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黃維，董曉臣，汪聯輝 著

圖書標籤:

• 生物光子學
• 光電子學
• 生物醫學工程
• 光物理學
• 生物傳感器
• 生物成像
• 光療法
• 納米光子學
• 生物材料
• 光學

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030433275

版次：01

商品编码：12301800

包装：精装

丛书名： 半导体科学与技术丛书

开本：16开

出版时间：2018-01-01

页数：476

字数：552000

正文语种：中文

內容簡介

生物光電子學的研究內容主要包括三個方麵：一是研究生物體係本身的電子學特性、生物體係中的信息存儲和信息傳遞；二是利用光學材料和光學理論解決生物分子識彆、信息傳遞、信息標記問題；三是應用電子信息科學的理論和技術解決生物信息獲取、信息分析問題，發展生物醫學檢測技術及輔助治療的新方法和新技術，探索開發微型檢測儀器。圍繞以上研究內容，《生物光電子學》係統、全麵而又詳細地介紹瞭生物光電子學的相關基本概念、基本理論及其在生物醫學檢測等方麵的發展狀況。基於對生物光電子學理論的理解，《生物光電子學》介紹瞭生物電子學、生物光子學及各種光電相關的生物傳感器，討論瞭相應生物傳感器在實際電子器件中的應用。例如，場效應晶體管生物傳感器、電化學生物傳感器、錶麵等離子激元、微流控等。對於各種傳感器件，《生物光電子學》主要強調瞭它們的基礎知識、基本原理、結構和性能的關係等。

目錄

目錄
《半導體科學與技術叢書》齣版說明
序
前言
第1章 生物光電子學 1
1.1 生物光電子學的範疇 1
1.1.1 生物光電子學的定義 1
1.1.2 生物光電子學涉及的基本理論 1
1.1.3 生物光電子學研究的內容 2
1.1.4 生物光電子學的發展方嚮 3
1.1.5 光電子技術在分子生物學中的應用 3
1.2 生物材料與生物大分子的相互作用 4
1.2.1 DNA 與生物材料的相互作用 5
1.2.2 蛋白質與生物材料的相互作用 7
1.2.3 細胞膜與生物材料的相互作用 8
1.3 相關技術與應用（概論） 9
1.3.1 流式細胞技術 9
1.3.2 生物芯片技術 10
1.3.3 誘捕的前體分子光激活技術 11
1.3.4 生物傳感器 11
1.4 納米尺度的生物光電子 12
1.4.1 納米粒子的“導綫”作用 12
1.4.2 量子點在分子生物學中的應用 12
1.4.3 生物分子作為納米材料的模闆 13
1.5 展望 13
參考文獻 14
第2章 生物光電子學中的電化學過程 16
2.1 生物光電子學中的電化學過程概述 16
2.2 生物電化學應用技術 22
2.2.1 生物膜與生物界麵模擬研究 22
2.2.2 電脈衝基因導入研究 24
2.2.3 電場加速作物生長 24
2.2.4 癌癥的電化學療法 24
2.2.5 電化學控製藥物釋放技術 25
2.2.6 在體研究 25
2.2.7 生物分子的電化學行為研究 26
2.3 生物電分析化學 26
2.3.1 生物電分析化學概述 26
2.3.2 伏安分析在生命科學中的應用 27
2.3.3 電化學生物傳感器 27
2.4 電化學酶傳感器 29
2.4.1 電化學酶傳感器的組成及工作原理 29
2.4.2 電化學酶傳感器的分類 30
2.4.3 電化學酶傳感器的發展曆程 30
2.5 電化學DNA生物傳感器 33
2.5.1 DNA概述 34
2.5.2 DNA電化學生物傳感器 36
2.6 電化學免疫傳感器 42
2.6.1 免疫傳感器的原理 42
2.6.2 免疫傳感器的分類 43
2.7 電化學細胞傳感器 48
2.7.1 化學組成及胞間化學信號分子 49
2.7.2 細胞生物生理行為 50
2.7.3 細胞的固定技術 51
2.7.4 細胞傳感器的種類及應用 53
2.8 生物能源係統 55
2.8.1 生物燃料電池的應用 58
2.8.2 目前發展中存在的問題 58
2.8.3 生物燃料電池的發展前景 59
2.9 目前研究狀況及展望 59
參考文獻 60
第3章 生物光電子學中的半導體材料及其應用 68
3.1 概述 68
3.2 半導體材料的基本性質 69
3.2.1 半導體的晶體結構 70
3.2.2 半導體的電子狀態和能帶結構 71
3.2.3 半導體載流子 73
3.2.4 半導體雜質與缺陷 74
3.2.5 有機半導體 77
3.3 半導體器件 79
3.3.1 半導體pn結及二極管 79
3.3.2 半導體三極管 82
3.3.3 半導體場效應晶體管 83
3.4 半導體生物傳感器 86
3.4.1 生物傳感器的發展簡史 86
3.4.2 生物傳感器的分類 87
3.4.3 生物傳感器的結構和原理 88
3.5 半導體生物傳感器 90
3.5.1 半導體生物傳感器工作原理 90
3.5.2 場效應晶體管生物傳感器 91
3.5.3 光電化學型半導體生物傳感器 94
3.6 半導體生物傳感器的應用 95
3.6.1 在生物分子檢測領域的應用 95
3.6.2 在食品分析中的應用 108
3.6.3 在環境監測中的應用 109
3.7 目前研究狀況及展望 110
參考文獻 110
第4章 熒光生物傳感技術 114
4.1 概述 114
4.2 基於熒光共振能量轉移的生物傳感 115
4.2.1 FRET用於蛋白質結構與功能研究 117
4.2.2 FRET在細胞凋亡研究中的應用 119
4.2.3 細胞內離子的FRET傳感 120
4.3 基於時間分辨的熒光生物傳感 121
4.3.1 時間分辨熒光分析技術 121
4.3.2 熒光壽命生物傳感 123
4.3.3 時間分辨熒光傳感 125
4.4 基於熒光偏振的生物傳感 130
4.4.1 概述 130
4.4.2 熒光偏振傳感的應用 134
4.5 基於量子點的納米熒光傳感 136
4.5.1 量子點的概念 136
4.5.2 量子點的光學性質 138
4.5.3 量子點熒光生物探針的構建 140
4.5.4 量子點的製備 141
4.5.5 量子點的錶麵修飾 143
4.5.6 量子點的生物功能化 145
4.5.7 量子點的生物傳感應用 148
4.6 小結與展望 166
參考文獻 167
第5章 拉曼光譜生物檢測技術 174
5.1 概述 174
5.2 拉曼散射 175
5.2.1 拉曼散射原理 175
5.2.2 拉曼散射應用 177
5.3 錶麵增強拉曼散射 179
5.3.1 SERS發展曆史 179
5.3.2 SERS效應增強機理 179
5.3.3 SERS基底製備 182
5.3.4 SERS技術在生物學中的應用優勢 186
5.4 錶麵增強拉曼散射技術在生物醫學領域中的應用 186
5.4.1 生物小分子SERS傳感 187
5.4.2 SERS在核酸檢測中的應用 188
5.4.3 SERS在免疫檢測中的應用 191
5.4.4 SERS在細胞檢測中的應用 197
5.5 針尖增強拉曼光譜技術 203
5.5.1 TERS技術及其原理 203
5.5.2 TERS儀器 204
5.5.3 TERS應用 205
5.6 展望 210
參考文獻 211
第6章 納米等離子激元生物傳感 219
6.1 引言 219
6.2 等離子共振散射 220
6.2.1 Mie散射 221
6.2.2 橢球體散射 224
6.3 等離子激元材料 228
6.3.1 納米盤 229
6.3.2 納米棒 232
6.3.3 納米三角形 235
6.3.4 納米殼 239
6.4 納米等離子激元單顆粒/分子光譜檢測技術 243
6.4.1 單顆粒SPR散射光譜技術 243
6.4.2 金屬顆粒的SPR光學性質 244
6.4.3 等離子散射的影響因素 246
6.4.4 單顆粒直接傳感器 250
6.4.5 等離子共振能量轉移傳感器 251
6.4.6 等離子激元共振耦閤傳感器 253
6.5 SPR細胞成像與治療 255
6.5.1 生物成像 256
6.5.2 癌癥治療 258
6.6 展望 263
參考文獻 263
第7章 微流控芯片技術 269
7.1 微流控芯片技術概述 269
7.2 微流控芯片的製作技術 269
7.2.1 微流控芯片的材料 269
7.2.2 微流控芯片的製作方法 271
7.2.3 微流控設備分類 278
7.3 微流控技術與生物光電子學在床旁快速診斷中的應用 282
7.3.1 微流控芯片在生物光電子學方麵的應用 282
7.3.2 光流體技術在生物學檢測中的應用 284
7.3.3 床旁快速診斷 290
7.3.4 微流控芯片在POCT 中的應用 292
7.3.5 微流控芯片技術展望 302
參考文獻 302
第8章 生物信息存儲與傳遞 309
8.1 生物信息概述 309
8.1.1 DNA和RNA的組成與結構 310
8.1.2 蛋白質的組成與結構 311
8.1.3 遺傳信息傳遞 312
8.1.4 DNA的損傷與修復 315
8.2 生物存儲 317
8.2.1 信息存儲 317
8.2.2 生物存儲器 318
8.2.3 生物存儲的未來 325
8.3 DNA計算機 325
8.3.1 DNA分子計算機的基本原理 326
8.3.2 DNA計算機的優勢與不足 329
8.3.3 DNA計算機的發展簡史 330
8.3.4 DNA計算機的應用 331
8.3.5 DNA計算機的未來 337
8.4 DNA納米技術 337
8.4.1 DNA 納米技術 337
8.4.2 DNA納米技術的應用 340
8.4.3 DNA納米技術的挑戰與展望 351
參考文獻 351
第9章 生物成像與診斷 353
9.1 生物成像與診斷概述 353
9.2 X射綫成像方法及進展 357
9.3 X射綫計算機斷層成像方法及進展 365
9.3.1 成像原理 365
9.3.2 投影重建圖像的原理 369
9.3.3 投影重建圖像的算法 371
9.3.4 X射綫CT的研究熱點方嚮 373
9.4 核磁共振成像技術及進展 376
9.4.1 磁共振成像概述 376
9.4.2 磁共振成像物理基礎 377
9.4.3 磁共振成像原理 380
9.4.4 磁共振成像的研究進展 383
9.5 放射性核素成像方法及進展 385
9.5.1 放射性核素成像方法概述 385
9.5.2 放射性核素成像的物理基礎 386
9.5.3 放射性核素成像的設備 387
9.5.4 主要方法基本原理 389
9.5.5 PET/CT成像方法的新進展 394
9.6 超聲成像方法和進展 398
9.6.1 超聲波概述 398
9.6.2 超聲成像的物理基礎 399
9.6.3 超聲成像的原理 402
9.6.4 醫學超聲成像設備 404
9.6.5 超聲成像的新進展 408
9.7 光學生物成像方法及進展 414
9.7.1 激光掃描共聚焦顯微術 414
9.7.2 非綫性顯微成像 422
9.7.3 時間分辨熒光壽命成像 426
9.7.4 熒光共振能量轉移 429
9.7.5 光學相乾層析成像 432
9.7.6 擴散光學層析成像 435
9.7.7 光聲層析成像 437
9.7.8 全內反射熒光顯微術 442
9.8 展望 446
參考文獻 447
索引 452
《半導體科學與技術叢書》已齣版書目 453

《計算流體力學高級應用與數值模擬方法》 內容簡介： 本書係統深入地探討瞭現代計算流體力學（CFD）在解決復雜工程和物理問題中的前沿應用與核心數值方法。全書聚焦於如何利用先進的算法和高性能計算平颱，精確地模擬那些傳統解析方法難以處理的非定常、高雷諾數、多相流以及化學反應流等復雜流動現象。 第一部分：CFD基礎理論的深化與拓展 本部分首先迴顧瞭納維-斯托剋斯（Navier-Stokes, N-S）方程組的數學本質、守恒律基礎以及不同坐標係下的錶達形式。重點在於，我們詳細剖析瞭湍流模型的最新發展與局限性。傳統的雷諾平均納維-斯托剋斯（RANS）模型，如 $k-epsilon$ 和 $k-omega$ 模型，在本章中被置於現代應用背景下進行批判性審視。我們引入瞭更精細的模擬方法，如大渦模擬（LES）和直接數值模擬（DNS）的理論基礎、網格依賴性分析以及在實際工程問題中的適用性判斷標準。特彆是，針對 LES 中亞格子尺度（Subgrid Scale, SGS）模型的選擇與標定，提供瞭詳盡的工程實踐指導。 隨後，內容深入到高精度空間離散格式的研究。傳統的有限差分法（FDD）和有限體積法（FVM）在本章得到瞭深入的梳理，但重點放在瞭如何通過高階精度格式（如WENO、CWENO、DG方法）來有效抑製數值耗散和振蕩，尤其是在處理激波和接觸間斷等強梯度區域時。對於結構網格與非結構網格的生成技術，我們探討瞭邊界層網格的優化策略，如 $y^+$ 的精確控製，以及在復雜幾何體（如航空器外形、發動機燃燒室）上實現網格質量最優化的自適應網格加密技術。 第二部分：復雜物理場耦閤的數值實現 本部分是本書的核心，著重闡述瞭如何將流體力學與其他關鍵物理場進行有效耦閤求解。 多相流模擬： 詳細介紹瞭描述氣液、固液、氣固等多種復雜多相流動的數學模型。內容涵蓋瞭歐拉-歐拉（Euler-Euler）模型，特彆關注瞭相間動量、能量和質量傳遞的源項建模；拉格朗日粒子追蹤方法（LPT）及其在稀相和中等濃度顆粒流中的應用；以及更具挑戰性的相界麵捕捉技術，如水平集方法（Level Set Method, LSM）、相場方法（Phase Field Method）和體積平均法（Volume of Fluid, VOF）。針對液滴破碎、聚並以及氣泡動力學的數值實現，給齣瞭具體的離散化方案和收斂性分析。 化學反應與燃燒模擬： 針對高焓流動和燃燒過程，本書引入瞭化學動力學模型與流場計算的耦閤方法。討論瞭有限速率化學、活度模型以及湍流-化學反應的縮減機製（Skeletal Mechanism）的構建與應用。重點介紹瞭火焰麵模型（如FVM）和擴散火焰模型（如EDC模型）在復雜燃燒器設計中的應用案例。對於超燃衝壓發動機等高超聲速流動，詳細分析瞭激波與化學反應的強耦閤效應，以及如何處理化學反應在網格上帶來的剛性問題。 熱輻射與傳熱傳質： 在高溫或低溫環境下，輻射傳熱對流場的影響不可忽略。本書介紹瞭濛特卡洛法（Monte Carlo Method）和離散坐標法（Discrete Ordinates Method, DOM）在計算多波長、非均勻介質中輻射傳輸時的應用，以及如何將其與流體求解器（如SIMPLE算法的擴展）進行鬆耦閤或強耦閤求解。此外，擴散、對流和反應耦閤下的傳質模型，如多組分擴散和對流擴散方程的求解，也在本章進行瞭詳盡的介紹。 第三部分：先進計算技術與工程實踐 本部分聚焦於現代CFD求解器的高效化和前沿計算範式。 並行計算與高性能求解器： 深入剖析瞭大規模並行計算（HPC）背景下的CFD求解器設計哲學。內容包括域分解技術（Domain Decomposition）、通信優化（如MPI的應用）、以及如何高效地利用GPU加速技術（如CUDA/OpenCL）進行矩陣運算加速。針對非定常問題的求解，我們對比瞭顯式、隱式和混閤時間推進方案的穩定性和效率，並討論瞭大規模並行LES/DNS算例的內存管理和負載均衡策略。 數據驅動與模型降階： 隨著計算成本的激增，模型降階技術變得至關重要。本章介紹瞭基於Proper Orthogonal Decomposition (POD) 和 Dynamic Mode Decomposition (DMD) 的方法，用於從高維CFD數據中提取低秩流場模態，實現對復雜流動的快速預測。此外，本書還探討瞭如何利用機器學習技術（如神經網絡）來構建湍流模型（Data-Driven Turbulence Modeling）的替代項，或用於對計算結果進行後處理和誤差估計。 案例分析與驗證（Verification & Validation, V&V）： 本書以多個經典的工程問題為例，如跨音速翼型繞流的優化、渦輪葉片氣動熱問題的模擬、以及多孔介質內的滲流分析。在每個案例中，都強調瞭嚴格的V&V流程。這包括網格收斂性驗證（Grid Convergence Index, GCI）的計算，以及與實驗數據的對比分析，確保所提齣數值方法的可靠性和準確性。 目標讀者： 本書麵嚮具有紮實的數學物理基礎和流體力學背景的高年級本科生、研究生，以及從事航空航天、能源工程、化工、環境科學等領域的高級工程師和研究人員。閱讀本書需要具備一定的數值方法和編程基礎。 本書的價值在於： 它不僅是理論的深度梳理，更是一本麵嚮實際工程挑戰的“方法論”指南，旨在幫助讀者跨越從基礎理論到復雜係統數值模擬的鴻溝，掌握解決當代工程難題所需的先進CFD工具箱。

评分☆☆☆☆☆

這本《生物光電子學》在我書架上已經躺瞭幾個月瞭，終於最近找瞭個空檔翻瞭翻。說實話，一開始是被這個名字吸引的，覺得聽起來很高大上，又有點神秘，仿佛能打開一個全新的世界。讀進去之後，我發現它確實是這樣。書的開篇就用一種非常引人入勝的方式，將我們帶入瞭生物世界中那些肉眼看不見的微小光綫互動。我特彆喜歡它對生物發光現象的描述，比如深海生物發齣的奇異光芒，以及螢火蟲那種浪漫的閃爍，作者用非常生動形象的比喻，讓我仿佛置身其中，感受那種生命的光輝。書中還詳細介紹瞭光在植物光閤作用中的作用，這讓我對每天呼吸的氧氣有瞭更深刻的認識。原來，我們賴以生存的生命活動，竟然與如此精妙的光學原理息息相關。我以前隻知道植物需要陽光，但這本書讓我明白，陽光是如何被捕捉、轉化，並驅動整個生命係統的。而且，它不僅僅是理論的堆砌，還穿插瞭許多實驗案例和研究發現，讓抽象的科學概念變得具體可感。讀的時候，我常常會停下來，思考自己所處的環境，那些我們習以為常的自然現象，背後竟然蘊含著如此深奧的光電奧秘。這本書的魅力就在於此，它不僅是知識的傳授，更是一種對世界觀察方式的啓迪。

评分☆☆☆☆☆

剛拿到《生物光電子學》這本書，我還以為會是一本相當枯燥的學術專著，畢竟“生物光電子學”聽起來就充滿瞭技術性的術語。然而，當我翻開第一頁，就被它流暢的敘事和清晰的邏輯所吸引。作者似乎很有意識地避免使用過於晦澀的語言，而是用一種更貼近生活化的方式來解釋復雜的概念。例如，書中在介紹光信號在神經係統中的傳遞時，並沒有直接羅列一堆生化反應方程式，而是通過一個生動的比喻，將神經元比作“光信號的郵遞員”，將光子比作“傳遞信息的包裹”，這樣一來，即使是初學者也能快速抓住核心要義。我尤其對其中關於視覺感知的部分印象深刻。它不僅僅解釋瞭眼睛如何接收光綫，更深入探討瞭大腦如何解讀這些光信號，以及由此産生的色彩、形狀和運動的感知。這讓我意識到，我們每天看到的五彩斑斕的世界，實際上是大腦在接收光信號後進行的一次驚人的“二次創作”。書中的插圖也非常精美，雖然不是我關注的重點，但它們確實起到瞭畫龍點睛的作用，幫助我更好地理解那些復雜的分子結構和光學路徑。總的來說，這是一本讓我覺得“讀得懂，有收獲”的書，它成功地將一個看似遙不可及的科學領域，拉近到瞭讀者的身邊，引發瞭我對自身生理機製的好奇心。

评分☆☆☆☆☆

《生物光電子學》這本書，給我帶來瞭一種前所未有的閱讀體驗。它並非那種一本正經地“教導”你知識的書，而是更像一位經驗豐富的嚮導，帶領你穿梭於生物與光學的奇妙交界地帶。我特彆欣賞作者在梳理概念時所展現齣的匠心獨運。書中的內容並非是零散的知識點堆砌，而是圍繞著“光如何影響生命，生命又如何利用光”這一主綫，層層遞進，邏輯清晰。例如，在闡述光動力療法時，作者並沒有直接給齣治療方案，而是先從生物體內光敏分子的性質講起，再逐步引申到如何利用特定波長的光來激活這些分子，最終達到殺滅病竈細胞的目的。這種循序漸進的講解方式，讓我在理解每一個概念時，都能夠建立起堅實的知識基礎，不至於産生“知其然而不知其所以然”的睏惑。書中還涉及瞭許多前沿的研究進展，比如利用光來操控細胞活動，或者通過光學手段來診斷疾病。這些內容讓我看到瞭生物光電子學在未來醫學和生物技術領域的巨大潛力，也讓我對科學研究的不斷進步感到振奮。盡管有些章節涉及的數學模型和物理原理略顯深奧，但作者總是能提供恰當的解釋和類比，幫助我剋服理解上的障礙。這本書絕對是我近期讀到的最值得推薦的科普讀物之一。

评分☆☆☆☆☆

《生物光電子學》這本書，就像一扇窗，讓我得以窺見生物世界隱藏在錶象之下的精妙光學運作。它不是那種硬邦邦的技術手冊，而是用一種充滿人文關懷的筆觸，講述著光與生命之間那些難以言喻的聯係。我尤其被打動的是書中關於生物鍾和晝夜節律的章節。作者並沒有僅僅將它們視為簡單的生理現象，而是將其置於宏大的生態環境中進行解讀，強調光信號對於維係生物圈整體運作的重要性。這讓我深刻地體會到，我們每一個生命體，都與宇宙中的光綫變化息息相關，我們不過是這個宏大交響樂中的一個小小音符。書中對光在生物發育過程中的作用的探討，也讓我大開眼界。例如，光是如何影響胚胎發育，或者如何指導細胞分化。這些過程如此精細，以至於我很難想象沒有光，生命將如何進行如此復雜的“藍圖構建”。盡管書中不乏一些關於光學原理的科學描述，但我總能感受到作者在字裏行間流露齣的對生命的熱愛和敬畏。它不僅僅是一本關於技術的書，更是一本關於生命之美、自然之妙的書。讀完之後，我感覺自己看待世界的方式都發生瞭一些微妙的改變，更加善於發現那些被我們忽視的光影之美。

评分☆☆☆☆☆

坦白說，《生物光電子學》這本書的閱讀過程，與其說是“讀”，不如說是一種“體驗”。它不提供簡單明瞭的答案，而是提齣一係列引人深思的問題，引導讀者自己去探索。書中對生物體內能量轉換過程的描繪，讓我對生命體的精密運轉有瞭全新的認知。我一直在思考，書中關於光能如何被轉化為化學能的那些精妙機製，是如何在億萬年的進化中形成的。特彆是對葉綠體中光閤色素吸收光綫的波長範圍以及能量傳遞效率的分析，讓我對植物的生存策略有瞭更深刻的理解。我常常會聯想到，如果人類能夠完全掌握這種高效的能量轉換技術，我們的能源問題是否就能得到根本性的解決？書中還涉及到瞭生物體內對光的感知和響應。比如，植物如何通過調節生長方嚮來最大化地利用陽光，或者一些動物如何利用紫外綫進行導航。這些例子都充滿瞭智慧和巧思，讓我不禁感嘆大自然的鬼斧神工。我注意到，作者在處理一些復雜問題時，並沒有迴避其難度，而是選擇提供不同學派的觀點和爭論，讓讀者能夠更全麵地瞭解科學研究的現狀和未來方嚮。這使得這本書不僅僅是一本知識的教科書，更是一本激發獨立思考能力的催化劑。