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第一部分 传感器的生物学应用 2

第1章 生物发达的传感与通信 2

1.1 引言 2

1.2 蝙蝠：回声定位 2

1.2.1 简介 2

1.2.2 回声定位 3

1.2.3 回声定位的神经生物学和生理学 5

1.2.4 回声定位的应用 7

1.2.5 工程应用 8

1.3 昆虫：声觉防护 9

1.3.1 简介 9

1.3.2 警示作用 9

1.3.3 信号干扰 10

1.3.4 昆虫的听觉机制 10

1.3.5 工程应用 10

1.4 蛇：红外热成像 11

1.4.1 简介 11

1.4.2 解剖结构 11

1.4.3 红外线检测原理 12

1.4.4 神经生物学解释 12

1.4.5 工程应用 13

1.5 蜜蜂：摇摆舞通信 14

1.5.1 简介 14

1.5.2 摇摆舞模式 15

1.5.3 摇摆舞中的编码信息 15

1.5.4 摇摆舞的争议 16

1.5.5 摇摆舞中的其他信息 16

1.5.6 工程应用 17

1.6 海豚、鲸：声呐 17

1.6.1 简介 17

1.6.2 声音产生的生物学与神经生物学 18

1.6.3 应用：回声定位 19

1.6.4 应用：社会生活 19

1.6.5 应用：文化与情感 20

1.6.6 应用：鲸歌 20

1.6.7 应用：语言 20

1.6.8 应用：其他 21

1.6.9 噪声影响 21

1.6.10 工程应用 21

1.7 其他 21

1.7.1 金丝燕：回声定位 21

1.7.2 鱼：电定位 22

1.7.3 虾：光偏振 22

1.7.4 海洋生物：生物发光 22

1.7.5 昆虫螽斯：声音模仿 23

1.7.6 蚊子：性别识别 23

1.7.7 黄蜂：寻找隐藏的昆虫 24

1.7.8 甲壳虫：气体感受 24

1.7.9 蟑螂：爬越障碍 25

1.7.10 蝾螈：肢体再生 25

1.7.11 蚂蚁：信息素通信 25

1.7.12 白鲟：随机共振 26

1.7.13 蜻蜓：空气动力学 26

参考文献 27

第2章 用于长波生物传感的DNA衍生结构的物理特性与建模 33

2.1 引言 33

2.2 半导体性质的生物兼容界面 33

2.3 基于光诱发转变的新型生物体系结构 35

2.4 二苯乙烯衍生物／DNA复合物的混合建模 37

2.4.1 背景 37

2.4.2 分子-机械研究 39

2.4.3 QM/MM复合研究 40

2.5 聚乙烯矩阵中活性分子的特性研究 47

2.6 多维分子坐标空间的光致转变 53

2.7 结论 58

致谢 59

参考文献 59

第3章 无标记生物传感器的生物医学应用——集成光学生物传感器与硅光子学的潜在应用 62

3.1 引言 62

3.1.1 生物传感器所需特性 62

3.1.2 常见的无标记生物传感器构建与操作 65

3.2 面向完全集成的生物传感器 66

3.2.1 器件集成中的硅光子学 67

3.3 无标记生物传感器 69

3.3.1 电化学生物传感器 69

3.3.2 力学生物传感器 71

3.3.3 光学生物传感器 73

3.4 展望与总结 81

致谢 82

参考文献 83

第4章 石英晶体微天平生物传感器 92

4.1 引言 92

4.2 压电谐振器 93

4.2.1 压电和石英晶体的原理 93

4.2.2 厚度切变模式谐振器（石英晶体微天平） 95

4.3 质量载荷方程 95

4.4 石英晶体表面修饰的方法 96

4.4.1 自组装单分子层 96

4.4.2 电化学沉积 97

4.4.3 静电纺丝和旋转涂布 97

4.5 QCM的生物学应用 99

4.5.1 酶生物传感器 99

4.5.2 基于核酸的生物传感器 99

4.5.3 QCM免疫传感器 100

4.5.4 QCM哺乳动物细胞生物传感器 101

致谢 105

参考文献 105

第5章 用于细胞分析的芯片实验室技术 110

5.1 背景和引言 110

5.2 微型器件中的细胞培养和监测 111

5.2.1 细胞系统 111

5.2.2 细胞输出信号检测 111

5.2.3 芯片制备与封装 112

5.2.4 系统工程 115

5.2.5 典型研究：人癌细胞分析 116

5.3 芯片实验室中的细胞操纵技术 117

5.3.1 微量液滴的驱动 119

5.4 有机电子学的挑战 123

5.5 展望 125

参考文献 126

第6章 基于商品化葡萄糖传感器平台的酶传感器构建 132

6.1 葡萄糖生物传感器简介 132

6.2 代谢产物生物传感器：ATP 134

6.3 酶活性生物传感器：葡萄糖磷酸变位酶 137

6.4 毒素生物传感器：叠氮化物 140

6.5 聚合物生物传感器：聚3-羟基丁酸酯 144

6.6 总结与展望 147

参考文献 147

第7章 呼吸传感器的未来发展方向 152

7.1 引言 152

7.1.1 历史回顾 152

7.1.2 疾病呼吸诊断的临床应用 153

7.1.3 法医学应用：外源化学物质暴露的呼吸诊断 154

7.2 呼吸气体采样仪和传感器 154

7.2.1 最新的呼吸采样和传感技术 154

7.2.2 呼吸样本的生化分析方法 157

7.2.3 呼吸传感系统的功能性需求 160

7.2.4 成本问题 161

7.3 现代呼吸气体传感系统性能的影响因素 162

7.3.1 流动力学 162

7.3.2 热转移以及冷凝 163

7.3.3 材料选取 164

7.3.4 现有传感系统的限制 165

7.4 呼吸传感系统设计的未来趋势 165

7.4.1 微型化呼吸传感系统的挑战 166

7.4.2 CMOS技术 166

7.4.3 MEMS构架 167

参考文献 170

第8章 临床应用中的固态气体传感器 177

8.1 引言 177

8.2 固态传感器的工作原理 178

8.2.1 电阻式气体传感器 179

8.2.2 电化学式气体传感器 181

8.2.3 电容式气体传感器 182

8.3 基于呼吸分析的临床诊断 183

8.3.1 呼吸采样 184

8.3.2 呼吸气体成分 186

8.3.3 标志物 186

8.4 用于临床诊断的气体传感器 188

8.4.1 氧气、二氧化碳、湿度传感器 189

8.4.2 丙酮传感器 189

8.4.3 一氧化碳传感器 190

8.4.4 乙醇传感器 190

8.4.5 氨气传感器 191

8.4.6 一氧化氮传感器 191

8.4.7 COS传感器 191

8.4.8 氢传感器 192

8.5 新的发展趋势和应用 192

8.6 结论 194

参考文献 194

第二部分 传感器的医学应用 202

第9章 人体检测生物传感器的最新进展 202

9.1 引言：传感器和生物传感器 202

9.2 设计中要考虑的因素 203

9.2.1 侵入式传感器和生物相容性 203

9.2.2 无创传感器 204

9.2.3 穿戴式传感器的特殊要求 204

9.2.4 信号的噪声 204

9.2.5 伪差的产生 206

9.3 生物传感器应用 206

9.3.1 人体运动的识别 206

9.3.2 生物力学分析和金标准 207

9.3.3 认知状态分析 208

9.3.4 人机交互生物传感器 210

9.4 MEMS在生物传感器中的应用 211

9.5 总结 212

致谢 212

参考文献 212

第10章 穿戴式出汗率检测传感器 214

10.1 引言 214

10.2 汗液检测 214

10.2.1 应用 216

10.3 穿戴式出汗率传感器：原理及应用 218

10.3.1 皮肤电导传感器 218

10.3.2 电阻手表 221

10.3.3 聚合纤维 222

10.3.4 导电纱线 224

10.3.5 湿度梯度传感器 224

10.4 总结和展望 228

参考文献 229

第11章 未来的医学成像 231

11.1 引言 231

11.2 发展方向 231

11.2.1 EyeCam 231

11.3 个性化的医疗 233

11.3.1 数字医学成像的进展 233

11.3.2 通信技术对医学成像的帮助 235

11.3.3 自动监控 236

11.4 未来科技 237

11.4.1 目标 238

11.4.2 对科技的期望 238

11.4.3 发展的成本 239

11.4.4 性能 240

11.4.5 多处理器的复杂度 240

11.4.6 能耗 242

11.4.7 SoC和SiP的结合 244

11.5 放眼未来 245

参考文献 246

第12章 半导体探测器在医学成像中的空间和频谱分辨率 247

12.1 引言 247

12.2 探测器的物理性质 248

12.2.1 直接及间接转换探测器 248

12.2.2 信号传输过程 251

12.3 空间分辨率 253

12.3.1 调制传递函数的定义 254

12.3.2 MTF函数的仿真及测量 254

12.3.3 MTF函数的性质 254

12.4 频谱分辨率 255

12.4.1 探测器响应函数（DRF）的定义 255

12.4.2 DRF函数之间的比较 257

12.4.3 整合间接转换探测器 257

12.4.4 计数直接转换探测器 258

12.5 结论 260

参考文献 260

第13章 固态光电倍增管（SSPM）检测器的发展 263

13.1 背景 264

13.1.1 光电探测器回顾：PMTS和晶体硅器件（PIN,APD,SSPM） 264

13.2 SSPM的特性 277

13.2.1 基本电气特性和模型 277

13.2.2 SSPM的实验特性 279

13.3 核探测应用中的新兴闪烁体材料的回顾 284

13.3.1 伽马射线光谱学 285

13.3.2 其他应用：中子检测、带电粒子检测和医学成像 287

13.4 应用于特殊闪烁检测场合的CMOS SSPM 287

13.4.1 实时光谱剂量计 287

13.4.2 像素级的SSPM 288

13.4.3 位置敏感的SSPM 289

13.5 总结 289

致谢 290

参考文献 290

第14章 高分辨率碲化镉探测器及其在伽马射线成像中的应用 296

14.1 引言 296

14.2 高分辨率碲化镉探测器 297

14.3 极化现象 300

14.4 CdTe像素探测器模块 302

14.5 层状结构CdTe探测器 304

14.6 CdTe双面条形探测器 307

14.7 半导体康普顿相机 309

14.8 医疗成像中的可能应用 313

14.9 总结 315

致谢 315

参考文献 315

第15章 正电子发射断层扫描技术的最新进展 321

15.1 引言 321

15.2 PET物理学简述 322

15.3 影响PET空间和对比分辨率的因素 323

15.4 基于飞行时间技术的PET 324

15.5 基于闪烁晶体的放射性探测器 325

15.5.1 闪烁晶体 325

15.5.2 光电倍增管 327

15.5.3 雪崩光敏二极管以及位置敏感APD 327

15.5.4 硅光电倍增管 328

15.6 半导体放射性探测器 330

15.7 带有DOI的PET探测器 331

15.8 MRI兼容的PET探测器 333

15.9 专用PET系统 335

15.10 总结 337

致谢 337

参考文献 337