生物纳米电子学 D.Dragoman 9787030414274 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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D.Dragoman 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030414274

商品编码：29373545747

包装：圆脊精装

出版时间：2016-05-01

基本信息

书名：生物纳米电子学

定价：138.00元

作者：D.Dragoman

出版社：科学出版社

出版日期：2016-05-01

ISBN：9787030414274

字数：335

页码：268

版次：31

装帧：圆脊精装

开本：32开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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目录

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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

作者介绍

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文摘

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序言

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生物纳米电子学：跨越生命与微观世界的桥梁 在人类文明的长河中，对生命奥秘的探索从未停止。从宏观的解剖学到微观的分子生物学，我们对生命体的理解不断深化。与此同时，电子学的发展则极大地改变了我们的生活方式，驱动着信息时代的滚滚向前。而当生命科学与电子学这两大前沿领域交汇，一个充满无限可能的新兴学科——生物纳米电子学便应运而生。它不仅是科学前沿的探索，更是未来科技发展的关键驱动力。 生物纳米电子学，顾名思义，是一门研究如何将生物系统与纳米尺度电子器件相互作用的学科。它试图在分子和细胞层面理解和调控生命活动，同时利用电子学的原理和技术来构建前所未有的生物传感器、生物成像设备、药物递送系统，甚至能够与神经系统进行直接交互的接口。这个学科的出现，标志着我们有能力以全新的视角和工具去“阅读”生命，去“操纵”生命，从而在疾病诊断、治疗、组织工程、仿生学等诸多领域带来革命性的突破。 核心理念与研究范畴 生物纳米电子学的核心在于“纳米”与“生物”的深度融合。这里的“纳米”指的是纳米尺度，即1到100纳米的范围，这个尺度与许多重要的生物分子，如蛋白质、DNA、RNA以及病毒的尺寸相当。在这个尺度上，量子效应开始显现，材料的物理和化学性质也与宏观尺度截然不同。而“生物”则涵盖了从细胞、组织到整个生物体的各种生命现象和过程。 因此，生物纳米电子学的研究范畴极其广泛，主要包括以下几个方面： 1. 生物纳米器件的设计与制备： 这是生物纳米电子学的基础。研究人员需要设计和制造能够在纳米尺度下与生物分子或细胞进行有效耦合的电子器件。这可能涉及到纳米导线、纳米晶体管、纳米传感器、纳米电极等。这些器件的尺寸、材料、表面处理以及与生物体的接口设计都至关重要。例如，利用金纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯等新型纳米材料构建高灵敏度的生物传感器，能够检测到极低浓度的生物标志物。 2. 生物分子与纳米器件的相互作用： 理解生物分子（如DNA、蛋白质、酶、抗体等）如何与纳米电子器件相互作用是学科发展的关键。这种相互作用可以是物理上的吸附、化学上的键合，也可以是电化学信号的传递。研究人员需要精确控制这种相互作用，以实现对生物分子功能的检测、调控或利用。例如，通过将DNA分子固定在纳米电极上，可以构建DNA传感器，用于检测特定基因序列；通过将抗体固定在传感器表面，可以实现对特定蛋白质的特异性检测。 3. 生物信号的检测与转换： 生命体内的信号多种多样，包括电信号（如神经信号）、化学信号（如离子浓度、pH值、特定分子浓度）、光学信号等。生物纳米电子学致力于开发能够高精度、高灵敏度地检测这些生物信号的纳米器件，并将其转化为可读的电信号。这为疾病的早期诊断、生理状态的实时监测提供了可能。例如，微电极阵列可以记录单个神经元的电活动，而纳米探针则可以测量细胞内的离子浓度变化。 4. 生物功能的调控与集成： 除了检测，生物纳米电子学还致力于利用纳米电子器件来主动调控生物功能。这可能包括通过电刺激诱导细胞生长、分化，或者利用纳米器件释放药物，靶向治疗疾病。更进一步，可以将生物系统与电子系统集成，构建“生物混合器件”或“生物电子器件”，实现仿生功能的实现。例如，开发与神经组织兼容的植入式电极，可以用于治疗帕金森病等神经退行性疾病，或用于开发人机接口。 5. 纳米医学与药物递送： 利用纳米材料构建的电子器件，可以实现更精准、更靶向的药物递送。这些纳米器件可以被设计成在特定环境下（如肿瘤组织）释放药物，从而减少对健康组织的损害。同时，纳米电子器件也可以被用来监测药物在体内的分布和效果。 6. 仿生与智能材料： 生物纳米电子学也为仿生学提供了新的思路。通过模仿生物体的结构和功能，可以设计出具有自修复、自适应、感知和响应能力的智能材料。例如，模仿肌肉的柔性电子器件，或者模仿生物触觉的传感器阵列。 关键技术与发展趋势 生物纳米电子学的发展离不开一系列关键技术的支撑，并且正在朝着更加智能化、集成化、微创化的方向发展： 纳米材料科学： 碳纳米管、石墨烯、量子点、纳米金、纳米银等新型纳米材料因其独特的电学、光学和生物兼容性，在生物纳米电子学中扮演着核心角色。对这些材料的合成、表面修饰和性能调控是研究的重点。 微纳加工技术： 利用光刻、电子束刻蚀、聚焦离子束等先进的微纳加工技术，可以精确地制造出复杂的纳米电子器件，并实现与生物体的三维集成。 分子自组装技术： 利用生物分子自身的识别和自组装能力，可以在纳米尺度上构建有序的结构，实现功能器件的精确构建，这是实现低成本、高效率制造的重要途径。 先进的表征技术： 扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、原子力显微镜（STM）等高分辨率成像技术，以及各种光谱学和电化学分析技术，是理解纳米尺度下生物与电子相互作用的基础。 计算模拟与建模： 利用分子动力学模拟、有限元分析等计算方法，可以预测纳米材料的性能，模拟生物分子与器件的相互作用，优化器件设计，大大缩短了研发周期。 未来的生物纳米电子学将更加注重多功能集成和与生物系统的无缝连接。例如，开发能够同时监测多种生物标志物的多通道传感器芯片；构建能够与神经元进行双向信息交换的生物电子接口，实现更自然的假肢控制或感觉恢复；以及将纳米电子器件与基因编辑技术相结合，实现对基因表达的精确调控。 潜在应用与未来展望 生物纳米电子学的发展，预示着一个更加美好的未来。其潜在应用领域广泛且深远： 医疗健康： 精准诊断： 高灵敏度、高特异性的生物传感器能够实现疾病的早期、无创或微创诊断，如癌症标志物的检测、感染性疾病的快速筛查。 个性化治疗： 基于个体基因组学和生物标志物的分析，利用生物纳米电子器件实现药物的精准递送和剂量调控，从而提高疗效，降低副作用。 疾病监测与预警： 可穿戴或植入式的生物纳米电子设备能够实时监测生理参数，预测疾病的发生风险，为预防医学提供支持。 神经科学与康复： 开发与神经系统兼容的接口，用于治疗帕金森病、癫痫等疾病，以及帮助瘫痪患者恢复运动能力。 再生医学： 利用纳米电子器件诱导干细胞分化，促进组织再生和修复。 生物技术与环境保护： 生物制造： 利用生物纳米电子器件调控微生物的代谢过程，实现高效的生物能源、生物材料的生产。 环境监测： 开发能够检测环境中污染物（如重金属、有机污染物）的纳米传感器，为环境保护提供实时数据。 仿生学与机器人： 仿生系统： 创造具有生物体感知、运动和交互能力的仿生机器人。 人机交互： 发展更自然、更直观的人机交互方式，如通过意念控制机器。 基础科学研究： 生命过程的深入理解： 利用生物纳米电子学工具，以前所未有的精度观测和理解生命活动的分子机制，例如单个蛋白质的功能、DNA的复制过程等。 生物纳米电子学是一门充满挑战但同时也充满希望的学科。它要求跨越物理、化学、生物学、材料学、工程学等多个学科的界限，汇聚顶尖的智慧和技术。随着研究的不断深入，我们有理由相信，生物纳米电子学将彻底改变我们认识生命、改造生命、以及利用生命的方式，为人类的健康、福祉和社会发展带来颠覆性的进步。它不仅仅是一项技术，更是一种连接生命本质与人类智慧的全新桥梁，引领我们走向一个更加智能、健康、可持续的未来。

评分☆☆☆☆☆

这本书最让我感到震撼的，是它对“跨界伦理与未来影响”的探讨。在技术细节的论述达到高潮之后，作者并未戛然而止，而是将视角拉远，开始审视生物纳米电子学技术一旦成熟，将如何重塑医疗健康、环境监测乃至信息存储领域。这种宏观视野的切换，让阅读过程充满了思辨的乐趣。我印象非常深的是对“类器官芯片”与“神经接口”的未来展望，作者讨论了如何利用这些技术实现对个体化药物反应的精确预测，以及对神经退行性疾病的深度干预。这种前瞻性的讨论，不仅是对技术潜力的展示，更是一种对科学责任的提醒。它促使读者，无论专业背景如何，都必须思考：当电子世界与生命世界深度融合时，我们应该如何界定“自然”与“人造”的边界？这种深刻的行业反思，使得这本书超越了一般的专业参考书的范畴，成为了一部具有强烈时代印记和思想价值的著作。

评分☆☆☆☆☆

这本关于“生物纳米电子学”的书籍，从一开始就给我一种前沿而深邃的印象。作者在开篇部分，并未急于展示复杂的公式和技术细节，而是用一种近乎哲学的笔触，探讨了生命系统与电子学交汇的宏大图景。我尤其欣赏它对“信息如何在生物体内流动与编码”这一核心问题的探讨，它不仅仅是技术层面的描述，更像是对生命本质的一种重新审视。书中对早期纳米器件设计理念的追溯非常扎实，它没有回避早期研究中的理论瓶颈和实验困境，这使得后续章节中展示的突破显得尤为珍贵。读到后面关于分子器件如何模仿神经元信号传输的部分时，我感觉自己仿佛站在了两个学科的交叉口，既能感受到电子工程的精确性，又能体会到生物体系的精妙与韧性。全书的结构安排，就像是登山者在逐步攀登，从山脚下的基础概念，到中段的复杂环境适应，再到最后的登顶俯瞰全局，每一步都踏实有力，让人心悦诚服。对于任何渴望跨学科思考的读者来说，这本书无疑是一张开启新视野的地图，它提供的不仅仅是知识点，更是一种看待未来科技融合的全新视角。

评分☆☆☆☆☆

这本书的深度，很大程度上体现在它对材料科学和器件物理的融合上。我个人对那些描述纳米尺度下电子输运特性的章节印象尤为深刻。作者没有停留在对传统半导体物理的重复，而是深入探讨了当材料尺寸缩小到分子甚至原子级别时，量子效应和表面效应如何主导整个系统的行为。尤其是对DNA双螺旋结构作为导线或电子受体的讨论，那段论述逻辑缜密，层层递进，清晰地展示了如何将生物大分子的结构信息直接转化为可测量的电信号。更难得的是，书中对现有技术局限性的剖析也毫不避讳，坦诚地指出了当前在生物相容性、长期稳定性以及大规模集成方面面临的挑战。这种“知其然，也知其所以难”的态度，使得全书的论述更具批判性和前瞻性，避免了空泛的乐观主义，给予读者一种脚踏实地的科学精神。它不仅仅是介绍“我们能做什么”，更是在探讨“我们还不能做什么，以及为什么”。

评分☆☆☆☆☆

我必须提到这本书在图文排版上的用心。对于这种高度依赖空间想象力的学科，清晰的插图是至关重要的。这本书的配图质量非常高，不仅仅是简单的示意图，许多都是高度概念化的模型，能够准确地捕捉到复杂的纳米结构和电子流动路径。举个例子，书中关于自组装纳米电路图的部分，那些精细的层级结构图，即便脱离文字说明，也能让人对分子间的精确排列产生直观的理解。而且，图注的编写也非常到位，往往用最精炼的语言概括了图示的物理意义。这种对视觉辅助的重视，极大地提高了信息传递的效率。对于一个非母语背景的读者来说，清晰的视觉引导简直是救命稻草，它帮助我绕过了许多可能因为语言理解偏差而产生的认知障碍，使得复杂的技术细节能够顺畅地被大脑吸收和内化。这表明编著者在设计这本书的阅读体验时，确实投入了大量的精力去考虑读者的实际需求。

评分☆☆☆☆☆

阅读体验上，这本书的语言风格呈现出一种严谨而不失生动的学者气质。作者似乎深谙如何在高深的技术领域中，依然保持叙述的流畅性。我注意到，每当引入一个新的、可能让初学者感到晦涩的概念时，书中总会穿插一个精心挑选的、贴近实际应用的微观案例来加以佐证和软化。例如，在讨论特定生物传感器如何实现对极低浓度生物标志物的实时监测时，作者并未直接给出复杂的响应函数，而是通过一个关于早期疾病诊断的假设情景，让读者“看到”这个技术的潜在价值，然后再循序渐进地揭示其背后的电子学原理。这种叙事上的张弛有度，极大地减轻了阅读过程中的认知负担。我感觉这不像是在啃一本教科书，更像是在与一位经验丰富、且非常擅长表达的导师进行深度对话。它成功地弥合了纯粹的物理化学叙述与实际工程应用之间的鸿沟，使得那些原本看似遥不可及的“未来科技”，变得触手可及，激发了强烈的实践欲望。