生物納米電子學 D.Dragoman 9787030414274 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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D.Dragoman 著

圖書標籤:

• 生物納米電子學
• 納米電子學
• 生物技術
• 納米技術
• 電子學
• 交叉學科
• 科學
• 工程
• 材料科學
• 生物物理學

店鋪： 天樂圖書專營店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030414274

商品編碼：29373545747

包裝：圓脊精裝

齣版時間：2016-05-01

基本信息

書名：生物納米電子學

定價：138.00元

作者：D.Dragoman

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2016-05-01

ISBN：9787030414274

字數：335

頁碼：268

版次：31

裝幀：圓脊精裝

開本：32開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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內容提要

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目錄

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Contents
1 Fundamentals on Bionanotechnologies 1
1.1 TransportPhenomenaattheNanoscale 1
1.2 Nanotechnologiesfor BionanoelectronicDevices 18
1.2.1 Deposition Techniques for BionanoelectronicDevices 18
1.2.2 Nanolithography 20
1.2.3 Nanomaterials 27
1.3 Conduction Properties of BiologicalMaterials 35
1.4 Micro.uidics and Nano.uidics 46
References 54
2 Sensing of Biomolecules 57
2.1 Nanotransistors Based on Nanotubes, Nanowires, andGrapheneforBiosensing 57
2.2 DNA Detection and SequencingUsing Nanopores 73
2.3 MEMS/NEMS Biodetection 80
2.4 Plasmonics Biodetection 87
2.5 NanoelectronicNoses and Various Disease Detection 98
References 102
3 Imaging and Manipulation of Biomolecules 107
3.1 Bioapplications of Atomic Force Microscopy 107
3.2 Bioapplicationsof Scanning TunnelingMicroscopy 114
3.3 ManipulationofBiologicalMaterials 117
References 123
4 Nanomedicine 127
4.1 Drug Deliveryand Healing Based on Nanomaterials 127
4.2 Biochips—DNAArraysandOtherChipsforDiagnosis 144
4.3 Arti.cial Tissues and Organs 146
References 148
5 Biomolecular Architecture for Nanotechnology 151
5.1 DNA-BasedMolecularArchitectures 152
5.2 Self-Assembled DNA Nanowires 155
5.3 Two-and Three-DimensionalBioarchitectures as Scaffolds 159
5.4 NonperiodicBiologicalScaffoldsforInorganicStructures 165
5.5 InorganicScaffolds for Biomolecules 169
References 170
6 Biomolecular Machines 173
6.1 BiologicalActuatorsandSwitches 174
6.2 Biological Walkers 180
6.3 Biological Motors 183
References 187
7 Biomolecular Computing 189
7.1 Principles of Biomolecular Computing 189
7.2 Boolean BiomolecularComputing 192
7.3 Self-AssemblyBiomolecularComputing 198
7.4 Biomolecular Logical Deductions 200
7.5 Biomolecular Memory Devices 201
7.6 Logical Drug Delivery and In Vivo Computation 203
References 205
8 Bioinspired Devices 207
8.1 Bioinspired Materials 208
8.2 Bioinspired Devices 215
8.3 Bioinspired TechnologicalProcesses 222
8.4 Devices Mimicking Biological Organs/Functionalities 224
References 229
9 Nano-Bio Integration 233
9.1 Nano-bioMaterials for Electronics and Optoelectronics 233
9.2 Nano-bioMechanical Devices 236
9.3 Nanobioelectronicsand Optoelectronics 239
References 246
Index 249
About the Authors 253

作者介紹

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文摘

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序言

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生物納米電子學：跨越生命與微觀世界的橋梁 在人類文明的長河中，對生命奧秘的探索從未停止。從宏觀的解剖學到微觀的分子生物學，我們對生命體的理解不斷深化。與此同時，電子學的發展則極大地改變瞭我們的生活方式，驅動著信息時代的滾滾嚮前。而當生命科學與電子學這兩大前沿領域交匯，一個充滿無限可能的新興學科——生物納米電子學便應運而生。它不僅是科學前沿的探索，更是未來科技發展的關鍵驅動力。 生物納米電子學，顧名思義，是一門研究如何將生物係統與納米尺度電子器件相互作用的學科。它試圖在分子和細胞層麵理解和調控生命活動，同時利用電子學的原理和技術來構建前所未有的生物傳感器、生物成像設備、藥物遞送係統，甚至能夠與神經係統進行直接交互的接口。這個學科的齣現，標誌著我們有能力以全新的視角和工具去“閱讀”生命，去“操縱”生命，從而在疾病診斷、治療、組織工程、仿生學等諸多領域帶來革命性的突破。 核心理念與研究範疇 生物納米電子學的核心在於“納米”與“生物”的深度融閤。這裏的“納米”指的是納米尺度，即1到100納米的範圍，這個尺度與許多重要的生物分子，如蛋白質、DNA、RNA以及病毒的尺寸相當。在這個尺度上，量子效應開始顯現，材料的物理和化學性質也與宏觀尺度截然不同。而“生物”則涵蓋瞭從細胞、組織到整個生物體的各種生命現象和過程。 因此，生物納米電子學的研究範疇極其廣泛，主要包括以下幾個方麵： 1. 生物納米器件的設計與製備： 這是生物納米電子學的基礎。研究人員需要設計和製造能夠在納米尺度下與生物分子或細胞進行有效耦閤的電子器件。這可能涉及到納米導綫、納米晶體管、納米傳感器、納米電極等。這些器件的尺寸、材料、錶麵處理以及與生物體的接口設計都至關重要。例如，利用金納米顆粒、碳納米管、石墨烯等新型納米材料構建高靈敏度的生物傳感器，能夠檢測到極低濃度的生物標誌物。 2. 生物分子與納米器件的相互作用： 理解生物分子（如DNA、蛋白質、酶、抗體等）如何與納米電子器件相互作用是學科發展的關鍵。這種相互作用可以是物理上的吸附、化學上的鍵閤，也可以是電化學信號的傳遞。研究人員需要精確控製這種相互作用，以實現對生物分子功能的檢測、調控或利用。例如，通過將DNA分子固定在納米電極上，可以構建DNA傳感器，用於檢測特定基因序列；通過將抗體固定在傳感器錶麵，可以實現對特定蛋白質的特異性檢測。 3. 生物信號的檢測與轉換： 生命體內的信號多種多樣，包括電信號（如神經信號）、化學信號（如離子濃度、pH值、特定分子濃度）、光學信號等。生物納米電子學緻力於開發能夠高精度、高靈敏度地檢測這些生物信號的納米器件，並將其轉化為可讀的電信號。這為疾病的早期診斷、生理狀態的實時監測提供瞭可能。例如，微電極陣列可以記錄單個神經元的電活動，而納米探針則可以測量細胞內的離子濃度變化。 4. 生物功能的調控與集成： 除瞭檢測，生物納米電子學還緻力於利用納米電子器件來主動調控生物功能。這可能包括通過電刺激誘導細胞生長、分化，或者利用納米器件釋放藥物，靶嚮治療疾病。更進一步，可以將生物係統與電子係統集成，構建“生物混閤器件”或“生物電子器件”，實現仿生功能的實現。例如，開發與神經組織兼容的植入式電極，可以用於治療帕金森病等神經退行性疾病，或用於開發人機接口。 5. 納米醫學與藥物遞送： 利用納米材料構建的電子器件，可以實現更精準、更靶嚮的藥物遞送。這些納米器件可以被設計成在特定環境下（如腫瘤組織）釋放藥物，從而減少對健康組織的損害。同時，納米電子器件也可以被用來監測藥物在體內的分布和效果。 6. 仿生與智能材料： 生物納米電子學也為仿生學提供瞭新的思路。通過模仿生物體的結構和功能，可以設計齣具有自修復、自適應、感知和響應能力的智能材料。例如，模仿肌肉的柔性電子器件，或者模仿生物觸覺的傳感器陣列。 關鍵技術與發展趨勢 生物納米電子學的發展離不開一係列關鍵技術的支撐，並且正在朝著更加智能化、集成化、微創化的方嚮發展： 納米材料科學： 碳納米管、石墨烯、量子點、納米金、納米銀等新型納米材料因其獨特的電學、光學和生物兼容性，在生物納米電子學中扮演著核心角色。對這些材料的閤成、錶麵修飾和性能調控是研究的重點。 微納加工技術： 利用光刻、電子束刻蝕、聚焦離子束等先進的微納加工技術，可以精確地製造齣復雜的納米電子器件，並實現與生物體的三維集成。 分子自組裝技術： 利用生物分子自身的識彆和自組裝能力，可以在納米尺度上構建有序的結構，實現功能器件的精確構建，這是實現低成本、高效率製造的重要途徑。 先進的錶徵技術： 掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、原子力顯微鏡（AFM）、原子力顯微鏡（STM）等高分辨率成像技術，以及各種光譜學和電化學分析技術，是理解納米尺度下生物與電子相互作用的基礎。 計算模擬與建模： 利用分子動力學模擬、有限元分析等計算方法，可以預測納米材料的性能，模擬生物分子與器件的相互作用，優化器件設計，大大縮短瞭研發周期。 未來的生物納米電子學將更加注重多功能集成和與生物係統的無縫連接。例如，開發能夠同時監測多種生物標誌物的多通道傳感器芯片；構建能夠與神經元進行雙嚮信息交換的生物電子接口，實現更自然的假肢控製或感覺恢復；以及將納米電子器件與基因編輯技術相結閤，實現對基因錶達的精確調控。 潛在應用與未來展望 生物納米電子學的發展，預示著一個更加美好的未來。其潛在應用領域廣泛且深遠： 醫療健康： 精準診斷： 高靈敏度、高特異性的生物傳感器能夠實現疾病的早期、無創或微創診斷，如癌癥標誌物的檢測、感染性疾病的快速篩查。 個性化治療： 基於個體基因組學和生物標誌物的分析，利用生物納米電子器件實現藥物的精準遞送和劑量調控，從而提高療效，降低副作用。 疾病監測與預警： 可穿戴或植入式的生物納米電子設備能夠實時監測生理參數，預測疾病的發生風險，為預防醫學提供支持。 神經科學與康復： 開發與神經係統兼容的接口，用於治療帕金森病、癲癇等疾病，以及幫助癱瘓患者恢復運動能力。 再生醫學： 利用納米電子器件誘導乾細胞分化，促進組織再生和修復。 生物技術與環境保護： 生物製造： 利用生物納米電子器件調控微生物的代謝過程，實現高效的生物能源、生物材料的生産。 環境監測： 開發能夠檢測環境中汙染物（如重金屬、有機汙染物）的納米傳感器，為環境保護提供實時數據。 仿生學與機器人： 仿生係統： 創造具有生物體感知、運動和交互能力的仿生機器人。 人機交互： 發展更自然、更直觀的人機交互方式，如通過意念控製機器。 基礎科學研究： 生命過程的深入理解： 利用生物納米電子學工具，以前所未有的精度觀測和理解生命活動的分子機製，例如單個蛋白質的功能、DNA的復製過程等。 生物納米電子學是一門充滿挑戰但同時也充滿希望的學科。它要求跨越物理、化學、生物學、材料學、工程學等多個學科的界限，匯聚頂尖的智慧和技術。隨著研究的不斷深入，我們有理由相信，生物納米電子學將徹底改變我們認識生命、改造生命、以及利用生命的方式，為人類的健康、福祉和社會發展帶來顛覆性的進步。它不僅僅是一項技術，更是一種連接生命本質與人類智慧的全新橋梁，引領我們走嚮一個更加智能、健康、可持續的未來。

評分☆☆☆☆☆

閱讀體驗上，這本書的語言風格呈現齣一種嚴謹而不失生動的學者氣質。作者似乎深諳如何在高深的技術領域中，依然保持敘述的流暢性。我注意到，每當引入一個新的、可能讓初學者感到晦澀的概念時，書中總會穿插一個精心挑選的、貼近實際應用的微觀案例來加以佐證和軟化。例如，在討論特定生物傳感器如何實現對極低濃度生物標誌物的實時監測時，作者並未直接給齣復雜的響應函數，而是通過一個關於早期疾病診斷的假設情景，讓讀者“看到”這個技術的潛在價值，然後再循序漸進地揭示其背後的電子學原理。這種敘事上的張弛有度，極大地減輕瞭閱讀過程中的認知負擔。我感覺這不像是在啃一本教科書，更像是在與一位經驗豐富、且非常擅長錶達的導師進行深度對話。它成功地彌閤瞭純粹的物理化學敘述與實際工程應用之間的鴻溝，使得那些原本看似遙不可及的“未來科技”，變得觸手可及，激發瞭強烈的實踐欲望。

評分☆☆☆☆☆

這本書的深度，很大程度上體現在它對材料科學和器件物理的融閤上。我個人對那些描述納米尺度下電子輸運特性的章節印象尤為深刻。作者沒有停留在對傳統半導體物理的重復，而是深入探討瞭當材料尺寸縮小到分子甚至原子級彆時，量子效應和錶麵效應如何主導整個係統的行為。尤其是對DNA雙螺鏇結構作為導綫或電子受體的討論，那段論述邏輯縝密，層層遞進，清晰地展示瞭如何將生物大分子的結構信息直接轉化為可測量的電信號。更難得的是，書中對現有技術局限性的剖析也毫不避諱，坦誠地指齣瞭當前在生物相容性、長期穩定性以及大規模集成方麵麵臨的挑戰。這種“知其然，也知其所以難”的態度，使得全書的論述更具批判性和前瞻性，避免瞭空泛的樂觀主義，給予讀者一種腳踏實地的科學精神。它不僅僅是介紹“我們能做什麼”，更是在探討“我們還不能做什麼，以及為什麼”。

評分☆☆☆☆☆

我必須提到這本書在圖文排版上的用心。對於這種高度依賴空間想象力的學科，清晰的插圖是至關重要的。這本書的配圖質量非常高，不僅僅是簡單的示意圖，許多都是高度概念化的模型，能夠準確地捕捉到復雜的納米結構和電子流動路徑。舉個例子，書中關於自組裝納米電路圖的部分，那些精細的層級結構圖，即便脫離文字說明，也能讓人對分子間的精確排列産生直觀的理解。而且，圖注的編寫也非常到位，往往用最精煉的語言概括瞭圖示的物理意義。這種對視覺輔助的重視，極大地提高瞭信息傳遞的效率。對於一個非母語背景的讀者來說，清晰的視覺引導簡直是救命稻草，它幫助我繞過瞭許多可能因為語言理解偏差而産生的認知障礙，使得復雜的技術細節能夠順暢地被大腦吸收和內化。這錶明編著者在設計這本書的閱讀體驗時，確實投入瞭大量的精力去考慮讀者的實際需求。

評分☆☆☆☆☆

這本關於“生物納米電子學”的書籍，從一開始就給我一種前沿而深邃的印象。作者在開篇部分，並未急於展示復雜的公式和技術細節，而是用一種近乎哲學的筆觸，探討瞭生命係統與電子學交匯的宏大圖景。我尤其欣賞它對“信息如何在生物體內流動與編碼”這一核心問題的探討，它不僅僅是技術層麵的描述，更像是對生命本質的一種重新審視。書中對早期納米器件設計理念的追溯非常紮實，它沒有迴避早期研究中的理論瓶頸和實驗睏境，這使得後續章節中展示的突破顯得尤為珍貴。讀到後麵關於分子器件如何模仿神經元信號傳輸的部分時，我感覺自己仿佛站在瞭兩個學科的交叉口，既能感受到電子工程的精確性，又能體會到生物體係的精妙與韌性。全書的結構安排，就像是登山者在逐步攀登，從山腳下的基礎概念，到中段的復雜環境適應，再到最後的登頂俯瞰全局，每一步都踏實有力，讓人心悅誠服。對於任何渴望跨學科思考的讀者來說，這本書無疑是一張開啓新視野的地圖，它提供的不僅僅是知識點，更是一種看待未來科技融閤的全新視角。

評分☆☆☆☆☆

這本書最讓我感到震撼的，是它對“跨界倫理與未來影響”的探討。在技術細節的論述達到高潮之後，作者並未戛然而止，而是將視角拉遠，開始審視生物納米電子學技術一旦成熟，將如何重塑醫療健康、環境監測乃至信息存儲領域。這種宏觀視野的切換，讓閱讀過程充滿瞭思辨的樂趣。我印象非常深的是對“類器官芯片”與“神經接口”的未來展望，作者討論瞭如何利用這些技術實現對個體化藥物反應的精確預測，以及對神經退行性疾病的深度乾預。這種前瞻性的討論，不僅是對技術潛力的展示，更是一種對科學責任的提醒。它促使讀者，無論專業背景如何，都必須思考：當電子世界與生命世界深度融閤時，我們應該如何界定“自然”與“人造”的邊界？這種深刻的行業反思，使得這本書超越瞭一般的專業參考書的範疇，成為瞭一部具有強烈時代印記和思想價值的著作。