纳米生物技术

1.纳米技术诞生历史，相关定义纳米生物技术是指用于研究生命现象的纳米技术，它是纳米技术和生物学的结合，同时也是一门涉及物理学、化学、量子学、机械学、材料学、电子学、计算机学、生物学、医学等众多领域的综合性交叉学科。是国际生物技术领域的前沿和热点问题，在医药卫生领域有着广泛的应用和明确的产业化前景，特别是纳米药物载体、纳米生物传感器和成像技术以及微型智能化医疗器械等，将在疾病的诊断、治疗和卫生保健方面发挥重要作用。（纳米材料的特性主要有：量子尺寸效应、小尺寸效应、表明和界面效应、宏观量子隧道效应。当微粒小于100nm时，物质的很多性能发生质变，从而呈现不同于宏观物质的奇异现象：低熔点、高比热容、高膨胀系数；高反应活性、高扩散率；高强度、高韧性；奇特磁性；极强的吸波性。纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞小得多，这就为生物学研究提供了一个新的研究途径，利用纳米生物技术操纵生物大分子，被认为有可能引发第二次生物学的革命。）对于纳米科技的历史,可以追溯到30多年前著名物理学家、诺贝尔奖获得者RichardFeynman于美国物理学会年会上的一次富有远见性的报告.1959年他在《低部还有很大空间》的演讲中提出:物理学的规律不排除用单个原子制造物品的可能。也就是说,人类能够用最小的机器制造更小的机器。直至达到分子或原子状态,最后可以直接按意愿操纵原子并制造产品。他在这篇报告中幻想了在原子和分子水平上操纵和控制物质.他的设想包括以下几点:(1)如何将大英百科全书的内容记录到一个大头针头部那么大的地方;(2)计算机微型化;(3)重新排列原子.他提醒到,人类如果有朝一日能按自己的主观意愿排列原子的话,世界将会发生什么?(4)微观世界里的原子.在这种尺度上的原子和在体块材料中原子的行为表现不同.在原子水平上,会出现新的相互作用力、新颖的性质以及千奇百怪的效应.就物理学家来说,一个原子一个原子地构建物质并不违背物理学规律.这正是关于纳米技术最早的构想。20世纪70年代,科学家开始从不同角度提出有关纳米技术的构想。美国康奈尔大学Granqvist和Buhrman利用气相凝集的手段制备出纳米颗粒,提出了纳米晶体材料的概念,成为纳米材料的创始者。之后,麻省理工学院教授德雷克斯勒积极提倡纳米科技的研究并成立了纳米科技研究小组。纳米科技的迅速发展是在20世纪80年代末、90年代初。1981年发明了可以直接观察和操纵微观粒子的重要仪器———扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM),为纳米科技的发展起到了积极的促进作用。1984年德国学者格莱特把粒径6nm的金属粉末压成纳米块,经研究其内部结构,指出了它界面奇异结构和特异功能。1987年,美国实验室用同样的方法制备了纳米TiO2多晶体。1990年7月第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际扫描隧道显微学会议在美国巴尔的摩举办,同时《纳米技术》与《纳米生物学》这两种国际性专业期刊也相继问世。自1991年,中国开始热衷于纳米技术的研究,到“十五”计划之后,纳米科技呈现出快速发展的势头。1993年8月在俄罗斯,1994年11月在美国,先后召开了第二届和第三届国际纳米科学与技术会议.第四届国际纳米科技会议将于1996年在中国召开。1999年上半年,北京大学纳米技术研究取得重大突破,电子学系教授薛增泉领导的研究组在世界上首次将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面,并组装出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针。2、量子点尺寸与光学性质的定性变化规律量子点是一种重要的低维半导体材料，其三个维度上的尺寸都不大于其对应的半导体材料的激子玻尔半径的两倍。量子点一般为球形或类球形，其直径常在2-20nm之间。常见的量子点由IV、II-VI，IV-VI或III-V元素组成。具体的例子有硅量子点、锗量子点、硫化镉量子点、硒化镉量子点、碲化镉量子点、硒化锌量子点、硫化铅量子点、硒化铅量子点、磷化铟量子点和砷化铟量子点等。量子点是一种纳米级别的半导体，通过对这种纳米半导体材料施加一定的电场或光压，它们便会发出特定频率的光，而发出的光的频率会随着这种半导体的尺寸的改变而变化，因而通过调节这种纳米半导体的尺寸就可以控制其发出的光的颜色，由于这种纳米半导体拥有限制电子和电子空穴（Electronhole）的特性，这一特性类似于自然界中的原子或分子，因而被称为量子点。主要性质：量子点的发射光谱可以通过改变量子点的尺寸大小来控制。通过改变量子点的尺寸和它的化学组成可以使其发射光谱覆盖整个可见光区。以CdTe量子为例，当它的粒径从2.5nm生长到4.0nm时，它们的发射波长可以从510nm红移到660nm。而硅量子点等其他量子点的发光可以到近红外区。通过控制量子点的形状、结构和尺寸，就可以方便地调节其能隙宽度、激子束缚能的大小以及激子的能量蓝移等电子状态。随着量子点尺寸的逐渐减小，量子点的光吸收谱出现蓝移现象。尺寸越小，则谱蓝移现象也越显著，这就是人所共知的量子尺寸效应。量子点具有宽的激发谱和窄的发射谱。使用同一激发光源就可实现对不同粒径的量子点进行同步检测，因而可用于多色标记，极大地促进了在荧光标记中的应用。3、纳米孔DNA测序的大致原理纳米孔的基本工作原理：在充满电解液的腔内，带有纳米级小孔的绝缘防渗膜将腔体分成2个小室，如图1，当电压作用于电解液室，离子或其他小分子物质可穿过小孔，形成稳定的可检测的离子电流。掌握纳米孔的尺寸和表面特性、施加的电压及溶液条件，可检测不同类型的生物分子。由于组成DNA的四种碱基腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)的分子结构及体积大小均不同，单链DNA(ssDNA)在核酸外切酶的作用下被迅速逐一切割成脱氧核糖核苷酸分子，当单个碱基在电场驱使下通过纳米级的小孔时，不同碱基的化学性质差异导致穿越纳米孔时引起的电流的变化幅度不同，从而得到所测DNA的序列信息。4、光镊的大致原理又称为单光束梯度力光阱(single-beamopticalgradientforcetrap)，是利用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微粒的技术。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”。势阱：粒子在某力场中运动，势能函数曲线在空间的某一有限范围内势能最小，形如陷阱，称为势阱。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。5、FRET的大致原理荧光共振能量转移是指两个荧光发色基团在足够靠近时，当供体分子吸收一定频率的光子后被激发到更高的电子能态，在该电子回到基态前，通过偶极子相互作用，实现了能量向邻近的受体分子转移（即发生能量共振转移）。FRET是一种非辐射能量跃迁，通过分子间的电偶极相互作用，将供体激发态能量转移到受体激发态的过程，使供体荧光强度降低，而受体可以发射更强于本身的特征荧光（敏化荧光），也可以不发荧光（荧光猝灭），同时也伴随着荧光寿命的相应缩短或延长。能量转移的效率和供体的发射光谱与受体的吸收光谱的重叠程度、供体与受体的跃迁偶极的相对取向、供体与受体之间的距离等因素有关。作为共振能量转移供、受体对，荧光物质必须满足以下条件：①受、供体的激发光要足够分得开；②供体的发光光谱与受体的激发光谱要重叠。人们已经利用生物体自身的荧光或者将有机荧光染料标记到所研究的对象上，成功地应用于核酸检测、蛋白质结构、功能分析、免疫分析及细胞器结构功能检测等诸多方面。（传统有机荧光染料吸收光谱窄，发射光谱常常伴有拖尾，这样会影响供体发射光谱与受体吸收光谱的重叠程度，而且供、受体发射光谱产生相互干扰。最新的一些报道将发光量子点用于共振能量转移研究，克服了有机荧光染料的不足之处。相对于传统有机荧光染料分子，量子点的发射光谱很窄而且不拖尾，减少了供体与受体发射光谱的重叠，避免了相互间的干扰；由于量子点具有较宽的光谱激发范围，当它作为能量供体时，可以更自由地选择激发波长，可以最大限度地避免对能量受体的直接激发；通过改变量子点的组成或尺寸，可以使其发射可见光区任一波长的光，也就是说它可以为吸收光谱在可见区的任一生色团作能量供体，并且保证了供体发射波长与受体吸收波长的良好重叠，增加了共振能量转移效率。）6、扫描电子显微镜和透射电子显微镜的总体定性特点扫描电子显微镜（SEM）是1965年发明的较现代的细胞生物学研究工具，主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。扫描电镜从原理上讲就是利用聚焦得非常细的高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息。通过对这些信息的接受、放大和显示成像，获得测试试样表面形貌的观察。电子束和固体样品表面作用时的物理现象当一束极细的高能入射电子轰击扫描样品表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时可产生电子-空穴对、晶格振动（声子)、电子振荡（等离子体）。透射电子显微镜(TransmissionElectronMicroscope,简称TEM),可以看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2um的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超微结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。目前TEM的分辨力可达0.2nm。电子显微镜与光学显微镜的成像原理基本一样，所不同的是前者用电子束作光源，用电磁场作透镜。另外，由于电子束的穿透力很弱，因此用于电镜的标本须制成厚度约50nm左右的超薄切片。这种切片需要用超薄切片机（ultramicrotome）制作。电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍、由照明系统、成像系统、真空系统、记录系统、电源系统5部分构成。7、制备纳米材料或结构的两种总体实现策略制备纳米材料和纳米结构的方法，总体上分为：“自上而下”(Top-Down)和“自下而上”(Bottom-Up)两种途径。“自上而下”(Top-Down)的方法，是一个由大变小的过程，大块物体通过破碎、粉碎、研磨等方式，转变成纳米量级的颗粒。“自下而上”(Bottom-Up)的方法，即是通过适当的化学反应，化学反应中物质之间的原子必然进行组排，从分子、原子出发制备纳米颗粒。制备纳米材料的液相介质可以是水介质，也可以是非水介质；可以是极性介质，也可以是非极性介质；可以是单一介质，也可以是混合介质；可以是单相介质，也可以是多相介质。通常使用水介质，主要液相方法有以下几种类型。沉淀法（沉淀法通常是在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合溶液中加入适当的沉淀剂(OH-,CO32-,C2O42-)制备纳米粒子的前驱体沉淀物，再将此沉淀物进行干燥或煅烧，从而制得相应的纳米粒子。）溶胶-凝胶法（溶胶的稳定是有条件的，一旦稳定条件被破坏，溶胶中的分散相微粒互相集结，颗粒变大，最后发生沉淀的现象称为聚沉。影响聚沉的因素有很多，如加入电解质、加热、辐射以及溶胶本身的一些因素都可能影响溶胶的聚沉。加入电解质对聚沉的影响研究最多，电解质对聚沉能力不仅取决于其浓度，还与电解质的离子价态有关。相同浓度情况下，离子价态越高，聚沉能力越强。）水热溶剂热法微乳液法模板法8、纳米材料表面修饰生物分子的常见方法纳米材料的表面修饰：指用物理方法、化学方法改变纳米微粒表面的结构和状态，实现人们对纳米微粒表面的控制表面吸附法：（即通过范德华力将异质材料（一般是表面活性剂）吸附在纳米粒子表面。）表面沉积法：（将一种物质沉积到纳米粒子的表面，形成与纳米粒子与无化学结合的异质包覆层。）高能量修饰法：（利用高能物理手段对粒子进行表面改性。合成Pt与