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半导体科学与技术丛书 生物光电子学
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资料介绍
半导体科学与技术丛书 生物光电子学
作者：黄维，董晓臣，汪联辉 著
出版时间： 2018年版
丛编项： 半导体科学与技术丛书
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，本书系统、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，书中介绍了生物电子学、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，本书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
《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
作者：黄维，董晓臣，汪联辉 著
出版时间： 2018年版
丛编项： 半导体科学与技术丛书
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，本书系统、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，书中介绍了生物电子学、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，本书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
《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
