Biosensing for the 21st Century (Advances in Biochemical Engineering / Biotechnology) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Reinhard Renneberg

出品人:

页数:504

译者:

出版时间:2008-02-06

价格:USD 529.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9783540752004

丛书系列:

图书标签:

• Biosensors
• Biotechnology
• Biochemical Engineering
• Biosensing
• 21st Century
• Analytical Chemistry
• Bioelectronics
• Nanotechnology
• Medical Diagnostics
• Environmental Monitoring

智能传感与生物医学工程的前沿探索 一、 基础理论与新兴技术：构建下一代生物传感的知识基石 本书深入探讨了生物传感领域的核心基础理论，特别是那些驱动现代生物医学诊断和监测技术进步的关键科学原理。我们从经典的电化学传感、光学传感的物理化学基础入手，详细阐述了信号的产生、放大和转导机制。重点内容包括量子点、纳米材料在增强信号灵敏度和选择性方面的应用，以及表面等离子共振（SPR）和光子晶体等光学技术在无标记检测中的最新进展。 在生物识别元件的选择与优化方面，本书超越了传统的抗体和酶，聚焦于更稳定、更具成本效益的替代方案。这包括了适体（Aptamer）的分子印迹技术、核酸适配体的序列设计与体外进化（SELEX）流程的优化，以及全细胞传感器的构建策略。我们详细分析了这些生物分子与目标分析物相互作用的动力学模型，旨在为研究人员提供设计高特异性生物探针的理论框架。 此外，书中专门开辟章节讨论了微流控技术与生物传感的集成。微流控芯片如何实现样本的预处理、富集、分离以及多通道检测的自动化，是提升诊断速度和降低试剂消耗的关键。我们系统梳理了微通道内的流体力学、传质效应，以及如何将微流控系统与电化学或光学检测模块无缝集成，构建“芯片上的实验室”（Lab-on-a-Chip）系统。 二、 实时监测与体内（In Vivo）传感的挑战与突破 随着精准医疗的需求日益增长，对实时、连续的生理指标监测提出了严峻挑战。本书详细剖析了体内生物传感器的设计原则，强调了生物相容性、抗生物膜形成能力以及长期稳定性的重要性。 在可穿戴和植入式传感器方面，我们审视了新一代柔性电子学材料的应用。从石墨烯、碳纳米管到导电聚合物，这些材料如何被用于构建贴附于皮肤或植入体内的葡萄糖、乳酸、pH值等代谢物的实时监测设备。书中包含了大量的案例研究，对比了不同材料在长期植入环境下的性能衰减率和免疫反应。 特别关注的是，我们深入探讨了生物传感技术在神经科学中的前沿应用。微电极阵列（MEA）和选择性离子敏化场效应晶体管（ISFET）在监测神经递质释放和脑电活动中的局限性与改进方向。这部分内容结合了电生理学和材料科学，旨在推动开发更具空间分辨率和时间精度的神经界面技术。 三、 液体活检与远程诊断的范式转变 液体活检（Liquid Biopsy）是当前癌症研究和疾病诊断的热点领域。本书系统介绍了如何利用生物传感器从血液、尿液或唾液等体液中捕获和分析极低丰度的生物标志物。重点技术包括： 1. 循环肿瘤细胞（CTC）的捕获与分析： 探讨了基于微孔膜、免疫磁珠以及微流控阵列的多种捕获策略的效率与选择性对比。 2. 外泌体（Exosomes）的检测： 详细描述了如何利用表面功能化的纳米颗粒或压电传感器来特异性识别并分析源自肿瘤细胞的外泌体及其携带的核酸或蛋白质内容物。 3. 游离DNA/RNA（cfDNA/cfRNA）的快速检测： 介绍了基于纳米孔测序技术或高灵敏度电化学方法，实现对血液中微量核酸片段的快速、即时分析。 在远程和即时检验（Point-of-Care Testing, POCT）方面，本书强调了便携性、操作简便性和成本控制的重要性。我们分析了如何将复杂的实验室分析步骤小型化并固化到一次性试剂盒中，例如，基于纸基的微流控分析系统（Paper-based Microfluidics），以及如何利用智能手机作为数据采集和处理终端，实现快速的传染病筛查和慢性病管理。 四、 数据处理、人工智能与传感器的未来融合 现代生物传感器产生的数据量庞大且复杂，信噪比的优化和有效的数据解读至关重要。本书专门探讨了生物传感数据分析中的计算方法。 我们介绍了信号处理技术，如傅里叶变换、小波分析在去除背景噪声和增强有效信号中的应用。更重要的是，书中详细阐述了机器学习（ML）和深度学习（DL）模型如何应用于生物传感器阵列的数据解析。通过训练神经网络，可以实现对多种生物标志物的多重交叉反应的去卷积，提高复杂生物样本的特异性。 例如，我们展示了如何使用支持向量机（SVM）或卷积神经网络（CNN）来识别复杂的挥发性有机化合物（VOCs）指纹图谱，从而在呼气诊断中实现早期疾病的非侵入性筛查。 五、 产业化与监管挑战 最后，本书关注生物传感器从实验室走向市场的实际过程。我们讨论了生物传感器制造中的规模化生产挑战，包括批次间的一致性控制、试剂的长期储存稳定性问题，以及如何设计易于用户操作的自动化流程。此外，书中还涵盖了生物传感器产品在不同国家和地区的监管路径（如FDA和EMA的审批流程），特别是针对体内植入设备的严格要求，为技术转化提供了实践性的指导。 通过对这些前沿领域的全面覆盖和深入分析，本书旨在为生物工程、生物医学、化学和材料科学领域的学者、工程师及产业界人士提供一个理解和推动下一代生物传感技术发展的综合参考平台。

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