纳米技术与生命科学.ppt

纳米技术与生命科学,古 德 祥,一、何谓“纳米”,“纳米”是英文namometer译名。另一种说法，“纳米”一词源自拉丁文“NANO”，“矮小”的意思。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个氢原子并排起来的长度； 1000纳米=1微米； 10纳米相当于1根头发丝宽度的1,1982年随着扫描隧道显微镜发明，人类可研究0.1100纳米长度的物体，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。 纳米技术以空前的分辨率，为人类揭示了一个可见的原子、分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。1990年，世界上最小的“I-P-M”3个英文字母，共用了35原子在实验室排成，其长宽不超过一个病毒的面积。1993年，中国科学院真空物理实验室的科研人员，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。,原子字“毛泽东”,纳米技术之所以重要，是因为当金属或非金属被制成相当于100纳米的物质时，它的物理性能和化学性质会发生出乎意料的变化，主要表现在强度、韧度、比热、导电、磁吸收等方面。 光学特性：当黄金被细分到小于光波波长的尺度时，即失去了原有富贵光泽而成黑色。事实上，所有的金属在微颗粒状态都呈现为黑色，对光的折射率很低。利用这个特性可以作为高效率的热能、电能等转换材料，可以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。,热学特性：当固态物质的颗粒小于10 纳米量级时，其熔点显著下降。超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时的元件基片可用塑料。又如，在钨颗粒中附加0.1%0.5%重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3 000降低到1 2001 300，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管基片。 磁学特性：磁性超微粒实质上是一个生物磁罗盘。蜜蜂腹部的微磁粒是用于导航的。利用磁性超微粒的特性已做成高储存密度磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等，也可制成广泛用途的磁性液体。,力学特性：陶瓷在通常情况下呈脆性，而由纳米超微粒制成的纳米陶瓷材料，却具有良好的韧性。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗金属硬35倍。 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。因此，人类可以利用纳米技术，选定原子构成分子，制造出各种具有特殊功能的新材料，再添加到产品中，从而使产品表现出意想不到的新性能。这是纳米技术带来的奇迹。目前，纳米材料已在电子、化工、通讯、环保、医药等领域得广泛应用。,导电螺旋的SEM照片 （放大14000倍）,国际商用机器公司的科学家在世界上首次使用扫描隧道显微镜来移动和精确定位单个原子 此图是铜表面的铁原子,二、纳米粒子的制备方法,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。,三、纳米技术对生物科学的影响 1、生物电脑,电脑的性能是由元件与元件之间电流启闭的开关速度来决定的。科学家发现，蛋白质有开关特性，用蛋白质分子作元件制成的集成电路，称为生物芯片。使用生物芯片的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的开关装置有：蛋白质芯片、遗传生成芯片、血红素芯片。,特点：用蛋白质制造的电脑芯片，在1mm2面积上可容纳数亿个电路，存储量可达普通电脑的10亿倍；其集成电路大小只相当于硅片集成电路的10万分之一，且运转速度更快，大大超过人脑思维速度。 生物芯片传递信息时阻抗小，耗能低且具有生物的特点，具有自我组织和自我修复的功能。它可以与人体及人脑结合，听从人的指挥，从人体中吸收营养。把生物大脑植入人的体内，可以使盲人复明，使人脑的记忆力成千上万倍地提高；若植入血管中，则可以监视人体内的化学变化，使人的体质增强，使 残疾人重新站起来。,生物集成电路的制作方法，在技术上也有所突破。目前采用的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的狭窄的一束聚焦的X光束或电子束，在该簿膜上画出一条条互相平行的条纹。条纹的宽度几十纳米，条纹之间的距离为200250纳米。用酒精把光束照射的那部分塑料溶解掉，蚀出一条条缝隙，让赖氨酸分子从缝隙中暴露出来，把另一种蛋白质“嫁接”上去。如果聚赖氨酸的特性符合设计要求，就可以涂上传输电脉冲所需的金属(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的记忆装置，应用前景十分诱人。,DNA电脑更为诱人。其原理是，DNA分子中的密码相当于存储的数据，DNA分子之间可以在某种酶的作用下瞬间完成生物化学反应，从一种基因代码变成另一种基因代码。反应前的基因代码可作为输入数据，反应后的基因代码可以作为运算结果。如果控制得当，那么就可利用这种过程制成一种新型电脑，具有运算速度快、存储容量大、耗能极低的特点。生物电脑可实现模糊推理和神经网络运算功能，是智能计算机的突破口之一。,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，它的作用相当于一台微型电脑。用许多微处理机模仿人脑的神经元结构，采用大量的并行分布式网络，就构成了神经电脑。它具有联想、记忆、视觉和声音识别能力。日本富通研究所开发的神经电脑，每秒更新数据速度近千亿次。日本电气公司推出一种神经网络声音识别系统，能识别任何人的声音，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的神经电脑，右脑为经验功能部分，有1万多个神经元，适用于图像识别；左脑为识别功能部分，含有100万个神经元，用于存储单词和语法规则。现在，纽约、迈阿密和伦敦的飞机场已经用神经电脑来检查爆炸物，每小时可查600700件行李，检出率为95%，误差率为2%。,2、纳米级的生物工程产业,以微生物技术、酶技术、细胞技术、基因技术为主导的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，采用工程技术原理，向人类提供商品或提供社会服条的综合性科学技术。将逐步出现以动植物工程、药物及疫苗、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的生物工程产业，使人类生产和生活发生巨大的变化。,3、对付害虫的微型“杀手”,美国一家研究所正在追踪监视逐渐向北迁移的巴西“杀人蜂”。在捕获的蜂的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。这是最小的“间谍武器”，用于对付昆虫。未来开发的纳米级的微型装置，是一个类似整个昆虫形状的微型智能机械“虫”，不仅可以预报虫害情况，也可以大量杀死害虫。,4、医用的微型机械人,小人国的童话故事听了不少。如今用特制超细的纳米材料制成的“纳米机械人”，可以进入人的血管和心脏，完成医生不能完成的血管修补，清除心脏动脉的脂肪沉积物，疏通脑血管中的血栓等“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种能移动单细胞或捕捉细菌的机械人，外型似人的手臂，其肘部和腕部很灵活，有24个手指。这种机械人能在血液、尿液和细胞介质中工作。如用杀菌的分子机械人与病菌“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，其真实性则大大超过人们用电脑合成的仿生动画片。有的科学家用磁性纳米颗粒，成功地分离了动物的癌细胞和正常细胞，已在治疗人骨髓癌的临床实验中获得成功。还有，用纳米药物来阻断血管饿死癌细胞等等。,5、“纳米生物导弹”,军事上的导弹，既然识别目标，又能摧毁目标。所谓“纳米生物导弹”，就是具有识别肿瘤细胞和杀死肿瘤细胞双重功能的药物。一旦进入体内，便随血液流动，专门寻找癌细胞进行攻击，而不损伤其他正常细胞。首先制备出多种抗肿瘤的单克隆抗体，再在抗体上装上杀死肿瘤细胞的武器药物，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的单克隆抗体相联。,我国科技工作者从1982年开始，从事生物导弹的研究，他们用丝裂霉毒素与抗肿瘤抗体偶联，其药性比原来的提高100200倍，在动物身上进行试验，取得了明显的疗效。治疗肿瘤患者，其中75%的患者收到良好效果，有的患者经治疗后肿瘤几乎消失。根据临床的经验，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的疗效。,6、人造血浆,医疗上输血，需要大量的血液。由于献血人数有限，血库经常紧缺。全球面临的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，通过输血传播艾滋病的发病率，在过去的10年里至少有9 000例。我国每年需血量为800吨，若按目前我国每单位新鲜血液400元计，则至少有16 亿元潜在市场。为了解决血浆缺乏问题，我国有关企业研制开发人造血浆。以全氟溴烷为原料，研制开发具有携氧功能的人造血液、器官灌注和保存液等产品。,全氟碳化合物是一种化学隋性与生物隋性的有机化合物。一方面，它对气体有非常高的溶解度，可以使其成为身体呼吸系统与细胞组织中进行气体传输的媒介；另一方面，由于对射线的不透过性，可作为造影剂。合成的全氟溴烷，可解决人造血浆、造影剂、器官灌注与保存液的需求。,四、纳米科学在我国的发展,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的正式形成。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的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“材料中的前沿问题研讨”香山会议，主要内容有：纳米材料的制备、智能材料及生物材料。1997年又召开了纳米化学香山会议。纳米科学技术几乎涉及现有的所有学科领域，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。,我国对纳米技术大规模有组织的研究开始于20世纪80年代末。在过去的10年，我国已使用了多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，包括金属、合金、氧化物、氮化物、离子晶体和半导体等多种纳米材料的方法，研制了性能优良的多种纳米复合材料。近年来，根据国际纳米材料研究的发展趋势，建立和发展了制造纳米结构组装体系的多种方法。特别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。10年来，我国学者在国内外发表纳米材料与结构的论文2 400篇，在国际上排名第五。到2000年为止，纳米材料研究获得国家自然科学奖三等1项，国家发明奖2项，申请专利79项，其中发明专利占50%。,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2010年纳米技术研发及产业化水平达到国内先进水平，某些方面达到国际先进水平。广州市现有14所高校和科研院所从事纳米研究，近10家企业正进行相关产品研制，形成了300多人的研究队伍。 (2001年9月28日羊城晚报A3版),近10年内，广州市重点发展纳米技术在塑料和橡胶、建材、纺织等传统产业中应用； 发展纳米电子、光电信息材料与器件； 发展纳米技术在太阳能转化、新型绿色电池中应用，以及在水和空气治理中的应用； 发展纳米制药，尤其是在中药制备中的应用，医用纳米材料，纳米诊断器件和技术。 市政府采用企业、高校、科研机构共建的方式，建立孵化园区，吸纳社会资金和人才。,谢 谢,