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基础篇 3

第0章　绪论 3

0.1 介电谱支持学科的基本概述 3

0.1.1 电介质的极化和介电常数 3

0.1.2 Lorentz有效电场和Clausius-Mosotti方程 5

0.1.3　极化的微观机制 6

0.1.4 动态介电常数（复介电常数） 11

0.1.5　介电弛豫 16

0.2 介电谱在化学和生物学研究中的作用 21

0.2.1 化学中的弛豫 21

0.2.2 介电谱——谱学家族中的重要成员 22

0.2.3 介电谱的动力学范围 23

0.2.4 介电谱方法的特点 24

0.2.5 介电谱在化学研究中的作用及其解决的问题 25

0.2.6 介电谱在生物物理学中的作用 27

0.3 历史概观和最近的发展 29

0.3.1 历史概观 29

0.3.2　尖端科技中最近的应用 32

0.3.3　现状、动态和问题点 34

参考文献 38

第1章　介电谱方法的理论基础 44

1.1 介电弛豫的理论概述 44

1.1.1 电磁场与物质作用的基本方程 44

1.1.2 静态介电理论的几个关系式 45

1.2　介电弛豫的统计理论 47

1.2.1 体系对外部扰动的线性响应 47

1.2.2 偶极自相关函数 48

1.3 介电弛豫的唯象理论 50

1.3.1 线性响应理论 50

1.3.2 单一弛豫时间函数（Debye弛豫） 51

1.3.3 具有弛豫时间分布的函数（Non-Debye弛豫） 52

1.3.4 介电性质（弛豫强度和弛豫时间）的温度依存性 54

1.4 介电弛豫的微观解释 55

1.4.1 时间相关函数方法表示介电弛豫 55

1.4.2 离子电导的分子解释 56

参考文献 57

第2章　非均匀体系的介电理论及谱的解析 59

2.1 引言 59

2.1.1 理论研究的历史概述 59

2.1.2 介电谱研究的必要性 60

2.2　界面极化的理论基础 60

2.2.1 两相非均匀材料和Maxwell-Wagner理论 60

2.2.2 浓厚分散系的非均质材料和Bruggeman-Hanai理论 63

2.2.3　含有多于两相的非均匀材料 64

2.2.4　含有一个界面层的非均匀材料 64

2.3　对离子极化理论 66

2.3.1 表面电导率的引入 66

2.3.2 球形粒子的对离子极化理论 67

2.4 典型非均匀体系的介电模型和解析式 69

2.4.1 引言 69

2.4.2 两相非均匀体系 70

2.4.3 三相非均匀体系 74

2.4.4 多相非均匀体系 76

2.5 非均匀体系中介电弛豫的数目 77

2.5.1 基本原理 77

2.5.2 实验归纳 78

2.5.3　理论预测 79

参考文献 80

第3章　宽频介电谱技术和谱的一般分析方法 83

3.1 测量方法的分类 83

3.1.1 集总常数回路法和分布常数回路法 83

3.1.2 频（率）域和时（间）域介电谱方法 84

3.2 频率域介电谱测量 84

3.2.1 结合了介电变频器的傅里叶分析系统 85

3.2.2 阻抗分析 85

3.2.3 RF反射计 85

3.2.4 网络分析 85

3.3 时间域介电谱测量 86

3.4 测量的外部配置和测量值的校正 86

3.4.1 测量池和电极 86

3.4.2 测量值误差的校正 87

3.4.3 电极极化及其消除电极极化的新方法——电磁诱导法 88

3.5　介电谱的一般分析方法 89

3.5.1 引言 89

3.5.2 利用模型函数分析介电谱 90

3.5.3 从介电谱中确定介电参数 94

3.5.4 对因荷电载体波动的介电谱的分析 95

3.5.5 对因Maxwell-Wagner极化的介电谱的一般分析方法 97

3.5.6 电极极化的分析和消除或校正方法 98

参考文献 100

应用篇 105

第4章　胶体分散系的介电谱 105

4.1　基础概述 105

4.1.1 介电谱方法用于胶体分散系的特殊优势 105

4.1.2　低、高频弛豫的极化机制 105

4.1.3 宽频介电谱的理论表达式（WFDS） 108

4.1.4 分散系介电谱的Hanai解析方法 109

4.1.5 电动力学参数的获取 113

4.2 乳状液 115

4.2.1 概述 115

4.2.2　W/O型乳状液 115

4.2.3　O/W型乳状液 116

4.2.4 流动条件下W/O乳状液的介电谱 118

4.2.5 电流变现象和介电性质 119

4.2.6　J.Sj？blom的修正模型 119

4.2.7 时域介电谱对原油乳状液稳定性的研究 121

4.3 离子交换树脂 122

4.3.1 Hanai理论对阳离子交换树脂悬浊系的适用 122

4.3.2 大孔离子交换树脂悬浊液的介电谱 123

4.3.3 离子交换树脂／（醇-水混合液）的介电谱及其非平衡过程的介电监测 124

4.4　聚合物粒子分散系 127

4.4.1 聚苯乙烯粒子分散系 127

4.4.2 壳聚糖微球悬浮液 132

4.5 稀薄纳米粒子分散系以及厚双电层的解析模型 135

4.5.1 问题的背景 135

4.5.2 介电模型和两步解析法 135

4.6 非典型粒子分散系 138

4.6.1 金属纳米粒子悬浮液的介电谱解析 138

4.6.2 某些实际体系的应用 140

4.7　微胶囊悬浮液 141

4.7.1 PS-MCs悬浮液的介电谱解析 142

4.7.2 PMMA-MCs悬浮液的介电谱解析 142

参考文献 143

第5章　分子有序组合体系的介电谱 146

5.1 引言 146

5.2 表面活性剂胶束体系 147

5.2.1 背景概述 147

5.2.2 适用于胶束体系的介电理论 147

5.2.3 阳离子表面活性剂胶束体系的介电弛豫Ⅰ——Shikata解释 149

5.2.4 阳离子表面活性剂胶束体系的介电弛豫Ⅱ——Buchner解释 151

5.2.5 阴离子表面活性剂SDS水溶液以及与CnTAX水溶液的比较 152

5.2.6 阴离子碳氟表面活性剂水溶液 154

5.2.7 AOT-水体系——胶束形状的估计 155

5.2.8 非离子和两性离子表面活性剂DDAO体系 156

5.2.9　线状胶束体系 156

5.2.10 聚合物-表面活性剂胶束的复合体 157

5.3 反胶束和微乳液体系 157

5.3.1 概述 157

5.3.2 反胶束体系 158

5.3.3 微乳液体系——一般的解析模型 161

5.3.4　微乳液体系——Sj？blom组的研究 162

5.3.5 微乳液体系——渗滤现象 163

5.3.6 微乳液体系——相转移行为 167

5.3.7 非离子表面活性剂型微乳液 169

5.4 囊泡和脂质体体系 170

5.4.1 概述 170

5.4.2　研究实例 171

5.5 表面活性剂液晶体系 176

参考文献 177

第6章　高分子膜／溶液体系的介电谱 180

6.1 引言 180

6.1.1 水中膜体系介电研究的必要性和特色 180

6.1.2　复介电常数与膜 180

6.1.3 溶液中高分子膜的介电（阻抗）谱研究背景概述 181

6.1.4 高分子膜／溶液体系介电谱的一般弛豫模式 182

6.1.5 解析谱必要的一般化模型和公式 183

6.2 高分子膜／溶液体系 185

6.2.1 典型的绝缘膜——Teflon／水体系 185

6.2.2 非功能性均质高分子膜／水体系 185

6.2.3 高分子膜／溶液体系的低频弛豫 186

6.3 反渗透膜／水溶液体系 187

6.4 离子交换膜（浓差极化）体系 188

6.4.1 偏压下离子交换膜-水溶液体系的特异弛豫现象 189

6.4.2 浓差极化的介电理论 189

6.4.3 含CPL的膜／溶液体系介电弛豫的理论解析 191

6.4.4 浓差极化介电理论在离子交换膜体系的应用 192

6.4.5 浓差极化介电模型的拓展 193

6.5　双极膜体系 195

6.6 纳滤膜-电解质溶液体系 196

6.6.1 概述 196

6.6.2 复合纳滤膜NTR7450／水溶液体系的介电弛豫 197

6.6.3 介电弛豫谱的解析 198

6.6.4 膜的层状结构的确认和各层电性质 199

6.6.5 复合膜各层的离子透过性和选择性 200

6.7 脂质双层膜和支撑膜-溶液体系 201

6.7.1　水中脂质双层膜 201

6.7.2　支撑膜／溶液体系 202

6.8　生物膜 203

6.8.1 内部电极法 203

6.8.2 整细胞式膜片吸管法 203

参考文献 204

第7章　生物细胞悬浮液的介电谱 206

7.1　引言 206

7.1.1 生物体系介电谱的一般概述 206

7.1.2 细胞悬浮液的介电模型和解析公式 208

7.2　红细胞悬浮液 212

7.2.1　球形红细胞 212

7.2.2 物质和红细胞膜作用的介电谱检测 214

7.2.3 缗线状红细胞簇的介电行为 214

7.3 酵母细胞悬浮液 216

7.4 卵细胞悬浮液 218

7.4.1 青鳉鱼卵的介电谱 218

7.4.2 蛙卵的介电谱——胚胎形成的监测 219

7.5 大肠杆菌悬浮液 222

7.5.1　模型的修正 222

7.5.2　模型的应用 223

7.6 淋巴细胞 224

7.7　植物细胞和藻细胞 225

7.7.1 含液泡和叶绿体的植物原生质体 225

7.7.2 淡水藻原生质体 226

7.8 生物细胞悬浮液介电弛豫的理论解析 227

7.8.1 关于细胞及其内部组成的信息获取 228

7.8.2 细胞内部构造和介电谱的关系 229

7.8.3 细胞的形状和介电谱的关系 231

7.8.4 受损细胞的介电谱 233

参考文献 233

第8章　生物组织、生物大分子溶液及相关体系的介电谱 236

8.1 引言 236

8.2 生物组织 237

8.2.1 生物组织的电导率和介电常数 237

8.2.2　含水量对介电谱的影响 239

8.2.3 一些生物组织的介电性质 240

8.2.4 组织死亡后介电性质的变化 241

8.3 生物大分子 242

8.3.1 聚合物的偶极矩理论概述 242

8.3.2 氨基酸、多肽 247

8.3.3　蛋白质水溶液 250

8.3.4 脱氧核糖核酸（DNA） 254

8.4 生物体中的水的弛豫行为 256

8.4.1 生物体中水的分类和纯水的介电性质 257

8.4.2　束缚水的介电弛豫 258

8.4.3 蛋白质溶液中的束缚水 258

8.4.4　DNA分子上束缚水的介电性质 259

8.4.5 束缚水介电行为的模拟研究 260

8.4.6 生物组织中的水 260

8.4.7 结构水 261

8.5 生物电解质 261

参考文献 262

第9章　介电谱方法在扫描成像技术及实时监测领域的应用 266

9.1 扫描介电显微镜（SDM） 266

9.1.1　概述 266

9.1.2 单一粒子的介电测量 267

9.1.3　SDM的原理 267

9.1.4 应用实例及SDM的评价 269

9.2 其它介电成像技术 272

9.2.1 扫描非线性介电显微镜 272

9.2.2 固体材料的微波介电成像 272

9.3 生物细胞的介电实时监测技术 273

9.3.1 概述 273

9.3.2 生物量的监测原理 274

9.3.3 无电极测量法 276

9.3.4 介电监测法的模型解析基础 276

9.3.5 介电监测实例1——酵母生长的实时监测 279

9.3.6 介电监测实例2——发酵中的实时监测 283

9.4 介电监测在其它对象上的应用 285

9.4.1 交联和固化过程的实时原位监测 285

9.4.2 化学反应的实时原位监测 288

参考文献 289

第10章　介电谱在其它领域的应用 292

10.1 介电谱对药物体系的应用 292

10.1.1 脂质体和微胶囊作为药物载体的体系 292

10.1.2　凝胶和聚合物体系 293

10.1.3 固体分散系药剂材料 295

10.1.4　无定形药物的介电研究 296

10.2 介电谱在农产品和食品领域的应用 298

10.2.1　概述 298

10.2.2 粮谷产品中的应用 298

10.2.3　水果和蔬菜 300

10.2.4　液体食品和饮料等体系 303

10.2.5 鱼肉类以及熟食品 306

10.3 木材的介电谱研究 307

10.3.1 概述 307

10.3.2　木材的结构和各向异性 308

10.3.3 温度处理后的木材的介电性质 309

10.3.4 化学处理后的木材的介电谱 310

10.3.5 木材中吸附水的介电谱 311

10.3.6 介电数据的频率依存性-温度依存性之间的转换 313

10.4 介电谱在运动和健康监测方面的应用 314

10.4.1 运动前后水含量变化的介电测定 314

10.4.2 灼伤后皮肤治愈过程的介电检测 316

10.4.3 含水量不同的皮肤的介电性质 317

10.4.4 血沉的介电检测 318

参考文献 318