工學(xué)]生物醫(yī)學(xué)納米技術(shù)baidu

1、生物醫(yī)學(xué)納米技術(shù),,,神奇的納米——納米天天見,洗車巾？籃球鞋？抗菌茶具？家電？,,神奇的納米——出淤泥而不染,荷葉的表面上有許多微米級(jí)的突起。每個(gè)突起是由許多直徑為200納米左右的小突起組成的。這些突起在荷葉的表面形成了密密麻麻分布的無數(shù)“小山”，“小山”與“小山”之間的“山谷”非常窄，小的水滴只能在“山頭”間跑來跑去，卻休想鉆到荷葉內(nèi)部。于是荷花便有了疏水的性能,,我國安徽省出產(chǎn)的著名徽墨能保持毛筆字有光澤且較長(zhǎng)時(shí)間不褪色。制

2、作墨汁或黑墨的主要原料是煙炱。煙炱是什么？它就是煙凝結(jié)成的黑灰。制墨時(shí)所用的黑灰越細(xì)，墨的保色時(shí)間越長(zhǎng)。徽墨用納米級(jí)大小的松煙炱（即所謂‘精煙徽墨’）和樹膠及少量香料及水分制成，所以很名貴。,,神奇的納米——看字?jǐn)喟?什么是納米技術(shù)？ 納米技術(shù)是指在原子、分子和超分子量級(jí)，即尺寸在大約1~100 nm下進(jìn)行測(cè)量、設(shè)計(jì)和操控的能力，目的是理解、制造并使用由于小尺寸而具有的、本質(zhì)上區(qū)別于傳統(tǒng)材料的新特性、新功能材料的結(jié)

3、構(gòu)、裝置和系統(tǒng)。納米究竟有多??？ 1納米(nm）＝10-9米(m) 地　球　＝?。薄∶住?乒乓球 ＝ １納米,,,,,,,?Cluster-A collection of units (atoms or reactive molecules) of up to about 50 units?Colloids-A stable liquid phase cont

4、aining particles in the 1-1000 nm range. A colloid particle is one such 1-1000 nm particle.?Nanoparticle-A solid particle in the 1-100 nm range that could be noncrystalline, an aggregate of crystallites o

5、r a single crystallite?Nanocrystal-A solid particle that is a single crystal in the nanometer range,納米技術(shù)的發(fā)展沿革,1959年，著名物理學(xué)家、諾貝爾將獲得者理查德·費(fèi)因曼(1918-1988)預(yù)言，人類可以用小的機(jī)器制作更小的機(jī)器，最終能實(shí)現(xiàn)根據(jù)人類意愿，逐個(gè)地排列原子，制造產(chǎn)品，這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢(mèng)

6、想。(來自他在美國物理學(xué)會(huì)召開的年后上所做的《There’s plenty of room at the bottom》)1982年，科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具——掃描隧道顯微鏡，為人類揭示了一個(gè)可見的原子、分子世界，對(duì)納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用,,納米技術(shù)的發(fā)展沿革,1989年，美國斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán)“寫”下斯坦福大學(xué)英文；1990年美國國際商用機(jī)器公司在鎳表面用36個(gè)氙原子排出“IBM”字樣。,,1990年7月，第一屆國際

7、納米科學(xué)技術(shù)會(huì)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。1993年，中科院北京真空物理實(shí)驗(yàn)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。1997年，巴西和美國科學(xué)家設(shè)計(jì)出世界上最“小”的秤，它能夠稱量出十億分之一克的物體，相當(dāng)于一個(gè)病毒的重量；此后不久德國科學(xué)家研制出能稱量單個(gè)原子的秤。1999年后，納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)逐步走向商業(yè)化。,納米技術(shù)的發(fā)展沿革,,2010年: 80萬納米科技人才

8、 GDP 1萬億美元 200萬個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)本世紀(jì)前10年幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域之一,納米技術(shù)的發(fā)展沿革,,,納米碳管蛋白質(zhì)、DNA、RNA、病毒單電子晶體管……,,納米材料的獨(dú)特性質(zhì),表面與界面效應(yīng) 　　 納米晶體粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。,,,納米材料的獨(dú)特性質(zhì),,,?Spherical iron nanocrystals

9、?J. Phys. Chem. 1996, Vol. 100, p. 12142,,,,,,,For example, 5 cubic centimeters – about 1.7 cm per side – of material divided 24 times will produce 1 nanometer cubes and spread in a single layer could cover a football

10、 field,,,,Repeat 24 times,Nanoscale = High Ratio of Surface Area to Vol.,納米材料的獨(dú)特性質(zhì),小尺寸效應(yīng) 　　 當(dāng)納米微粒尺寸與光波波長(zhǎng)，傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度、透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，它的周期性邊界被破壞，從而使其聲、光、電、磁，熱力學(xué)等性能呈現(xiàn)出“新奇”的現(xiàn)象。,,,,納米材料的獨(dú)特性質(zhì),宏觀量子隧道效應(yīng) 　

11、　 微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強(qiáng)度等也有隧道效應(yīng)，它們可以穿過宏觀系統(tǒng)的勢(shì)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)。,,納米材料的獨(dú)特性質(zhì),量子尺寸效應(yīng) 當(dāng)粒子的尺寸達(dá)到納米量級(jí)時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由連續(xù)態(tài)分裂成分立能級(jí)。當(dāng)能級(jí)間距大于熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時(shí)，會(huì)出現(xiàn)納米材料的量子效應(yīng)，從而使其磁、光、聲、熱、電、超

12、導(dǎo)電性能變化。,,納米材料的獨(dú)特性質(zhì),,,納米材料的制備,對(duì)納米材料的要求尺寸可控(小于 100 nm)成分可控形貌可控晶型可控表面物理和化學(xué)特性可控(表面改性和表面包覆),,優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn),缺點(diǎn),團(tuán)聚純度粒徑分布,高溫耗設(shè)備復(fù)雜成本高,納米材料制備技術(shù),化學(xué)法,物理法,固相法,液相法,氣相法,,微乳化法（mircro-emulsion),處理量大技術(shù)成熟,高溫耗能粒徑大分布廣,固相法,機(jī)械研磨,氣相法,氣體冷凝法（

13、gas condensation),優(yōu)點(diǎn),合成溫度低精確控制組成設(shè)備簡(jiǎn)易,純度高粒徑小分散佳,,,,,,,,納米材料的制備,,,Some examples of nanomaterialsQuantum dotsCarbon nanotube(CNT)Dendrimers,,,Carbon nanotube,,CNT是直徑小于1 nm的、管狀的碳結(jié)構(gòu) ；其長(zhǎng)度在數(shù)納米到數(shù)微米。CNT 的構(gòu)象是由二維的石墨片層卷折而成，

14、如果由單層石墨片層構(gòu)成，稱為單壁CNT (single wall CNT, SWNT)；如果由多層構(gòu)成，則稱多壁CNT (multiple wall CNT, MWNT) 。,,,SWNT,MWNTTower,Close view of MWNT Tower,MWNT Structures,Carbon nanotube,,CNT 存在超常的力學(xué)性能楊氏模量： CNT >1 TPa vs Aluminum ~70

15、GPa C-fiber 700 GPa強(qiáng)度重量比（strength/weight ratio） CNT是鋁的500倍； 比石墨和環(huán)氧樹脂高出一個(gè)數(shù)量級(jí)； 接近于鋼和鈦。,,See http://www.ipt.arc.nasa.gov/gallery.ht

16、ml for videos of bending, compression, etc., of CNTs,CNT Properties,,CNT的高強(qiáng)度和彎折性是由于C-C共價(jià)鍵和石墨片層的六邊形無縫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變： 約10%左右，遠(yuǎn)高于其他任何材料導(dǎo)熱率： 軸向?qū)崧蕕 3000 W/mK 輻射方向幾乎不導(dǎo)熱,,CNT Properties,Bending,,Twisting,,電導(dǎo)率：高于

17、銅電流負(fù)載能力強(qiáng) 107 - 109 A/cm2優(yōu)良的場(chǎng)發(fā)射體 高長(zhǎng)寬比，低尖端曲率半徑能夠被“功能化” 其它的化學(xué)基團(tuán)能夠連接到其側(cè)壁,,,,CNT Properties,,,CNT Properties,,,CNT Properties,,,傳感器/生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?基于CNT的顯微鏡：AFM,STM?納米管傳感器?分子馬達(dá)、傳動(dòng)裝置?氫氣存儲(chǔ)?納米反應(yīng)器，離子通道?生物醫(yī)學(xué)應(yīng)

18、用-植入式納米電極-集成式芯片“實(shí)驗(yàn)室”-人工肌肉-DNA測(cè)序-細(xì)胞移植,電子應(yīng)用?用于計(jì)算的二極管/晶體管?數(shù)據(jù)存儲(chǔ)?電容設(shè)備?場(chǎng)發(fā)生器?平板顯示器,Challenges,Challenges,?Controlled growth?Functionalization withprobe molecules, robustness?Integration, signal

19、processing?Fabrication techniques,CNT applications,tools,,CNT based biosensors,,? CNT修飾傳感器表面，并為探針分子（如葡萄糖氧化酶）提供適宜連接的位點(diǎn)? 探針與待測(cè)分子（如葡萄糖）發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電子傳遞? CNT的特殊結(jié)構(gòu)使得電子在其徑向轉(zhuǎn)移速度非常迅速，進(jìn)而提高酶促反應(yīng)速度，提高反應(yīng)效率,,,CNT based biosensors

20、,,,Quantum Dots,What are they? 通常指由一種或兩種及以上的II－VI族(Zn、Cd、Hg等與S、Se、Te)或III－V族(Al、Ga、In等與P、As、Sb)元素組成的、三個(gè)維度的尺寸都在10納米(nm)以下的球形或類球形超微顆粒（ultrafine particles）。,QD’s history,上世紀(jì)80年代初。被譽(yù)為“量子點(diǎn)之父”的Louis Brus博士在AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室研

21、究半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一些在懸濁液中的納米膠體，它們不同于傳統(tǒng)硅材料，而是對(duì)尺寸和形狀非常敏感。Brus和同事們隨后又制備了越來越小的人工合成半導(dǎo)體納米晶體(Brus 1984; Steigerwald and Brus 1989)。同一時(shí)期，前蘇聯(lián)Yoffe研究所的Alexander Efros和A.I.Ekimov博士對(duì)量子點(diǎn)的光學(xué)和電學(xué)特性進(jìn)行了開拓性的研究，為了解量子點(diǎn)的光學(xué)特性、電子結(jié)構(gòu)以及其線性和非線性的光學(xué)響應(yīng)打

22、下了基礎(chǔ)(Ekimov and Onushchenko 1981; Ekimov, Efros et al. 1985)。,,,,量子點(diǎn)尺寸/限域效應(yīng),,當(dāng)激發(fā)能量大于帶隙時(shí)，量子點(diǎn)吸收光子產(chǎn)生空穴-電子對(duì)，電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶。,,量子點(diǎn)的特性,由于量子點(diǎn)的帶隙寬度強(qiáng)烈依賴于其尺寸，尺寸越小，帶隙越寬。因此，量子點(diǎn)的發(fā)射波長(zhǎng)也依賴于其帶隙寬度，也即是依賴于量子點(diǎn)的尺寸?？梢猿浞掷昧孔狱c(diǎn)激發(fā)光對(duì)其尺寸的依賴性，通過控制其合成時(shí)的直徑

23、大小和各組分來進(jìn)行連續(xù)調(diào)諧，以獲得可見光乃至紅外等波段內(nèi)任意波長(zhǎng)的量子點(diǎn)。,,量子點(diǎn)的特性,顯著區(qū)別于傳統(tǒng)有機(jī)熒光染料寬而連續(xù)的吸收光譜較大的斯托克位移(stoke’s shift)狹窄對(duì)稱的發(fā)射光譜波長(zhǎng)小于發(fā)射光波長(zhǎng)激光對(duì)其進(jìn)行激發(fā)在同一激發(fā)光下同時(shí)激發(fā)多種不同尺寸的量子點(diǎn)發(fā)射出無交疊或很少交疊的、不同波長(zhǎng)的熒光，從而很方便的實(shí)現(xiàn)單激發(fā)、多發(fā)射的多色熒光檢測(cè),,,量子點(diǎn)的特性,量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度強(qiáng)具有很強(qiáng)的抗光漂白的能力

24、,,量子點(diǎn)的特性,量子點(diǎn)的制備,金屬有機(jī)化學(xué)法 在無氧無水的條件下，將有機(jī)金屬試劑如二甲基鎘、三辛基硒磷或氧化鎘等與高溫有機(jī)配體溶劑如TOPO、己基磷酸等混合，通過熱解有機(jī)金屬試劑在很短時(shí)間內(nèi)得到大量的納米顆粒晶核，然后通過調(diào)節(jié)反應(yīng)體系溫度來控制納米晶體的生長(zhǎng)，最終獲得量子點(diǎn)。 優(yōu)點(diǎn) 高量子產(chǎn)率，良好晶體結(jié)構(gòu)、單分散性、尺寸均一缺點(diǎn) 反應(yīng)條件苛刻，操作復(fù)雜，有機(jī)溶劑毒性大，合成受到一定限制。具有疏水性表面

25、，必須通過親水性修飾才能應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,,量子點(diǎn)的制備,水相化學(xué)方法合成 以水為介質(zhì)、金屬鹽為反應(yīng)前體，利用水溶性巰基化合物（短鏈巰基羧酸，硫醇，半胱氨酸、谷胱甘肽等）作為穩(wěn)定劑，通過水相離子交換反應(yīng)得到納米晶體 優(yōu)點(diǎn) 操作簡(jiǎn)便、成本低、親水性好、表面容易與生物分子偶聯(lián)、無需相轉(zhuǎn)換 缺點(diǎn) 量子產(chǎn)率低、尺寸分布均一性差,,Applications,,,Applications,,,Applicatio

26、ns,,,Applications,通過熒光共振能量轉(zhuǎn)移(fluorescence resonance energy transfer, FRET)或三重態(tài)能量轉(zhuǎn)移(triplet energy-transfer process, TET)的方式與已知的硅酞菁染料相互作用產(chǎn)生可用于光動(dòng)力療法(photodynamic therapy, PDT)的單線態(tài)氧,,Applications,,,“Quantum Dot as a Drug Tr

27、acer In Vivo, IEEE Transactions on nanobioscience, 2006,5 (4), pp 263-267”,,Dendrimers,,,,,樹枝狀大分子是由重復(fù)增長(zhǎng)反應(yīng)合成而來的，高度支化且結(jié)構(gòu)精確的分子。每一個(gè)重復(fù)循環(huán)反應(yīng)增加一個(gè)支化層，叫做“代”。它包括主結(jié)構(gòu)（內(nèi)核，支化單元，外圍基團(tuán)）及微環(huán)境（空腔）。,Dendrimers,Dendrimers,樹枝狀大分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)精確的分子結(jié)構(gòu)；

28、 　　高度的幾何對(duì)稱性； 　　外圍大量的官能團(tuán)； 　　分子內(nèi)存在空腔； 　　分子量可控； 　　分子本身具有納米尺寸。,,Courtesy of: http://www.uea.ac.uk/cap/wmcc/anc.htm,Dendrimers,,樹枝狀大分子的性能特點(diǎn)良好的流體力學(xué)性能； 　　黏度隨分子量的增加出現(xiàn)最大值；容易成膜； 　　多功能性； 　　不易結(jié)晶； 　　密度隨分子量的增加出現(xiàn)最小值,Courtesy

29、 of: http://www.uea.ac.uk/cap/wmcc/anc.htm,Applications,藥物載體,,內(nèi)部空腔和結(jié)合點(diǎn)可以攜帶藥物。高密度表面基團(tuán)經(jīng)過修飾，改變水溶性和靶向作用。毒性較低，通過擴(kuò)散和生物降解實(shí)現(xiàn)藥物釋放。分子設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)生物相溶性和降解性。,Applications,,基因載體與許多重要蛋白質(zhì)和生物組裝分子的大小及形狀很匹配。PAMAM生理?xiàng)l件下為聚陽離子,且有很好的溶解性， 末端胺基很容

30、易與DNA 中的帶負(fù)電的磷酸基相互作用。內(nèi)部有空腔，促進(jìn)DNA結(jié)合的復(fù)合物的穩(wěn)定性。,基因載體,,核磁共振造影劑（MRI）,,Applications,大量表面基團(tuán)和空腔：可以增加造影劑復(fù)合物的數(shù)量完美結(jié)構(gòu)，大分子尺寸：從血液循環(huán)排除慢，成像時(shí)間長(zhǎng)增加成像的靈敏度和清晰度(馳豫時(shí)間長(zhǎng)),,Applications,葉酸修飾的PAMAM分子可以結(jié)合250-400 10B，能夠靶向腫瘤細(xì)胞，10B與低能中子進(jìn)行核裂變產(chǎn)生能量以及細(xì)