第2章+纳米生物技术前沿-3课件

第2章纳米生物技术前沿-32010-04-062.3纳米操作系统生物大分子群体行为单个生物大分子及其聚集体行为纳米操作系统用于介观现象的科学探索构建原型纳米设备测试纳米材料、结构和装置的性质特征纳米级微结构的加工纳米设备单元准备纳米设备装配理想的纳米操作系统应能完成定位、推、拉、拾取、放置、装配等各种操作。包括纳米尺度对象成像设备、操作手和末端工具、纳米或亚纳米级分辨率驱动器、力传感设备、人机交互设备等部分。基于SPM的纳米操作系统基于EM的纳米操作系统光镊纳米操作系统混合式纳米操作系统纳米操作系统1.基于STM的纳米操作系统1.基于STM的纳米操作系统1990IBM移动氙原子移动硅原子移动硫原子PEACE’91HCRL移动铁原子19931991移动CO原子铁基FeCO分子形成过程一个铁原子(Fe)与一个一氧化碳(CO)分子结合成一个铁基分子(FeCO)的过程如下图所示：2002年纳米操纵成像获重大突破2002年第一期国际纳米界权威杂志《纳米通讯》采用了三个“笔迹”稍有歪扭的“DNA”字母虚拟画面做封面。这一成果是由中科院上海原子核研究所、交通大学胡钧、李民乾两位研究员领衔的课题组与德国莎莱大学科学家合作取得.通过纳米操纵技术，用单个DNA分子长链书写；每个字母长仅300nm、宽200nm.应用原子力显微镜等纳米显微术，将单个DNA链完整地拉直，再对分子链进行切割、弯曲、修剪，终于“写”出“DNA”三个字母.2.基于EM的操作系统电子显微镜（ElectronMicroscope，EM）是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在极高放大倍数下成像的仪器。EM主要包括SEM和TEM日本名古屋大学研制的纳米操作系统在SEM中集成了四个操作单元，共16个自由度。末端执行器为三个AFM悬臂和一个基底或四个AFM悬臂。可以实现的功能包括：纳米操作、纳米测量、纳米制作、纳米装配。2.基于EM的操作系统德国Kleindiek公司研制的适用于SEM的纳米操作手，由两个旋转马达和一个径向马达组成，径向运动范围达12mm，分辨率0.5nm。基于TEM的纳米操作系统以高分辨率的TEM作为观察工具，在其超高真空样品室内放置操作手。Kuzumaki用TEM中的双操作手对单壁CNT进行操作。Wang在TEM中对单壁CNT的物理和机械性质进行了测量。NanomanipulationofSingleNanoparticleUsingaCarbonNanotubeProbeinaScanningElectronMicroscopeAbstract:Anovelmethodispresentedformanipulationofasinglenanoparticleusingacarbonnanotubeprobeinascanningelectronmicroscopechamber.Nanomanipulationwasachievedwithoutdependenceontheconductivityofthenanoparticle.Inordertodemonstratetheeffectivenessofthistechnique,insulativeFe2O3andconductiveFe3O4werearrangedonananogapjunctionformeasurementoftheelectricalconductivity.Theresultclearlyshowedthedifferencebetweentheresistanceofthetwoironoxides.Itisconsideredthatthistechniquecouldbeamilestoneinthemeasurementofthephysicalpropertiesofnanomaterials.©2009HiroshiSugaetal.,Appl.Phys.Express,(2009)ElectronMicroscopyofNanotubesbyZhongLinWangandChunHui(KluwerAcademicPublishers,May1,2003)

ISBN:1402073615(328pages)

3.光镊（Opticaltweezers）纳米操作系统1986年，美国科学家Ashkin等成功地利用一束强会聚激光束实现了对生物微粒的三维捕获，自此基于激光的光镊技术诞生了。在通过用气泡与液滴反复实验后，Ashkin认为光束对折射率比周围介质高的微粒具有横向吸力，但对折射率比周围介质低的微粒具有横向推力。光镊已成为研究单个细胞和生物大分子行为不可或缺的有效工具。光镊(Opticaltweezers)又称为单光束梯度力光阱(Single-beamopticalgradientforcetrap)，是利用光（激光）与物质间动量传递的力学效应而形成的三维势阱来捕获和操纵控制微小粒子的技术。光具有能量和动量光子能量E=h光子动量P=E/c=h/~10-27kg·m/s当光照射物体时，光子的动量传递给物体并产生压强，称为光压。势阱电子的势能图类似一个波的形状，当电子处于波谷的时候就好像处在一口井里，比较稳定，很难跑出来。这种光形成的光学势阱就像是一把镊子，可以把微粒牢牢“钳住”，因此被形象地称为“光镊”。光与物体的相互作用——几何光学原理

(小球直径D远大于光波长，小球折射率大于周围介质的折射率)单光束梯度力光阱的几何光学原理图光阱主要是依靠光梯度力形成的，其合力指向光束焦点当焦点附近梯度力大于散射力时,则可以形成三维光学势阱而稳定地捕获微粒。

光镊的特点1、操控和研究生物微粒：光镊的捕获和操控范围是101nm~101

μm大小的微粒。而大多数生物微粒，诸如细胞、细胞器甚至生物大分子都在这一尺度范围内。2、不会对捕获的生物微粒产生机械损伤：由于光镊是用“无形”的光来实现对微粒非机械接触的捕获，捕获力是施加在整个微粒上，而不是像机械捕获那样集中在很小的面积上。

光镊的特点3、选择粒子吸收小的光波长（600～1000nm）即可避免光吸收对生物粒子造成损伤。4、几乎不干扰生物粒子周围环境和它的正常生命活动：光镊的所有机械部件离捕获对象的距离都远大于捕获对象的尺度（1000倍），是“遥控”操作。5、无菌操作：利用光的穿透性，可以无损伤地穿过封闭系统的透明表层（如细胞膜）操控内部颗粒（细胞器），也可以穿过封闭的样品池的透明外壁，操控池内微粒，实现真正的无菌操作。这是常规生物仪器所不具备的。光镊的特点6、机械手和生物粒子间微小作用力的测量：光镊对微粒的操控不是刚性的，可以在操作过程中实时测量微粒间的微小相互作用力。因此，光镊不但可以作为机械手，而且可以用于测量微粒间的微小相互作用力，是生物微粒静态和动态力学特征的理想研究手段。这对生物大分子行为的研究具有特别重要的意义。光阱力的测量光镊——微小力的探针光镊不但可以捕获和操控微粒，也可以作为力的探针，用于测量作用在微粒上的力，其精度可达到皮牛(pN)量级。意义：在生物大分子的水平上，生命过程表现为物体的运动，其运动特性与它们的结构和功能密切相关，所以定量地测量分子间的作用力为研究生命活动奠定了基础。光镊系统通常由激光光源、激光扩束滤波光路、光镊移动控制环节、位移检测部分和传统的光学显微镜组成。4）纳米光镊技术在纳米生物学中的应用：现状和展望Ashkin——光镊的发明人Ashkin曾预言：“光镊将细胞器从它们正常位置移去的能力，为我们打开了精确研究细胞功能的大门”。光镊技术在纳米生物学中的应用A.研究生物大分子的静态力学特性B.研究生物大分子的动力学特性C.对生物大分子进行精细操作D.分子水平上的特异性识别和生命过程的调控E.纳米生物器件的组装A.研究生物大分子的静态力学特性通过光镊对单分子进行扭转、弯曲、拉伸等操作，研究其力学特性.如，单个DNA分子在光镊拉力作用下非线性弹性拉伸应变的实验研究，这为研究单个DNA分子构型提供了进一步的实验基础.用光镊测量微观的刚度和驱动蛋白的扭转刚度.B.研究生物大分子的动力学特性光镊在生物大分子动力学特性研究中最重要的成果之一是动力原蛋白的研究，观察到了生命运动的原过程，发现分子马达是以步进方式运动，并且测量了其运动步长，单个驱动蛋白分子产生的力以及单个驱动蛋白的速度与ATP浓度的函数关系。人们还利用光镊研究了肌动蛋白丝与单个肌球蛋白分子间的相互作用，测量了没有ATP水解时单个肌球蛋白分子和肌动蛋白纤维分离时所需的力。单个分子运动试验引发了对运动详细模型、ATP水解环、单酶动力学的深入研究。研究分子马达的力学特性是光镊的典型应用之一．早在1993年，美国科学家使用光镊与双光束干涉仪结合，在分子水平上首次观测到了驱动蛋白(Kinesin)分子(马达蛋白的一种)在其微管轨道上以8nm的步幅阶梯式前进，间隔时间为1ms量级的情形，证明了驱动蛋白分子将化学能转换为机械能的过程是非连续的.KnottingasingleDNAmoleculeNature(1999)399,446-448日本和美国的科学家采用双光镊实现了DNA分子(2nm直径)的扭转、打结，这表明分子操作已达到相当高的水平，为细胞内蛋白纤维相互作用等分子力学的研究开辟了新的途径。这一技术还可用于缝合细胞或神经的细微手术。C.对生物大分子进行精细操作D.分子水平上的特异性识别和生命过程的调控利用光镊技术就可将被研究对象按设计组合“配对”，研究新的变化。这种操控使得对生物微粒个体行为的研究真正从“观测”上升到“科学实验”。光镊的纳米量级的操作精度和观测精度，使得对研究对象的设计组合的定位精度达到了分子尺度，使人们能够在纳米精度上，动态研究细胞的特异性分子识别。E.纳米生物器件的组装原生质体的融合单个活力精细胞研究细胞间相互作用抗体抗原结合强度分选单条染色体细胞膜弹性的测量分散体系的研究纳米生物学的研究微粒的空间排布教学研究光镊的应用Abstract:Wehaveconstructedanopticaltweezerusingtwolasers(830nmand1064nm)combinedwithmicropipettemanipulationhavingsub-pNforcesensitivity.SamplepositioniscontrolledwithinnanometeraccuracyusingXYZpiezo-electric(压电的)stage.Thepositionofthebeadinthetrapismonitoredusingsingleparticlelaserbackscatteringtechnique.Theinstrumentisautomatedtooperateinconstantforce,constantvelocityorconstantpositionmeasurement.WepresentdataonsingleDNAforce-extension,dynamicsofDNAintegrationonmembranesandopticallytrappedbead–cellinteractions.AquantitativeanalysisofsingleDNAandproteinmechanics,assemblyanddynamicsopensupnewpossibilitiesinnanobioscience.CURRENTSCIENCE,2002,83(12):1464-1470自上世纪90年代以来发展起来的单分子研究技术如光镊、磁镊、玻璃微管和分子梳等，再加上单分子荧光技术，使人们能够直接操纵并检测单个分子的运动及变化，或通过施加外力改变生化反应的进程，研究化学能与机械能之间的相互转化．4.混合式纳米操作系统基于AFM和基于STM的纳米操作系统虽然容易构建，但缺少实时的观察手段；基于TEM的纳米操作系统成像分辨率高，但在真空室内不能放置体积较大的操作手。混合式纳米操作系统AFM&SEM——利用SEM观察，控制AFM针尖拾取和操纵样品上的对象SEM&TEM——高的分辨率&高效灵活操作AFM&光镊——进行复杂的拾取和放置操作2.3.4纳米操作系统的关键技术

——1.末端工具探针单探针操作手只能完成较简单的操作，如在平面上对纳米粒子二维操作等。Wang提出一种三探针操作手结构，能执行多种操作任务。基于SEM的纳米操作系统——对CNT进行机械性质和电特性测量及装配等纳米镊子可实现对纳米物体的拾取和放置把两根CNT黏到探针上构成纳米镊子并实现了对500nm直径对象的拾取。基于MEMS静电马达的悬臂构成的纳米镊子2.3.4纳米操作系统的关键技术

——1.末端工具末端工具的选择主要是根据操作对象、操作环境和操纵任务的特定要求进行的，目前仍缺乏灵活多样的操作工具。2.3.4纳米操作系统的关键技术

——2.显微成像特性AFMSTMSEMTEM分辨率成像原理成像类型成像环境原子级原子力近场所有环境亚埃级隧道效应近场真空或空气纳米级电子发射远场真空原子级电子穿透远场真空AFM具有三种成像模式：接触式、非接触式、轻敲