《纳米生物医学分析》思考题答案

《纳米生物医学分析》思考题答案1.名词解释：SWNTS、MWNTS、STM、AFM、SEM、XRF、TEM、CRDDS、主动靶向、被动靶向、生物相容性SWNTS：单壁碳纳米管（全称Single-walledCarbonNanotubes）MWNTS：多壁碳纳米管（全称Multi-walledCarbonNanotubes）STM：扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope)AFM：原子力显微镜(AtomicForceMicroscopy)SEM：扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope)XRFX：射线荧光分析（X-RayFluorescenceX）TEM：透射电子显微镜(TransmissionElectronMicroscopy)CRDDS：药物控制释放体系(ControlledReleaseDrugDeliverySystem)主动靶向：是修饰脂质体如连接配体或单克隆抗体到脂质体表面，或掺人某些特殊脂质使脂质体对PH或温度变化敏感，以使脂质体携带的药物作用于靶向位点被动靶向：非修饰脂质体聚集在某些组织的趋势2.什么是纳米、纳米结构、纳米材料、纳米科技？纳米技术的科学意义？纳米:纳米是一个长度计量单位纳米结构：纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或组装一种新的体系，它包括一维、二维和三维体系。纳米材料：纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(10-9～10-7m)或由它们作为基本单元构成的材料。纳米科技：制造和研究纳米尺度（10-9～10-7m）的器件和材料的科学技术。纳米技术的科学意义：•创造和制备各种新型具有优异性能的纳米材料•设计、制备各种纳米器件和装置•探测分析纳米材料、器件的结构、性质及其相互关系和机理3.举例说明纳米材料具有哪些特殊的性质？1量子尺寸效应导致的独特的力学、电子、光电、和磁学性能。2和宏观形式完全不同的化学反应，如金3每单位质量上急剧增加的表面积，到达1000m2/g4常见化学元素的新化学形态，如富勒烯、碳纳米管、二氧化钛、氧化锌及其他层状化合物4.纳米材料有哪4种维度？举例说明。1)零维：团簇、量子点、纳米粒子2)一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒3)二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格4)三维：纳米块体5.请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应、库伦堵塞效应。1)小尺寸效应：当纳米粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常的现象;2)表面效应：纳米超微粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，纳米粒子的表面原子所处的位场环境及结合能与内部原子有所不同存在许多悬空键，配位严重不足，具有不饱和性质，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性能的变化，因而极易与其它原子结合而趋于稳定；3)量子尺寸效应：当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化的效应;4)宏观量子隧道效应：当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。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。5)库仑阻塞效应：当金属微粒的尺寸足够小时它与周围外界之间的电容C可小到l0^-16F的量级．在这种条件下每当单个电子从外面隧穿进入金属散粒时(有时也称它为孤立的库仑岛)，它给库仑岛附加的充电能e^2/C(e为电子电荷)可以远远大于低温下的热运动能量kT(k为玻耳兹曼常数，T是绝对温度)．这样就会出现一种十分有趣的现象：一旦某个电子隧穿进入了金属微粒，它将阻止随后的第二个电子再进入同一金属微粒．因为这样的过程将导致系统总能的增加，所以是不允许发生的过程．这就是库仑阻塞现象．6.随着颗粒直径的减小，材料的熔点有什么改变？材料的热稳定性有什么改变？1熔点下降，由于颗粒小，纳米微粒的表面能高，表面原子数多，这些表面原子临近配位不全，活性大，纳米例子熔化时，所需增加的内能小，这就使得纳米微粒熔点急剧下降2热稳定性变差，微粒半径越小，热稳定性越差。7.电子在纳米材料中的传播特点是什么?小尺寸效应，多晶界的存在，电子散射增强，晶界原子更加混乱，使得界面热垒升高，加之纳米材料的量子尺寸效应，共同使电阻变大。8.什么是纳米管、量子点？纳米管：纳米管是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管两端基本上都封口）的一维量子材料纳米管的硬度要比钢材坚硬100倍它可以耐受6500°F（3593℃）的高温，并且具有卓越的导热性能纳米管既可以用作金属导电体，比金的电高多得多，也可以用作制造电脑芯片所必须的半导体纳米管在极低的温度下还具有超导性量子点：量子点是准零维的纳米材料，由少量的原子所构成。粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在100纳米以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应特别显著由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能阶结构，因此量子点又被称为“人造原子”。9.什么是纳米生物技术和生物纳米技术？两者有什么区别和联系？1)纳米生物技术是纳米技术在生命科学的应用。此研究领域包括两种方式：其一是纳米级工具应用在生物系统；其二是模板化的生物系统用于发展新型的纳米产品。2)生物纳米技术是指在纳米尺度上认识生物分子的精细结构和功能之间的联系，并在此基础上按研究者意愿组合、装配，创造出满足人们需要并能行使特定功能的生物纳米机器。3)区别与联系：生物纳米技术——应用生物组装，可能不会有生物有直接联系；纳米生物技术——将纳米科学用在特殊的生物应用上。10.什么是生物芯片？生物芯片如何影响我们的生活？生物芯片（biochip或bioarray）是根据生物分子间特异相互作用的原理，将生化分析过程集成于芯片表面，从而实现对DNA、RNA、多肽、蛋白质以及其他生物成分的高通量快速检测。生物芯片技术可广泛应用于疾病诊断和治疗、药物基因组图谱、药物筛选、中药物种鉴定、农作物的优育优选、司法鉴定、食品卫生监督、环境检测、国防等许多领域。生物芯片的最大用途在于疾病检测：基因表达水平的检测基因诊断药物筛选个体化医疗测序生物信息学研究11.什么是仿生材料？简述仿生材料的设计思想有哪些？1)仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料2)仿生材料的设计思想：根本思路就是向自然学习，也就是说，从自然界里寻找具有特殊性的智能材料。对于新型功能性材料，从自然开始、向自然学习，无疑是一个很好的途径，而向自然学习又可以有2种方式：一种是结构仿生，也就是模仿其形貌；另一种是功能仿生，也就是实现其特殊功能，做到形神兼备。12.举实例说明如何通过自然界的启发，设计新材料。水珠可以在纺锤形的结构上，从细的位置向粗的位置运动;而更进一步观察发现，纺锤结上面还具有纳米丝排列。实际上，这个原理就是像荷叶和水稻的微纳米结构，一个是有序排列，一个是无序的，同样的物质通过无序的排列，会形成一个表面能差。水滴沿着蜘蛛丝线的方向具有周期的表面能分布和空间构型，这就是水滴可以在蜘蛛丝上稳定存在的原因。蜘蛛丝可以挂住的最大水柱是蜘蛛丝体积的5000倍，这是一个非常大的采水量。那么，人工化仿生制备蜘蛛丝材料，做好纺锤结、纳米丝、表面能差这3点就行了。利用这个原理人工化合成的人造蜘蛛丝，具有和天然蜘蛛丝一样的集水效能。这种人造蜘蛛丝可以应用于从空气中收集水分，从空气中提取淡水，可以解决淡水供给量的问题。13.简述生物制造的定义、内容及其应用领域？1)生物制造定义：它指以生物体机能进行大规模物质加工与物质转化、为社会发展提供工业商品的新行业；2)内容：以微生物细胞或以酶蛋白为催化剂进行化学品合成、或以生物质为原料转化合成能源化学品与材料，促使能源与化学品脱离石油化学工业路线3)应用领域：先进发酵工程、现代酶工程、生物炼制、生物过程工程14.简述蛋白质的多层次结构，维持蛋白质构象的作用力有哪些？如何用不同的分析方法来表征各层次结构？（一至四级结构的剖析）1)蛋白质多层次结构：一级结构：氨基酸序列二级结构：主链结构三级结构：三维形状四级结构：亚基的组织2)维持蛋白质构象的作用力：维持蛋白质构象的作用力主要是非共价键，又称为次级键次级键包括氢键、疏水相互作用、范德华力、离子键。此外，共价二硫键也有重要作用：氢键：由带正电性的氢原子与电负性较强的原子之间形成。疏水相互作用：非极性的疏水基团间为避开水相而相互靠近，聚集于分子内部或非极性区的趋势。范德华力：原子、分子间或基团间的短程作用力。比离子键和氢键都弱的分子间非专一性的相互作用。离子键：蛋白质中带有相反电荷的侧链间形成的静电吸引力。二硫键（-S-S-）：蛋白质分子中的2个半胱氨酸的巯基氧化形成的共价键。15.从脂质体的结构特征说明其理化和生物学性质，并阐明脂质体作为药物载体的特点。1）磷脂是最常用来制作脂质体的脂质，磷脂由一个头部和两个尾部组成，头部由磷酸和水溶性的分子组成，尾部是脂肪酸链，即头部亲水，尾部亲脂，这就决定其具备以下的理化及生物学性质：脂质体的理化性质1相变温度：脂质体的物理性质与介质温度有密切关系。2电性：脂质体表面的电性对其包封率、稳定性、靶器官分布及对靶细胞的作用均有影响。脂质体的生物学性质3组织细胞的相容性4延长体内血液循环时间5缓释药物而延长药效6与细胞的作用（吸附、脂交换、融合）2）脂质体作为药物载体具有以下特点：a.制备简单，磷脂成分无毒，无免疫原性，可被生物膜利用；b.易携载和释放各种药物，可保护药物，延缓其生物降解；c.在载药脂质体表面结合不同的配基如抗体、糖脂等可将药物递送到特定靶组织和靶细胞。16.简述药物靶向传递的途径。供助载体、配体或抗体将药物通过局部给药胃肠道、或全身血液循环而选择性地浓集定位于靶组织、靶器官、靶细胞或细胞内结构17.树枝状大分子的结构特点及其载药体系的类型。1)结构特点：聚合物像树状，由一个中央核细分为多层分支-尺寸小于15nm，摩尔/质量比很高-稠密的表面围绕在一个相对空心的核周围树状聚合物又一系列建立在小的中央核的化学壳上-表面含有酸或者胺类→利于吸附官能团→可控/修饰、性质-每一壳层都称为一代(G0,G1,G2….)-随着代数增加，分支密度增加-包含通道和腔→能诱捕客体分子以实现多种应用2)载药体系类型：包封和化学偶联药物既可以被包封在树枝状聚合物骨架内部的空腔,也可以化学偶联在树枝状聚合物表面的官能团上18.简述SEM、TEM的基本原理及应用范围？1)SEM基本原理：一束细聚焦的电子束轰击试样表面时，入射电子与试样的原子核和核外电子将产生弹性或非弹性散射作用，并激发出反映试样形貌、结构和组成的各种信息，有：二次电子、背散射电子、阴极发光、特征X射线、俄歇过程和俄歇电子、吸收电子、透射电子等。应用范围：观察高聚物的形态和结构；观察高聚物晶态结构；研究高聚物共混相容性；观察高分子纳米材料的结构；表征高聚物材料的降解性；研究高聚物材料的生物相容性；测量多孔膜的孔径及其分布。2)TEM基本原理：透射电子显微镜的成像原理可分为三种情况：1吸收像：当电子射到质量、密度大的样品时，主要的成相作用是散射作用。样品上质量厚度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度较暗。早期的透射电子显微镜都是基于这种原理。2衍射像：电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体各部分不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同，从而使衍射钵的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。3相位像：当样品薄至100A以下时，电子可以穿过样品，波的振幅变化可以忽略，成像来自于相位的变化。应用范围