Бионаноинженерия. Книга 15

 
 
 
 
 
 
 
 
КОМПЛЕКТ 

учебно-методических комплексов дисциплин 
по тематическому направлению деятельности 
национальной нанотехнологической сети 

«НАНОИНЖЕНЕРИЯ» 

Бионаноинженерия 

БИБЛИОТЕКА «НАНОИНЖЕНЕРИЯ» 

 
В семнадцати книгах 
 
 
 1. МЕТОДЫ МИКРОСКОПИИ 

 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 
В НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 3. ВЫСОКОВАКУУМНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 
В НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 4. МНОГОКОМПОНЕНТНОЕ 3D-ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
НАНОСИСТЕМ 

 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 
НАНОСИСТЕМ 

 6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАНОСЕНСОРОВ 

 7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 
НАНОСИСТЕМ 

 8. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ НАНОСИСТЕМ 

 9. МЕТОДЫ ЛИТОГРАФИИ В НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 10. ЭЛИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ 

 11. ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ 

 12. ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ 

 13. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
НАНОСИСТЕМ 

 14. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МИКРО- 
И НАНОСИСТЕМ 

 15. БИОНАНОИНЖЕНЕРИЯ 

 16. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 17. САПР НАНОСИСТЕМ 

 
 
 
 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана 
Москва 2011 

Список сокращений 
3 

А. И. Власов, А. А. Денисов, К. А. Елсуков 
 
 
 
 
 
 
 
БИОНАНОИНЖЕНЕРИЯ 
 
 
 
 
 
Учебно-методический комплекс 
по тематическому направлению деятельности 
ННС «Наноинженерия» 
 
 
 
Под редакцией заслуженного деятеля науки РФ, 
члена-корреспондента РАН, профессора 
В. А. Шахнова 
 
 
Допущено учебно-методическим объединением вузов 
по университетскому политехническому образованию 
в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению 152200 «Наноинженерия» 
 
 
 

 

Бионаноинженерия 

УДК 361.3.06; 621.382 
ББК 22.3 
 
В58 
 
УМК подготовлен в соответствии с заданием государственного контракта 
№ 16.647.12.2008 на выполнение работ в рамках направления 2 федеральной 
целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии 
в Российской Федерации на 2008–2011 годы» 
 
Рецензенты: 

кафедра «Вакуумная электроника» Московского физико-технического 
института (зав. кафедрой, академик РАН  А. С. Бугаев); 
кафедра «Электроника и информатика» Российского государственного 
технологического университета им. К. Э. Циолковского 
(зав. кафедрой, профессор  С. Б. Беневоленский) 
 
 

В58 

Власов А. И.

Бионаноинженерия : учеб. пособие / А. И. Власов, А. А. Денисов, 

К. А. Елсуков. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. –
224 с. : ил. (Библиотека «Наноинженерия» : в 17 кн. Кн. 15).

 
ISBN 978-5-7038-3506-7 (кн. 15) 
 
ISBN 978-5-7038-3509-8 
Конспект лекций по дисциплине «Бионаноинженерия» содержит краткое 
изложение курса, рекомендации по организации и проведению лекций, перечень учебных видео- и аудиоматериалов, слайдов, типовых плакатов и другие дидактические материалы для работы профессорско-преподавательского 
состава по данной дисциплине. 
Для студентов, аспирантов и преподавателей высших технических учебных заведений по направлению подготовки «Нанотехнология» с профилем 
подготовки «Наноинженерия», а также всех, занимающихся вопросами 
нанотехнологий, наноинженерии, проектированием МЭМС и НЭМС, созданием электронных систем различного назначения. 
 
УДК 361.3.06; 621.382 
ББК 22.3 
 
 
 
 
 Власов А. И., Денисов А. А., 
 
 
Елсуков К. А., 2011 
 
 Министерство образования 
 
 
и науки РФ, 2011 
ISBN 978-5-7038-3506-7 (кн. 15) 
 Оформление. Издательство МГТУ 
ISBN 978-5-7038-3509-8 
 
им. Н. Э. Баумана, 2011 

Список сокращений 
5 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Успех в продвижении России по нанотехнологическому пути 
развития во многом будет зависеть от эффективности системы 
подготовки кадров, для создания и развития которой необходимо 
современное и качественное учебно-методическое обеспечение. 
Основная особенность нанотехнологии – ее междисциплинарный характер, который требует особых методических приемов 
и подбора соответствующего научного и учебного материала. 
В настоящее время имеется существенная нехватка учебнометодического обеспечения такого характера. Поэтому адаптация 
учебно-методического обеспечения для подготовки кадров по программам высшего профессионального образования для тематических направлений ННС и его апробация на базе ведущих университетов Российской Федерации направлены на реализацию инновационной модели образования, подразумевающую тесную связь 
учебного и научно-исследовательского процесса на базе проектных методов обучения, современных экспериментальных методик 
и перспективных технологических процессов создания наноматериалов, наноструктур, приборов, устройств и систем на их основе. 
Современные образовательные программы должны обеспечивать 
приобретение студентами профессиональных навыков и компетенций, необходимых для эффективной и самостоятельной работы 
в наноиндустрии. 
В связи с этим актуальной задачей является разработка и издание УМК, которые обеспечат учебно-методическую поддержку 
подготовки бакалавров и магистров по основным образовательным 
программам высшего профессионального образования по тематическому направлению деятельности ННС «Наноинженерия» образовательными учреждениями высшего профессионального образования на территории Российской Федерации. 
Целью создания данного комплекта УМК является повышение 
эффективности междисциплинарной подготовки бакалавров и магистров путем распространения передового опыта в разработке 

Бионаноинженерия 

УМО среди вузов, осуществляющих подготовку по тематическим 
направлениям ННС, и внедрения компонентов вариативного 
маршрутного обучения на базе адаптированного учебно-методического комплекса дисциплин по тематическому направлению деятельности ННС «Наноинженерия». 
УМК разработаны коллективом авторов в рамках реализации 
федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры 
наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2011 годы». 
На базе представленных УМК создана вариативная система 
маршрутного междисциплинарного обучения студентов по тематическому направлению деятельности ННС «Наноинженерия», 
обеспечивающая подготовку квалифицированных специалистов 
с соответствующими профилями. Разработаны электронные версии учебно-методических комплексов дисциплин на основе Webверсии, соответствующей стандарту SCORM 2004, 3rd edition 
(http://nanolab.iu4.bmstu.ru). 
Глубокую благодарность авторы выражают рецензентам: А. С. Бугаеву – академику РАН, заведующему кафедрой Московского физико-технического института, и С. Б. Беневоленскому – профессору, 
заведующему кафедрой Российского государственного технологического университета им. К. Э. Циолковского, чьи замечания способствовали улучшению содержания УМК. 
Разработанные УМК обеспечат учебно-методическую поддержку подготовки бакалавров и магистров по основным образовательным программам высшего профессионального образования 
по направлению подготовки «Нанотехнология» с профилем подготовки «Наноинженерия» образовательными учреждениями высшего профессионального образования на территории Российской Федерации. 
Авторы будут признательны читателям за все замечания по содержанию УМК, которые следует направлять по адресу: 105005, 
Москва, 2-я Бауманская ул., МГТУ им. Н. Э. Баумана. 
 
В. А. Шахнов 

Список сокращений 
7 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

АДФ 
– аденозиндифосфат 
АИВК – автоматизированный измерительно-вычислительный 
комплекс 
АИС 
– автоматизированная измерительная система 
АПК 
– аппаратно-программный комплекс 
АСА 
– атомный спектральный анализ 
АСМ 
– атомно-силовая микроскопия; атомно-силовой микроскоп 
АСУ 
– автоматическая система управления 
АТФ 
– аденозинтрифосфат 
АЧХ 
– амплитудно-частотная характеристика 
ВАХ 
– вольт-амперная характеристика 
ВИ 
– виртуальный инструмент 
ДНК 
– дезоксирибонуклеиновая кислота 
ЖК 
– жидкие кристаллы 
ЖХВР – жидкостная хроматография высокого разрешения 
ИВК 
– измерительно-вычислительный комплекс 
ИК 
– инфракрасный свет 
ИП 
– источник питания 
ИС 
– измерительная система 
ИС 
– интегральная схема 
ИТО 
– исследуемый технический объект 
КИП 
– контрольно-измерительные приборы 
КНИ 
– кремний-на-изоляторе 
ЛД 
– лазерный диод 
МГЭ 
– метод граничных элементов 
МК 
– микрокантилевер 
МКР 
– метод конечных разностей 
МКЭ 
– метод конечных элементов 
МЛЭ 
– молекулярно-лучевая эпитаксия 
МПВ 
– метод постоянной высоты 
МПТ 
– метод постоянного тока 

Бионаноинженерия 

мРНК 
– матричная (информационная) РНК 
МРС 
– магнетронная распылительная система 
МСА 
– молекулярный спектральный анализ 
МСМ 
– магнитно-силовая микроскопия 
МЭМС – микроэлектромеханическая система 
НПМ 
– нанопористый материал 
НРС 
– наноразмерная структура 
НЭМС – наноэлектромеханическая система 
ОИ 
– объект испытаний 
ОС 
– оптическая система 
п.о. 
– пара оснований (пара нуклеотидов) 
ПАВ 
– поверхностно-активное вещество; поверхностные акустические волны 
ПК 
– персональный компьютер 
ПЛИС 
– программируемая логическая интегральная схема 
ПММА – полиметилметакрилат 
ПО 
– программное обеспечение 
ПЦР 
– полимеразная цепная реакция 
ПЭМ 
– просвечивающая электронная микроскопия; просвечивающий электронный микроскоп 
РНК 
– рибонуклеиновая кислота 
РРА 
– рентгенорадиометрический анализ 
РСМА – рентгеноспектральный микроанализ 
РЭМ 
– растровая электронная микроскопия 
САПР 
– система автоматического проектирования 
СБИС 
– сверхбольшие интегральные схемы 
СБОМ – сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия 
СВД 
– спектрометр волновой дисперсии 
СВЧ 
– сверхвысокие частоты 
СЗМ 
– сканирующая зондовая микроскопия 
СПЗ 
– стеклозеркальная поверхность 
СТМ 
– сканирующая туннельная микроскопия 
СЭМ 
– сканирующая электронная микроскопия; сканирующий электронный микроскоп 
ТП 
– технологический процесс 
тРНК 
– транспортная РНК 
УФ 
– ультрафиолет 
ФД 
– фотодиод 
ЧЭ 
– чувствительный элемент 

Список сокращений 
9 

ЭВМ 
– электронная вычислительная машина 
ЭСМ 
– электростатическая силовая микроскопия 
CAD 
– Computer Aided Design 
DDE 
– Dynamic Data Exchange 
DSP 
– Digital Signal Processing 
DXF 
– Data Exchange Format 
ELISA – Enzyme-linked Immunosorbent Assay – иммуноферментный анализ 
FEA 
– Finite Element Analyze 
FRET 
– Fluorescence Resonance Energy Transfer – флюоресцентный резонансный перенос энергии 
HRP 
– Horseradish Peroxidase – пероксидаза хрена 
IgG 
– иммуноглобулин G 
ISE 
– Ion-Sensitive Electrode – ионочувствительный электрод 
ISFET 
– Ion-Sensitive Field-Effect Transistor – ионочувствительный полевой транзистор 
ITO 
– Indium tin oxide – оксид на основе индия и олова 
MRI 
– Magnetic Resonance Imaging – магнитно-резонансная 
томография 
NAD 
– Nicotinamide Adenine Dinucleotide – никотинамидадениндинуклеотид 
NADH – NAD, reduced form – никотинамидадениндинуклеотид, 
восстановленный 
nDEP 
– Negative Dielectrophoresis – отрицательный диэлектрофорез 
PDMS 
– Polydimethylsiloxane – полидиметилсилоксан (полимер) 
PEG 
– Polyethylene Glycol – полиэтиленгликоль 
PGA 
– Polyglycolic Acid – полигликолевая кислота 
PLA 
– Polylactic Acid – полимолочная кислота 
PTG 
– Protein G 
QCM 
– Quartz Crystal Microbalance – кварцевые микровесы 
SAM 
– Self-assembled Monolayer – самособирающийся монослой 
SCE 
– Saturated Calomel Electrode – каломельный электрод 
(электрод сравнения) 
SNP 
– Single-nucleotide polymorphism – однонуклеотидный 
полиморфизм 

ВВЕДЕНИЕ 

Дисциплина «Бионаноинженерия» является комплексной, вариативной дисциплиной в программе подготовки специалистов по 
профилю «Наноинженерия». Вариативность определяется конкретной специализацией подготовки, одним из базовых УМК по дисциплине является УМК «Исследования нанокластеров на молекулярном уровне», который охватывает основные вопросы по построению и практическому применению сенсорных и измерительных 
систем для исследования нанокластеров и органических соединений 
средствами зондовой микроскопии, а также построению сложных 
наносистем на их основе. 
УМК «Бионаноинженерия» строится на основе оптимального 
соотношения теоретических и прикладных вопросов с обязательным участием студентов в самостоятельном исследовании особенностей процессов исследования нанокластеров на молекулярном 
уровне. Программа дисциплины направлена на решение задач, которые ставятся перед специалистами в современных условиях разработки и производства сенсорных устройств, требующих широких 
знаний как в области проектирования и технологии производства 
ЭС, так и в методах их сертификации и измерений. Лабораторные 
работы, включенные в состав дисциплины, спланированы таким образом, чтобы студенты могли осознать, закрепить и расширить знания, полученные на предшествующих им лекциях, а также смогли 
сами провести исследование нанокластеров и органических соединений при помощи самых современных методов. 
Учитывая большое разнообразие измерительных методов, методологий и приборов для проведения исследований, в состав курса «Исследования нанокластеров на молекулярном уровне» включены лабораторные работы по основным методам измерений. Лабораторные работы ориентируют студентов на решение типовых 
задач исследования и анализа нанокластеров и методик проведения измерений, обладающих максимальной эффективностью. Темы лабораторных работ и их содержание связаны с формировани