基本介紹
- 中文名：生物電子學
- 外文名：Bioelectronics
- 學科：生物學與電子信息科學交叉
背景及簡介,發展歷史,特點,多學科高度交叉,發展十分迅速,領域不斷拓寬,地位非常重要,研究目的,研究內容,
背景及簡介
如今多學科前沿科學技術的發展態勢已經表明，電子信息科學技術和生物科學(含生物醫學科學)是十分重要的兩個學科領域 ,它們不僅僅對科學技術進步和經濟發展 ,甚至於對人類的社會生活方式都將產生深刻而重要的影響 。生物電子學(Bioelectronics)正是由這樣兩門極為重要的學科交叉滲透而形成的一門新興學科。它自 50 年代誕生以來發展十分迅速, 領域不斷拓寬 , 地位日益重要,已經展示了廣闊的發展前景。
生物電子學自20世紀05年代誕生以來,特別是自積體電路發明以來,它始終保持著高速發展的勢頭。隨著積體電路集成度的提高和超大規模積體電路的發展接近極限,元件尺寸將達到納米級,相當於分子的尺寸,由此人們提出以分子作為晶片上最小單元的構想,這就是分子電子學的由來,也標誌著電子學的研究已進人分子電子學時代。人們提出以分子作為晶片,所用的分子,可以是有機化合物低分子、高分子和生物分子。它們具有識別、採集、記憶、放大、開關、傳導等功能,更適合電子學的要求,由此促進了生物電子學的崛起。近幾十年來,生物電子學的研究領域不斷拓寬,已經展示出廣闊的套用前景。但作為一門新興的學科,有關它的概念和研究內容,甚至學科名稱都不像成熟的學科那樣明確和一致,因此,亟待研究、發展與完善。
對於這門新興學科的定義和研究並不像傳統成熟學科一般，其仍然處於興起摸索階段，目前研究學者普遍認為，生物電子學的研究領域大致可以包括諸如：生物信息檢測 、生物醫學信息處理、生物系統建模和仿真、場與生物物質的作用分子和生物分子電子學、生物醫學儀器等方面。
發展歷史
生物電子學的發展歷史大致可以以以下的時間事件軸表示：
- Bioelectronics的名詞最早在1912年;
- 二戰後,電子學與生物、醫學的出現大交叉
- 1960年開始生物醫學工程，生物物理學，生物力學，生物醫學電子學的快速發展帶動生物電子學的發展
- 1968年，S. G. Albert在Science上發表了 “Bioelectronics. Intermolecular electron transfer may play a major role in biological regulation, defense, and cancer”的文章上世紀末Bioelectronics出現的頻率越來越多，並且被不同學科的研究人員引用
- 1912s：測量人體產生的電信號：心電圖（ECG: electrocardiogram) 的基礎
- 1960s: 二極體的發明：開發可植入的電子器件刺激器官(起搏器：pacemaker)；
- 1970-1980s: Erwin Neher 和Bert Sakmann膜片鉗：細胞層次上的多信號檢測、刺激
- 1990s-單分子分析
特點
多學科高度交叉
生物電子學是以生物學和電子學為代表但又涉及化學、物理、材料及信息技術等許多學科和高新技術相結合的一門交叉學科,因此生物電子學的介入是雙向的:一方面綜合套用電子信息科學和有關工程技術的理論和最新技術,多層次、全方位地研究生物和醫學問題,研究生物、人體的結構和功能以及功能與結構之間的相互關係,使這些領域的研究方式更加精確和科學;另一方面生命過程中研究所揭示出的許多規律,特別是經過億萬年進化而形成的生物信息處理的優異特性將會給電子學科以重要的啟示,這不僅會推動電子學的發展,還將會使信息科學發生革命性的變革。
發展十分迅速
自從02世紀05年代生物電子學這一概念誕生以來,它已經取得了顯著的發展,特別是近02年來,隨著各種新原理、新技術和新方法不斷地套用到生物電子學的研究中,生物電子學的發展速度明顯加快,預計在未來01年,科學技術突破的項目中將有一半以上涉及生物電子學。
領域不斷拓寬
生物電子學這一概念提出時,主要是面向生物學和電子學的交叉發展,但隨著各學科研究的不斷深人,在生物電子學的發展過程中出現了許多新興研究領域,特別是近年生物晶片技術和納米技術的提出,使得生物電子學的發展空間更為廣闊。
地位非常重要
生物電子學的研究與發展不僅會大大促進其他科的發展,而且生物電子學的研究內容與生命現象密切相關,對生命科學和醫學揭示生命奧秘、探索生老病死的原因有著十分重要的意義;生物電子學在工業、農業和國防等各個領域都有著廣泛的套用,因此,歐美日本等已開發國家都投巨資競相研究、開發這門新科學,目前已成為“電子學與信息技術”中具有戰略性、前瞻性、創造性的新興學科領域。
研究目的
生物電子學作為一門交叉學科，一方面是將電子學用於生物和醫學領域，使這些領域的研究方式更加精確和科學；另一方面將生命過程中揭示出的許多規律，特別是經過億萬年進化而形成的生物信息處理的優異特性借鑑於電子和信息學，使電子學和信息學發生革命性的變革。
一、研究生物體系的電子學問題，包括生物分子的電子學特性、生物系統中信息存貯和信息傳遞，由此發展基於生物信息處理原理的新型計算技術；
二、套用電子信息科學的理論和技術解決生物學問題，包括生物信息獲取、生物信息分析，也包括結合納米技術發展生物醫學檢測技術及輔助治療技術，開發微型檢測儀器。
研究內容
生物電子學的基礎理論的建立和研究：生物電子學作為一門新興的交叉學科,它應該藉助於生物學的理論和技術,綜合套用電子學有關工程技術的理論和方法,以形成自身特點和系統的基礎理論,但目前對其進行的系統研究尚不夠,它的一些基礎理論、實驗方法和套用技術需要不斷建立和進一步完善,許多現象和效應的機理尚需深人研究。
生物信息的採集技術和檢測系統：生物信息檢測主要是對帶有生物結構和特徵信息的生物量、化學量和物理量的檢測;是對根據生物分子卓越識別能力而設計的生物感測器及其檢測系統的研究。
目前，基於分子生物學與微電子學技術的結合產生的生物晶片 ,已成為目前國際上研究的一個熱點，該晶片得以實現基因分子信息大量快速 、規模化 、低成本獲得，與此同時利用無線通訊技術 ,把生物感測器植入體內進行實時監控等技術也已成為現實。
生物信息系統的建模與仿真：生物信息系統的建模與仿真可以使已獲得的知識抽象化,揭示出規律性,減少某些昂貴的、費時的實驗操作,推動生命科學研究中的定量化和模型化,並為各種信息處理方法和信息系統提供新的、有價值的思路和方案。對於生物系統的建模與仿真，從工程角度為各種信息處理方法和系統的研製提供了強有力的依據和工具，有助於信息科學的發展。
場與環境對生物物質的作用與套用：隨著社會和科學技術的迅速發展,研究輻射場(電、磁、聲、光、熱、射線)與環境(各種污染)對人或生物體中生物物質作用的微觀過程、作用機理和產生的結果十分迫切,這對解釋各種場生物效應和機理、了解生命過程、開發診斷儀器、提高治療效果、增強防輻射能力都非常重要。
近年來，相關研究發現，可用電場和不同材料基片來控制細胞的增殖和分裂 ,在體外構造生物神經元 。當腫瘤細胞增殖時 , 細胞膜的電位較低 ,若對腫瘤細胞加上適當的正電位 ,則可顯著抑制它們的生長。而且已經發現用特定空間分布和頻率的電場可以分離細胞。這些新發現無疑是很有價值的 ,但都需要對其機理作進一步的深入了解 。
分子電子學與納米生物學：分子與生物分子電子學,通常稱為分子電子學(Molecular Electronics),它的一個重要目標是研製出由分子器件構造的並行分散式仿生智慧型信息處理系統,要為新一代信息處理系統開闢一條新的途徑。
利用分子電子學技術設計分子器件生物醫學信息學：現代信息技術,特別是計算機技術和網路技術為生物醫學信息學的研究提供了一個快捷的手段構建了一個技術平台;運用信息理論和技術處理和解決生物信息學、醫學信息學中所提出的相關問題。
生物醫學信號種類繁多, 其主要特點是信號的隨機性和噪聲背景都比較強, 信號的統計特性隨時間而變 ,而且還是非先驗性的 。生物醫學信息學進行信號處理的研究是指套用並發展信息處理的基本理論,根據生物醫學信號的特點 ,對所採集到的生物醫學信號進行分析 、辨認 、解釋、分類、顯示、存貯和傳輸 , 其研究目的一是對生物體系結構與功能的研究 , 二是協助對疾病的診斷和治療 。
生物晶片與微全分析系統：生物晶片是現代生物技術與電子技術相結合的產物,它的意義不僅在於擴大現有常規電子元器件的功能、種類和使用範圍,而且會使電子工業與生物醫學科技經歷一次巨大的變革。
生物醫學儀器：生物醫學儀器的研究主要包含生物醫學檢測診斷儀器、生物醫學治療儀器和生物醫學監護、管理儀器以及現代生物電子學分析儀器。
有別於傳統的額生物醫學，現代生物醫學的發展將會在越來越大的程度上依賴於生物醫學儀器和工程。無論從人的健康保障還是從市場經濟利益考慮 ，醫學治療 、診斷 、監護 、模擬和管理方面儀器設備的研究和生產是十分重要的,。這種利用工程技術解決生物醫學的手段特別是在計算機輔助診斷系統方面發展十分迅速。
