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黄维，董晓臣，汪联辉 著

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• 生物光子学
• 光电子学
• 生物医学工程
• 光物理学
• 生物传感器
• 生物成像
• 光疗法
• 纳米光子学
• 生物材料
• 光学

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

内容简介

生物光电子学的研究内容主要包括三个方面：一是研究生物体系本身的电子学特性、生物体系中的信息存储和信息传递；二是利用光学材料和光学理论解决生物分子识别、信息传递、信息标记问题；三是应用电子信息科学的理论和技术解决生物信息获取、信息分析问题，发展生物医学检测技术及辅助治疗的新方法和新技术，探索开发微型检测仪器。围绕以上研究内容，《生物光电子学》系统、全面而又详细地介绍了生物光电子学的相关基本概念、基本理论及其在生物医学检测等方面的发展状况。基于对生物光电子学理论的理解，《生物光电子学》介绍了生物电子学、生物光子学及各种光电相关的生物传感器，讨论了相应生物传感器在实际电子器件中的应用。例如，场效应晶体管生物传感器、电化学生物传感器、表面等离子激元、微流控等。对于各种传感器件，《生物光电子学》主要强调了它们的基础知识、基本原理、结构和性能的关系等。

目录

目录
《半导体科学与技术丛书》出版说明
序
前言
第1章 生物光电子学 1
1.1 生物光电子学的范畴 1
1.1.1 生物光电子学的定义 1
1.1.2 生物光电子学涉及的基本理论 1
1.1.3 生物光电子学研究的内容 2
1.1.4 生物光电子学的发展方向 3
1.1.5 光电子技术在分子生物学中的应用 3
1.2 生物材料与生物大分子的相互作用 4
1.2.1 DNA 与生物材料的相互作用 5
1.2.2 蛋白质与生物材料的相互作用 7
1.2.3 细胞膜与生物材料的相互作用 8
1.3 相关技术与应用（概论） 9
1.3.1 流式细胞技术 9
1.3.2 生物芯片技术 10
1.3.3 诱捕的前体分子光激活技术 11
1.3.4 生物传感器 11
1.4 纳米尺度的生物光电子 12
1.4.1 纳米粒子的“导线”作用 12
1.4.2 量子点在分子生物学中的应用 12
1.4.3 生物分子作为纳米材料的模板 13
1.5 展望 13
参考文献 14
第2章 生物光电子学中的电化学过程 16
2.1 生物光电子学中的电化学过程概述 16
2.2 生物电化学应用技术 22
2.2.1 生物膜与生物界面模拟研究 22
2.2.2 电脉冲基因导入研究 24
2.2.3 电场加速作物生长 24
2.2.4 癌症的电化学疗法 24
2.2.5 电化学控制药物释放技术 25
2.2.6 在体研究 25
2.2.7 生物分子的电化学行为研究 26
2.3 生物电分析化学 26
2.3.1 生物电分析化学概述 26
2.3.2 伏安分析在生命科学中的应用 27
2.3.3 电化学生物传感器 27
2.4 电化学酶传感器 29
2.4.1 电化学酶传感器的组成及工作原理 29
2.4.2 电化学酶传感器的分类 30
2.4.3 电化学酶传感器的发展历程 30
2.5 电化学DNA生物传感器 33
2.5.1 DNA概述 34
2.5.2 DNA电化学生物传感器 36
2.6 电化学免疫传感器 42
2.6.1 免疫传感器的原理 42
2.6.2 免疫传感器的分类 43
2.7 电化学细胞传感器 48
2.7.1 化学组成及胞间化学信号分子 49
2.7.2 细胞生物生理行为 50
2.7.3 细胞的固定技术 51
2.7.4 细胞传感器的种类及应用 53
2.8 生物能源系统 55
2.8.1 生物燃料电池的应用 58
2.8.2 目前发展中存在的问题 58
2.8.3 生物燃料电池的发展前景 59
2.9 目前研究状况及展望 59
参考文献 60
第3章 生物光电子学中的半导体材料及其应用 68
3.1 概述 68
3.2 半导体材料的基本性质 69
3.2.1 半导体的晶体结构 70
3.2.2 半导体的电子状态和能带结构 71
3.2.3 半导体载流子 73
3.2.4 半导体杂质与缺陷 74
3.2.5 有机半导体 77
3.3 半导体器件 79
3.3.1 半导体pn结及二极管 79
3.3.2 半导体三极管 82
3.3.3 半导体场效应晶体管 83
3.4 半导体生物传感器 86
3.4.1 生物传感器的发展简史 86
3.4.2 生物传感器的分类 87
3.4.3 生物传感器的结构和原理 88
3.5 半导体生物传感器 90
3.5.1 半导体生物传感器工作原理 90
3.5.2 场效应晶体管生物传感器 91
3.5.3 光电化学型半导体生物传感器 94
3.6 半导体生物传感器的应用 95
3.6.1 在生物分子检测领域的应用 95
3.6.2 在食品分析中的应用 108
3.6.3 在环境监测中的应用 109
3.7 目前研究状况及展望 110
参考文献 110
第4章 荧光生物传感技术 114
4.1 概述 114
4.2 基于荧光共振能量转移的生物传感 115
4.2.1 FRET用于蛋白质结构与功能研究 117
4.2.2 FRET在细胞凋亡研究中的应用 119
4.2.3 细胞内离子的FRET传感 120
4.3 基于时间分辨的荧光生物传感 121
4.3.1 时间分辨荧光分析技术 121
4.3.2 荧光寿命生物传感 123
4.3.3 时间分辨荧光传感 125
4.4 基于荧光偏振的生物传感 130
4.4.1 概述 130
4.4.2 荧光偏振传感的应用 134
4.5 基于量子点的纳米荧光传感 136
4.5.1 量子点的概念 136
4.5.2 量子点的光学性质 138
4.5.3 量子点荧光生物探针的构建 140
4.5.4 量子点的制备 141
4.5.5 量子点的表面修饰 143
4.5.6 量子点的生物功能化 145
4.5.7 量子点的生物传感应用 148
4.6 小结与展望 166
参考文献 167
第5章 拉曼光谱生物检测技术 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 拉曼散射应用 177
5.3 表面增强拉曼散射 179
5.3.1 SERS发展历史 179
5.3.2 SERS效应增强机理 179
5.3.3 SERS基底制备 182
5.3.4 SERS技术在生物学中的应用优势 186
5.4 表面增强拉曼散射技术在生物医学领域中的应用 186
5.4.1 生物小分子SERS传感 187
5.4.2 SERS在核酸检测中的应用 188
5.4.3 SERS在免疫检测中的应用 191
5.4.4 SERS在细胞检测中的应用 197
5.5 针尖增强拉曼光谱技术 203
5.5.1 TERS技术及其原理 203
5.5.2 TERS仪器 204
5.5.3 TERS应用 205
5.6 展望 210
参考文献 211
第6章 纳米等离子激元生物传感 219
6.1 引言 219
6.2 等离子共振散射 220
6.2.1 Mie散射 221
6.2.2 椭球体散射 224
6.3 等离子激元材料 228
6.3.1 纳米盘 229
6.3.2 纳米棒 232
6.3.3 纳米三角形 235
6.3.4 纳米壳 239
6.4 纳米等离子激元单颗粒/分子光谱检测技术 243
6.4.1 单颗粒SPR散射光谱技术 243
6.4.2 金属颗粒的SPR光学性质 244
6.4.3 等离子散射的影响因素 246
6.4.4 单颗粒直接传感器 250
6.4.5 等离子共振能量转移传感器 251
6.4.6 等离子激元共振耦合传感器 253
6.5 SPR细胞成像与治疗 255
6.5.1 生物成像 256
6.5.2 癌症治疗 258
6.6 展望 263
参考文献 263
第7章 微流控芯片技术 269
7.1 微流控芯片技术概述 269
7.2 微流控芯片的制作技术 269
7.2.1 微流控芯片的材料 269
7.2.2 微流控芯片的制作方法 271
7.2.3 微流控设备分类 278
7.3 微流控技术与生物光电子学在床旁快速诊断中的应用 282
7.3.1 微流控芯片在生物光电子学方面的应用 282
7.3.2 光流体技术在生物学检测中的应用 284
7.3.3 床旁快速诊断 290
7.3.4 微流控芯片在POCT 中的应用 292
7.3.5 微流控芯片技术展望 302
参考文献 302
第8章 生物信息存储与传递 309
8.1 生物信息概述 309
8.1.1 DNA和RNA的组成与结构 310
8.1.2 蛋白质的组成与结构 311
8.1.3 遗传信息传递 312
8.1.4 DNA的损伤与修复 315
8.2 生物存储 317
8.2.1 信息存储 317
8.2.2 生物存储器 318
8.2.3 生物存储的未来 325
8.3 DNA计算机 325
8.3.1 DNA分子计算机的基本原理 326
8.3.2 DNA计算机的优势与不足 329
8.3.3 DNA计算机的发展简史 330
8.3.4 DNA计算机的应用 331
8.3.5 DNA计算机的未来 337
8.4 DNA纳米技术 337
8.4.1 DNA 纳米技术 337
8.4.2 DNA纳米技术的应用 340
8.4.3 DNA纳米技术的挑战与展望 351
参考文献 351
第9章 生物成像与诊断 353
9.1 生物成像与诊断概述 353
9.2 X射线成像方法及进展 357
9.3 X射线计算机断层成像方法及进展 365
9.3.1 成像原理 365
9.3.2 投影重建图像的原理 369
9.3.3 投影重建图像的算法 371
9.3.4 X射线CT的研究热点方向 373
9.4 核磁共振成像技术及进展 376
9.4.1 磁共振成像概述 376
9.4.2 磁共振成像物理基础 377
9.4.3 磁共振成像原理 380
9.4.4 磁共振成像的研究进展 383
9.5 放射性核素成像方法及进展 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础 386
9.5.3 放射性核素成像的设备 387
9.5.4 主要方法基本原理 389
9.5.5 PET/CT成像方法的新进展 394
9.6 超声成像方法和进展 398
9.6.1 超声波概述 398
9.6.2 超声成像的物理基础 399
9.6.3 超声成像的原理 402
9.6.4 医学超声成像设备 404
9.6.5 超声成像的新进展 408
9.7 光学生物成像方法及进展 414
9.7.1 激光扫描共聚焦显微术 414
9.7.2 非线性显微成像 422
9.7.3 时间分辨荧光寿命成像 426
9.7.4 荧光共振能量转移 429
9.7.5 光学相干层析成像 432
9.7.6 扩散光学层析成像 435
9.7.7 光声层析成像 437
9.7.8 全内反射荧光显微术 442
9.8 展望 446
参考文献 447
索引 452
《半导体科学与技术丛书》已出版书目 453

《计算流体力学高级应用与数值模拟方法》 内容简介： 本书系统深入地探讨了现代计算流体力学（CFD）在解决复杂工程和物理问题中的前沿应用与核心数值方法。全书聚焦于如何利用先进的算法和高性能计算平台，精确地模拟那些传统解析方法难以处理的非定常、高雷诺数、多相流以及化学反应流等复杂流动现象。 第一部分：CFD基础理论的深化与拓展 本部分首先回顾了纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程组的数学本质、守恒律基础以及不同坐标系下的表达形式。重点在于，我们详细剖析了湍流模型的最新发展与局限性。传统的雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型，如 $k-epsilon$ 和 $k-omega$ 模型，在本章中被置于现代应用背景下进行批判性审视。我们引入了更精细的模拟方法，如大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS）的理论基础、网格依赖性分析以及在实际工程问题中的适用性判断标准。特别是，针对 LES 中亚格子尺度（Subgrid Scale, SGS）模型的选择与标定，提供了详尽的工程实践指导。 随后，内容深入到高精度空间离散格式的研究。传统的有限差分法（FDD）和有限体积法（FVM）在本章得到了深入的梳理，但重点放在了如何通过高阶精度格式（如WENO、CWENO、DG方法）来有效抑制数值耗散和振荡，尤其是在处理激波和接触间断等强梯度区域时。对于结构网格与非结构网格的生成技术，我们探讨了边界层网格的优化策略，如 $y^+$ 的精确控制，以及在复杂几何体（如航空器外形、发动机燃烧室）上实现网格质量最优化的自适应网格加密技术。 第二部分：复杂物理场耦合的数值实现 本部分是本书的核心，着重阐述了如何将流体力学与其他关键物理场进行有效耦合求解。 多相流模拟： 详细介绍了描述气液、固液、气固等多种复杂多相流动的数学模型。内容涵盖了欧拉-欧拉（Euler-Euler）模型，特别关注了相间动量、能量和质量传递的源项建模；拉格朗日粒子追踪方法（LPT）及其在稀相和中等浓度颗粒流中的应用；以及更具挑战性的相界面捕捉技术，如水平集方法（Level Set Method, LSM）、相场方法（Phase Field Method）和体积平均法（Volume of Fluid, VOF）。针对液滴破碎、聚并以及气泡动力学的数值实现，给出了具体的离散化方案和收敛性分析。 化学反应与燃烧模拟： 针对高焓流动和燃烧过程，本书引入了化学动力学模型与流场计算的耦合方法。讨论了有限速率化学、活度模型以及湍流-化学反应的缩减机制（Skeletal Mechanism）的构建与应用。重点介绍了火焰面模型（如FVM）和扩散火焰模型（如EDC模型）在复杂燃烧器设计中的应用案例。对于超燃冲压发动机等高超声速流动，详细分析了激波与化学反应的强耦合效应，以及如何处理化学反应在网格上带来的刚性问题。 热辐射与传热传质： 在高温或低温环境下，辐射传热对流场的影响不可忽略。本书介绍了蒙特卡洛法（Monte Carlo Method）和离散坐标法（Discrete Ordinates Method, DOM）在计算多波长、非均匀介质中辐射传输时的应用，以及如何将其与流体求解器（如SIMPLE算法的扩展）进行松耦合或强耦合求解。此外，扩散、对流和反应耦合下的传质模型，如多组分扩散和对流扩散方程的求解，也在本章进行了详尽的介绍。 第三部分：先进计算技术与工程实践 本部分聚焦于现代CFD求解器的高效化和前沿计算范式。 并行计算与高性能求解器： 深入剖析了大规模并行计算（HPC）背景下的CFD求解器设计哲学。内容包括域分解技术（Domain Decomposition）、通信优化（如MPI的应用）、以及如何高效地利用GPU加速技术（如CUDA/OpenCL）进行矩阵运算加速。针对非定常问题的求解，我们对比了显式、隐式和混合时间推进方案的稳定性和效率，并讨论了大规模并行LES/DNS算例的内存管理和负载均衡策略。 数据驱动与模型降阶： 随着计算成本的激增，模型降阶技术变得至关重要。本章介绍了基于Proper Orthogonal Decomposition (POD) 和 Dynamic Mode Decomposition (DMD) 的方法，用于从高维CFD数据中提取低秩流场模态，实现对复杂流动的快速预测。此外，本书还探讨了如何利用机器学习技术（如神经网络）来构建湍流模型（Data-Driven Turbulence Modeling）的替代项，或用于对计算结果进行后处理和误差估计。 案例分析与验证（Verification & Validation, V&V）： 本书以多个经典的工程问题为例，如跨音速翼型绕流的优化、涡轮叶片气动热问题的模拟、以及多孔介质内的渗流分析。在每个案例中，都强调了严格的V&V流程。这包括网格收敛性验证（Grid Convergence Index, GCI）的计算，以及与实验数据的对比分析，确保所提出数值方法的可靠性和准确性。 目标读者： 本书面向具有扎实的数学物理基础和流体力学背景的高年级本科生、研究生，以及从事航空航天、能源工程、化工、环境科学等领域的高级工程师和研究人员。阅读本书需要具备一定的数值方法和编程基础。 本书的价值在于： 它不仅是理论的深度梳理，更是一本面向实际工程挑战的“方法论”指南，旨在帮助读者跨越从基础理论到复杂系统数值模拟的鸿沟，掌握解决当代工程难题所需的先进CFD工具箱。

评分☆☆☆☆☆

这本《生物光电子学》在我书架上已经躺了几个月了，终于最近找了个空档翻了翻。说实话，一开始是被这个名字吸引的，觉得听起来很高大上，又有点神秘，仿佛能打开一个全新的世界。读进去之后，我发现它确实是这样。书的开篇就用一种非常引人入胜的方式，将我们带入了生物世界中那些肉眼看不见的微小光线互动。我特别喜欢它对生物发光现象的描述，比如深海生物发出的奇异光芒，以及萤火虫那种浪漫的闪烁，作者用非常生动形象的比喻，让我仿佛置身其中，感受那种生命的光辉。书中还详细介绍了光在植物光合作用中的作用，这让我对每天呼吸的氧气有了更深刻的认识。原来，我们赖以生存的生命活动，竟然与如此精妙的光学原理息息相关。我以前只知道植物需要阳光，但这本书让我明白，阳光是如何被捕捉、转化，并驱动整个生命系统的。而且，它不仅仅是理论的堆砌，还穿插了许多实验案例和研究发现，让抽象的科学概念变得具体可感。读的时候，我常常会停下来，思考自己所处的环境，那些我们习以为常的自然现象，背后竟然蕴含着如此深奥的光电奥秘。这本书的魅力就在于此，它不仅是知识的传授，更是一种对世界观察方式的启迪。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，《生物光电子学》这本书的阅读过程，与其说是“读”，不如说是一种“体验”。它不提供简单明了的答案，而是提出一系列引人深思的问题，引导读者自己去探索。书中对生物体内能量转换过程的描绘，让我对生命体的精密运转有了全新的认知。我一直在思考，书中关于光能如何被转化为化学能的那些精妙机制，是如何在亿万年的进化中形成的。特别是对叶绿体中光合色素吸收光线的波长范围以及能量传递效率的分析，让我对植物的生存策略有了更深刻的理解。我常常会联想到，如果人类能够完全掌握这种高效的能量转换技术，我们的能源问题是否就能得到根本性的解决？书中还涉及到了生物体内对光的感知和响应。比如，植物如何通过调节生长方向来最大化地利用阳光，或者一些动物如何利用紫外线进行导航。这些例子都充满了智慧和巧思，让我不禁感叹大自然的鬼斧神工。我注意到，作者在处理一些复杂问题时，并没有回避其难度，而是选择提供不同学派的观点和争论，让读者能够更全面地了解科学研究的现状和未来方向。这使得这本书不仅仅是一本知识的教科书，更是一本激发独立思考能力的催化剂。

评分☆☆☆☆☆

《生物光电子学》这本书，就像一扇窗，让我得以窥见生物世界隐藏在表象之下的精妙光学运作。它不是那种硬邦邦的技术手册，而是用一种充满人文关怀的笔触，讲述着光与生命之间那些难以言喻的联系。我尤其被打动的是书中关于生物钟和昼夜节律的章节。作者并没有仅仅将它们视为简单的生理现象，而是将其置于宏大的生态环境中进行解读，强调光信号对于维系生物圈整体运作的重要性。这让我深刻地体会到，我们每一个生命体，都与宇宙中的光线变化息息相关，我们不过是这个宏大交响乐中的一个小小音符。书中对光在生物发育过程中的作用的探讨，也让我大开眼界。例如，光是如何影响胚胎发育，或者如何指导细胞分化。这些过程如此精细，以至于我很难想象没有光，生命将如何进行如此复杂的“蓝图构建”。尽管书中不乏一些关于光学原理的科学描述，但我总能感受到作者在字里行间流露出的对生命的热爱和敬畏。它不仅仅是一本关于技术的书，更是一本关于生命之美、自然之妙的书。读完之后，我感觉自己看待世界的方式都发生了一些微妙的改变，更加善于发现那些被我们忽视的光影之美。

评分☆☆☆☆☆

《生物光电子学》这本书，给我带来了一种前所未有的阅读体验。它并非那种一本正经地“教导”你知识的书，而是更像一位经验丰富的向导，带领你穿梭于生物与光学的奇妙交界地带。我特别欣赏作者在梳理概念时所展现出的匠心独运。书中的内容并非是零散的知识点堆砌，而是围绕着“光如何影响生命，生命又如何利用光”这一主线，层层递进，逻辑清晰。例如，在阐述光动力疗法时，作者并没有直接给出治疗方案，而是先从生物体内光敏分子的性质讲起，再逐步引申到如何利用特定波长的光来激活这些分子，最终达到杀灭病灶细胞的目的。这种循序渐进的讲解方式，让我在理解每一个概念时，都能够建立起坚实的知识基础，不至于产生“知其然而不知其所以然”的困惑。书中还涉及了许多前沿的研究进展，比如利用光来操控细胞活动，或者通过光学手段来诊断疾病。这些内容让我看到了生物光电子学在未来医学和生物技术领域的巨大潜力，也让我对科学研究的不断进步感到振奋。尽管有些章节涉及的数学模型和物理原理略显深奥，但作者总是能提供恰当的解释和类比，帮助我克服理解上的障碍。这本书绝对是我近期读到的最值得推荐的科普读物之一。

评分☆☆☆☆☆

刚拿到《生物光电子学》这本书，我还以为会是一本相当枯燥的学术专著，毕竟“生物光电子学”听起来就充满了技术性的术语。然而，当我翻开第一页，就被它流畅的叙事和清晰的逻辑所吸引。作者似乎很有意识地避免使用过于晦涩的语言，而是用一种更贴近生活化的方式来解释复杂的概念。例如，书中在介绍光信号在神经系统中的传递时，并没有直接罗列一堆生化反应方程式，而是通过一个生动的比喻，将神经元比作“光信号的邮递员”，将光子比作“传递信息的包裹”，这样一来，即使是初学者也能快速抓住核心要义。我尤其对其中关于视觉感知的部分印象深刻。它不仅仅解释了眼睛如何接收光线，更深入探讨了大脑如何解读这些光信号，以及由此产生的色彩、形状和运动的感知。这让我意识到，我们每天看到的五彩斑斓的世界，实际上是大脑在接收光信号后进行的一次惊人的“二次创作”。书中的插图也非常精美，虽然不是我关注的重点，但它们确实起到了画龙点睛的作用，帮助我更好地理解那些复杂的分子结构和光学路径。总的来说，这是一本让我觉得“读得懂，有收获”的书，它成功地将一个看似遥不可及的科学领域，拉近到了读者的身边，引发了我对自身生理机制的好奇心。