纳米生物技术

1、纳米技术纳米技术在生物学中的应用在生物学中的应用 纳米技术纳米技术（nanotechnology）纳米技术是研究尺寸在1100 nm间的物质组成体系的运动规律和相互作用及在应用中实现其特有功能和智能作用的科学技术。它是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物。纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等。纳米技术的发展史1989年，美国斯坦

2、福大学搬走原子团年，美国斯坦福大学搬走原子团“写写”下斯坦福大学下斯坦福大学英文；紧接着，英文；紧接着，1990年美国国际商用机器公司在镍表面用年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出个氙原子排出“IBM”字样。字样。1990年年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。1993年，中科院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写年，中科院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之

3、地。1997年，巴西和美国科学家设计出世界上最年，巴西和美国科学家设计出世界上最“小小”的秤，它的秤，它能够称量出十亿分之一克的物体，相当于一个病毒的重量；能够称量出十亿分之一克的物体，相当于一个病毒的重量；此后不久德国科学家研制出能称量单个原子的秤。此后不久德国科学家研制出能称量单个原子的秤。1999年后，纳米技术产业逐步走向商业化。年后，纳米技术产业逐步走向商业化。纳米生物技术(biotechnology)自从Watson和Crick于1953年提出DNA分子的双螺旋结构模型以来，生物技术是当今国际上重点的高技术领域，大力发展生物技术，已成为世界各国的经济战略重点。纳米生物技术是纳米技术和

4、生物技术交叉所形成的一门新技术，在化学与生物纳米结构的构建与应用中具有重要作用。由于纳米生物技术与传统技术相比，具有众多无可比拟的优点，因而广泛应用于生物医学领域，为疾病的治疗和诊断开辟了一条新途径。“莲之出淤泥而不染” 天然的纳米生物技术原理纳米技术纳米技术在生物学中的应用在生物学中的应用 纳米技术在生物学中的应用，主要体现在两个方面： 一、应用纳米技术在纳米尺寸对生物分子进行观测,操纵生物分子等方面；二、是纳米材料在生命科学中的应用，包括纳米无机生物材料、纳米生物高分子材料和纳米复合生物材料等观测和操纵生物分子观测和操纵生物分子 运用现代纳米技术，使人们突破了检测环境的限制，可以直接对生物

5、分子在其生命环境中进行检测，获得更真实和详尽的信息扫描探针显微镜(SPM)是观测与研究生物大分子的有力工具。它包括扫描隧道显微镜(STM)，原子力显微镜(AFM)，力调制显微镜(FMM)，相位检测显微镜(PDM)、静电力显微镜(EFM)、电容扫描显微镜(SCM)、热扫描显微镜(SThM)和近场光隧道扫描显微镜(NSOM)等各种系列显微镜。 生物大分子的直接操纵和改性DNA分子是全部遗传信息的携带者，因而DNA分子操纵成为生命科学、物理学等多学科的共同热点。DNA操纵包括：（1）DNA链的原子力切割。利用原子力显微镜AFM在几年前已经实现了DNA分子链的原子力切割，可不受DNA序列的限制，在任何

6、部位进行纳米级的精确切割。（2）DNA分子链的拉直操纵。其实现方法很多，主要有以下三种：静电场法。在一定强度的电场下，可拉直小片段的DNA。激光镊子法。在DNA的两端点粘上微小的颗粒，可通过激光镊子将其展开。分子梳法。通过受压的液体流动产生的流体力可将DNA链进行拉直操纵，与双色荧光标记法结合成为基因研究中的有力工具。纳米材料在生物学中的应用 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。应用于生命科学中的纳米材料可称应用于生命科学中的纳米材料可称之为之为纳米生物材料纳米生物材料，它是

7、指由具有，它是指由具有纳米量级的超微粒构成的、具有良纳米量级的超微粒构成的、具有良好生物相容性的功能材料。好生物相容性的功能材料。 表面与界面效应表面与界面效应 纳米晶体粒表面原子纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。引起的性质上的变化。小尺寸效应小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，时，它的周

8、期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出热力学等性能呈现出“新奇新奇”的现象。的现象。宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。应。优点优点缺点缺点缺点缺点团聚团聚纯度纯度粒径分布粒径分布高温耗高温耗设备复杂设备复杂成本高成本高纳米材料制备技术纳米材料制备技术化学法化学法物理法物理法固相法固相

9、法液相法液相法气相法气相法 微乳化法（微乳化法（mircro-emulsion)化学沉淀法化学沉淀法(chemical precipitation)溶胶溶胶-凝胶法（凝胶法（sol-gel)水热法（水热法（hydrothermal)溶剂蒸发法溶剂蒸发法处理量大处理量大技术成熟技术成熟高温耗能高温耗能粒径大粒径大分布广分布广气相沉积法气相沉积法(chemical vapor deposition) 激光光照合成（激光光照合成（laser ablation)固相法固相法机械研磨机械研磨气相法气相法气体冷凝法（气体冷凝法（gas condensation)优点优点合成温度低合成温度低精确控制组成精确

10、控制组成设备简易设备简易 纯度高纯度高粒径小粒径小分散佳分散佳纳米技术在生物学中的应用工程 生物芯片是基因生物学与纳米技术相结合的产物，它不同于半导体芯片，它是在很小的几何尺度的表面积上，装配一种或集成多种生物活性分子，仅用微量生理或生物采样，即可同时检测和研究不同的生物细胞、生物分子和DNA的特性，以及它们之间的相互作用，获得生命微观活动的规律。生物芯片可以粗略地分为细胞芯片、蛋白质芯片（生物分子芯片）和基因芯片（DNA芯片）等几类，都有集成、并行和快速检测的优点，已经成为21世纪生物医学工程的前沿科技。 所谓分子马达即分子机械，是由生物大分子构成并利用化学能进行机械做功的纳米系统。分子马达

11、包括线性推进和旋转式两大类。其中线性分子马达是将化学能转化为机械能，并沿着一条线性轨道运动的生物分子，主要包括肌球蛋白、驱动蛋白、DNA解旋酶和RNA聚合酶等。美国波士顿大学的化学家制备出世界上最小的马达，该分子马达由78个原子构成 “纳米机器人”是根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，如酶和纳米齿轮的结合体。这种纳米机器人可注入人体血管内，进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，吞噬病毒，杀死癌细胞；还可进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的，把正常的安装在基因中，使机体正常运行。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置。第三代纳米机器人是包含纳米计算机，可以进行人机对话的装置。一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。3. 纳米机器人纳米机器人消灭癌细胞虚拟图纳米机器人进入人体消化系统工作示意图目前还只能钻进人的肚子里通过传输图像“瞧病”，还不能治病 。机器人医生在未来三年内：当机器人医生发现可疑病变组织后，立即能伸出“手”来取样进行活检 纳米生物技术的现状与展望纳米生物技术的现状与展望 国际上纳米生物技术的研究范围涉及纳米生物材料、药物和转基因纳