好书推荐｜电化学科学与工程技术前沿 | 生物电化学

生物电化学是20世纪70年代由电生物学、生物物理学、生物化学及电化学等多门学科交叉形成的一门独立学科。21世纪是生命科学的时代。生命科学、临床医学与能源科学的发展及其提出的问题和挑战，为生物电化学的发展提供了前所未有的机遇。

由鞠熀先、李景虹主编，组织国内来自15个单位具有从事生物电化学研究经历的20位一流专家编委(中国科学院院士、教育部高层次人才、国家杰出青年科学基金获得者等)编写的《生物电化学》，是十四五“电化学科学与工程技术”丛书分册之一，可作为生命科学、化学及其相关交叉学科领域的参考书，并可作为高等院校物理化学、生物化学、分析化学高年级学生和相关专业研究生的教学参考书或教材。

“电化学科学与工程技术”丛书由中国科学院院士孙世刚担任总主编，被列入“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目，涵盖电化学基础理论、电化学能量转换与储存、工业和应用电化学三个部分。这套丛书的出版将对推动我国电化学学科的进一步深入发展起到积极作用，同时为电化学和相关学科的科技工作者开展进一步的深入科学研究和科技创新提供知识体系支撑，以及为相关专业师生们的学习提供重要参考。

国家科学技术学术著作出版基金资助出版

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本书通过在分子、细胞、组织和活体等不同层次上对生物分子的电化学及其与材料科学、信息科学的交叉和渗透进行全面、系统、深入浅出的阐述，重点介绍了生物电化学的相关研究方法和生物电化学的新发现、新理论、新技术与新应用，内容涉及生物电化学的各前沿领域及其在生物传感、生物成像和能源领域中的应用，全书结合作者们在多个领域研究的心得与成果，其中不乏原创性成果，每一章均包含前沿性的研究思路与研究成果，内容全面、学术价值高。本书深入浅出、结构严密、富有条理，科学性与实用性并重，且语言简明扼要、可读性强，充分体现了21世纪生物电化学的先进性、前沿性与多学科交叉性，对生命科学、化学、医药、信息、材料和能源科学等的发展均具有重要的学术价值，也将推动物理化学、化学生物学、分析化学、临床医学和生命科学研究的共同发展。

内容简介生物电化学是一门用电化学方法研究生物现象的分支学科。本书结合生命过程的电化学现象、生物氧化、生物电子传递及生物合成与代谢过程中的物质传递与能量转化，在分子、细胞、组织和活体等层次上对生物电化学及其与材料、能源和信息科学的交叉、渗透进行了系统的阐述，重点介绍了各类生物分子的电化学性质、生物电化学的相关研究方法与新理论新技术，以及其在生物传感、细胞与活体分析和能源领域的应用。本书内容涉及生物电化学的各前沿领域，深入浅出、学术价值高，且语言简明扼要，可读性强。

目录速览

丛书序

前言
第1章　生物电化学研究方法　1
1.1　引言　1
1.2　重要的基本电化学技术　2
1.3　基于振动光谱的生物电化学分析方法　4
1.3.1　振动光谱　4
1.3.2　红外光谱　5
1.3.3　增强红外光谱和增强红外光谱电化学　6
1.3.4　EC-ATR-SEIRAS联用平台的构建　7
1.3.5　红外光谱电化学应用于生物分析　8
1.3.6　时空分辨红外光谱电化学应用于生物分析　9
1.3.7　拉曼光谱和增强拉曼光谱　10
1.3.8　拉曼光谱电化学应用于生物分析　11
1.4　扫描探针技术　13
1.4.1　扫描电化学显微镜　13
1.4.2　扫描离子电导显微镜　17
1.5　基于单分子结技术的生物电化学分析方法　21
1.5.1　单分子结技术的基本原理　21
1.5.2　电子传输机理　23
1.5.3　单分子结的有效构筑方法　25
1.5.4　单分子结技术在生物电化学分析中的应用　27
1.6　基于表面等离激元共振技术的生物电化学成像分析方法　29
1.6.1　表面等离激元共振技术的基本原理　29
1.6.2　表面等离激元共振电化学成像技术　31
1.6.3　表面等离激元共振成像技术在生物电化学分析中的应用　35
参考文献　36
第2章　生物氧化与氧化磷酸化　39
2.1　引言　39
2.2　生物氧化　40
2.2.1　生物氧化的特点　40
2.2.2　体内物质氧化的方式　41
2.2.3　ATP的生成方式　43
2.3　电子传递链　44
2.3.1　呼吸链中的递氢体和递电子体　44
2.3.2　线粒体内膜中的电子传递复合体　46
2.3.3　呼吸链中电子传递体的排列顺序　47
2.3.4 胞液中NADH的氧化　49
2.4　氧化磷酸化　50
2.4.1　氧化磷酸化偶联部位　50
2.4.2　氧化磷酸化偶联机制　52
2.4.3　影响氧化磷酸化的因素　53
2.5　柠檬酸循环与脂肪酸分解中的生物氧化　55
2.5.1　柠檬酸循环通过氧化磷酸化生成ATP　55
2.5.2　脂肪酸的?-氧化　57
2.6 呼吸链中氧化还原蛋白质的电化学行为　59
2.6.1　细胞色素c的直接电化学　60
2.6.2　血红蛋白的直接电化学　61
2.6.3　其他血红素蛋白的直接电化学　63
参考文献　64
第3章　糖电化学　66
3.1　引言　66
3.2　糖氧化还原电化学　68
3.2.1　金属及其氧化物电极上的糖电化学　68
3.2.2　金属纳米材料修饰电极上的糖电化学　71
3.2.3　金属化合物或金属-非金属复合物修饰电极上的糖电化学　73
3.2.4　色谱/毛细管电泳中糖的电化学检测　74
3.3　催化型葡萄糖生物电化学装置　75
3.3.1　葡萄糖安培酶电极　75
3.3.2　葡萄糖燃料电池　78
3.4　糖类相关的亲和型生物电化学传感器　79
3.5　糖类相关的功能材料与电化学　83
3.5.1　几种聚糖与电化学　83
3.5.2　糖碳材料与电化学　85
3.6　总结与展望　86
参考文献　86
第4章　氨基酸电化学　93
4.1　引言　93
4.2　氨基酸的电化学活性　95
4.2.1　氨基酸的直接电化学氧化　95
4.2.2 氨基酸的催化电化学氧化　100
4.2.3 氨基酸的电化学活性衍生　102
4.3　氨基酸的电化学分析　103
4.3.1　氨基酸的非手性电化学分析　103
4.3.2 氨基酸的手性电化学分析　107
4.4 氨基酸衍生的电化学材料　110
4.4.1　氨基酸分子功能化电化学材料　110
4.4.2 氨基酸辅助合成电化学材料　113
4.4.3　氨基酸的电化学聚合　114
参考文献　114
第5章　蛋白质电化学与酶催化　118
5.1　引言　118
5.2　蛋白质电化学研究历史　118
5.3 蛋白质电化学研究基础　121
5.3.1 电化学分析技术以及相关理论　121
5.3.2　电化学研究常用蛋白质　123
5.4　基于蛋白膜伏安法的蛋白质电化学及酶催化研究　126
5.4.1　基于传统材料的蛋白膜伏安法　126
5.4.2　基于纳米材料的蛋白膜伏安法　131
5.5　总结与展望　137
参考文献　139
第6章　核苷酸与DNA电化学　144
6.1　引言　144
6.2　核酸的电氧化与还原　144
6.2.1　核酸的结构与组成　144
6.2.2　核酸的基本电化学行为　146
6.2.3　核酸与电极表面的相互作用　149
6.2.4　核酸的电化学分析　149
6.3　DNA表面电化学　150
6.3.1　DNA在电极表面上的固定化　151
6.3.2　DNA与其他分子相互作用研究　155
6.4　电化学DNA传感器　157
6.5 基体表面寡核苷酸探针的表面分析　159
参考文献　162
第7章　卟啉电化学　164
7.1　引言　164
7.2　液/液界面上金属卟啉电子转移过程的研究　166
7.2.1　液/液界面电化学基础　166
7.2.2　液/液界面电化学的发展　166
7.2.3　液/液界面电子转移反应的研究方法　166
7.2.4　金属卟啉的电子转移反应　167
7.2.5　不同取代基卟啉在模拟生物膜上的电子转移过程　169
7.3　卟啉在电致化学发光方面的研究　173
7.3.1　电化学发光法的基本原理　173
7.3.2 电化学发光法特点　175
7.3.3　卟啉的电化学发光体系　175
7.4　卟啉的光电生物传感　180
7.4.1　基于卟啉纳米材料复合物的电化学生物传感器　181
7.4.2　卟啉纳米复合材料的光电化学生物传感器　181
7.5　卟啉的光敏和光导材料　183
7.5.1　卟啉的光敏化材料　183
7.5.2　卟啉模型的研究与调控　183
7.5.3　卟啉界面的调控　184
7.5.4　钴卟啉的催化中心　185
7.5.5　卟啉的太阳能染料敏化电池材料　185
7.6　卟啉核壳结构纳米材料　187
7.6.1 卟啉核的特性　187
7.6.2 卟啉核的应用　187
7.7　总结与展望　188
参考文献　189
第8章　辅酶与激素电化学　194
8.1　引言　194
8.2　辅酶电化学　195
8.2.1　辅酶的分类　195
8.2.2 辅酶的电化学研究进展　198
8.3　激素电化学　209
8.3.1　激素的分类　209
8.3.2　激素的作用特点　212
8.3.3　激素的电化学研究进展　213
8.4　总结与展望　222
参考文献　223
第9章　生物分子作用与电化学　229
9.1　引言　229
9.2　活性小分子与核酸相互作用的电化学研究　230
9.2.1 金属配合物与DNA相互作用及生物传感应用　232
9.2.2　有机药物小分子与DNA相互作用　236
9.2.3　有机染料小分子与DNA相互作用　238
9.2.4　小分子与RNA相互作用　238
9.3　小分子与蛋白质相互作用的电化学研究　239
9.3.1　药物小分子与蛋白质相互作用　240
9.3.2　染料小分子与蛋白质相互作用　241
9.3.3　金属离子和金属配合物与蛋白质相互作用　243
9.4 核酸与蛋白质相互作用　244
9.5　核酸适配体对蛋白质的特异性识别　245
9.6 纳米材料修饰电极上蛋白质与其他分子相互作用　247
9.7　总结与展望　248
参考文献　249
第10章　生物膜电化学与生物界面模拟　255
10.1　引言　255
10.2　生物膜简介　255
10.2.1　生物膜结构　255
10.2.2　生物膜组成　256
10.2.3　生物膜的电性质　258
10.3　生物膜的模拟与表征　259
10.4　生物膜电化学分析原理　262
10.4.1　金属电极支撑仿生膜/溶液界面结构　262
10.4.2　红外光谱电化学技术　264
10.4.3　电化学-二次谐波成像　266
10.5　生物膜的电化学研究　268
10.6　生物膜相互作用电化学研究　277
10.7　总结与展望　283
参考文献　284
第11章　电化学生物传感器　286
11.1　电极材料　286
11.1.1　金属电极　286
11.1.2　碳电极　288
11.1.3　酶电极　290
11.1.4　微生物电极　290
11.2　分子识别及检测应用　291
11.2.1　检测小分子物质　291
11.2.2　检测核酸　293
11.2.3　检测病原体　295
11.3　电化学活体检测　297
11.3.1　双通道比率测定应用于鼠脑中物质的选择性检测　298
11.3.2　单电极比率电化学传感器实现活体脑内物质的精确测定　300
11.3.3　活体分析中两种物质的双信号输出　302
11.4　总结与展望　304
参考文献　304
第12章　纳米生物电化学　309
12.1　引言　309
12.2　构建电化学生物传感器的常见纳米材料　310
12.2.1　零维纳米材料　311
12.2.2　一维纳米材料　312
12.2.3　二维纳米材料　313
12.2.4　三维纳米材料　315
12.3　纳米材料在电化学生物传感中的应用　316
12.3.1　核酸分析　316
12.3.2　免疫测定　320
12.3.3　酶分析　323
12.3.4　细胞检测　324
12.3.5　生物小分子和离子的检测　327
12.4　总结与展望　329
参考文献　329
第13章　生物电化学成像　334
13.1　引言　334
13.2　扫描探针电化学生物成像　334
13.2.1　扫描电化学显微镜　334
13.2.2　扫描离子电导显微镜　343
13.3　光谱电化学生物成像　347
13.3.1　分子光谱电化学　347
13.3.2　表面等离子体共振电化学　349
13.3.3　暗场散射电化学　352
13.3.4　光学干涉电化学　354
13.4　电化学发光生物成像　355
13.4.1　基本原理　355
13.4.2　电化学发光成像仪器　358
13.4.3　生物成像分析　358
13.5　总结与展望　368
参考文献　369
第14章　细胞电化学　374
14.1　引言　374
14.2　细胞电化学传感器构建　375
14.2.1　电极材料和形貌简介　375
14.2.2　高灵敏度传感界面构建　376
14.2.3　高选择性传感界面构建　378
14.2.4　生物相容传感界面构建　379
14.2.5　抗污及祛污传感界面构建　380
14.3　柔性可拉伸电极细胞监测　383
14.3.1　柔性可拉伸电极构建　383
14.3.2　柔性可拉伸电极实时监测细胞力学信号转导　385
14.4　微米电极单细胞监测　387
14.4.1　微米电极特点及制备方法　388
14.4.2　微米电极实时监测细胞胞吐　388
14.4.3　微米电极实时监测细胞氧化应激过程　392
14.5　纳米电极亚细胞监测　393
14.5.1　胞外与胞间高时空分辨实时监测　394
14.5.2　胞内高时空分辨实时监测　395
14.6　总结与展望　400
参考文献　401
第15章　活体电化学分析　406
15.1　引言　406
15.2　关键问题　408
15.3　活体电化学分析原理　410
15.3.1　电极校正及抗污染研究　410
15.3.2　基于原电池原理的氧化还原电位法　411
15.3.3　调控离子传输的活体电化学分析　413
15.4　活体电化学分析方法与技术　416
15.4.1　微透析活体取样-样品分离-电化学检测　416
15.4.2　微透析活体取样-在线电化学分析　417
15.4.3　活体原位电化学分析　423
15.5　总结与展望　433
参考文献　433
第16章　生物燃料电池　437
16.1　引言　437
16.2　酶生物燃料电池　438
16.2.1　葡萄糖氧化酶阳极　439
16.2.2　脱氢酶阳极　440
16.2.3　多酶电极阳极　441
16.2.4　酶生物燃料电池阴极　441
16.2.5　酶生物燃料电池结构　443
16.2.6　与太阳能电池结合的酶生物燃料电池　445
16.3　微生物燃料电池　446
16.3.1　基于γ-变形菌的微生物燃料电池　446
16.3.2　基于δ-变形菌的微生物燃料电池　448
16.3.3　基于其他变形菌的微生物燃料电池　450
16.3.4　基于厚壁菌门的微生物燃料电池　451
16.3.5　基于真菌门的微生物燃料电池　452
16.3.6　基于泥土杆菌的微生物燃料电池　453
16.3.7　基于媒介体的微生物燃料电池　454
16.3.8　微生物燃料电池的实际应用　455
16.4　总结与展望　456
参考文献　457

主编简介

鞠熀先 南京大学教授、博士生导师，生命分析化学国家重点实验室主任，国际电化学会会士，英国皇家化学会会士。国家杰出青年科学基金获得者，教育部高层次人才。2009年国家973计划项目首席科学家，2005～2014年国家自然科学基金创新研究群体项目负责人。主要研究领域为纳米生物传感、细胞分析化学和临床分子诊断，涉及电化学、光学与质谱检测技术。迄今发表论文822篇，出版英文专著6部、中文专著与教材7部，专章20篇，授权专利42件。论文他引38000余次，h-index 102（GS h-index 111，引用46000余次）。曾获省部级自然科学奖与科学技术奖一等奖10项、二等奖5项、三等奖4项，并获中国化学会青年化学奖、梁树权分析化学基础研究奖，中国化学传感器首届雷磁杰出成就奖（2019年），美国化学会2022年度测量科学进展讲座奖等多项奖项和荣誉。

李景虹 中国科学院院士。清华大学化学系教授、博士生导师，化学系学术委员会主任，清华大学分析中心主任。1991年获中国科学技术大学学士学位，1996年获中国科学院长春应用化学研究所博士学位。近年来致力于电分析化学、生物电化学、单细胞分析化学及纳米电化学领域的教学科研工作。以通讯作者在Nature Nanotechnology, Nature Biomedical Engineering, Nature Protocols, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie，Analytical Chemistry等学术刊物上发表SCI论文400余篇。2015～2021年连续入选汤森路透全球高被引科学家。以第一完成人获国家自然科学奖二等奖、教育部自然科学奖一等奖等奖项。任Chemical Society Reviews，ACS Sensors, Biosensors and Biosensors, Chemosensors, Small Methods等期刊编委。

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