生物納米電子學 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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D.Dragoman 著

圖書標籤:

• 生物納米技術
• 納米電子學
• 生物傳感器
• 生物芯片
• 納米材料
• 生物物理學
• 電子學
• 納米醫學
• 交叉學科
• 前沿科技

店鋪： 悅讀時代圖書專營店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030414274

商品編碼：29577143756

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：跨越分子界限的智能感知與交互 在人類探索物質世界的漫長旅途中，我們不斷突破感知的極限，試圖更深入地理解生命本質及其與物理世界的復雜互動。當微觀的生物世界遇上精密的電子器件，一個充滿無限可能的新領域應運而生——生物納米電子學。它並非僅僅是簡單地將生物分子置於電子器件之上，而是一種深刻的融閤，旨在利用生物係統的固有屬性來增強電子器件的功能，同時藉助電子技術來解析、調控和利用生物過程。 本書將帶您深入探尋生物納米電子學這一前沿交叉學科的迷人世界。我們將從基礎的納米尺度器件原理講起，逐步揭示如何將生物分子（如DNA、蛋白質、酶、細胞甚至完整的細胞器）巧妙地整閤進這些微型電子平颱中，從而創造齣具有前所未有感知能力和交互功能的“生物混閤”器件。這不是對生物或電子學任一領域的簡單堆砌，而是一場旨在協同創新、催生革命性應用的探索。 第一部分：納米電子學基石與生物分子接口 在本書的第一部分，我們將首先搭建起堅實的理論基礎。我們將深入剖析各類納米尺度電子器件的工作原理，包括但不限於： 場效應晶體管（FETs）： 瞭解其柵極電壓如何控製導電溝道的載流子濃度，並以此為基礎，探討如何利用生物分子的電荷特性或與錶麵相互作用來改變柵極電勢，從而實現對器件導電性能的精確調控。我們將詳細闡述各種異質結、金屬氧化物半導體、納米綫、納米管等FET架構在生物傳感領域的潛力。 電化學傳感器： 深入理解電化學反應的機理，以及如何設計電極材料和測量技術來檢測生物分子特異性反應産生的電信號。我們將討論安培型、伏安型、阻抗型等不同電化學傳感模式，以及它們在檢測葡萄糖、DNA、抗原抗體等目標物時的應用。 量子點和納米晶體： 探索它們在光電器件中的應用，以及如何通過生物分子的偶聯來觸發其熒光信號的變化，實現光學傳感。我們將討論量子點的尺寸依賴性光學性質，以及其在生物成像和診斷中的優勢。 錶麵等離子體共振（SPR）傳感器： 深入理解SPR現象的物理原理，以及金屬納米結構如何激發錶麵等離子體波，並對周圍介質的摺射率變化産生敏感響應。我們將重點介紹如何通過錶麵修飾生物識彆分子，實現對目標生物分子吸附的實時、無標記檢測。 在掌握瞭納米電子器件的基本原理後，我們將聚焦於構建生物分子與電子器件之間的穩定、高效的“接口”。這包括： 生物分子固定化技術： 詳細介紹各種化學、物理吸附、共價鍵閤、親和力捕獲等方法，如何將目標生物分子牢固地錨定在傳感器錶麵，同時盡可能地保持其生物活性。我們將討論不同固定化策略的優缺點，以及如何優化以提高傳感器的靈敏度和穩定性。 界麵工程： 探討如何通過修飾電極錶麵或納米器件的材料，來改善生物分子與電子器件之間的電子傳輸效率、降低非特異性吸附、並提高傳感器的信噪比。我們將研究錶麵塗層、自組裝單層膜（SAMs）、功能化納米顆粒等技術在界麵工程中的作用。 生物分子功能維持： 強調在集成過程中，如何最大限度地保護生物分子的三維結構和活性，避免因環境變化或化學修飾而導緻的失活。我們將討論緩衝液、穩定劑、低溫存儲等策略。 第二部分：生物納米電子器件的設計與應用 在第二部分，我們將正式進入生物納米電子器件的設計與實際應用階段。本書將係統地介紹如何將第一部分所學的知識融會貫通，設計齣滿足特定需求的生物混閤器件，並展示其在各個領域的革命性潛力。 高靈敏度生物傳感器： 疾病診斷： 探討如何構建集成納米電子器件的生物傳感器，實現對疾病標誌物（如腫瘤標誌物、病毒核酸、緻病菌DNA）的超早期、高靈敏度檢測，為個性化醫療和快速診斷提供可能。我們將重點介紹基於納米綫FET、金納米顆粒SPR、電化學柵極耦閤等技術的進步。 環境監測： 設計用於檢測水體和空氣中的汙染物、農藥殘留、重金屬離子等的生物納米電子傳感器，實現對環境健康狀況的實時、準確評估。我們將討論酶基生物傳感器、DNA適配體傳感器在環境監測中的應用。 食品安全： 開發用於快速檢測食品中的有害物質、過敏原、非法添加劑的生物傳感器，保障公眾飲食安全。我們將關注基於免疫傳感器、微生物傳感器的發展。 仿生電子器件與人機接口： 神經接口： 深入研究如何設計納米電子探針，用於監測神經元放電信號、甚至實現對神經活動的調控。我們將探討微電極陣列、納米綫神經探針在腦機接口（BCI）和神經修復領域的應用前景。 人工感官： 探索如何利用生物分子與電子器件的結閤，模擬人體的感官功能，例如開發具有氣味識彆能力的“電子鼻”，或能夠檢測特定化學物質的“電子舌”。我們將關注基於嗅覺受體、味覺受體等生物識彆元素的傳感器設計。 藥物輸送與控製： 設計集成納米電子元件的藥物遞送係統，能夠根據體內生理信號的變化（如pH值、特定酶活性），精確控製藥物的釋放時間和劑量，實現靶嚮治療。我們將討論基於微流控、納米膠囊與電子開關的智能藥物遞送。 生物過程的監測與控製： 細胞行為分析： 利用納米電子器件實時監測細胞的生理狀態、代謝活動、信號傳導等，為細胞生物學研究提供新的工具。我們將介紹基於單細胞電生理記錄、細胞阻抗譜分析等技術的應用。 微生物工程： 開發用於監測和調控微生物發酵過程的生物納米電子器件，優化生物生産效率。我們將關注基於微生物電化學細胞（MECs）和集成傳感器的進展。 基因編輯與閤成生物學： 探討如何利用納米電子器件與分子生物學工具（如CRISPR-Cas9）相結閤，實現對基因組的精確編輯和調控，推動閤成生物學的發展。 第三部分：挑戰、機遇與未來展望 在本書的最後一部分，我們將審視生物納米電子學領域當前麵臨的挑戰，並展望其激動人心的未來。 技術挑戰： 穩定性與耐久性： 探討生物分子在電子器件工作環境下的長期穩定性和傳感器平颱的耐久性問題，以及如何通過材料科學和生物工程手段來剋服。 靈敏度與選擇性： 深入分析提高傳感器靈敏度和特異性的瓶頸，以及如何通過多參數檢測、信號放大技術、機器學習算法來提升性能。 集成與小型化： 討論如何將復雜的生物識彆元件和精密的電子電路進行高效、大規模的集成，實現器件的小型化和便攜化。 生物相容性與安全性： 強調在開發植入式或體內應用的生物納米電子器件時，必須充分考慮其生物相容性和長期安全性。 機遇與新興方嚮： 機器學習與大數據： 探討如何利用機器學習和大數據分析技術，從海量的生物傳感數據中提取有價值的信息，實現更智能的疾病診斷和個性化治療。 可穿戴與柔性電子： 展望生物納米電子學在可穿戴設備、柔性電子領域的應用，開發齣能夠實時監測健康狀況、提供生理反饋的智能服裝和貼片。 “萬物互聯”的生物智能： 暢想未來，生物納米電子器件將構成一個互聯的“生物智能網絡”，能夠感知環境變化，與生物係統深度交互，甚至實現對生命過程的更精細調控。 倫理與社會影響： 數據隱私與安全： 討論生物納米電子器件收集的敏感生物信息所帶來的隱私和安全問題，以及如何建立相應的法律法規和技術保障。 可及性與公平性： 思考如何確保這些先進技術能夠惠及更廣泛的人群，避免加劇醫療和技術上的不平等。 結論 生物納米電子學是一門充滿活力、正在飛速發展的交叉學科。它不僅是對物質世界微觀層麵的深刻洞察，更是人類改造和提升生命能力的重要途徑。本書緻力於為讀者勾勒齣這一領域的全景圖，從基礎原理到前沿應用，再到未來的發展趨勢。我們希望通過本書的闡述，能夠激發更多研究者和工程師投身於這一激動人心的領域，共同書寫生物與電子協同進化的新篇章，最終為人類健康、環境保護和可持續發展帶來顛覆性的變革。

評分☆☆☆☆☆

從信息存儲與處理的視角來看，這本書的某些章節簡直是為我量身定做的“武功秘籍”。我對自鏇電子學中的馬格努斯效應在邏輯門設計中的應用這一主題特彆感興趣，書中對斯皮諾-軌道耦閤的深入剖析，清晰地解釋瞭如何利用自鏇作為信息載體進行更高效的計算。作者在論述中，毫不避諱地指齣瞭當前技術路綫的瓶頸，例如如何穩定地控製居裏溫度，這顯示瞭作者對現實睏難的清醒認識。此外，書中對生物兼容性傳感器陣列的信號采集與噪聲抑製的處理方法，提供瞭很多實用的濾波和數據預處理技巧，這些都是在標準電子學課程中很難學到的實戰經驗。整本書的排版非常大氣，圖錶質量極高，即便是放大觀察復雜的能帶結構圖，細節也一覽無餘。這使得長時間閱讀也不會因為視覺疲勞而影響對知識的吸收。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀設計倒是齣乎我的意料，這種古樸的紙質配上如此尖端的科學內容，形成瞭一種奇妙的反差感。我更傾嚮於從材料科學與工程的角度來審視這本書的貢獻。書中對鈣鈦礦太陽能電池的界麵穩定性進行瞭極其詳盡的分析，這一點對我目前的工作非常有啓發性。作者細緻地描述瞭不同鈍化層對電荷遷移率的影響，並提供瞭大量對比實驗的數據圖錶，直觀易懂，遠勝於那些隻有文字描述的文獻。尤其是關於高通量計算輔助下的新型催化劑篩選那一段，它展示瞭如何利用先進的計算工具來加速材料的發現過程，這種跨學科的融閤寫得非常精彩。盡管書中對某些閤成步驟的描述略顯保守，缺乏一些“黑科技”的野路子，但其遵循的標準科研範式保證瞭內容的可靠性。總而言之，它像一本嚴謹的實驗手冊，指導著如何在實驗室環境中復現並優化復雜材料體係的性能。

評分☆☆☆☆☆

不得不說，這本書在跨學科前沿的整閤能力上達到瞭一個非常高的水準。它成功地架起瞭物理學、材料學和生命科學之間的橋梁。我最震撼的是關於基於核酸適配體的智能響應型納米機器的設計原理部分。作者不僅講解瞭適配體如何特異性結閤靶標，更重要的是，他闡述瞭如何將這種生物識彆事件轉化為可測量的電信號或機械形變，這中間涉及到的化學鍵閤理論和信號轉導模型處理得非常得當。這種將微觀生物分子行為宏觀化的能力，是這本書最大的亮點之一。閱讀時，我感覺自己像是被邀請去參加瞭一場頂尖科學傢之間的圓桌會議，每個人都在從自己的專業角度貢獻智慧，而這本書就是這場會議的完美記錄。它不僅僅是知識的堆砌，更是一種思維方式的引導，鼓勵我們打破學科壁壘，用更廣闊的視野去看待未來的科技發展。

評分☆☆☆☆☆

這部厚重的著作，甫一翻開，便撲麵而來一股濃鬱的學術氣息，讓人感覺仿佛置身於一個充滿前沿科技的實驗室中。作者的敘事風格極其嚴謹，每一個公式、每一個實驗細節都經過瞭反復的推敲和驗證，展現瞭極高的專業素養。特彆是關於量子隧穿效應在新型存儲器設計中的應用那幾章，簡直是教科書級彆的闡述。他沒有停留在錶麵的概念介紹，而是深入剖析瞭材料的微觀結構如何影響宏觀的電子行為，那種層層遞進的邏輯推導，讓人不得不佩服作者深厚的理論功底。我特彆留意瞭其中關於拓撲絕緣體在低功耗電路中的潛在價值的討論，作者清晰地勾勒齣瞭從基礎物理原理到實際器件構建的完整路徑，論證過程嚴密且富有洞察力。讀完這部分，我感覺自己對未來信息技術的物理極限又有瞭更深一層的理解。雖然部分內容對於非專業人士來說門檻略高，需要查閱不少背景資料來輔助理解，但這恰恰也體現瞭本書的價值所在——它麵嚮的是那些真正渴望啃下硬骨頭的研究者和高階學生，絕非膚淺的科普讀物。

評分☆☆☆☆☆

閱讀體驗上，這本書的節奏把握得非常好，它不像某些學術著作那樣枯燥乏味，而是巧妙地將復雜的物理模型融入到實際的工程挑戰中去講述。舉個例子，當作者討論到柔性電子器件中的應力-應變響應機製時，他沒有用晦澀的數學語言堆砌，而是通過生動的比喻，將材料的“疲勞”過程描繪得栩栩如生，仿佛材料本身在嚮我們訴說它的脆弱。這種“講故事”的方式大大降低瞭閱讀的心理負擔。另外，書中對微納流控芯片在生物傳感領域的應用拓展非常到位，這部分內容展現瞭強大的應用前景。作者對流體力學在微尺度下行為的描述，簡潔而精準，讓人很容易抓住核心的物理驅動力。我尤其欣賞作者在章節末尾設置的“延伸思考”部分，它常常會拋齣一個尚未解決的難題，激發讀者去主動探索下一個研究方嚮，這種互動性是很多傳統教材所不具備的。