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第1章 纳米传感器概论 1

1.1 纳米传感器入门 1

1.2 自然科学 1

1.3 物理学 1

1.3.1 物理学的定义 1

1.3.2 物理学的分支 2

1.3.3 物质的状态、材料及粒子 2

1.3.4 分子、原子以及原子结构 2

1.3.5 力学 3

1.3.6 热学 5

1.3.7 声学 5

1.3.8 光学 5

1.3.9 电学 6

1.3.10 磁学 6

1.3.11 电磁学 7

1.3.12 国际单位制 7

1.4 化学 8

1.4.1 化学的定义 8

1.4.2 元素和化合物 8

1.4.3 有机化合物和无机化合物 8

1.4.4 化学的分类 8

1.4.5 自然元素和人造元素 8

1.4.6 金属、非金属和准金属 9

1.4.7 元素周期表 9

1.4.8 化学变化与化学反应 9

1.4.9 元素的电子结构 10

1.4.10 化学键 10

1.4.11 氧化和还原 10

1.4.12 酸、碱、盐 10

1.4.13 溶液和气体的浓度表达 11

1.4.14 烃类：饱和的与不饱和的 11

1.4.15 烷基和芳基 11

1.4.16 醇和酚 12

1.4.17 羧酸 12

1.4.18 醛和酮 12

1.4.19 胺和氨基酸 12

1.4.20 脂 12

1.4.21 糖类 12

1.4.22 蛋白质和酶 13

1.5 生物学 13

1.5.1 生物学是什么 13

1.5.2 生物学的分支 13

1.5.3 生命的起源和进化 13

1.5.4 细胞 13

1.5.5 细菌和病毒的区别 14

1.5.6 遗传、染色体、基因以及相关术语 15

1.6 半导体电子学 15

1.6.1 什么是半导体电子学 15

1.6.2 导体、半导体和绝缘体中的能带 15

1.6.3 半导体的特性 16

1.6.4 P-N结 17

1.6.5 双极面结型晶体管 18

1.6.6 金属-氧化物-半导体场效应晶体管 19

1.6.7 模拟电路和数字电路 20

1.7 纳米及其量级衡量 20

1.8 纳米科学和纳米技术 21

1.9 纳米材料及其在纳米尺度下的特性 22

1.10 传感器和换能器：“传感器”和“换能器”术语的含义 24

1.11 传感器参数和特性的定义 25

1.12 半导体微传感器的发展历程 26

1.13 传感器微型化发展历程及纳米尺寸测量的必要性 26

1.13.1 微型传感器的优势 27

1.13.2 功耗问题 28

1.13.3 低响应时间 28

1.13.4 多目标检测与多功能性 28

1.13.5 灵敏度考量和功能化需求 29

1.13.6 生物分子接口技术 29

1.13.7 低成本 30

1.13.8 纳米传感器的潜在应用 30

1.14 纳米传感器的定义与分类 30

1.15 物理、化学和生物纳米传感器 32

1.16 纳米传感器实例 33

1.16.1 常见的纳米传感器 33

1.16.2 基于碳纳米管的纳米传感器 34

1.16.3 纳米薄膜传感器 34

1.16.4 基于微悬臂和纳悬臂的纳米传感器 34

1.17 分析和表征工具：纳米材料和纳米传感器的显微技术 34

1.17.1 扫描电子显微镜 35

1.17.2 透射电子显微镜 36

1.17.3 扫描隧道显微镜 36

1.17.4 原子力显微镜 37

1.18 纳米材料和纳米传感器化学成分分析的光谱技术 38

1.18.1 红外光谱 39

1.18.2 紫外-可见光谱 39

1.18.3 拉曼光谱 40

1.18.4 X射线能量色散谱 41

1.18.5 俄歇电子能谱 41

1.18.6 X射线衍射 41

1.18.7 X射线光电子能谱或化学分析电子光谱 41

1.18.8 二次离子质谱 42

1.19 位移纳米传感器：STM 42

1.19.1 操作原理 42

1.19.2 透射系数 44

1.19.3 隧穿电流 48

1.19.4 STM测量 50

1.20 力学纳米传感器：AFM 52

1.20.1 工作原理 52

1.20.2 兰纳-琼斯势与范德华力 53

1.20.3 其他作用力以及电位 56

1.20.4 力学传感器（悬臂）以及力的测量 56

1.20.5 静态和动态原子力显微镜 58

1.20.6 接触式AFM工作模式的分类 59

1.20.7 频率调制原子力显微镜 61

1.20.8 通用计算 62

1.21 概述和本书的结构 64

1.22 讨论和总结 64

习题 65

参考文献 65

第2章 纳米传感器材料 67

2.1 导论 67

2.2 纳米颗粒及原子、分子与体材料之间过渡区的重要性 67

2.3 基于纳米颗粒组分及生成方法的分类 68

2.4 核／壳结构的纳米颗粒 69

2.4.1 无机核／壳结构粒子 69

2.4.2 有机-无机混合核／壳纳米颗粒 70

2.5 纳米尺度下特性的形状依赖性 70

2.6 纳米颗粒特性的尺寸依赖性 71

2.7 固体的表面能 72

2.8 金属纳米颗粒与等离子激元 72

2.8.1 体金属的表面等离子共振 74

2.8.2 金属纳米颗粒的表面等离子带效应 77

2.9 体金属与金属纳米颗粒的光学特性 78

2.9.1 体金属及纳米颗粒的光吸收 78

2.9.2 纳米颗粒的光散射 82

2.10 纳米颗粒表面等离子带位置的参数控制 82

2.10.1 周围电介质的影响 82

2.10.2 防止团聚效应的配体或稳定剂的影响 83

2.10.3 纳米颗粒形状和尺寸的影响 84

2.10.4 成分的影响 84

2.11 量子限制 84

2.11.1 金属中的量子限制 84

2.11.2 半导体中的量子限制 85

2.11.3 带隙能量 87

2.11.4 电子的一维势箱粒子模型对带隙的解释 87

2.12 量子点 92

2.12.1 基本原理 92

2.12.2 紧束缚法获得光学带隙（激子能量）与量子点尺寸的关系 93

2.12.3 量子点与有机荧光团的比较 96

2.12.4 基于组成成分的量子点类型 98

2.12.5 基于结构的量子点分类 98

2.12.6 量子点表面的包覆分子或配体 99

2.13 碳纳米管 100

2.13.1 什么是碳纳米管 100

2.13.2 石墨烯结构 101

2.13.3 单壁碳纳米管结构 102

2.13.4 碳纳米管的机械性能 104

2.13.5 碳纳米管的电学和磁学特性 105

2.14 无机纳米线 106

2.15 纳米多孔材料 106

2.15.1 纳米多孔硅 106

2.15.2 纳米多孔铝 108

2.15.3 纳米颗粒薄膜 108

2.16 讨论与总结 108

习题 108

参考文献 109

第3章 纳米传感器实验室 113

3.1 导论 113

3.2 纳米技术 113

3.2.1 金属纳米颗粒合成 113

3.2.2 半导体纳米颗粒的合成 115

3.2.3 半导体纳米晶体的合成：量子点 116

3.2.4 金属氧化物纳米颗粒的合成 118

3.2.5 碳纳米管的合成 120

3.3 微纳电子学 126

3.3.1 半导体洁净室 126

3.3.2 单晶硅生长和晶圆生产 126

3.3.3 分子束外延法 127

3.3.4 掩模板制作 127

3.3.5 热氧化 128

3.3.6 半导体的杂质扩散 130

3.3.7 离子注入 133

3.3.8 光刻 134

3.3.9 化学气相沉积 139

3.3.10 湿法刻蚀和常见的腐蚀剂 141

3.3.11 反应离子刻蚀 141

3.3.12 聚焦离子束刻蚀和沉积术 142

3.3.13 金属化 142

3.3.14 切割、引线键合和封装 144

3.3.15 IC尺度下降：特殊的技术和工艺 144

3.4 MEMS和NEMS 148

3.4.1 表面微加工和体微加工 148

3.4.2 湿法与干法刻蚀技术 149

3.4.3 深反应离子刻蚀 151

3.4.4 前后面掩模对准 152

3.4.5 多圆片键合和玻璃-硅键合 152

3.4.6 晶圆研磨 153

3.4.7 化学机械抛光 154

3.4.8 电镀 154

3.4.9 LIGA工艺 154

3.4.10 微注射模型 155

3.4.11 热模压和电铸 156

3.4.12 MEMS/NEMS和CMOS工艺的结合 157

3.5 生物化学 157

3.5.1 纳米材料的表面功能化和生物功能化 157

3.5.2 生物元素的固定化 158

3.5.3 传感器-抗体吸附协议 161

3.5.4 生物应用中碳纳米管的功能化 162

3.5.5 量子点的水溶性 162

3.5.6 弱细胞毒性涂料 163

3.6 化学 163

3.6.1 纳米颗粒薄膜沉积 164

3.6.2 纳米气体传感器中的高分子聚合物涂层 164

3.6.3 硅纳米线的金属纳米颗粒功能化在气体传感中的应用 164

3.7 纳米传感器的表征 165

3.8 纳米传感器功率、信号处理和通信 165

3.8.1 动力设备 165

3.8.2 信号处理单元 167

3.8.3 集成纳米传感器系统 167

3.8.4 无线纳米传感器网络 167

3.9 讨论与结论 168

习题 168

参考文献 169

第4章 纳米机械传感器 173

4.1 导论 173

4.2 基于石英晶体微天平的纳克级质量检测 173

4.3 基于MEMS/NEMS谐振器的阿克（10-18g）和仄克（10-21g）级质量检测 176

4.3.1 微悬臂梁的定义和理论 177

4.3.2 悬臂梁的能量耗散和品质因数Q 191

4.3.3 悬臂梁的噪声及其质量检测极限 193

4.3.4 双端固支梁谐振器和双端自由梁谐振器 195

4.4 电子隧道纳米位移传感器 196

4.5 基于库仑阻塞静电计的纳米位移传感器 197

4.5.1 库仑阻塞效应 198

4.5.2 静电计与电子隧道传感器的比较 200

4.6 单电子晶体管纳米位移传感器 200

4.7 磁动势纳米位移传感器 202

4.8 压阻、压电式纳米位移传感器 203

4.9 光学纳米位移传感器 204

4.10 基于两端固定的悬浮式碳纳米管谐振器的飞牛力传感器 204

4.11 用于位移和力测量的悬浮式碳纳米管机电传感器 207

4.12 基于碳纳米管膜的压力传感器 210

4.13 隧道效应加速度计 211

4.13.1 运动检测原理 211

4.13.2 构造和工作原理 211

4.13.3 微机械加速度计 213

4.14 NEMS加速度计 215

4.15 硅纳米线加速度计 215

4.16 应用于离子溶液的碳纳米管流量传感器 217

4.17 讨论与结论 218

习题 220

参考文献 221

第5章 热纳米传感器 225

5.1 导论 225

5.2 基于钨和铂纳米带的纳米热电偶 226

5.3 聚焦离子束化学气相沉积制备电阻热纳米传感器 227

5.4 “金刚石碳纳米线”电阻式纳米温度传感器 227

5.5 基于镍薄膜上碳纳米管的电阻低温（10～300K）纳米传感器 228

5.6 微电极间横向生长的碳纳米管电阻式温度纳米传感器 229

5.7 硅纳米线温度纳米传感器：电阻和二极管结构 231

5.8 基于比率荧光纳米颗粒的温度传感器 232

5.9 基于荧光强度比例技术的Er3+/Yb3＋共掺Gd2O3纳米荧光粉温度传感器 235

5.10 Yb3+-Er3＋共掺杂氟化物纳米颗粒的光加热特性及通过发光现象进行长距离温度传感 238

5.11 基于含卟啉共聚物的热致变色纳米传感器 239

5.12 硅微机械热扫描探测仪 240

5.13 超导热电子纳米辐射热测量计 242

5.14 基于碳纳米管传感元件的热对流加速度计 245

5.15 单壁碳纳米管气流测量传感器 245

5.16 基于批量加工的碳纳米管壁真空压力和流速传感器 246

5.17 纳米隙皮拉尼真空规 247

5.18 基于碳纳米管-聚合物纳米复合材料的红外纳米传感器电导率响应 249

5.19 纳米量热学 250

5.20 讨论和总结 254

习题 256

参考文献 257

第6章 光学纳米传感器 260

6.1 导论 260

6.2 具有LSPR和紫外-可见光谱的贵金属纳米颗粒 263

6.3 基于表面增强拉曼散射的纳米传感器 266

6.4 胶体SPR色度金纳米颗粒分光光度传感器 269

6.5 光纤纳米传感器 272

6.5.1 基于光纤和SWCNT法布里-珀罗反射的光化学纳米传感器 273

6.5.2 光纤纳米谐振腔传感器 275

6.5.3 纳米光纤传感器的活细胞探测技术 277

6.6 基于纳米光栅的光加速度计 278

6.7 荧光pH纳米传感器 280

6.7.1 荧光染色分子标记的可再生纳米玻璃吸管 280

6.7.2 比例式纳米pH传感器 281

6.7.3 界面聚合法制备pH敏感型纳米颗粒微囊 282

6.8 光纤荧光纳米传感器在活细胞研究领域的不足 284

6.9 纳米级PEBBLE传感器的细胞内环境探测技术 284

6.10 基于量子点的荧光标记物 288

6.11 基于荧光能量共振转移技术的量子点探针 293

6.11.1 QD-FRET蛋白质传感器 296

6.11.2 QD-FRET蛋白酶传感器 296

6.11.3 QD-FRET麦芽糖传感器 297

6.11.4 确定Rev与RRE之间分解常数（Kd）传感器 299

6.12 用于远程检测的电致化学发光纳米传感器 300

6.13 基于交叉氧化锌纳米棒的电阻式紫外纳米传感器 302

6.14 讨论和总结 303

习题 305

参考文献 306

第7章 磁纳米传感器 310

7.1 导论 310

7.2 磁电阻传感器 311

7.2.1 常磁电阻效应：霍尔效应 311

7.2.2 各向异性磁电阻效应 311

7.2.3 巨磁电阻效应 312

7.3 隧道磁电阻 321

7.4 巨磁电阻和隧道磁电阻传感器的局限性、优点和应用 322

7.4.1 局限性 322

7.4.2 优点 323

7.4.3 应用 323

7.5 研究分子间相互作用的磁性纳米探针 324

7.5.1 DNA分析 330

7.5.2 蛋白质检测 330

7.5.3 病毒检测 331

7.5.4 端粒酶活性分析 332

7.6 MRI特异性蛋白酶纳米传感器 334

7.7 磁性弛豫开关免疫传感器 335

7.8 磁性纳米传感器微阵列生物芯片 337

7.8.1 原理与动机 337

7.8.2 传感器的选择、设计因素、钝化和磁纳米标签 338

7.8.3 磁阵列运算 340

7.8.4 反应条件对传感器的影响 343

7.8.5 DNA和肿瘤标志物检测 343

7.8.6 巨磁电阻探测系统［灵敏度达到仄摩尔（10-21mol）］ 346

7.8.7 基于微球阵列计数器的生物传感器 347

7.9 针式自旋阀巨磁电阻传感器在生物医学领域的应用 348

7.10 超导磁纳米传感器 349

7.11 隧道式磁场传感器 349

7.12 纳米线磁罗盘与位置传感器 350

7.13 讨论与总结 351

习题 352

参考文献 353

第8章 纳米生物传感器 356

8.1 导论 356

8.2 基于纳米颗粒的电化学生物传感器 357

8.2.1 一氧化氮电化学传感器 360

8.2.2 多巴胺、尿酸和抗坏血酸的测定 361

8.2.3 一氧化碳检测 363

8.2.4 葡萄糖检测 363

8.2.5 金纳米颗粒DNA生物传感器 367

8.2.6 过敏原-抗体反应监测 372

8.2.7 乙型肝炎免疫传感器 372

8.2.8 癌胚胎抗原检测 372

8.2.9 牛奶样品中大肠杆菌检测 373

8.3 基于碳纳米管的电化学生物传感器 373

8.3.1 多巴胺的氧化 374

8.3.2 过氧化氢酶的直接电化学或电催化 375

8.3.3 基于碳纳米管的电化学DNA生物传感器 376

8.3.4 葡萄糖生物传感器 376

8.3.5 胆固醇生物传感器 379

8.3.6 过氧化氢生物传感器 380

8.4 碳纳米管的功能化 381

8.5 基于量子点的电化学生物传感器 381

8.5.1 尿酸生物传感器 381

8.5.2 过氧化氢生物传感器 382

8.5.3 基于硫化镉纳米颗粒修饰电极的葡萄糖检测 383

8.5.4 量子点光触发的葡萄糖检测 384

8.6 基于纳米管和纳米线的平面场效应管纳米生物传感器 385

8.6.1 纳米管与纳米线 385

8.6.2 硅纳米线的功能化 387

8.6.3 DNA和蛋白质检测 387

8.7 基于悬臂梁的纳米生物传感器 389

8.7.1 微悬臂梁表面的生物功能化 391

8.7.2 生物传感的应用 396

8.8 光学纳米生物传感器 398

8.8.1 适配体 398

8.8.2 基于适配体修饰金纳米颗粒的色度腺苷纳米传感器 399

8.8.3 用于同步腺苷、钾离子和可卡因检测的适配体基多色荧光金纳米探针 400

8.8.4 基于适配体覆盖量子点的凝血酶纳米传感器 402

8.8.5 基于量子点的可卡因适配体纳米传感器 403

8.9 生物芯片（微阵列） 404

8.10 讨论和结论 405

习题 407

参考文献 408

第9章 化学纳米传感器 413

9.1 导论 413

9.2 基于纳米材料的气体传感器 414

9.3 基于金属纳米颗粒的气体传感器 414

9.4 金属氧化物气体传感器 415

9.4.1 金属氧化物的气敏机理 419

9.4.2 灵敏度控制参数与热处理影响 421

9.4.3 掺杂对传感器响应的影响 425

9.5 碳纳米管气体传感器 426

9.5.1 碳纳米管的气敏性能 426

9.5.2 单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的响应 428

9.5.3 碳纳米管改性 428

9.5.4 基于碳纳米管的场效应型传感器 430

9.5.5 MWCNT/SnO2氨气传感器 430

9.5.6 基于CNT的声学气传感器 431

9.6 多孔硅基气体传感器 432

9.7 有机聚合物薄膜基气体传感器 433

9.8 静电纺丝聚合物纳米纤维湿度传感器 434

9.9 纳米传感器阵列和纳米电子鼻 434

9.10 基于碳纳米管、纳米线和纳米带的化学纳米传感器 436

9.10.1 基于CNT的离子敏感场效应管型纳米pH传感器 436

9.10.2 NW型pH检测纳米传感器 437

9.10.3 ZnS/Si纳米管场效应管pH传感器 439

9.10.4 桥式纳米线蒸气传感器 440

9.10.5 钯功能化的Si NW氢气传感器 441

9.10.6 聚合物功能化的压电FET湿度纳米传感器 442

9.11 光化学纳米传感器 443

9.11.1 低电位量子点电化学发光金属离子传感器 443

9.11.2 BSA激活CdTe QD Sb3＋检测纳米传感器 444

9.11.3 功能化的CdSe/ZnS QD Hg（Ⅱ）离子检测纳米传感器 446

9.11.4 硅藻气体传感器 447

9.12 讨论与总结 448

习题 449

参考文献 450

第10章 纳米传感器发展趋势 454

10.1 导论 454

10.1.1 纳米传感器的人机接口 454

10.1.2 三类主要纳米传感器 454

10.1.3 相同的纳米材料在不同类型纳米传感器中的响应特性 455

10.1.4 纳米传感器科学、工程和技术：三个相互关联的学科 455

10.1.5 本章范围 455

10.2 扫描隧道显微镜 455

10.3 原子力显微镜 456

10.4 纳米机械传感器 456

10.5 热纳米传感器 460

10.6 光学纳米传感器 461

10.7 磁纳米传感器 463

10.8 纳米生物传感器 464

10.9 化学纳米传感器 466

10.10 纳米传感器制造 468

10.11 体内纳米传感器的问题 470

10.12 用于生物传感器的分子印迹聚合物 470

10.13 纳米传感器接口问题：功耗和样品传送 471

10.14 耗尽-调制型压电驱动NEMS 472

10.15 讨论和结论 473

习题 474

参考文献 475

索引 478