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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：29577143756

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：跨越分子界限的智能感知与交互 在人类探索物质世界的漫长旅途中，我们不断突破感知的极限，试图更深入地理解生命本质及其与物理世界的复杂互动。当微观的生物世界遇上精密的电子器件，一个充满无限可能的新领域应运而生——生物纳米电子学。它并非仅仅是简单地将生物分子置于电子器件之上，而是一种深刻的融合，旨在利用生物系统的固有属性来增强电子器件的功能，同时借助电子技术来解析、调控和利用生物过程。 本书将带您深入探寻生物纳米电子学这一前沿交叉学科的迷人世界。我们将从基础的纳米尺度器件原理讲起，逐步揭示如何将生物分子（如DNA、蛋白质、酶、细胞甚至完整的细胞器）巧妙地整合进这些微型电子平台中，从而创造出具有前所未有感知能力和交互功能的“生物混合”器件。这不是对生物或电子学任一领域的简单堆砌，而是一场旨在协同创新、催生革命性应用的探索。 第一部分：纳米电子学基石与生物分子接口 在本书的第一部分，我们将首先搭建起坚实的理论基础。我们将深入剖析各类纳米尺度电子器件的工作原理，包括但不限于： 场效应晶体管（FETs）： 了解其栅极电压如何控制导电沟道的载流子浓度，并以此为基础，探讨如何利用生物分子的电荷特性或与表面相互作用来改变栅极电势，从而实现对器件导电性能的精确调控。我们将详细阐述各种异质结、金属氧化物半导体、纳米线、纳米管等FET架构在生物传感领域的潜力。 电化学传感器： 深入理解电化学反应的机理，以及如何设计电极材料和测量技术来检测生物分子特异性反应产生的电信号。我们将讨论安培型、伏安型、阻抗型等不同电化学传感模式，以及它们在检测葡萄糖、DNA、抗原抗体等目标物时的应用。 量子点和纳米晶体： 探索它们在光电器件中的应用，以及如何通过生物分子的偶联来触发其荧光信号的变化，实现光学传感。我们将讨论量子点的尺寸依赖性光学性质，以及其在生物成像和诊断中的优势。 表面等离子体共振（SPR）传感器： 深入理解SPR现象的物理原理，以及金属纳米结构如何激发表面等离子体波，并对周围介质的折射率变化产生敏感响应。我们将重点介绍如何通过表面修饰生物识别分子，实现对目标生物分子吸附的实时、无标记检测。 在掌握了纳米电子器件的基本原理后，我们将聚焦于构建生物分子与电子器件之间的稳定、高效的“接口”。这包括： 生物分子固定化技术： 详细介绍各种化学、物理吸附、共价键合、亲和力捕获等方法，如何将目标生物分子牢固地锚定在传感器表面，同时尽可能地保持其生物活性。我们将讨论不同固定化策略的优缺点，以及如何优化以提高传感器的灵敏度和稳定性。 界面工程： 探讨如何通过修饰电极表面或纳米器件的材料，来改善生物分子与电子器件之间的电子传输效率、降低非特异性吸附、并提高传感器的信噪比。我们将研究表面涂层、自组装单层膜（SAMs）、功能化纳米颗粒等技术在界面工程中的作用。 生物分子功能维持： 强调在集成过程中，如何最大限度地保护生物分子的三维结构和活性，避免因环境变化或化学修饰而导致的失活。我们将讨论缓冲液、稳定剂、低温存储等策略。 第二部分：生物纳米电子器件的设计与应用 在第二部分，我们将正式进入生物纳米电子器件的设计与实际应用阶段。本书将系统地介绍如何将第一部分所学的知识融会贯通，设计出满足特定需求的生物混合器件，并展示其在各个领域的革命性潜力。 高灵敏度生物传感器： 疾病诊断： 探讨如何构建集成纳米电子器件的生物传感器，实现对疾病标志物（如肿瘤标志物、病毒核酸、致病菌DNA）的超早期、高灵敏度检测，为个性化医疗和快速诊断提供可能。我们将重点介绍基于纳米线FET、金纳米颗粒SPR、电化学栅极耦合等技术的进步。 环境监测： 设计用于检测水体和空气中的污染物、农药残留、重金属离子等的生物纳米电子传感器，实现对环境健康状况的实时、准确评估。我们将讨论酶基生物传感器、DNA适配体传感器在环境监测中的应用。 食品安全： 开发用于快速检测食品中的有害物质、过敏原、非法添加剂的生物传感器，保障公众饮食安全。我们将关注基于免疫传感器、微生物传感器的发展。 仿生电子器件与人机接口： 神经接口： 深入研究如何设计纳米电子探针，用于监测神经元放电信号、甚至实现对神经活动的调控。我们将探讨微电极阵列、纳米线神经探针在脑机接口（BCI）和神经修复领域的应用前景。 人工感官： 探索如何利用生物分子与电子器件的结合，模拟人体的感官功能，例如开发具有气味识别能力的“电子鼻”，或能够检测特定化学物质的“电子舌”。我们将关注基于嗅觉受体、味觉受体等生物识别元素的传感器设计。 药物输送与控制： 设计集成纳米电子元件的药物递送系统，能够根据体内生理信号的变化（如pH值、特定酶活性），精确控制药物的释放时间和剂量，实现靶向治疗。我们将讨论基于微流控、纳米胶囊与电子开关的智能药物递送。 生物过程的监测与控制： 细胞行为分析： 利用纳米电子器件实时监测细胞的生理状态、代谢活动、信号传导等，为细胞生物学研究提供新的工具。我们将介绍基于单细胞电生理记录、细胞阻抗谱分析等技术的应用。 微生物工程： 开发用于监测和调控微生物发酵过程的生物纳米电子器件，优化生物生产效率。我们将关注基于微生物电化学细胞（MECs）和集成传感器的进展。 基因编辑与合成生物学： 探讨如何利用纳米电子器件与分子生物学工具（如CRISPR-Cas9）相结合，实现对基因组的精确编辑和调控，推动合成生物学的发展。 第三部分：挑战、机遇与未来展望 在本书的最后一部分，我们将审视生物纳米电子学领域当前面临的挑战，并展望其激动人心的未来。 技术挑战： 稳定性与耐久性： 探讨生物分子在电子器件工作环境下的长期稳定性和传感器平台的耐久性问题，以及如何通过材料科学和生物工程手段来克服。 灵敏度与选择性： 深入分析提高传感器灵敏度和特异性的瓶颈，以及如何通过多参数检测、信号放大技术、机器学习算法来提升性能。 集成与小型化： 讨论如何将复杂的生物识别元件和精密的电子电路进行高效、大规模的集成，实现器件的小型化和便携化。 生物相容性与安全性： 强调在开发植入式或体内应用的生物纳米电子器件时，必须充分考虑其生物相容性和长期安全性。 机遇与新兴方向： 机器学习与大数据： 探讨如何利用机器学习和大数据分析技术，从海量的生物传感数据中提取有价值的信息，实现更智能的疾病诊断和个性化治疗。 可穿戴与柔性电子： 展望生物纳米电子学在可穿戴设备、柔性电子领域的应用，开发出能够实时监测健康状况、提供生理反馈的智能服装和贴片。 “万物互联”的生物智能： 畅想未来，生物纳米电子器件将构成一个互联的“生物智能网络”，能够感知环境变化，与生物系统深度交互，甚至实现对生命过程的更精细调控。 伦理与社会影响： 数据隐私与安全： 讨论生物纳米电子器件收集的敏感生物信息所带来的隐私和安全问题，以及如何建立相应的法律法规和技术保障。 可及性与公平性： 思考如何确保这些先进技术能够惠及更广泛的人群，避免加剧医疗和技术上的不平等。 结论 生物纳米电子学是一门充满活力、正在飞速发展的交叉学科。它不仅是对物质世界微观层面的深刻洞察，更是人类改造和提升生命能力的重要途径。本书致力于为读者勾勒出这一领域的全景图，从基础原理到前沿应用，再到未来的发展趋势。我们希望通过本书的阐述，能够激发更多研究者和工程师投身于这一激动人心的领域，共同书写生物与电子协同进化的新篇章，最终为人类健康、环境保护和可持续发展带来颠覆性的变革。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计倒是出乎我的意料，这种古朴的纸质配上如此尖端的科学内容，形成了一种奇妙的反差感。我更倾向于从材料科学与工程的角度来审视这本书的贡献。书中对钙钛矿太阳能电池的界面稳定性进行了极其详尽的分析，这一点对我目前的工作非常有启发性。作者细致地描述了不同钝化层对电荷迁移率的影响，并提供了大量对比实验的数据图表，直观易懂，远胜于那些只有文字描述的文献。尤其是关于高通量计算辅助下的新型催化剂筛选那一段，它展示了如何利用先进的计算工具来加速材料的发现过程，这种跨学科的融合写得非常精彩。尽管书中对某些合成步骤的描述略显保守，缺乏一些“黑科技”的野路子，但其遵循的标准科研范式保证了内容的可靠性。总而言之，它像一本严谨的实验手册，指导着如何在实验室环境中复现并优化复杂材料体系的性能。

评分☆☆☆☆☆

从信息存储与处理的视角来看，这本书的某些章节简直是为我量身定做的“武功秘籍”。我对自旋电子学中的马格努斯效应在逻辑门设计中的应用这一主题特别感兴趣，书中对斯皮诺-轨道耦合的深入剖析，清晰地解释了如何利用自旋作为信息载体进行更高效的计算。作者在论述中，毫不避讳地指出了当前技术路线的瓶颈，例如如何稳定地控制居里温度，这显示了作者对现实困难的清醒认识。此外，书中对生物兼容性传感器阵列的信号采集与噪声抑制的处理方法，提供了很多实用的滤波和数据预处理技巧，这些都是在标准电子学课程中很难学到的实战经验。整本书的排版非常大气，图表质量极高，即便是放大观察复杂的能带结构图，细节也一览无余。这使得长时间阅读也不会因为视觉疲劳而影响对知识的吸收。

评分☆☆☆☆☆

阅读体验上，这本书的节奏把握得非常好，它不像某些学术著作那样枯燥乏味，而是巧妙地将复杂的物理模型融入到实际的工程挑战中去讲述。举个例子，当作者讨论到柔性电子器件中的应力-应变响应机制时，他没有用晦涩的数学语言堆砌，而是通过生动的比喻，将材料的“疲劳”过程描绘得栩栩如生，仿佛材料本身在向我们诉说它的脆弱。这种“讲故事”的方式大大降低了阅读的心理负担。另外，书中对微纳流控芯片在生物传感领域的应用拓展非常到位，这部分内容展现了强大的应用前景。作者对流体力学在微尺度下行为的描述，简洁而精准，让人很容易抓住核心的物理驱动力。我尤其欣赏作者在章节末尾设置的“延伸思考”部分，它常常会抛出一个尚未解决的难题，激发读者去主动探索下一个研究方向，这种互动性是很多传统教材所不具备的。

评分☆☆☆☆☆

不得不说，这本书在跨学科前沿的整合能力上达到了一个非常高的水准。它成功地架起了物理学、材料学和生命科学之间的桥梁。我最震撼的是关于基于核酸适配体的智能响应型纳米机器的设计原理部分。作者不仅讲解了适配体如何特异性结合靶标，更重要的是，他阐述了如何将这种生物识别事件转化为可测量的电信号或机械形变，这中间涉及到的化学键合理论和信号转导模型处理得非常得当。这种将微观生物分子行为宏观化的能力，是这本书最大的亮点之一。阅读时，我感觉自己像是被邀请去参加了一场顶尖科学家之间的圆桌会议，每个人都在从自己的专业角度贡献智慧，而这本书就是这场会议的完美记录。它不仅仅是知识的堆砌，更是一种思维方式的引导，鼓励我们打破学科壁垒，用更广阔的视野去看待未来的科技发展。

评分☆☆☆☆☆

这部厚重的著作，甫一翻开，便扑面而来一股浓郁的学术气息，让人感觉仿佛置身于一个充满前沿科技的实验室中。作者的叙事风格极其严谨，每一个公式、每一个实验细节都经过了反复的推敲和验证，展现了极高的专业素养。特别是关于量子隧穿效应在新型存储器设计中的应用那几章，简直是教科书级别的阐述。他没有停留在表面的概念介绍，而是深入剖析了材料的微观结构如何影响宏观的电子行为，那种层层递进的逻辑推导，让人不得不佩服作者深厚的理论功底。我特别留意了其中关于拓扑绝缘体在低功耗电路中的潜在价值的讨论，作者清晰地勾勒出了从基础物理原理到实际器件构建的完整路径，论证过程严密且富有洞察力。读完这部分，我感觉自己对未来信息技术的物理极限又有了更深一层的理解。虽然部分内容对于非专业人士来说门槛略高，需要查阅不少背景资料来辅助理解，但这恰恰也体现了本书的价值所在——它面向的是那些真正渴望啃下硬骨头的研究者和高阶学生，绝非肤浅的科普读物。