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第一章 绪论 1

1.1 表面科学的新领域——生物表面与界面 1

1.1.1 生物表面与界面概述 1

1.1.2 表面污染 3

1.1.3 表面重构 4

1.1.4 表面识别 6

1.1.5 表面结晶 7

111.6 表面外延附生 8

1.1.7 电子隧道贯穿和电子输运 9

1.1.8 研究生物体系时需要特殊考虑的问题 9

1.2.1 生物表面科学中有关概念的说明 12

1.2 生物表面科学的建立 12

1.2.2 建立表面生物学的意义 13

1.2.3 生物表面科学的学科地位 13

1.2.4 研究内容 14

参考文献 14

第二章 分子生物学基础 16

2.1 概述 16

2.2 蛋白质的结构 18

2.2.1 蛋白质的化学组成 18

2.2.2 蛋白质的结构 21

2.3 核酸的结构 26

2.4 生物膜的结构 27

2.4.1 生物膜的功能 27

2.4.2 生物膜的组成和结构 28

参考文献 33

第三章 生物大分子表面的描述 34

3.1 生物大分子表面概述 34

3.1.1 表面物理、表面化学中对表面的定义 34

3.1.2 生物大分子表面的定义 35

3.2 溶剂可及表面的表面积和梯度的计算 41

3.2.1 溶剂可及表面积的表达式 41

3.2.2 梯度的计算 45

3.3 蛋白质分子溶剂可及表面积的近似计算——统计方法 49

3.3.1 溶剂可及表面积函数 50

3.3.2 用统计方法处理问题的基本思想 51

3.4.1 水合自由能与溶剂可及体积的关系 52

3.4 水合壳模型和重叠体积的计算 52

3.4.2 不同大小球面重叠体积的计算 54

3.5 大分子表面的粗糙度 57

3.5.1 计算豪斯道夫质量的基本理论 58

3.5.2 数值计算方法 59

3.6 大分子表面性质的一种表示方法 60

3.6.1 方法简述 60

3.6.2 应用举例：溶解酵素的表面地图 62

参考文献 64

第四章 生物大分子表面性质与功能的关系 66

4.1 溶剂可及表面积与水合作用热力学参数的关系 66

4.1.1 基本假设 66

4.1.2 系数的拟合 67

4.2 疏水自由能与溶剂可及洞穴表面积的线性关系 68

4.3 蛋白质表面残基亲水性的估计 69

4.3.1 每个残基周围的原子数 69

4.3.2 可及表面积随伴侣原子数的变化 72

4.3.3 残基平均相对可及性的估计 74

4.4 分析蛋白质表面的生物学方法简述 74

4.4.1 利用进化信息对表面进行描绘 75

4.4.2 利用结构信息描绘蛋白表面 77

参考文献 77

5.1 混合生物界面概述 79

5.1.1 涉及混合生物界面的一些研究领域简介 79

第五章 混合生物界面理论 79

5.1.2 生物表面的作用 83

5.1.3 混合生物界面模型体系 84

5.2 水在生物界面反应中所起的作用 84

5.2.1 水在生物界面的重要作用 84

5.2.2 水及其与生物材料的作用 85

5.3 氨基酸和多肽的表面行为 86

5.3.1 氨基酸表面行为的研究方法 86

5.3.2 氨基酸吸附模型 88

5.4　蛋白质吸附概述 91

5.4.1　蛋白质吸附研究的意义 91

5.4.2　蛋白质吸附的研究现状及所面临的问题 92

5.5　不可逆蛋白质吸附的动力学——推广的RSA模型 97

5.5.1　瞬时扩散 98

5.5.2　有限扩散速率 102

5.6　蛋白质吸附模型——分子理论模型 106

5.6.1　理论方法 107

5.6.2　模型系统 113

5.6.3　结论 117

5.7　蛋白质在气-液界面的行为——蛋白质溶液的混合和Vroman效应 117

5.7.1　模型简介 117

5.7.2　蛋白质混合物——二元溶液 118

5.8　DNA与生物表面的相互作用 119

5.8.1 研究DNA与表面相互作用的意义 119

5.8.2　DNA的表面固定 120

5.9.1　基本理论 121

5.9　半柔性聚合体在界面上的吸附 121

5.9.2　半柔性聚合体在对称界面上的吸附 123

5.10　生物传感器的电子转移机制 124

5.10.1　媒介辅助电子迁移 125

5.10.2　直接电子迁移 126

5.10.3　前景展望 129

5.11　细胞与表面的相互作用 129

5.11.1　细胞黏附 130

5.11.2　细胞分离时所需的力的测量 130

5.11.3　从分离力估计黏附功 131

5.11.4　基于分离力的黏附机理 135

5.12　微生物与表面的相互作用 137

5.12.1　初始黏附 139

5.12.2　在表面上沉积化学药品的作用 141

5.12.3　与表面相关的生长 142

5.12.4　生物组织的表面行为 143

5.13　混合生物界面的研究手段和前景展望 143

5.13.1　研究手段 143

5.13.2　前景展望 144

参考文献 145

第六章 原始生物界面理论 149

6.1 膜静电学 149

6.1.1 一维静电学 149

6.1.2 膜电势 150

6.1.3 表面势 151

6.1.4 偶极势 154

6.2.1 Langmuir吸附等温线 155

6.2 特异作用与非特异作用 155

6.2.2 表面势的影响 156

6.2.3 绑定常数 157

6.2.4 特异性绑定与非特异性绑定 157

6.3 生物大分子与生物膜的作用——Debye-Huckel理论 158

6.3.1 平板的净电荷屏蔽 159

6.3.2 被单层修饰的金属支持物 160

6.3.3 浸在水中的低介电膜 162

6.3.4 跨膜相互作用 164

6.4 生物大分子与生物膜的作用——泊松-玻耳兹曼理论 165

6.4.1 问题的提出 165

6.4.2 理论推导 167

6.4.3 结论 171

6.5 外周蛋白与混合脂膜的相互作用——脂膜分层对蛋白绑定的影响 172

6.5.1 配基于均一表面的相互作用 173

6.5.2 配体的覆盖导致脂的再分布情况 174

6.6 软表面对吸附粒子的影响 176

6.6.1 表面力诱导下膜的形变 177

6.6.2 吸附质分子之间的相互作用 179

参考文献 181

第七章 生物表面分析方法 183

7.1 生物表面实验方法概述 183

7.1.1 生物表面分析的重要意义 183

7.1.2 生物表面分析的内容及手段 184

7.1.3 生物材料表面分析的特殊性 185

7.2.1 真空相容性 186

7.2 生物表面分析中需要特殊考虑的问题 186

7.2.2 样品的易碎性 187

7.2.3 固／液界面 188

7.2.4 复杂性 190

7.2.5 埋藏表面 191

7.2.6 表面信息与生物活性的关系 192

7.3 X射线光电子谱 193

7.3.1 X射线光电子谱的基本原理 193

7.3.2 X射线光电子谱的实验装置 195

7.3.3 XPS的工作模式 196

7.3.4 应用X射线光电子谱研究生物表面时需要注意的问题 197

7.4.1 基本原理 199

7.3.5 XPS的性能指标 199

7.4 二次离子质谱（SIMS） 199

7.4.2 飞行时间二次离子谱（TOF-SIMS） 201

7.4.3 实验装置 202

7.4.4 SIMS的性能指标 202

7.5 表面等离子体共振技术 203

7.5.1 SPR技术的基本原理 203

7.5.2 SPR传感器的应用举例 206

7.5.3 SPR传感器的性能指标 207

7.6 原子力显微镜 207

7.6.1 AFM的工作原理和结构 208

7.6.2 AFM的成像模式 210

7.6.3 AFM在生物技术中的应用 212

7.7.1 基本原理 215

7.6.4 AFM的性能指标 215

7.7 光导光模式光谱技术 215

7.7.2 OWLS的性能指标 217

7.8 扫面探针显微术在表面生物学中的应用 217

7.8.1 SFM的应用 217

7.8.2 扫描隧道显微镜（STM） 218

7.8.3 扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM） 220

7.9 其他生物表面分析技术简介 221

7.9.1 其他几种常用的生物表面分析技术简介 223

7.9.2 生物表面分析技术一览表 226

参考文献 228

8.1.2 表面修饰技术的分类 230

8.1.1 表面修饰的重要意义 230

第八章 生物表面的修饰方法 230

8.1 生物表面修饰概述 230

8.2 非特异化学和射频（RF）等离子体修饰 231

8.2.1 化学修饰——聚丙烯表面被铬酸腐蚀后的形貌 231

8.2.2 等离子体修饰 231

8.3 化学特异表面反应 233

8.3.1 环氧化物活化 233

8.3.2 硅烷化 234

8.3.3 以探测为目的的表面派生 236

8.3.4 寡聚肽链嫁接 237

8.4.1 光诱导下表面自由基的形成 240

8.4 生物材料表面的光化学反应 240

8.4.2 光引发剂的使用 241

8.4.3 苯甲酮活化化学 242

8.5 自组装技术 242

8.5.1 Langmuir-Blodgett技术 243

8.5.2 自组装单层膜 247

参考文献 249

附录 250

附录一 基于标度粒子理论（SPT）的蛋白质吸附模型 250

附录二 Gouy-Chapman理论 251

附录三 相关数据库及网站简介 252

参考文献 252