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纳米技术与生命科学

古德祥1/26一、何谓“纳米”“纳米”是英文namometer译名。另一个说法，“纳米”一词源自拉丁文“NANO”，“矮小”意思。纳米是一个度量单位，是一个长度单位：1纳米=10亿份之1米；1纳米=百万分之1毫米；是10个氢原子并排起来长度；1000纳米=1微米；10纳米相当于1根头发丝宽度1‰

2/261982年伴随扫描隧道显微镜创造，人类可研究0.1～100纳米长度物体，诞生了一门纳米科学。纳米科学主要研究对象是纳米技术和纳米结构。纳米技术以空前分辨率，为人类揭示了一个可见原子、分子世界，它最终目标是直接以原子或分子来结构含有特定功效产品。1990年，世界上最小“I-P-M”3个英文字母，共用了35原子在试验室排成，其长宽不超出一个病毒面积。1993年，中国科学院真空物理试验室科研人员，在显微镜下将一个个原子像下棋一样自如地摆放，“写”出了“中国”2字。这就是纳米技术。3/26原子字“毛泽东”4/26纳米技术之所以主要，是因为当金属或非金属被制成相当于100纳米物质时，它物理性能和化学性质会发生出乎意料改变，主要表现在强度、韧度、比热、导电、磁吸收等方面。光学特征：当黄金被细分到小于光波波长尺度时，即失去了原有富贵光泽而成黑色。实际上，全部金属在微颗粒状态都展现为黑色，对光折射率很低。利用这个特征能够作为高效率热能、电能等转换材料，能够高效率地将太阳能转变为热能、电能；又可用于红外敏感元件、红外隐身技术等。5/26热学特征：当固态物质颗粒小于10纳米量级时，其熔点显著下降。超细银粉制成导电浆料能够进行低温烧结，此时元件基片可用塑料。又如，在钨颗粒中附加0.1%～0.5%重量比超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200℃～1300℃，以致可在较低温度下烧制成大功率半导体管基片。磁学特征：磁性超微粒实质上是一个生物磁罗盘。蜜蜂腹部微磁粒是用于导航。利用磁性超微粒特征已做成高储存密度磁统计磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等，也可制成广泛用途磁性液体。6/26力学特征：陶瓷在通常情况下呈脆性，而由纳米超微粒制成纳米陶瓷材料，却含有良好韧性。呈纳米晶粒金属要比传统粗金属硬3～5倍。超微颗粒小尺寸效应还表现在超电性、介电性能、声学特征以及化学性能等方面。所以，人类能够利用纳米技术，选定原子组成份子，制造出各种含有特殊功效新材料，再添加到产品中，从而使产品表现出意想不到新性能。这是纳米技术带来奇迹。当前，纳米材料已在电子、化工、通讯、环境保护、医药等领域得广泛应用。7/26导电螺旋SEM照片

（放大14000倍）国际商用机器企业科学家在世界上首次使用扫描隧道显微镜来移动和准确定位单个原子

此图是铜表面铁原子8/26二、纳米粒子制备方法1、物理方法：真空冷凝法(真空蒸发、加热、高频感应等)；物理粉碎法(机械粉粹、电火花爆炸等)；球磨法。2、化学方法：气相沉积法、沉淀法、水热合成法、溶胶凝胶法、微乳液法、还原法。9/26三、纳米技术对生物科学影响

1、生物电脑电脑性能是由元件与元件之间电流启闭开关速度来决定。科学家发觉，蛋白质有开关特征，用蛋白质分子作元件制成集成电路，称为生物芯片。使用生物芯片电脑称为蛋白质电脑，或称为生物电脑。利用蛋白质团已开发出开关装置有：蛋白质芯片、遗传生成芯片、血红素芯片。10/26特点：用蛋白质制造电脑芯片，在1mm2面积上可容纳数亿个电路，存放量可达普通电脑10亿倍；其集成电路大小只相当于硅片集成电路10万分之一，且运转速度更加快，大大超出人脑思维速度。生物芯片传递信息时阻抗小，耗能低且含有生物特点，含有自我组织和自我修复功效。它能够与人体及人脑结合，听从人指挥，从人体中吸收营养。把生物大脑植入人体内，能够使盲人复明，使人脑记忆力成千上万倍地提升；若植入血管中，则能够监视人体内化学改变，使人体质增强，使残疾人重新站起来。11/26生物集成电路制作方法，在技术上也有所突破。当前采取方法把聚赖氨酸分布在玻璃基底上，形成单分子层，再在上面涂一层塑料绝缘膜。然后用电子计算机控制狭窄一束聚焦X光束或电子束，在该簿膜上画出一条条相互平行条纹。条纹宽度几十纳米，条纹之间距离为200～250纳米。用酒精把光束照射那部分塑料溶解掉，蚀出一条条缝隙，让赖氨酸分子从缝隙中暴露出来，把另一个蛋白质“嫁接”上去。假如聚赖氨酸特征符合设计要求，就能够涂上传输电脉冲所需金属(如银)。这就是生物集成电路，其体积在1cm3之内，其记忆可溶纳一个大型电子计算机记忆装置，应用前景十分诱人。12/26DNA电脑更为诱人。其原理是，DNA分子中密码相当于存放数据，DNA分子之间能够在某种酶作用下瞬间完成生物化学反应，从一个基因代码变成另一个基因代码。反应前基因代码可作为输入数据，反应后基因代码能够作为运算结果。假如控制得当，那么就可利用这种过程制成一个新型电脑，含有运算速度快、存放容量大、耗能极低特点。生物电脑可实现含糊推理和神经网络运算功效，是智能计算机突破口之一。13/26神经电脑：人脑有140亿神经元及10亿多神经节，每个神经元都与数千个神经元交叉相联，它作用相当于一台微型电脑。用许多微处理机模仿人脑神经元结构，采取大量并行分布式网络，就组成了神经电脑。它含有联想、记忆、视觉和声音识别能力。日本富通研究所开发神经电脑，每秒更新数据速度近千亿次。日本电气企业推出一个神经网络声音识别系统，能识别任何人声音，正确率达99.8%。美国研究出由左脑和右脑两个神经块连接而成神经电脑，右脑为经验功效部分，有1万多个神经元，适合用于图像识别；左脑为识别功效部分，含有100万个神经元，用于存放单词和语法规则。现在，纽约、迈阿密和伦敦飞机场已经用神经电脑来检验爆炸物，每小时可查600～700件行李，检出率为95%，误差率为2%。14/262、纳米级生物工程产业以微生物技术、酶技术、细胞技术、基因技术为主导新型纳米农业生产体系即将形成，微生物工业产业将兴起。生物纳米技术是以生命科学为基础，生物体系，就是生物组装、细胞、酶等，采取工程技术原理，向人类提供商品或提供社会服条综合性科学技术。将逐步出现以动植物工程、药品及疫苗、蛋白质工程、细胞融合、基因组、生物芯片及生物智能机等为基本内涵生物工程产业，使人类生产和生活发生巨大改变。15/263、对付害虫微型“杀手”

美国一家研究所正在追踪监视逐步向北迁移巴西“杀人蜂”。在捕捉蜂背部粘上一个微芯片和一个红外线发射器，然后释放，研究其习性，试图阻止其迁移。这是最小“间谍武器”，用于对付昆虫。未来开发纳米级微型装置，是一个类似整个昆虫形状微型智能机械“虫”，不但能够预报虫害情况，也能够大量杀死害虫。16/264、医用微型机械人小人国童话故事听了不少。如今用特制超细纳米材料制成“纳米机械人”，能够进入人血管和心脏，完成医生不能完成血管修补，去除心脏动脉脂肪沉积物，疏通脑血管中血栓等“细活”。因其体积很小，对人体健康不会产生影响。瑞典一大学研究出一个能移动单细胞或捕捉细菌机械人，外型似人手臂，其肘部和腕部很灵活，有2～4个手指。这种机械人能在血液、尿液和细胞介质中工作。如用杀菌分子机械人与病菌“决斗”，又将无数台分子摄像机械放入血管中，进行现行现场拍摄，其真实性则大大超出人们用电脑合成仿生动画片。有科学家用磁性纳米颗粒，成功地分离了动物癌细胞和正常细胞，已在治疗人骨髓癌临床试验中取得成功。还有，用纳米药品来阻断血管饿死癌细胞等等。17/265、“纳米生物导弹”军事上导弹，既然识别目标，又能摧毁目标。所谓“纳米生物导弹”，就是含有识别肿瘤细胞和杀死肿瘤细胞双重功效药品。一旦进入体内，便随血液流动，专门寻找癌细胞进行攻击，而不损伤其它正常细胞。首先制备出各种抗肿瘤单克隆抗体，再在抗体上装上杀死肿瘤细胞武器—药品，如白喉毒素分子、蓖麻毒素、相思豆毒素等一类毒蛋白与抗肿瘤单克隆抗体相联。18/26我国科技工作者从1982年开始，从事生物导弹研究，他们用丝裂霉毒素与抗肿瘤抗体偶联，其药性比原来提升100～200倍，在动物身上进行试验，取得了显著疗效。治疗肿瘤患者，其中75%患者收到良好效果，有患者经治疗后肿瘤几乎消失。依据临床经验，此方法对肝癌、肺癌、鼻咽癌、卵巢癌、乳腺癌、肠癌、膀胱癌等都有较理想疗效。19/266、人造血浆医疗上输血，需要大量血液。因为献血人数有限，血库经常紧缺。全球面临另一个大难题是血库污染，输血传染上肝炎、艾滋病，累见不鲜。在美国，经过输血传输艾滋病发病率，在过去里最少有9000例。我国每年需血量为800吨，若按当前我国每单位新鲜血液400元计，则最少有16亿元潜在市场。为了处理血浆缺乏问题，我国相关企业研制开发人造血浆。以全氟溴烷为原料，研制开发含有携氧功效人造血液、器官灌注和保留液等产品。20/26全氟碳化合物是一个化学隋性与生物隋性有机化合物。首先，它对气体有非常高溶解度，能够使其成为身体呼吸系统与细胞组织中进行气体传输媒介；另首先，因为对射线不透过性，可作为造影剂。合成全氟溴烷，可处理人造血浆、造影剂、器官灌注与保留液需求。21/26四、纳米科学在我国发展1990年7月在美国巴尔基摩召开了国际第一届纳米科学技术会议，标志着纳米科学领域正式形成。1992年9月在墨西哥Cancun城召开了国际第一届纳米结构材料会议，正式把纳米材料作为材料科学一个新分支公布于世。1992年，国家科委、计委、自然基金委下达了一批国家自然科学基金重点课题、攀登计划、国家重点攻关项目。1995年召开了“材料中前沿问题研讨”香山会议，主要内容有：纳米材料制备、智能材料及生物材料。1997年又召开了纳米化学香山会议。纳米科学技术几乎包括现有全部学科领域，引发了纳米电子学、纳米生物学、纳米化学、纳米材料科学、纳米机械工程学、纳米天文地质等相关新领域。22/26我国对纳米技术大规模有组织研究开始于20世纪80年代末。在过去，我国已使用了各种化学方法制造纳米材料，研制了气体蒸发、磁控溅射、激光诱导CVD、等离子加热气相合成等制备装置，发展了化学共沉淀、溶胶--凝胶、微乳液溶剂。非临界液相合成制造，包含金属、合金、氧化物、氮化物、离子晶体和半导体等各种纳米材料方法，研制了性能优良各种纳米复合材料。近年来，依据国际纳米材料研究发展趋势，建立和发展了制造纳米结构组装体系各种方法。尤其是自装与分子自组装、模板合成、碳热还原、液滴外延生长、介孔内延生长等组装体系。来，我国学者在国内外发表纳米材料与结构论文2400篇，在国际上排名第五。到为止，纳米材料研究取得国家自然科学奖三等1项，国家创造奖2项，申请专利79项，其中创造专利占50%。23/26广州市“发展民生纳米工程，建立南方纳米中心”为战略，争取到纳米技术研发及产业化水平到达国内先进水平，一些方面到达国际先进水平。广州市现有14所高校和科研院所从事