具体描述
This book explains biosensor development fundamentals. It also initiates awareness in engineers and scientists who would like to develop and implement novel biosensors for agriculture, biomedicine, homeland security, environmental needs, and disease identification. In addition, the book introduces and lays the basic foundation for design, fabrication, testing, and implementation of next generation biosensors through hands-on learning.
流体力学与微纳尺度工程的前沿探索：从宏观到亚微观的界面现象研究 图书名称：流体力学与微纳尺度工程的前沿探索：从宏观到亚微观的界面现象研究 本书导读 本书致力于深入探讨在微纳尺度下流体行为的复杂性及其在工程应用中的关键作用。不同于传统的宏观流体力学理论，本书聚焦于界面的物理、化学特性如何主导微观尺度下的物质输运、能量转换和生物过程。我们探索了从宏观尺度上的流体动力学原理，如何通过尺度效应（Scaling Effects）演变为在微纳结构中支配行为的全新物理现象。本书旨在为研究人员、工程师以及高年级本科生提供一个跨学科的视角，连接计算流体力学（CFD）、表面科学、材料工程以及生物物理学的知识体系。 第一部分：微纳流体动力学基础与尺度效应 第一章：流体力学理论的尺度重构 本章首先回顾了纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程的普适性，随后重点分析了当特征长度尺度减小至微米乃至纳米量级时，传统假设（如连续介质假设）的局限性。我们详细阐述了关键无量纲数，特别是雷诺数（Re）、斯托克斯数（Stk）以及最为重要的克努德森数（Knudsen Number, Kn）的物理意义及其对流体行为的决定性影响。 连续性假设的失效与分子动力学方法： 探讨了在极低克努德森数条件下，气体分子平均自由程与特征长度的比值如何决定了气体动力学的本质变化，并引入了直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法作为处理稀薄气体流动的必要工具。 液体在微通道中的行为： 区别于气体流动，液体在微通道中主要受表面效应的制约。本章讨论了电润湿（Electrowetting）、电渗流（Electroosmosis）等现象如何克服粘性主导的流动阻力，并成为微流控驱动力的核心。 第二章：界面现象的物理化学基础 微纳尺度的流体行为几乎完全由其与固体表面的相互作用决定。本章深入剖析了固-液、液-气界面的热力学与动力学。 表面张力与接触角： 详细分析了杨氏方程（Young's Equation）在粗糙、非等温表面上的修正形式。讨论了表面能的各向异性如何影响液滴的动力学行为，包括铺展、滚动和冻结过程。 流体与表面的相互作用势： 引入了范德华力（Van der Waals forces）、毛细力（Capillary forces）以及静电力在驱动或抑制微尺度流动中的作用机制。重点解析了表面官能团化（Functionalization）对界面粘附力与润湿性的精确调控。 第二部分：微纳结构中的物质与能量输运 第三章：微通道内的传质与反应工程 本章将焦点转向微流控芯片内部的传质过程，这是实现高效化学分离、合成和生物分析的关键。 扩散主导的输运模型： 在低雷诺数（通常Re $ll$ 1）的层流条件下，扩散成为主要的混合机制。我们推导了二维和三维通道中溶质的稳定态和瞬态对流-扩散方程，并展示了如何利用“拉伸与折叠”（Stretching and Folding）机制来增强微通道混合效率。 微反应器的热管理挑战： 极高的表面积/体积比导致热量交换效率极高，这既是优势也是挑战。本章分析了焦耳热、粘滞生热对反应速率和产物选择性的影响，并探讨了利用微通道进行精确温度梯度控制的技术。 第四章：多相流在微环境中的复杂性 多相流（如气液、液液或固液两相流）在微尺度下表现出与宏观完全不同的形态和动力学特征。 微通道中的气泡与液滴动力学： 详细考察了气泡在微通道中的形核、生长、迁移和阻塞机制。重点分析了马兰戈尼效应（Marangoni Effect）在稳定液滴界面和诱导液滴运动中的作用。 微重力环境下的两相流： 简要讨论了在失重或模拟微重力环境下，表面张力如何成为唯一主导的驱动力，及其在空间流体管理中的应用前景。 第三部分：生物物理学中的微纳尺度流体应用 第五章：生物流体与细胞相互作用 本章连接了物理学原理与生命科学的前沿研究，特别是血液动力学和细胞分离技术。 血液流变学的非牛顿特性： 阐述了在微血管尺度下，红细胞的聚集（Rouleaux formation）、去形变能力（Deformability）以及血浆区分层（Plasma Skewing）对血液整体粘度影响的机制。 细胞的机械敏感性与力学感知： 探讨了流体剪切力如何作为信号转导的一部分，影响细胞的形态、迁移和基因表达。我们分析了定向的流体剪切力在生物传感器和组织工程支架构建中的应用。 第六章：微纳器件中的集成化分离技术 本章侧重于利用精确控制的流体动力学，实现对生物分子或细胞的高效、无损分离。 基于惯性力的分离（Inertial Focusing）： 详细解释了Dean流和侧向迁移力如何使不同尺寸的颗粒在特定的微通道几何结构中自动聚焦到不同的流线上，从而实现无标记的分离。 电驱动分离的优化： 深入研究了电泳（Electrophoresis）和电渗流（Electroosmosis）的竞争与耦合效应，以及如何通过优化电场分布和缓冲液配方，实现高分辨率的DNA或蛋白质分离。 总结与展望 本书最后总结了微纳流体工程在能源、环境、生物医学等领域的广泛应用前景，并指出了当前研究中亟待解决的关键科学问题，例如湍流在微尺度下的重现性、跨尺度模型验证的困难，以及对复杂生物微环境的精确模拟能力。本书强调了理论建模、先进表征技术与新型材料设计之间的协同发展，是推动下一代微纳系统的核心驱动力。
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