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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：29729250052

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

售价：93.8元,便宜44.2元,折扣67

作者:D.Dragoman

出版社：科学出版社

出版日期：2016-05-01

ISBN：9787030414274

字数：

页码：

版次：1

装帧：圆脊精装

开本：32开

商品重量：0.4kg

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内容提要

目录

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

文摘

序言

生物纳米电子学：探索微观世界的无限可能 在浩瀚的科学殿堂中，有一片新兴而充满活力的疆域，它以极高的精度和前所未有的维度，重塑着我们对生命与电子学的理解。这片疆域，便是“生物纳米电子学”。它并非仅仅是将生物学与纳米技术、电子学简单地相加，而是一种深度融合、相互启发的革命性学科，致力于在纳米尺度上构建、操控和理解具有生物学功能的电子器件。 想象一下，微小的电子元件如同细胞般在体内穿梭，它们能够感知生理信号，精确传递药物，甚至修复受损的组织。又或者，将生物分子的独特识别能力与电子信号的快速响应相结合，开发出能够实时监测疾病标志物的超灵敏传感器。这些曾经只存在于科幻小说中的场景，正随着生物纳米电子学的蓬勃发展，一步步变为现实。 学科的基石：跨越尺度的融合 生物纳米电子学的核心在于其跨越不同尺度的融合能力。它汲取了生物学的精髓，如分子识别、自我组装、生物相容性等特性，同时又借鉴了纳米技术在材料制备、微纳加工和尺寸效应上的优势，并巧妙地运用了电子学在信号处理、信息传输和器件制造上的成熟理论与技术。 生物学的灵感与驱动： 生命本身就是一部精妙绝伦的纳米机器。DNA的复制、蛋白质的折叠、酶的催化反应，无一不展现出纳米尺度下的复杂而有序的工作机制。生物纳米电子学从中汲取灵感，试图模仿、学习甚至超越这些自然的精巧设计。例如，利用DNA的特异性配对来精确组装纳米材料，或者模仿细胞膜的离子通道功能来构建仿生传感器。生物分子本身也常被用作生物纳米电子器件的关键组成部分，如利用酶的催化活性来产生电信号，或者利用抗体的特异性来捕获目标分子。 纳米技术的赋能： 纳米技术为生物纳米电子学提供了实现其宏伟蓝图的物质基础和工具。通过对材料进行原子或分子级别的操纵，可以制备出具有独特电学、光学和磁学性质的纳米材料，如量子点、纳米线、碳纳米管和二维材料（如石墨烯）。这些纳米材料的尺寸优势使其能够与生物分子直接相互作用，并且其表面积与体积之比的增大，能够极大地增强与生物体系的界面效应，从而提高器件的灵敏度和响应速度。此外，纳米加工技术，如电子束光刻、聚焦离子束刻蚀和自组装技术，使得在微纳尺度上构建复杂的电子电路和器件成为可能。 电子学的核心驱动： 电子学为生物纳米电子学提供了信息处理和信号转导的语言。生物分子或生物过程产生的信号，往往是生物化学的、非电的，需要通过电子学的方法将其转化为可读、可分析的电信号。反之，电子学产生的电信号也可以被用来刺激或调控生物过程。从微弱的生物电信号检测，到高效的信息编码与解码，再到能量供给与管理，电子学在整个生物纳米电子器件的设计、制造和应用中扮演着至关重要的角色。 核心研究领域与技术进展 生物纳米电子学是一个多学科交叉的领域，其研究内容广泛而深入，不断涌现出令人兴奋的技术突破。 1. 生物传感器与诊断平台： 这是生物纳米电子学最活跃的应用领域之一。 纳米材料增强型生物传感器： 利用纳米材料（如金纳米颗粒、量子点、纳米线、石墨烯）的优异导电性、催化活性或光学特性，能够极大地提高生物传感器的灵敏度和选择性。例如，将抗体固定在纳米线表面，可以显著提高检测微量生物标志物的能力。 集成化微流控与生物芯片： 将微流控技术与生物纳米电子器件集成，能够在极小的体积内完成样本处理、反应、检测等全过程，实现高通量、低成本的疾病诊断和药物筛选。 即时诊断（Point-of-Care Testing, POCT）： 生物纳米电子学的发展正推动着POCT技术的进步，使得在床边、家庭甚至野外环境下就能快速、准确地进行生物分子检测，极大地缩短了诊断时间，为疾病的早期发现和治疗争取宝贵时间。 基因测序与分析： 纳米孔测序技术利用纳米孔道来检测DNA或RNA分子，结合电子学原理将通过的分子信号转化为数字信息，实现了低成本、高通量的基因组学研究。 2. 生物相容性电子器件与植入物： 这一方向着眼于将电子器件安全、有效地集成到生物体内。 仿生电子皮肤与可穿戴设备： 开发能够模仿人类皮肤感知功能（触觉、温度、压力）的柔性、可拉伸的电子器件，能够用于监测生理信号、提供触觉反馈，甚至作为假肢的感知部件。 神经接口与脑机接口（BCI）： 通过微纳电极阵列，实现对神经信号的精确记录和刺激，为治疗神经系统疾病（如帕金森氏症、癫痫）、康复训练以及人机交互提供了新的可能。生物相容性材料的选择和器件的微创化是该领域的重要挑战。 智能药物输送系统： 将药物封装在纳米载体中，并利用外部电信号或体内环境的变化来精确控制药物的释放，实现靶向治疗，减少副作用。 可植入式传感器与监测设备： 开发能够长期植入体内，持续监测血糖、pH值、氧气水平等生理参数的微型电子设备，为慢性疾病的管理提供更全面的数据支持。 3. 能量收集与转换： 生物体本身蕴含着丰富的能量，生物纳米电子学也在探索如何有效地将其转化为可用的电能。 生物燃料电池： 利用酶或微生物的氧化还原反应来收集生物质的化学能，转化为电能。 压电效应与热电效应： 利用生物体运动产生的机械能或体温产生的热能，通过纳米材料的压电效应或热电效应来发电。 4. 分子电子学与自组装： 这是一个更基础但也极具潜力的研究方向，旨在利用单个分子或分子集合作为电子元件。 分子开关与逻辑门： 利用分子的构象变化或电子态的转变来实现开关功能，构建分子级别的逻辑电路。 自组装纳米结构： 利用生物分子（如DNA、蛋白质）的特定相互作用，指导纳米材料按照预设的模式进行自发组装，形成具有特定功能的纳米器件。 挑战与未来展望 尽管生物纳米电子学取得了令人瞩目的成就，但仍面临诸多挑战： 生物相容性与长期稳定性： 如何设计出在复杂多变的体内环境中能够长期稳定工作，且不引起免疫排斥或毒副作用的器件，是关键问题。 能量供给与管理： 许多生物纳米电子器件需要微小的能量来源，如何实现高效、可持续的能量供给是一个难题。 信号采集与处理的精确性： 生物信号往往微弱且复杂，如何实现高信噪比的信号采集和高效的信息处理，需要更先进的传感和算法技术。 器件的集成与小型化： 将众多的纳米器件集成到更复杂的系统中，同时保持其性能，需要突破微纳加工和封装技术的瓶颈。 伦理与安全问题： 随着生物纳米电子器件的广泛应用，尤其是植入式设备，需要审慎考虑其潜在的伦理、隐私和安全问题。 尽管挑战重重，生物纳米电子学的未来充满光明。随着材料科学、纳米技术、微电子学、分子生物学以及人工智能等领域的协同发展，我们可以预见，生物纳米电子学将继续引领一场深刻的科技革命。它有望在疾病的预防、诊断和治疗方面带来颠覆性的变革，推动个性化医疗和精准医疗的发展。在人机交互、生物制造、环境保护等领域，也将展现出巨大的应用潜力。 生物纳米电子学不仅仅是科学研究的前沿，它更是连接生命与技术的桥梁，是解锁微观世界无限可能性的钥匙。它将引领我们进入一个更加智能、更加健康、更加人性的未来，在这个未来里，科技将以前所未有的方式服务于生命本身，揭示更多生命奥秘，并为人类创造更美好的生活。

评分☆☆☆☆☆

初翻这本书的目录，我立刻被其中宏大而细致的章节划分所吸引。它似乎构建了一个从基础理论到前沿应用的完整知识体系，逻辑脉络清晰得像一张精密绘制的电路图。每一个章节的标题都充满了学术的张力，预示着其中蕴含着大量的硬核信息。我特别留意了关于“新材料在生物界面构建中的应用”那一节，它似乎在试图搭建起传统电子学与生命科学之间那座至关重要的桥梁。然而，在深入阅读前，我内心隐隐存着一丝担忧：如此宏大的叙事结构，是否意味着对细节的取舍？我期待的，是那种既能把握全局，又能在关键技术节点上深入挖掘的深度。如果能看到更多具体实验案例的剖析，哪怕只是片段式的描述，相信会大大增强内容的实操价值和说服力。现在的目录，更像是一份承诺，而我正迫不及待地想检验这份承诺的分量。

评分☆☆☆☆☆

阅读这本书的过程中，我一直在思考它在整个学科图景中的定位。它似乎更侧重于理论模型的构建和基础原理的探讨，这使得它在学术研究的基石层面具有不可替代的价值。书中的论证过程层层递进，逻辑链条几乎无懈可击，体现了深厚的理论功底。然而，在时下这个强调快速转化和产业落地的时代，我个人更希望能看到更多关于“工程化挑战”的探讨。例如，在实际的器件制造过程中，面对生物体系的苛刻环境（如湿度、温度、离子强度变化），现有的材料和设计方案在稳定性上存在哪些根本性的瓶颈？解决这些工程难题所需的跨学科思维碰撞，如果能在书中得到充分的论述，这本书的实用价值和前瞻性无疑会提升一个档次。目前的内容，更像是站在实验室的理想状态下进行推演。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计着实让人眼前一亮，封面那淡雅的蓝色调，配上一些错综复杂的微观结构图案，总能吸引我的目光。我拿到这本书后，立刻被它那种厚重而严谨的气息所感染，感觉这不是一本普通的科普读物，而是一部需要静下心来细细品味的专业著作。内页纸张的质感也非常好，印刷清晰，字里行间透着一种对知识的尊重。不过，如果说有什么期待的话，我希望在图文排版上能有更多的创新。比如，对于一些极其复杂的概念，能否增加一些互动式的插图或者动画链接，让读者在阅读实体书的同时，也能享受到多媒体带来的直观理解。整体而言，从物理载体的角度来看，它无疑是一本值得收藏的佳作，体现了出版方在制作工艺上的匠心独运。它摆在我的书架上，本身就是一种无声的宣言，宣告着我对该领域探索的严肃态度。

评分☆☆☆☆☆

这本书带给我一种强烈的“时代感”，它让人清晰地感受到科学前沿正在以惊人的速度推进。作者对现有文献的引用和梳理非常全面，几乎涵盖了过去十年内所有重要的里程碑事件。这种全面的回顾为我们提供了一个坚实的参照系，让我们能够准确地定位当前研究的热点与盲区。然而，一个稍微让人感到遗憾的地方是，对于未来十年的展望部分，似乎略显保守。科学的魅力往往在于对“未知”的大胆预测和假设。我期待看到更多基于现有技术趋势的、甚至是略显“疯狂”的设想，比如对量子效应在生物系统中应用的探讨，或者对全新计算范式的构想。一本顶尖的著作，理应不仅总结过去，更要勇敢地为未来开辟新的疆域，激发后来者的无限想象。

评分☆☆☆☆☆

这本书的行文风格，可以说是教科书级别的严谨，几乎没有任何冗余的修饰，每一个句子都像经过了精确的数学推导，直奔主题。作者的专业素养毋庸置疑，他似乎习惯于用最凝练的语言去概括最复杂的现象。这对于有一定基础的读者来说，无疑是效率的保证，能够快速捕获核心知识点。但是，对于初学者或者跨领域探索者而言，这种高密度的信息流可能会带来一定的阅读疲劳。我发现自己常常需要停下来，结合查阅其他资料来消化某一小段落。理想中的阅读体验，或许是在保持科学精确性的同时，能适当穿插一些历史背景的叙述，或者那位科学家的“灵光乍现”时刻。那样的话，冰冷的公式和理论才能被赋予鲜活的温度，让知识的获取过程变得更加人性化和易于接受。