應用之一。通過技術手段為生物材料、醫療器械和檢測裝置表面賦予一定的功能，如防污性質、抗菌性質、生物相容性、與特定生物分子結合的能力等，是生物醫學工程的重要組成部分。因此，理解表面物理化學的基礎內容、了解常見的表面改性技術方法和生物晶元的製備方法顯得十分必要。本書於第五章首先介紹了表面化學的相關內容，闡述了表面化學的基礎知識及相關的簡單應用，在第十章中對目前常用的表面改性技術和製備生物晶元的圖案化技術進行了全面的介紹，使讀者對於表面物理化學及其在生物醫學工程中的應用有基本的了解。

圖3 表面化學與表面修飾技術

膠體材料與生物分析

膠體是一種分散相顆粒的特徵尺度介於粗分散體系和溶液之間的一類分散體系。膠體納米粒子作為應用最為廣泛的一類膠體材料，由於具有體積效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應等獨特的性質，在光學、感測、催化、生物醫學檢測、功能納米器件等領域顯示出巨大的潛力。本書第十一章首先概述了納米粒子的性質與製備方法，隨後從納米粒子自組裝的驅動力、自組裝的類型及自組裝方法等方面，詳細論述了納米粒子的自組裝以及基於自組裝納米粒子的有序結構，並重點介紹了這些自組裝有序結構在生物分析中的應用。

圖4 可用於編碼與生物分析的自組裝膠體粒子

貴金屬納米粒子合成及動力學調控

貴金屬包括金、銀和鉑族金屬（鉑、鈀、銠、釕、銥、鋨）等8種金屬元素。貴金屬納米粒子除了具備體相貴金屬材料獨特的物理化學性質之外，還被賦予了納米材料的一系列特殊性質，在催化、能源、光學、電子、感測及生物醫學等領域展示出廣闊的應用前景。在實際應用中，貴金屬納米粒子的尺寸、形貌及結構對其光學、催化等物理化學性質具有極大影響。本書第十二章首先介紹了貴金屬納米粒子的表面等離子共振性質，隨後從粒子的成核與生長、粒子形貌的熱力學調控與動力學調控等方面，詳細論述了尺寸及形貌可控的貴金屬納米粒子的合成方法與相關機理。

圖5貴金屬納米粒子形貌的動力學調控

作者簡介

東南大學生物醫學工程

東南大學生物醫學工程學科創立於1984年，是國內較早設立生物醫學工程專業的學校。1997 年「生物醫學工程」成為國家一級學科博士點，2002 年「生物醫學工程」成為國家重點學科，並於2017 年入選國家「雙一流」學科。在2007年、2012年的生物醫學工程學科全國評估中排名第一，2017 年學科評估為A 。

目 錄

前言

第1章 緒論 1

1.1 物理化學的內容和任務 1

1.2 物理化學的研究內容 1

1.2.1 化學變化的方向和限度 2

1.2.2 化學反應的速率和機理 2

1.2.3 物質結構和性能之間的關係 2

1.3 物理化學的發展歷史 2

1.4 生物醫學工程中的物理化學 3

第2章 熱力學概論 5

2.1 熱力學的定義 5

2.2 熱力學中的基本概念 5

2.2.1 系統和環境 5

2.2.2 系統的狀態和狀態函數 6

2.2.3 熱力學平衡狀態 7

2.2.4 過程和途徑 7

2.2.5 熱和功 7

2.2.6 功與過程的關係 8

2.2.7 准靜態過程與可逆過程 9

2.3 熱力學第一定律 10

2.3.1 熱平衡與熱力學第零定律 10

2.3.2 熱力學第一定律及其數學表達 11

2.3.3 焓與熱容 12

2.3.4 理想氣體的熱力學 13

2.3.5 化學反應的熱與焓 16

2.4 熱力學第二定律 20

2.4.1 自發過程與熱力學第二定律 20

2.4.2 卡諾循環與卡諾定理 21

2.4.3 熵的概念與計算 23

2.4.4 克勞修斯不等式與熵增原理 24

2.4.5 熵變的計算 25

2.4.6 熵的物理意義 28

2.5 化學反應的熵變與熱力學第三定律 30

2.5.1 熱力學第三定律 30

2.5.2 規定熵與標準熵 30

2.5.3 亥姆霍茲函數和吉布斯函數 31

2.5.4 化學反應的ΔG 34

第3章 化學勢與化學平衡 35

3.1 偏摩爾量 35

3.1.1 偏摩爾量的定義 35

3.1.2 偏摩爾量的集合公式 37

3.2 化學勢 37

3.2.1 化學勢的定義 37

3.2.2 化學勢判據及應用舉例 38

3.3 氣體的化學勢 40

3.3.1 理想氣體的化學勢 40

3.3.2 實際氣體的化學勢 41

3.4 理想溶液中物質的化學勢 41

3.4.1 拉烏爾定律 42

3.4.2 理想液態混合物的定義和特徵 42

3.4.3 理想液態混合物中任一組分的化學勢 43

3.5 理想稀溶液中物質的化學勢 44

3.5.1 亨利定律 44

3.5.2 理想稀溶液的定義 44

3.5.3 理想稀溶液中溶劑和溶質的化學勢 45

3.6 不揮發性溶質稀溶液的依數性 46

3.6.1 蒸氣壓下降 46

3.6.2 凝固點降低 46

3.6.3 沸點升高 48

3.6.4 滲透壓 48

3.7 非理想溶液中物質的化學勢 49

3.7.1 活度與活度係數 49

3.7.2 活度求算 50

3.8 化學反應的方向和限度 50

3.8.1 反應系統的吉布斯函數 51

3.8.2 化學反應的平衡常數和等溫方程 52

3.9 反應的標準吉布斯自由能變化 53

3.10 平衡常數的各種表示法 54

3.10.1 氣相反應 55

3.10.2 液相反應 56

3.10.3 氣固復相反應 57

3.11 溫度對平衡常數的影響 57

3.12 其他因素對平衡常數的影響 58

3.12.1 壓力的影響 58

3.12.2 惰性氣體的影響 59

第4章 電化學 60

（一）電解質溶液 60

4.1 離子的遷移 60

4.1.1 電解質溶液的導電現象 60

4.1.2 法拉第定律 62

4.1.3 離子的電遷移 63

4.2 電解質溶液的電導 65

4.2.1 電導、電導率和摩爾電導率 65

4.2.2 電導的測定及應用 67

4.2.3 電導率、摩爾電導率與濃度的關係 68

4.2.4 離子獨立運動定律和離子的摩爾電導率 69

4.3 電導率的應用 70

4.3.1 計算弱電解質的解離度和解離平衡常數 70

4.3.2 計算難溶電解質的溶解度 71

4.3.3 電導滴定 72

4.4 強電解質溶液的活度和活度係數 73

4.4.1 活度和活度係數 74

4.4.2 影響離子平均活度係數的因素 75

（二）可逆電池及其應用 76

4.5 可逆電池 76

4.5.1 可逆電池的概念 76

4.5.2 可逆電極的種類 77

4.5.3 電池的表示式 79

4.5.4 電池電動勢的測定 80

4.6 可逆電池的熱力學 82

4.6.1 能斯特方程 82

4.6.2 電動勢及其溫度係數與電池反應熱力學量的關係 83

4.7 電極和電池電動勢 84

4.7.1 電池電動勢產生的機理 84

4.7.2 電池電動勢 87

4.7.3 電極電勢 87

4.7.4 電池電動勢的計算 89

4.8 電極電勢及電池電動勢的應用 91

4.8.1 判斷氧化還原反應的方向 91

4.8.2 化學反應標準平衡常數和難溶鹽的溶度積的計算 92

4.8.3 電解質的平均活度係數的計算 93

4.8.4 溶液的pH的計算 94

4.9 濃差電池和液體接界電勢 95

4.9.1 濃差電池 95

4.9.2 液體接界電勢 96

（三）不可逆電極過程及其應用 97

4.10 電極的極化 97

4.10.1 分解電壓 97

4.10.2 極化作用與超電勢 98

4.11 電解時電極上的競爭反應 100

4.11.1 電極反應速率 100

4.11.2 電極反應的競爭 101

4.12 電化學的應用 103

4.12.1 金屬的電化學腐蝕 103

4.12.2 金屬的電化學防腐 104

4.12.3 化學電源 107

第5章 表面物理化學 113

5.1 表面吉布斯函數和表面張力 113

5.2 純液體的表面現象 115

5.2.1 彎曲液面的附加壓力 115

5.2.2 彎曲液面的蒸氣壓 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 表面活性劑 119

5.4 表面的潤濕 122

5.4.1 潤濕作用 122

5.4.2 鋪展係數與黏附功 122

5.4.3 接觸角與楊氏方程 123

第6章 膠體化學 125

6.1 引言 125

6.2 膠體的基本性質和分類 126

6.2.1 膠體的基本性質 126

6.2.2 膠體的分類 127

6.3 溶膠的動力性質 128

6.3.1 布朗運動 128

6.3.2 擴散和滲透壓 130

6.3.3 沉降和沉降平衡 131

6.4 溶膠的光學性質 132

6.4.1 丁鐸爾效應 133

6.4.2 瑞利散射定律 134

6.5 溶膠的電性質 135

6.5.1 電動現象 135

6.5.2 膠體粒子帶電的原因 136

6.5.3 膠體粒子的雙電層 138

6.5.4 膠體粒子的結構 141

6.6 溶膠的穩定性 142

6.6.1 膠體穩定性理論 142

6.6.2 影響溶膠穩定性的因素 144

6.7 溶膠的製備與純化 145

6.7.1 溶膠的製備 145

6.7.2 溶膠的純化 146

第7章 化學動力學基本原理 148

7.1 引言 148

7.2 化學反應速率 150

7.2.1 化學反應速率的表示法 150

7.2.2 化學反應速率的測定 151

7.2.3 化學反應的速率方程 152

7.2.4 反應級數與反應分子數 154

7.2.5 質量作用定律 154

7.2.6 阿倫尼烏斯方程 155

7.3 具有簡單級數的反應 156

7.3.1 一級反應 156

7.3.2 二級反應 157

7.3.3 三級反應 159

7.3.4 零級反應 161

7.4 典型的複雜反應 162

7.4.1 對峙反應 162

7.4.2 平行反應 164

7.4.3 連續反應 166

7.5 鏈反應 168

7.5.1 直鏈反應 168

7.5.2 支鏈反應 170

7.6 基元反應速率理論 171

7.6.1 碰撞理論 171

7.6.2 過渡態理論 173

第8章 氣體表面吸附與檢測 177

8.1 氣體在材料表面的吸附 177

8.1.1 固體表面的特點 177

8.1.2 氣固吸附的類型 178

8.1.3 吸附量與吸附平衡 179

8.1.4 吸附曲線 179

8.2 氣固吸附的本質 185

8.2.1 氣固吸附的作用力 185

8.2.2 吸附熱 187

8.2.3 影響氣固吸附的主要因素 188

8.3 氣體感測與檢測 188

8.3.1 氣體感測器 188

8.3.2 氣體感測陣列 199

8.4 氣體感測與檢測在生物醫學工程中的應用 205

參考文獻 208

第9章 電化學感測器 210

9.1 電化學感測器的基本概念 210

9.2 電化學感測器的工作原理 210

9.2.1 電流式感測器 210

9.2.2 電位式感測器 211

9.2.3 電導式感測器 212

9.3 電化學感測器的分類 213

9.3.1 電化學核酸感測器 213

9.3.2 電化學酶感測器 214

9.3.3 電化學免疫感測器 215

9.3.4 電化學組織感測器 216

9.3.5 電化學微生物感測器 216

9.4 電化學感測器在生物醫學工程方面的應用 216

9.4.1 遺傳病和傳染病的診斷 217

9.4.2 致病微生物的檢測 217

9.4.3 生物標誌物的檢測 218

9.4.4 藥物研究 220

9.4.5 紙晶元 221

9.4.6 可穿戴式感測器 223

參考文獻 224

第10章 生物材料的表面修飾 226

10.1 生物材料表面修飾的意義 226

10.2 生物材料的表面修飾方法 227

10.3 基於物理沉積的表面修飾方法 227

10.3.1 吸附法 227

10.3.2 氣相沉積 227

10.3.3 等離子噴塗 228

10.3.4 溶膠凝膠法 228

10.4 基於化學偶聯的表面修飾方法 229

10.4.1 傳統的化學改性法 229

10.4.2 表面接枝 231

10.5 生物晶元的表面修飾 232

10.5.1 生物晶元與圖案化修飾 232

10.5.2 常見的表面圖案化方法簡介 233

第11章 膠體材料與生物分析 238

11.1 引言 238

11.2 納米粒子的結構和性質 239

11.3 納米粒子的製備 240

11.3.1 製備納米粒子的物理方法 240

11.3.2 製備納米粒子的化學方法 241

11.3.3 製備納米粒子的物理化學方法 243

11.4 納米粒子的自組裝 244

11.4.1 納米粒子自組裝的驅動力 244

11.4.2 納米粒子自組裝的類型 246

11.4.3 納米粒子自組裝的方法 247

11.5 膠體晶體在生物分析中的應用 253

11.5.1 基於膠體晶體的有序結構 254

11.5.2 基於膠體晶體的生物分析 256

參考文獻 263

第12章 貴金屬納米粒子合成及動力學調控 267

12.1 引言 267

12.2 金屬的表面等離子共振性質 267

12.3 貴金屬納米粒子的合成方法 269

12.4 貴金屬納米粒子的形貌調控 271

12.4.1 成核與生長 271

12.4.2 貴金屬納米粒子形貌的熱力學調控 274

12.4.3 貴金屬納米粒子形貌的動力學調控 276

參考文獻 283

索引 285

本文摘編自顧忠澤、徐華、朱存、杜鑫編著《生物醫學工程中的物理化學》，內容有刪減。

生物醫學工程中的物理化學

顧忠澤 徐華 朱存 杜鑫 編著

責任編輯：翁靖一 孫靜惠

ISBN 978-7-03-060646-4

北京：科學出版社 2019.03

《生物醫學工程中的物理化學》從生物醫學工程的角度，系統介紹物理化學的基本知識及其在生物醫學工程中的應用，其中包括作者多年來的部分研究成果。全書共12章，其中第1章為緒論，第2章至第7章為物理化學的基本知識，包括熱力學、化學勢與化學平衡、電化學、表面物理化學、膠體化學、化學動力學基本原理。第8章至第12章為物理化學在生物醫學工程中的應用，包括氣體表面吸附與檢測、電化學感測器、生物材料的表面修飾、膠體材料與生物分析、貴金屬納米粒子的合成及動力學調控。

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（本期編輯：安 靜）

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