1、納米技術(shù)納米技術(shù)在生物學(xué)中的應(yīng)用在生物學(xué)中的應(yīng)用 納米技術(shù)納米技術(shù)（nanotechnology）納米技術(shù)是研究尺寸在1100 nm間的物質(zhì)組成體系的運動規(guī)律和相互作用及在應(yīng)用中實現(xiàn)其特有功能和智能作用的科學(xué)技術(shù)。它是一種用單個原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)。納米科學(xué)技術(shù)是以許多現(xiàn)代先進科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)，它是現(xiàn)代科學(xué)（混沌物理、量子力學(xué)、介觀物理、分子生物學(xué)）和現(xiàn)代技術(shù)（計算機技術(shù)、微電子和掃描隧道顯微鏡技術(shù)、核分析技術(shù)）結(jié)合的產(chǎn)物。納米科學(xué)技術(shù)又將引發(fā)一系列新的科學(xué)技術(shù)，例如：納米物理學(xué)、納米生物學(xué)、納米化學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工技術(shù)和納米計量學(xué)等。納米技術(shù)的發(fā)展史1989年，美國斯坦

2、福大學(xué)搬走原子團年，美國斯坦福大學(xué)搬走原子團“寫寫”下斯坦福大學(xué)下斯坦福大學(xué)英文；緊接著，英文；緊接著，1990年美國國際商用機器公司在鎳表面用年美國國際商用機器公司在鎳表面用36個氙原子排出個氙原子排出“IBM”字樣。字樣。1990年年7月，第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議在美國巴爾的摩月，第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議在美國巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。1993年，中科院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫年，中科院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫字，標(biāo)志著我國開始在國際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。字，標(biāo)志著我國開始在國際納米科技領(lǐng)域占有一席之

3、地。1997年，巴西和美國科學(xué)家設(shè)計出世界上最年，巴西和美國科學(xué)家設(shè)計出世界上最“小小”的秤，它的秤，它能夠稱量出十億分之一克的物體，相當(dāng)于一個病毒的重量；能夠稱量出十億分之一克的物體，相當(dāng)于一個病毒的重量；此后不久德國科學(xué)家研制出能稱量單個原子的秤。此后不久德國科學(xué)家研制出能稱量單個原子的秤。1999年后，納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)逐步走向商業(yè)化。年后，納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)逐步走向商業(yè)化。納米生物技術(shù)(biotechnology)自從Watson和Crick于1953年提出DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型以來，生物技術(shù)是當(dāng)今國際上重點的高技術(shù)領(lǐng)域，大力發(fā)展生物技術(shù)，已成為世界各國的經(jīng)濟戰(zhàn)略重點。納米生物技術(shù)是納米技術(shù)和

4、生物技術(shù)交叉所形成的一門新技術(shù)，在化學(xué)與生物納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與應(yīng)用中具有重要作用。由于納米生物技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比，具有眾多無可比擬的優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，為疾病的治療和診斷開辟了一條新途徑?！吧徶鲇倌喽蝗尽?天然的納米生物技術(shù)原理納米技術(shù)納米技術(shù)在生物學(xué)中的應(yīng)用在生物學(xué)中的應(yīng)用 納米技術(shù)在生物學(xué)中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在兩個方面： 一、應(yīng)用納米技術(shù)在納米尺寸對生物分子進行觀測,操縱生物分子等方面；二、是納米材料在生命科學(xué)中的應(yīng)用，包括納米無機生物材料、納米生物高分子材料和納米復(fù)合生物材料等觀測和操縱生物分子觀測和操縱生物分子 運用現(xiàn)代納米技術(shù)，使人們突破了檢測環(huán)境的限制，可以直接對生物

5、分子在其生命環(huán)境中進行檢測，獲得更真實和詳盡的信息掃描探針顯微鏡(SPM)是觀測與研究生物大分子的有力工具。它包括掃描隧道顯微鏡(STM)，原子力顯微鏡(AFM)，力調(diào)制顯微鏡(FMM)，相位檢測顯微鏡(PDM)、靜電力顯微鏡(EFM)、電容掃描顯微鏡(SCM)、熱掃描顯微鏡(SThM)和近場光隧道掃描顯微鏡(NSOM)等各種系列顯微鏡。 生物大分子的直接操縱和改性DNA分子是全部遺傳信息的攜帶者，因而DNA分子操縱成為生命科學(xué)、物理學(xué)等多學(xué)科的共同熱點。DNA操縱包括：（1）DNA鏈的原子力切割。利用原子力顯微鏡AFM在幾年前已經(jīng)實現(xiàn)了DNA分子鏈的原子力切割，可不受DNA序列的限制，在任何

6、部位進行納米級的精確切割。（2）DNA分子鏈的拉直操縱。其實現(xiàn)方法很多，主要有以下三種：靜電場法。在一定強度的電場下，可拉直小片段的DNA。激光鑷子法。在DNA的兩端點粘上微小的顆粒，可通過激光鑷子將其展開。分子梳法。通過受壓的液體流動產(chǎn)生的流體力可將DNA鏈進行拉直操縱，與雙色熒光標(biāo)記法結(jié)合成為基因研究中的有力工具。納米材料在生物學(xué)中的應(yīng)用 納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。應(yīng)用于生命科學(xué)中的納米材料可稱應(yīng)用于生命科學(xué)中的納米材料可稱之為之為納米生物材料納米生物材料，它是

7、指由具有，它是指由具有納米量級的超微粒構(gòu)成的、具有良納米量級的超微粒構(gòu)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。 表面與界面效應(yīng)表面與界面效應(yīng) 納米晶體粒表面原子納米晶體粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所徑變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。引起的性質(zhì)上的變化。小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng) 當(dāng)納米微粒尺寸與光波波長，傳導(dǎo)電子的德布羅意波長及當(dāng)納米微粒尺寸與光波波長，傳導(dǎo)電子的德布羅意波長及超導(dǎo)態(tài)的相干長度、透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小超導(dǎo)態(tài)的相干長度、透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時，它的周期性邊界被破壞，從而使其聲、光、電、磁，時，它的周

8、期性邊界被破壞，從而使其聲、光、電、磁，熱力學(xué)等性能呈現(xiàn)出熱力學(xué)等性能呈現(xiàn)出“新奇新奇”的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。宏觀量子隧道效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng) 微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強度等也有隧道效應(yīng)，它們可以穿過宏觀系統(tǒng)的子的磁化強度等也有隧道效應(yīng)，它們可以穿過宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，這種被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效勢壘而產(chǎn)生變化，這種被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。應(yīng)。優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點缺點缺點團聚團聚純度純度粒徑分布粒徑分布高溫耗高溫耗設(shè)備復(fù)雜設(shè)備復(fù)雜成本高成本高納米材料制備技術(shù)納米材料制備技術(shù)化學(xué)法化學(xué)法物理法物理法固相法固相

9、法液相法液相法氣相法氣相法 微乳化法（微乳化法（mircro-emulsion)化學(xué)沉淀法化學(xué)沉淀法(chemical precipitation)溶膠溶膠-凝膠法（凝膠法（sol-gel)水熱法（水熱法（hydrothermal)溶劑蒸發(fā)法溶劑蒸發(fā)法處理量大處理量大技術(shù)成熟技術(shù)成熟高溫耗能高溫耗能粒徑大粒徑大分布廣分布廣氣相沉積法氣相沉積法(chemical vapor deposition) 激光光照合成（激光光照合成（laser ablation)固相法固相法機械研磨機械研磨氣相法氣相法氣體冷凝法（氣體冷凝法（gas condensation)優(yōu)點優(yōu)點合成溫度低合成溫度低精確控制組成精確

10、控制組成設(shè)備簡易設(shè)備簡易 純度高純度高粒徑小粒徑小分散佳分散佳納米技術(shù)在生物學(xué)中的應(yīng)用工程 生物芯片是基因生物學(xué)與納米技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它不同于半導(dǎo)體芯片，它是在很小的幾何尺度的表面積上，裝配一種或集成多種生物活性分子，僅用微量生理或生物采樣，即可同時檢測和研究不同的生物細胞、生物分子和DNA的特性，以及它們之間的相互作用，獲得生命微觀活動的規(guī)律。生物芯片可以粗略地分為細胞芯片、蛋白質(zhì)芯片（生物分子芯片）和基因芯片（DNA芯片）等幾類，都有集成、并行和快速檢測的優(yōu)點，已經(jīng)成為21世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)工程的前沿科技。 所謂分子馬達即分子機械，是由生物大分子構(gòu)成并利用化學(xué)能進行機械做功的納米系統(tǒng)。分子馬達

11、包括線性推進和旋轉(zhuǎn)式兩大類。其中線性分子馬達是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能，并沿著一條線性軌道運動的生物分子，主要包括肌球蛋白、驅(qū)動蛋白、DNA解旋酶和RNA聚合酶等。美國波士頓大學(xué)的化學(xué)家制備出世界上最小的馬達，該分子馬達由78個原子構(gòu)成 “納米機器人”是根據(jù)分子水平的生物學(xué)原理為設(shè)計原型，設(shè)計制造可對納米空間進行操作的“功能分子器件”。第一代納米機器人是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結(jié)合體，如酶和納米齒輪的結(jié)合體。這種納米機器人可注入人體血管內(nèi)，進行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，吞噬病毒，殺死癌細胞；還可進行人體器官的修復(fù)工作、作整容手術(shù)、從基因中除去有害的，把正常的安裝在基因中，使機體正常運行。第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置。第三代納米機器人是包含納米計算機，可以進行人機對話的裝置。一旦問世將徹底改變?nèi)祟惖膭趧雍蜕罘绞健?. 納米機器人納米機器人消滅癌細胞虛擬圖納米機器人進入人體消化系統(tǒng)工作示意圖目前還只能鉆進人的肚子里通過傳輸圖像“瞧病”，還不能治病 。機器人醫(yī)生在未來三年內(nèi)：當(dāng)機器人醫(yī)生發(fā)現(xiàn)可疑病變組織后，立即能伸出“手”來取樣進行活檢 納米生物技術(shù)的現(xiàn)狀與展望納米生物技術(shù)的現(xiàn)狀與展望 國際上納米生物技術(shù)的研究范圍涉及納米生物材料、藥物和轉(zhuǎn)基因納