一个崛起的新学科——生物电子学，本文主要内容关键词为：电子学论文,生物论文,新学科论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在当今世界上4200多个学科及分支中，生物电子学是新崛起的一员。生物电子学（Bioelectronics）是由电子科学技术和生命科学相互交叉、渗透而成的新兴起的边缘学科，它的主要研究内容是：1、电子学 在生物学和医学中的应用；2、生物信息处理在人工智能科学中的应用 ；3、生物效应及人机功能学；4、分子与生物分子电子学。（韦钰：《军事电子中长期发展技术预测》）其中，前三个研究内容起步比较早，大约在50年代就形成了，并已有较大突破，分子与生物分子电子学，通常也称为分子电子学（Molecular Electronics），则近年发展较快。分子电子学是由化学、物理学、生物学、材料科学和电子科学技术交叉而 成的，其最终目的是研制由分子器件组成的并行分布式仿生智能信息处理系统。分子电子学为新一代信息处理系统的研制开辟了一条新的途径，是生物电子学科的主要的、最有诱人前景的内容。
当前分子电子学的研究大致分五个方面。
1、分子组装和刻蚀技术（纳米技术）。 构造分子器件的材料必须是能形成分子的有序结构、可供选择的分子材料，主要有LB 膜（Langmuir—Blodgett），BLM（Black—Lipid Membrance）技术，SA（Self－Asembly）技术，聚合分子组装技术，有机分子束外延技术，分子操作技术和生物自组装技术等。通过上述不同技术手段，可形成有序的超分子结构，结合用单分子膜和扫描遂道显微镜（Scanning Tanneling Microscopy）简称 STM刻蚀技术，可得到纳米级或更精细的结构。STM最早是应用于检测表面形态的，可获得表面原子的静态图象。近年来其功能又在三方面有所发展：①可获得动态图象，如域界面移动，缺陷的扩展等；②微电区特性测量；③精细结构加工和构造，包括移动原子，最高精度可达0.2埃。
2、制备生物分子有序特性材料。 生物材料是一种由生命过程长期进化而形成的特殊有机材料，它能自我复制、修复，具有特导性识别的信号处理能力。各国科学家都注意研制各种实用有效的生物材料。目前，运用基因工程制造生物光电材料已取得很好的进展。如在研制细菌视紫红质和具有良好的光电特性的CYt—c单分子可组装有序膜、有较好热稳定性和机械稳定性的薄膜材料等方面，都有很大的发展。这些不同成份的有机材料的合成是研制分子器件的关键。
3、分子器件的机理及模型的实用化研究。 在分子能量和电荷转移的机理指导下，研究设计分子器件模型。公开报导的科研成果有：美国的用于血管清洗细胞机器人，日本的细胞计算机，荷兰的微型光电图象分子器件，英国的超微光电生物传感器等。
4、分子计算系统模型。 在分子器件的设计和连接系统网络上采用神经/分子计算系统的实现模型，包括生化动态过程，有效地模拟生物 信息处理过程，使系统获得更高的自适应性，联想性和容错性。这一原理真正突破还有赖于实现技术革命。
5、分子设计。在分子器件研究中， 计算机辅助设计技术是以物理过程、工艺过程以及器件中的分子作用机理的计算进行模拟研究，这是一种理论性和技术性很强的工作，涉及分子层次上的结构和性能的关系、量子化学计算、分子动力计算，低维导电系统中的元激发理论、表面和界面特性计算等，模拟显示分子结构运动变化过程和动态三维图象。在技术方面，计算机图形学，模式识别以及数据库是有效的辅助工具。
70年代末，美国海军实验室的F.L.Carter提出以分子器件来组装计算机或分子计算系统，很快得到各国科学家和政府、企业财团的重视。许多国家政府或财团投入重资发展研究分子器件，如美国和日本一些电器公司、财团投以几十亿美元资助分子器件的研究。基于分子器件对未来信息处理系统的重要战略意义和经济价值，1989年我国国家自然科学基金委批准一项重大基金项目——“分子器件基础研究”。在全国10家科研单位的通力合作下，该项目已于1994年9月通过结题验收，被评为A级优秀项目，共取得鉴定成果23项，专利5项，获奖12项， 在国际刊物发表高水平论文100多篇。
目前，我国至少有中科院10个所、20多个重点大学的科研单位、上千名科技工作者从事分子电子学的研究，其中特别值得一提的是东南大学的韦钰教授创办的“分子与生物分子电子学实验室”。自1990年生物电子学学科博士点也获国务院学位委员会批准设立后，东南大学获准建成国内第一个生物电子学博士点。现在这里已涌现出一批在国际学术界有影响的青年博士，他们被国际学术界公认是一支有生气的、最有希望的科研队伍。1992年著名物理学家美籍华人科学家吴键雄博士曾命名该实验室为“吴键雄实验室”，韦钰教授本人也以其对生物电子学的重要贡献而被 1991 年 5 月成立的国际分子电子学和生物计算系统学会（ Internation Society for Molecular Electronics and Biocomputing）选为该学会常务理事。
展望21世纪，生物电子学学科将在以下七个方面有重大突破：
1、生物信息检测，包括对生物结构和特性信息和化学反应、 物理量进行检测的方法及多种生物传感器（如生物酶传感器，光纤蛋白免疫传感器等）、生物衍生敏感单元的检测，多功能采集传递检测生物信息单元系统。
2、生物医学信号处理， 根据传感器采集来的生物医学信号进行分析、处理，显示、存贮、传输。进一步对生物体结构与功能的研究、对治疗各种疾病，提供更准确的、清晰的、可视化的依据。
3、场与生物物质作用，包括研究（光、声、电、磁、 射线）场的结构，介质能量传输、转换和相互作用及其微观过程分析与控制，探究人或生物体中生物物质作用，解释生命活动内部结构运动机理，对细胞和生物组织介质电特性测量，场对中枢神经系统，癌变和遗传的影响等方面的研究将会有新的突破。
4、生物系统与建模， 对生物系统功能特性的原理建立知识和实验数据，构造相应的数学模型，解释或建立仿生功能机理系统。
5、分子和生物分子电子学，研制出分子器件， 建立智能化的自学习、自组织、自处理的并行运算系统。各种实用的传感器、功能器件及其化学、物理、生物特性的分子材料的研制，可导向有序的类似生物信息载体的智能材料将会研制产生。
6、 计算机支撑体系在生物电子学的应用将会在各种自适应模拟设计中更广泛地应用。
7、生物医学仪器将会在影像诊断、成像系统、 检测和治疗手段上有更新的智能仪器产生。
（收稿日期 1995-05-29）