Handbook of Single-molecule Biophysics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Hinterdorfer, Peter (EDT)/ Van Oijen, Antoine (EDT)

出品人:

页数:672

译者:

出版时间:2009-7

价格:$ 337.87

装帧:

isbn号码:9780387764962

丛书系列:

图书标签:

• Single-molecule biophysics
• Biophysics
• Molecular biology
• Nanotechnology
• Spectroscopy
• Microscopy
• Statistical mechanics
• Physical chemistry
• Biochemistry
• Life sciences

单分子生物物理学手册：前沿洞察与技术集成 本书聚焦于理解生物系统在分子水平上的基本运作原理，尤其强调了跨越传统学科界限的集成方法论。 它并非一本教科书，而是一部面向高阶研究人员和专业人士的深度参考指南，旨在梳理单分子生物物理学这一快速发展领域的核心概念、尖端实验技术及其在生命科学各个分支中的应用范例。 本书的结构设计旨在为读者提供一个系统性的框架，以应对当前生物学研究中最具挑战性的问题——如何从海量的分子池中精确解析单个实体的行为、动力学和相互作用。内容深度覆盖了从基础物理化学原理到复杂生物过程的精确测量策略。 第一部分：理论基础与方法论的演进 本部分奠定了理解单分子研究的理论基石，并追溯了关键技术的历史发展脉络。 第一章：分子尺度的热力学与动力学 本章详细阐述了在纳米尺度下，分子如何脱离宏观统计力学的约束，其行为受制于涨落和随机性。重点讨论了在有限观测时间窗口内，如何区分真正的平均行为与偶然的瞬时事件。内容包括但不限于：扩散理论在复杂介质中的修正（如粘滞介质和受限空间）、能量景观（Energy Landscape）理论在理解蛋白质折叠和构象变化中的应用，以及如何使用朗之万方程（Langevin Dynamics）对分子运动进行建模。同时，对熵、焓、吉布斯自由能在单分子尺度上的具体体现进行了深入探讨，强调了它们在驱动生物纳米机器运转中的核心作用。 第二章：光学镊子技术：从原理到高精度操控 光学镊子（Optical Tweezers）是本领域最核心的技术之一。本章详尽解析了基于光场梯度力（Gradient Force）和散射力（Scattering Force）的捕获机制。内容涵盖了从红外激光源的选择、物镜数值孔径（NA）的影响，到如何精确校准镊子的力常数（Stiffness Calibration）和漂移（Drift）校正。特别关注了皮牛级别（piconewton）的力测量精度是如何实现的，以及如何通过反馈控制系统（Feedback Control System）实现亚皮牛级别的力谱记录。此外，对光镊与原子力显微镜（AFM）在力学特性上的互补性进行了批判性分析。 第三章：单分子荧光技术：超越衍射极限的洞察 本章深入探讨了单分子荧光技术（Single Molecule Fluorescence Spectroscopy, SMFS）如何克服经典衍射极限，实现对单个分子事件的实时监测。内容侧重于： 1. 总内省法 (Total Internal Reflection Fluorescence, TIRF)： 详细介绍了如何通过控制激发光的灭弧（Evanescent Field）实现对靠近表面的分子的选择性激发，以及其在膜蛋白研究中的优势。 2. 单分子 FRET (smFRET)： 这是测量分子间距离和构象变化的黄金标准。本章深入讲解了FRET效率的计算模型，包括供体和受体的光谱特性匹配、环境依赖性，以及如何利用多维密度图（Two-dimensional Histograms）解析多个构象态的比例和转换速率。 3. 超分辨率成像（Super-resolution Imaging）： 虽然严格意义上不完全是“单分子”测量，但STORM/PALM等技术依赖于对单个分子激活的精确控制。本章讨论了这些方法如何用于分子定位和密度映射。 第二部分：核心生物过程的单分子解析 本部分将理论与技术无缝结合，展示了如何利用这些工具解决特定的生物学难题。 第四章：核酸与聚合酶动力学 本章聚焦于基因表达的引擎——核酸的转录和复制过程。详细描述了如何利用光镊实时监测RNA聚合酶（RNAP）在DNA模板上的运动速率、转录停顿（Pausing）和前向/后向跳跃事件（Backtracking）。内容深入探讨了转录因子如何通过调节DNA的拓扑结构或直接与聚合酶相互作用来影响其动力学。对于DNA解旋酶，则着重分析了其驱动方向性、ATP水解与解旋速率之间的耦合关系。 第五章：分子马达的机械能转换 分子马达（如肌球蛋白、驱动蛋白和核纤运动蛋白）是细胞内运输和力产生的关键。本章细致分析了如何利用光镊和磁力计测量这些马达的步长（Step Size）、步频（Step Rate）和其产生的最大牵引力（ stall force）。内容涵盖了对这些马达进行单步（Single-step）解析的实验设计，以及如何通过改变ATP或底物浓度，反向推导出其酶促循环（Enzymatic Cycle）中的关键速率常数和中间态的能量学。 第六章：蛋白质折叠、聚集与错折叠疾病 理解蛋白质如何从无序链到达功能性三维结构，是生物物理学的核心挑战。本章通过单分子拉伸/弛豫实验（Pulling/Relaxation Experiments），展示了如何测量蛋白质折叠和去折叠的自由能景观。重点分析了伴侣分子（Chaperones）如何通过能量消耗来促进错误折叠或聚集倾向性蛋白质（如淀粉样蛋白前体）的重新折叠或降解。针对阿尔茨海默病和帕金森病相关的纤维形成，阐述了如何用单分子 FRET 追踪寡聚体（Oligomer）的形成路径和结构异质性。 第三部分：前沿交叉领域与系统集成 本部分展望了单分子生物物理学在更宏大、更复杂的生物系统中的应用，以及未来技术的发展方向。 第七章：膜蛋白与脂质双分子层研究 膜蛋白的研究因其固有的界面特性而充满挑战。本章探讨了将单分子技术应用于脂质双分子层（BLM）或脂质盘（Lipid Bilayer Discs）上的方法。重点讨论了如何利用全内反射荧光（TIRF）结合突变体筛选，实时观察通道蛋白（Channel Proteins）的开启-关闭动力学，以及膜受体（Receptors）在与配体结合后其寡聚化状态的转变。同时也讨论了如何测量分子在跨膜运动时所克服的能垒。 第八章：活细胞环境下的单分子成像与追踪 将实验室的精确测量带入活细胞的复杂环境中，是当前研究的热点。本章详细介绍了活细胞成像的特殊挑战，包括背景荧光、光毒性以及细胞内粘度和分子拥挤度。内容侧重于活细胞追踪技术（如t-SNE分析用于解析复杂轨迹）以及如何设计能够特异性标记和激活细胞内单个分子的探针。讨论了如何通过对活细胞内分子运动速度的统计分析，推断出其局部环境的物理特性（如粘度或特定相互作用的存在）。 第九章：数据分析、建模与计算验证 单分子实验产生了海量、高噪音的数据。本章是方法论的关键补充，专注于如何从原始数据中提取可靠的生物学信息。内容包括： 1. 去噪与事件识别： 应用卡尔曼滤波（Kalman Filtering）和隐马尔可夫模型（HMM）进行轨迹分割和状态识别。 2. 速率常数提取： 利用最大似然估计（Maximum Likelihood Estimation）而非简单的直方图分析来确定转换速率。 3. 计算验证： 如何将实验测得的力-距离曲线或构象分布与分子动力学模拟（Molecular Dynamics Simulation）的结果进行对标和交叉验证，以构建更完善的分子工作模型。 总结与展望 全书最后总结了单分子生物物理学对现代生命科学的深远影响，并展望了未来的发展方向，包括新型非荧光探针、高通量单分子阵列技术，以及与人工智能驱动的结构生物学（如冷冻电镜）的进一步融合。本书旨在成为驱动下一代分子生物学发现的基石参考书。

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初次接触这本书时，我最关心的其实是它的跨学科适应性。我本身是计算生物学背景，主要工作是分子动力学模拟和数据建模。我们圈子里的人习惯于处理纯粹的数字和算法，对涉及到复杂光电反馈和精密机械控制的实验物理部分往往感到吃力。然而，《Handbook of Single-molecule Biophysics》在这方面的处理方式让我刮目相看。它并没有假设读者都是实验物理专家，而是在讲解核心仪器原理时，例如激光耦合、样品流体力学控制等方面，都用一种非常严谨但又易于理解的语言进行了阐述。它将实验的“艺术性”和背后的物理“精确性”结合得非常好。特别是关于“高通量单分子筛选阵列”的章节，书中不仅分析了阵列设计中的几何限制，还探讨了如何将机器视觉算法集成到数据分析流程中以实现实时反馈，这正好契合了我们计算团队正在探索的方向。这本书的价值在于，它打破了实验和理论之间的壁垒，提供了一套通用的“语言”和“框架”，使得不同背景的研究人员可以进行更高效的交叉合作。它让我意识到，再完美的模拟，最终也需要与高精度的单分子实验数据进行严格的对照和验证，而这本书正是连接这两者的坚实桥梁。

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我必须承认，我是一个追求极致效率的读者，我更喜欢那种结构清晰、能够快速定位所需信息的工具书。这本书在信息架构上的设计，充分体现了“手册”二字的精髓。它的章节划分逻辑性极强，每一部分都聚焦于一个核心技术或应用领域，且结构高度模块化。这意味着我可以根据我当前手头的具体研究任务，直接跳到对应的章节进行查阅，而不需要从头读起。比如，当我的团队正在尝试优化我们活细胞成像的背景噪声时，我可以立即翻到关于“环境控制与样品准备”的高级技巧部分，里面有关于缓冲液稳定性和温控精度的具体参数建议，非常具有操作指导性。书中的大量图表，如不同实验设置下的信噪比对比图、关键参数的敏感性分析图表等，信息密度极高，几乎每一张图都承载了数万字的文字信息。对于经常需要向项目评审委员会展示技术路线的资深研究人员来说，这些可以直接引用的高质量图表和数据是无价之宝。这本书真正做到了“一本在手，心中有数”，它提供的不是零散的知识点，而是一个完整、可信赖、且随时可以调用的单分子研究知识库。

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坦白说，这本书的厚度确实有点让人望而生畏，但这恰恰体现了它的专业性和深度。我是一个在工业界工作了十多年的资深工程师，主要负责生物传感器械的研发，我们更偏爱那些能够快速落地、解决实际问题的技术手册。我原本以为这本偏向学术的前沿著作会离我的工作有点远，但当我翻到关于“单分子力谱分析中的噪声抑制与数据去噪”这一章节时，我的看法彻底改变了。书里对不同数据采集模式下的系统误差来源分析得极其透彻，并且提供了几种针对不同噪音模型的数学处理方法，这一点对于我们开发高精度测量设备至关重要。不同于市面上那些只停留在理论推导层面的书籍，这里的每一段论述似乎都紧密地联系着实验台上的真实操作。举个例子，书中提到在使用荧光共振能量转移（FRET）技术测量蛋白质构象变化时，如何校准不同批次染料的量子产率差异，这个细节虽然在基础教材中常被忽略，但在实际应用中却是决定数据可信度的关键。作者们显然不是纸上谈兵，而是亲身经历过无数次实验失败和优化的老手。我特别欣赏它在组织结构上采用的“问题-方法-案例”的逻辑链条，使得即便是初学者也能沿着清晰的思路建立起知识体系，而资深人士也能从中找到启发点，去优化自己现有的流程。这本书更像是一位经验丰富的老教授，在你进行高难度实验时，悄悄在你耳边低语，给出最精辟的指导。

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这本书的编撰风格简直是教科书级别的典范，它成功地在“广度”和“深度”之间找到了一个近乎完美的平衡点。我印象最深的是它对技术历史演变的梳理方式，不像那种枯燥的时间线罗列，而是以“科学问题驱动技术发展”的视角展开叙述。比如，在讨论如何观察单个酶分子催化循环的章节时，作者们不仅详细介绍了循环单分子检测的经典方案，还巧妙地穿插了早期研究人员是如何一步步克服“如何在单个分子上标记探针而不干扰其活性”这个难题的哲学思考。这种叙事方式极大地提升了阅读的沉浸感，让我感觉自己不是在被动地接受知识，而是在主动参与一场科学发现的历程。而且，这本书的引文和参考文献的质量非常高，几乎每一项关键技术的介绍后面，都能看到顶尖期刊上里程碑式的论文链接，这为我们后续的深入研究提供了极大的便利。我发现，很多我原本以为是最新进展的技术，其实早在这本“手册”的某些章节中就已经有了非常扎实的理论基础铺垫。对于一个需要撰写综述性报告的博士生来说，这本书简直是宝库，它提供的不仅仅是技术细节，更是一种看待和理解单分子生物学研究范式的成熟视角。

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这本《Handbook of Single-molecule Biophysics》的封面设计真是抓人眼球，那种深邃的蓝色调配上精密的结构图，一下子就让人感觉进入了一个微观世界的探索之旅。我是一个刚刚接触生物物理领域的研究生，手边的参考书大多是偏理论或者综述性质的，所以当我拿起这本“手册”时，心里其实挺忐忑的。我期待的是那种既有扎实的理论基础，又能提供大量实验操作细节的工具书。刚翻开第一章，我就被它详尽的引言所吸引，作者们显然花了大量心思来梳理单分子生物物理学从萌芽到现在的核心思想和关键技术突破。特别是关于原子力显微镜（AFM）和光学镊子（Optical Tweezers）的早期发展史的描述，写得非常生动，仿佛能看到那些科学家们在实验室里筚路蓝缕的场景。更让我惊喜的是，书中并没有一味地堆砌公式，而是用非常直观的类比和图示来解释复杂的物理概念，这对于我这种需要时间消化新知识的人来说，简直是福音。书中的排版也十分考究，文字密度适中，留白得当，读起来一点也不觉得疲惫。我目前正忙于一个关于DNA解旋酶活性的课题，急需找到一些高灵敏度的定量分析方法，这本书的第二部分专门介绍了几种高分辨率成像技术，我打算下周就重点攻克这几章，希望能从中找到我实验中遇到的瓶颈的突破口。总而言之，从装帧到内容组织的初印象来看，这是一本非常值得信赖和细细品味的专业书籍。

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