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1、01:16:02,1,第十三章 生物传感器,01:16:02,2,上次课回顾,1、检测原理、特性,（二）电化学气体传感器,（三）半导体气体传感器,1、电阻型,2、MOSFET（非电阻型）,2、气敏电极,（一）离子敏场效应晶体管(ISFET),1、结构,2、工作原理,3、特性,01:16:02,3,生物传感器,（biosensors),生物传感器的概述生物传感器的基本组成和工作原理生物传感器的分类及特点生物敏感材料的固定化技术几种主要的生物传感器,01:16:02,4,一、生物传感器的概述,利用生物活性物质的选择性识别和测定各种生物化学物质的传感器。,对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择性和
2、可逆响应。,主要由两大部分组成：一是功能识别物质（分子识别元件），由其对被测物质进行特定识别；二是电、光信号转换装置（换能器），由其把被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。,1、生物传感器的定义,01:16:02,5,2.生物传感器的发展史,最先问世的生物传感器是酶电极，1962年Clark将酶与ISE结合，最先提出组成酶电极的设想。上世纪70年代中期，人们注意到酶电极的寿命一般都比较短，提纯的酶价格也较贵，而各种酶多数都来自微生物或动植物组织，因此自然地就启发人们研究酶电极的衍生型：微生物电极、细胞器电极、动植物组织电极以及免疫电极等新型生物传感器，使生物传感器的类别大大增多
3、。进入上世纪80年代之后，随着离子敏场效应晶体管的不断完善，如1980年Caras和Janafa率先研制成功可测定青霉素的酶FET。,本世纪：纳米技术和生物传感技术的结合,01:16:02,6,本世纪：进入纳米生物传感器时期,01:16:02,7,从整体划分:,第一代生物传感器以将生物成分截留在膜上或结合在膜上为基础，这类器件由透析器(膜)、反应器(膜)和电化学转换器所组成，其实验设备相当简单。第二代生物传感器是指将生物成分直接吸附或共价结合在转换器的表面上，从而可略去非活性的基质膜。第三代生物传感器是把生物成分直接固定在电子元件上，例如FET的栅极上，它可直接感知和放大界面物质的变化，从而将
4、生物识别和电信号处理集合在一起。这种放大器可采用差分方式以消除干扰。,01:16:02,8,目前国内外得到广泛应用的生物传感器主要包括：1、测定水质的BOD分析仪、在市场上有以日本和德国为代表产品供应。2、采用丝网印刷和微电子技术的手掌型血糖分析器，已形成规模化生产，年销售量约为十亿美元；3、固定化酶传感分析仪：国外以美国的YSI公司和德国BST公司为代表，都有系列分析仪产品，它们主要用于环境监测和食品分析，国内到目前为主只有山东省科学院生物研究所的系列化产品在市场得到应用。4、SPR生物传感器，在日、美、德、瑞典等国得到了开发和初步应用。极大多数同类其它研究还都处在探索性阶段,01:16:0
5、2,9,德国研发的环境废水BOD分析仪,01:16:02,10,手掌型葡萄糖(glucose)分析仪,01:16:02,11,SBA-50型单电极生物传感分析仪-乳酸分析仪,01:16:02,12,发酵罐,主机,计算机,SBA-60型生物传感在线分析系统，为发酵自动控制提供了新的基础平台,01:16:02,13,SBA-70型血糖乳酸自动分析仪,01:16:02,14,在我国发酵工厂普及应用的SBA-40型谷氨酸-葡萄糖双功能分析仪,工厂发酵车间化验员正在分析样品,01:16:02,15,二、生物传感器的基本组成和工作原理,1、基本组成,生物传感器基本构成示意图,生物敏感膜（分子识别元件）-决
6、定传感器的功能和质量物理或化学转换器（换能器）,01:16:02,16,（1）生物敏感膜（分子识别元件）,由生物活性材料作为敏感基元构成。,酶、抗体、抗原、细胞、生物组织、DNA等,酶(Enzyme),抗体(Antibody),DNA,具有高度的选择性和敏感性,01:16:02,17,几种主要的生物活性材料及反应,A、酶及酶促反应,B、抗原与抗体及免疫反应,C、微生物及微生物反应,D、受体及受体配体结合反应,01:16:02,18,生物敏感膜按所选材料不同分类：,01:16:02,19,生物敏感膜按其分子识别原理可分为三种不同类型：,A、基于生物催化反应的生物敏感膜,B、基于生物吸附的生物敏感
7、膜,C、基于天然生物膜和人工生物膜的生物敏感膜,01:16:02,20,（2）信号转换器：将各种生物的、化学的和物理的信号转换为可输出的有用信号（电信号）。,作用：当待测物与分子识别元件特异性结合后，所产生的复合物通过信号转换器转变为可输出的电信号、光信号等。,主要有：电化学电极、光学检测元件、场效应晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振等。,01:16:02,21,将化学变化转变成电信号（间接型）将热变化转换为电信号（间接型）将光效应转变为电信号（间接型）直按产生电信号方式（直接型）,转换器转化为电信号的方式：,01:16:02,22,酶传感器为例，酶催化特定底物发生反应,从而使特定生成物的量
8、有所增减，用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合，即组成酶传感器。常用转换装置有：氧电极、过氧化氢电极。,（a）将化学变化转变成电信号（间接型）,01:16:02,23,（b）将热变化转换成电信号,固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的变化。例如大多数酶反应的热焓变化量在25-100kJ/mol的范围.这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化，后者通过有放大器的电桥输入到记录仪中。,热辐射热传导,01:16:02,24,（c）将光信号转变为电信号,例如，过氧化氢酶能催化过氧化氢/鲁米诺体系发光，如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前端
9、，再和光电流测定装置相连，即可测定过氧化氢含量。还有很多细菌能与特定底物发生反应，产生荧光，也可以用这种方法测定底物浓度。,上述三原理的生物传感器共同点：都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发生化学反应，将反应后所产生的化学或物理变化再通过信号转换器转变为电信号进行测量，这种方式统称为间接测量方式。,01:16:02,25,（d）直接产生电信号方式,这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接(或通过电子递体的作用)在电极表面上发生。根据所得的电流量即可得底物浓度。,例：Cass等提出一种测定葡萄糖的传感器，是用二茂络铁为电子传递体。,反应直接在电极表面上发生,01:16:0
10、2,26,2、生物传感器工作原理,待测物,生物敏感膜,信号转换器,扩散,分子识别,电信号,检测处理电路,放大、输出,待测物的量或浓度,01:16:02,27,换能器（Transducer）,感受器（Receptor）,测量信号（Measurable Signal）,=分析物（Analyte）,溶液（Solution）,选择性膜（Thin selective membrane）,识别元件（RECOGNITION）,生物传感器工作机理,01:16:02,28,固定化酶 固定化 微生物 固定化免疫物质 固定化细胞器 生物组织切片,微生物传感器,分子识别元件,酶传感器,免疫传感器,细胞器传感器,组织传
11、感器,1、按分子识别元件分类,三、生物传感器分类及特点,01:16:02,29,按换能器分类,电化学电极 光学换能器 介体 半导体 传递系统 换能器 热敏电阻 压电晶体,介体生物传感器,换能器,半导体生物传感器,生物电极,光生物传感器,热生物传感器,压电晶体生物传感器,01:16:02,30,3、生物传感器特点,1）根据生物反应的特异性和多样性，理论上可以制成测定所有生物物质的传感器，因而测定范围广泛。2）一般不需进行样品的预处理，它利用本身具备的优异选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，测定时一般不需另加其他试剂，使测定过程简便迅速，容易实现自动分析。3）体积小、响应快、样品用量少，
12、可以实现连续在线检测。,01:16:02,31,4）通常其敏感材料是固定化生物元件，可反复多次 使用。5）准确度高，一般相对误差可达到1%以内。6）可进行活体分析。7）传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪，因而便于推广普及。8）有的微生物传感器能可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生，能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。,01:16:02,32,四、生物敏感材料的固定化技术,生物传感器制作的核心部分,固定化的目的：将生物敏感物质限制在一定的空间，但又不妨碍被分析物的自由扩散。,固定化技术：把生物活性材料与载体固定化成为生物敏 感膜。物理方法：吸附法、夹心法、包
13、埋法；化学方法:共价连接法、交联法；近年来,由于半导体生物传感器迅速发展,因而又出现了采用集成电路工艺制膜技术。,01:16:02,33,1）夹心法,将生物活性材料封闭在双层滤膜之间，形象地称为夹心法。特点是：操作简单，不需要任何化学处理，固定生物量大，响应速度快，重复性好。,01:16:02,34,离子交换吸附法：选用具有离子交换性质的载体，在适宜的PH条件下，使生物分子与离子交换剂通过离子键结合，形成固定化层。,2）吸附法,用非水溶性载体物理吸附或离子结合，使蛋白质分子固定化的方法。,物理吸附：通过极性键、氢键、疏水力或 电子的相互作用将生物组分吸附在不溶性的惰性载体上。,载体种类较多，如
14、活性炭、高岭土、硅胶、玻璃、纤维素、离子交换体等。,01:16:02,35,3）包埋法,把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结构基质中。特点是：一般不产生化学修饰，对生物分子活性影响较小；缺点是分子量大的底物在凝胶网格内扩散较固难。,01:16:02,36,4）共价连接法,使生物活性分子通过共价键与固相载体结合固定的方法。特点是结合牢固，生物活性分子不易脱落，载体不易被生物降解，使用寿命长；缺点是实现固定化麻烦，酶活性可能因发生化学修饰而降低。,01:16:02,37,5）交联法,借助于双功能试剂的作用，使蛋白质结合到惰性载体或使蛋白质分子彼此交联，形成不溶性网状结构的方法。,这
15、种方法广泛用于酶膜和免疫分子膜制备，操作简单。,01:16:02,38,6）LB膜技术,一种能在低温低压下制成高密度、分子排列方向一致的单分子层或双分子层超薄膜的技术。,01:16:02,39,酶生物传感器,一、酶的本质和特征,（一）酶的本质,酶是生物体内产生的、具有催化活性的一类蛋白质,酶,纯蛋白酶：只含有蛋白质,结合蛋白酶蛋白质+非蛋白质,辅基：非蛋白部分与酶蛋白结合的牢固，不易分离,辅酶：结合的不牢，可在溶液中离解,（组合）,五、几种生物传感器,01:16:02,40,酶（催化反应类型）,氧化还原酶,转移酶,水解酶,异构酶,（二）酶的催化性质,1、高效催化性,2、高度专一性,01:16:
16、02,41,（三）影响酶活性的因素,1、温度,一方面升高温度增加底物分子的热能，从而增高反应的速率,另一方面温度的升高也会增加酶本身结构的分子热能，导致酶的变性或催化活性的降低,多数哺乳动物的酶，最适温度为37 左右,2、PH,影响酶促反应的速率,每种酶都有一个最适PH,微小偏差会降低酶的活性，较大偏差会导致酶蛋白自身的变性,（最适6.8）,01:16:02,42,二、酶生物传感器,应用固定化酶作为敏感元件的生物传感器,酶生物传感器,酶电极传感器,酶场效应管传感器,酶热敏电阻传感器,酶光纤传感器,01:16:02,43,(一)酶电极传感器,定义：由固定化酶与离子选择电极、气敏电极、氧化还原电极
17、等电化学电极组合而成的生物传感器,酶电极,电流型酶电极,电势型酶电极,01:16:02,44,1、电流型酶电极（固定化酶电流型化学电极）,原理：将酶促反应产生的物质在电极上发生氧化或还原反应产生的电流作为测量信号，在一定条件下，利用测得的电流信号与待测物活度或浓度的函数关系，来测定样品中某一生物组分的活度或浓度,电极：氧电极，过氧化氢电极,酶,氧化酶：用氧作受体的酶（常用）,还原酶,氧电极：（还原反应）,过氧化氢电极：（氧化反应）,01:16:02,45,葡萄糖传感器：葡萄糖氧化酶膜电化学电极,依据反应中消耗的氧,生成的葡萄糖酸及过氧化氢的量，可用氧电极，电极，过氧化氢电极来测定葡萄糖的含量,
18、测定酶促反应所产生的葡萄糖酸的量来计算样品中葡萄糖的含量,01:16:02,46,优点：酶易被分离，贮存较稳定，所以目前被广泛 的应用。缺点：1.酶的特异性不高，如它不能区分结构上稍有差异的梭曼与沙林。2.酶在测试的过程中因被消耗而需要不断的更换。,3、酶传感器的特点：,、电势型酶电极（固定化酶电势型化学电极）,原理：将酶促反应引起的物质量的变化转变成电势信号的输出，电势信号大小与底物浓度的对数值呈线性关系,01:16:02,47,微生物和组织传感器,一、微生物传感器,典型：微生物电极（用微生物取代酶作生物活性物质）,意义：1、克服酶的价格昂贵，提取困难及不稳定等缺点，对于复杂反应，还可同时利
19、用微生物体内的辅酶。,2、微生物传感器尤其适合于发酵过程的测定，因为在发酵过程中存在对酶的干扰物质，应用微生物传感器则有可能排除这些干扰。,01:16:02,48,（一）微生物传感器基础,微生物传感器所用的微生物主要是细菌和酵母菌,1、微生物的特性及分类,微生物的代谢：微生物从周围环境中提取营养物质。通过生物催化即酶的作用，在体内进行一系列生物分解和生物合成反应，以保持正常的生长和繁殖。,01:16:02,49,微生物的代谢,同化作用,异化作用,微生物,好气性微生物：必须在有空气的环境中才易生长,厌气性微生物：必须在无分子氧的环境生长繁殖,：细胞将底物摄入通过一系列生化 反应转变成自身的组成物
20、质，并储存能量。,：细胞将自身的组成物质分解以释放能量或排出体外。,01:16:02,50,2、微生物传感器的特点及分类,微生物敏感膜：微生物固定在载体上,特点：（1）价格低、便于推广普及,（2）微生物细胞内的酶在适当环境下活性不易降低，因此微生物传感器的寿命更长,（3）即使微生物体内酶的催化活性已经丧失，也还可以因细胞的增值使之产生,（4）对于需要辅助因子的复杂的连续反应，用微生物更易于完成,01:16:02,51,分类：,01:16:02,52,（二）微生物传感器的结构和工作原理,微生物传感器是以固定化微生物作为分子识别系统，与相应的电化学转换元件组合构成。,不同微生物需要不同的营养物质进
21、行它的新陈代谢，因此可利用不同微生物作为分子识别系统制作微生物传感器测定相应的物质。,01:16:02,53,1、呼吸机能型微生物传感器,以好气性微生物作生物活性物质，通常与氧电极组合而成的，以细菌呼吸活性物质为基础实现被测物的测量,2、代谢机能型微生物传感器,以厌气性微生物作生物活性物质，与相应的电化学电极组合而成的，以细菌代谢活性物质为基础实现被测物的测量,01:16:02,54,二、生物组织传感器,定义：以动植物组织切片作为分子识别元件与相应的信号转换元件组合构成的生物传感器。,信号转换元件：气敏元件,01:16:02,55,免疫传感器,一、免疫传感器基础,-免疫反应的检测,1、标记法,
22、采用酶、荧光物质、电活性化合物等进行标记，抗体与抗原反应过程通过电化学、光学等手段进行检测。,（1）夹心法,样品中的抗原与固化在传感界面上的抗体结合后，加入标记的抗体，使其与固相上的抗原结合，把抗原夹在固定抗体和标记抗体中间，形成夹心结构，洗去未结合的标记抗体，测定结合在固相上标记物的量。夹心法适用于测定高分子量的抗原。,01:16:02,56,（2）竞争法,将抗体固定在传感界面上，用已知量的标记抗原与样品中的抗原竞争结合传感界面上的抗体，测定结合在固相上标记物的量，此于被分析物的浓度成反比。,（3）置换取代法,把抗体固定在传感界面上，标记好抗原。测试时传感界面上抗体的结合部位都已被标记抗原所
23、占据，当加入非标记抗原时，发生置换反应，测量置换下来标记物的量，在一定条件下，标记物的量与被分析物的浓度成正比。,2、非标记法,在抗体与相应抗原识别结合的同时，把免疫反应的信息直接转变成可测信号,01:16:02,57,二、免疫传感器的结构及分类,1、免疫传感器的基本结构,分子识别系统（感受器）、转换器（换能器）、电子放大器,抗体或抗原,2、免疫传感器的分类,标记型免疫传感器（间接型免疫传感器）,非标记型免疫传感器（直接型免疫传感器）,电化学免疫传感器,光学免疫传感器,压电免疫传感器,表面等离子体共振（SPR）免疫传感器,01:16:02,58,三、电化学免疫传感器,定义：以抗原抗体反应的免疫
24、测定为基础，采用电化学电极为传感元件组合而成的，用于大分子蛋白质测定的装置。,标记型免疫传感器（间接型免疫传感器）,非标记型免疫传感器（直接型免疫传感器）,01:16:02,59,（二）间接型免疫传感器,将抗原与抗体结合的信息转变为一种中间信息，然后把这个中间信息变成电信息。,电流型传感器,（一）直接型免疫传感器,将抗体或抗原固定在大分子结构的膜上或金属电极上，当被固定的抗体或抗原与相应的配体结合时膜电势或电极电势发生变化，根据电势与被测物的函数关系测定抗体或抗原的浓度,电势型传感器,01:16:02,60,纳米生物传感器（Nanobiosensors）,一、背 景,二、纳米材料介绍,三、纳米
25、生物传感器,01:16:02,61,Company Logo,纳米技术和生物技术是21世纪的两大领先技术；纳米生物传感技术成为一种新兴产业。纳米尺寸处在原子、分子为代表的微观世界和宏观 物体交界的过渡区域，基于此尺寸的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，因此有着独特的化学性质和物理性质，如表面效应、微尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应等，呈现出常规材料不具备的优越性能。,一、背 景,01:16:02,62,纳米生物传感器是将纳米材料作为一种新型的生物传感介质，与传统的传感器相比，具有体积更小、速度更快、而且精度更高、可靠性更好的优点。,纳米技术引入生物传感器领域后，提高了生物传感器的灵
26、敏度和其它性能，并促进了新型的生物传感器的发展。因为具有了亚微米尺寸的换能器、探针或者纳米微系统，生物传感器的各种性能大幅提高。但纳米生物传感器正处于起步阶段，目前仍有大量的工作需要进行。,01:16:02,63,二、纳米材料介绍,纳米材料是指由尺寸小于100nm（0.1-100nm）的超细颗粒构成的具有小尺寸效应的零维、一维、二维材料或由它们作为基本单元构成的三维材料的总称。,01:16:02,64,01:16:02,65,01:16:02,66,纳米氧化铝纤维,01:16:02,67,Carbon nanotubes,01:16:02,68,01:16:02,69,01:16:02,70,
27、莲叶表面存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。荷叶表面上有一些微小的蜡质颗粒,并且覆盖着无数尺寸约10个微米的突包,每个突包的表面又布满了直径仅为几百纳米的更细的绒毛。在突包间的凹陷部分充满着空气,这样就紧贴叶面形成一层极薄、只有纳米级厚的空气层,从而使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等落在叶面上后,不会大范围直接接触叶面,而要隔着一层极薄的空气,并且其能接触的点也只是叶面上若干个凸起的点。,自然界中的纳米结构,01:16:02,71,这种特性可以应用在玻璃上或是战机的雷达上,例如:经过纳米处理的玻璃本身也可以具有自洁效果。还有企业利用纳米技术处理涂料,涂上此涂料的物体因而也拥有了自
28、洁效果。也许在未来的世界中,我们周围将不断出现不会脏的地板、墙壁,和没有灰尘的无线电用品。,这是自然界中生物长期进化的结果,正是这种特殊的纳米结构,使得荷叶表面不沾水滴,可以保持清洁:当荷叶上有水时,水会在自身表面张力的作用下形成球状。风吹动水珠在叶面上滚动时,水珠可以沾起叶面上的灰尘,并从上面高速滑落,从而使得莲叶能够更好地进行光合作用。,01:16:02,72,飞檐走壁的壁虎,“壁虎漫步”靠的并不是吸盘,而是脚趾上数以万计的细小刚毛。刚毛根部有几十微米粗,顶端分成很多更细更弯的绒毛,每根绒毛的直径仅几百纳米,其末梢延展成扁平形。此种精细结构,使得壁虎以几纳米的距离大面积地贴近墙面。尽管这些
29、绒毛很纤弱,但足以使所谓的范德华键(发挥作用,为壁虎提供数百万个的附着点,从而支撑其体重。,这种附着力可通过“剥落”轻易打破,就像撕开胶带一样,因此壁虎能够自由穿过天花板。,01:16:02,73,在现实生活中,我们可以制造出抓地更牢的运动鞋,可以制作雨雪环境中不再打滑的汽车轮胎。而在影视剧拍摄中,演员们可以告别工作室里的电脑,真正在摩天大楼的玻璃幕墙上一展身手。据此开发出的空间探测用攀爬型机器人,无论在什么恶劣的条件下都可以在太空飞行器的外表面行走,给飞行器进行“体检”。,01:16:02,74,贝类娴熟的黏合高手,当贝类想把自己贴在一块岩石上时,就会打开贝壳,把触角贴到岩石上,它将触角拱成
30、一个吸盘,然后通过细管向低压区注射无数条黏液和胶束:释放出强力水下胶粘剂。这些黏液和胶束瞬间形成泡沫,起到小垫子的作用。贝类通过弹性足丝停泊在这个“减震器”上。这样,它们就可以随波起伏,而不至于受伤。这种牢固的胶粘效果就来自黏液和岩石纳米尺度下分子之间的相互作用。,01:16:02,75,“上善若水”的水黾,小型水生昆虫水黾被喻为“池塘中的溜冰者”,因为它不仅能在水面上滑行,而且还会像溜冰运动员一样在水面上优雅地跳跃和玩耍。它的高明之处是,既不会划破水面,也不会浸湿自己的腿。,01:16:02,76,在高倍显微镜下发现,水黾腿部上有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛。这些像针一样的微米刚
31、毛的表面上形成螺旋状纳米结构的构槽,吸附在构槽中的气泡形成气垫,这些气垫阻碍了水滴的浸润,宏观上表现出水黾腿的超疏水特性(超强的不沾水的特性)。正是这种超强的负载能力使得水黾在水面上行动自如,即使在狂风暴雨和急速流动的水流中也不会沉没。,01:16:02,77,五彩斑斓的蝴蝶,蝴蝶翅膀由两层仅有34微米厚的鳞片组成,上面一层鳞片像微小的屋瓦一样交替,每个鳞片的构造也很复杂。而下一层则比较光滑。蝴蝶翅膀这种井然有序的安排形成了所谓的光子晶体,也就是纳米结构。通过这种结构,蝴蝶翅膀能捕捉光线。仅让某种波长的光线透过。这便决定了不同的颜色。,蝴蝶翅膀上炫目的色彩来自一种微小的鳞片状物质,它们就像圣诞
32、树上小小的彩灯,在光线的照耀下能折射出斑斓的色彩。,01:16:02,78,利用“罗盘”定位的蜜蜂,研究表明,包括蜜蜂、海龟等在内的许多生物体内都存在着纳米尺寸的磁性颗粒。这些磁性纳米颗粒对于生物的定位与运动行为具有重要意义。最新的科学研究发现,蜜蜂的腹部存在着磁性纳米粒子,这种磁性的纳米粒子具有类似指南针的功能,蜜蜂利用这种“罗盘”来确定其周围环境,利用在磁性纳米粒子中存储的图像来判明方向。,当蜜蜂采蜜归来时,实际上就是把自己原来存储的图像和沿途所见的图像进行对比。如果两个图像一致,即可据此来判断出蜂巢的所在。利用这种纳米磁性颗粒进行导航,蜜蜂可以完成数千米的旅程。,01:16:02,79,
33、蛛丝,蜘蛛网常常出现在长久没有清扫的房间角落。对于普通人而言,蜘蛛网并不是什么了不起的东西,用扫帚轻轻一拂,蛛网就被扫掉了。但是蜘蛛丝本身确实是大自然的奇迹。自然界中的蜘蛛丝直径有100纳米左右,是真正的纯天然纳米纤维。如果用蜘蛛丝制成和普通钢丝绳一样粗细的绳索,可以吊起上千吨重的物体,其强度能与钢索相媲美。,01:16:02,80,除了用于捕捉飞虫外,几乎所有的蜘蛛都还用蛛丝作为指路线、安全绳、滑翔索。蜘蛛的腹部通常有几种腺体,被称为吐丝器。各种腺体产生不同类型蛛丝,腺体顶端有喷丝头,其上有数千只小孔,喷出的液体一遇空气即凝结成黏性强、张力大的蛛丝。通常,1000根蛛丝合并后比人的头发丝还要
34、细1/10。,01:16:02,81,1.表面效应,固体材料表面的原子与内部的原子所处的环境是不同的，当材料的粒径远大于原子直径时，表面原子可以忽略；但当粒径逐渐接近于原子直径时，表面原子的数目及其作用就不能忽略，而且这时晶粒的表面积、表面能和表面结合能等都发生了很大的变化，人们把由此而引起的种种特异效应统称为表面效应。,（一）纳米材料的特性,01:16:02,82,比表面积,表面原子百分数,纳米颗粒的表面能高、活性强,颗粒直径,纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。,性质变化,01:16:02,83,高表面活性 交联或吸附性强,D
35、rug/Gene Delivery System 药物/基因转运系统,吸附在细胞膜上,胞吞作用,进入细胞,纳米粒-药物/DNA复合物,01:16:02,84,纳米载体-绿色荧光蛋白报道基因转染细胞,01:16:02,85,用于检测或导向技术,01:16:02,86,BIOMAT 190802MH,01:16:02,87,2.小尺寸效应,小尺寸效应是指由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化。,尺寸变小+比表面积 新奇的性质,01:16:02,88,由无数的原子构成固体时，单独原子的能级就并合成能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此可以看作是连续的。对介于原子、分子与大块固体之间的
36、纳米颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子/小尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。,01:16:02,89,（1）特殊的光学性质,纳米颗粒当尺寸小到一定程度时具有很强的吸光性。金属纳米颗粒对光的反射率很低，通常可低于l，大约几微米的厚度就能完全消光。几乎所有的金属纳米颗粒都可呈现黑色。,01:16:02,90,
37、01:16:02,91,（2）特殊的磁学性质,纳米颗粒的磁性与大块材料的磁性有显著的不同，磁性纳米颗粒具有高矫顽力。当纯铁颗粒尺寸减小到一定程度（二十个纳米）时，其矫顽力可显著增加；尺寸减小到 6nm 时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。,01:16:02,92,生物体内磁性超微颗粒-生物磁罗盘,01:16:02,93,磁性阿霉素纳米粒在磁场中的定向运动,01:16:02,94,01:16:02,95,（3）特殊的热学性质,固态物质在大尺寸形态时，其熔点是固定的，超细微化后其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。,（4）特殊的力学性质,呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3
38、5倍。陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。,01:16:02,96,电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。纳米颗粒的一些宏观物理量，如颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等，亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。,3.宏观量子隧道效应,01:16:02,97,（二）纳米材料分类,纳米粉末：碳酸钙，白炭黑，氧化锌,纳米纤维：纳米丝、纳米棒、纳米管,纳米膜：超薄膜、多层膜、超晶格,纳米液体材料,纳米块体:纳米Cu的块体材料,材料的形态,01:16:02,98,物理性能,纳米半导体材料纳米磁性材料纳米非线性光学材料纳米铁电体材料纳米超导
39、材料纳米热电材料,01:16:02,99,化学结构,纳米金属纳米晶体纳米陶瓷纳米玻璃纳米高分子材料纳米复合材料,01:16:02,100,应用,纳米电子材料纳米光电子材料纳米生物医学材料纳米敏感材料纳米储能材料,01:16:02,101,（三）纳米生物材料的制备,纳米颗粒的作用受其尺寸、形貌和结构的影响。不是所有纳米尺寸的颗粒都能起作用，纳米颗粒的尺寸也不是越小越好；特定的技术领域需要特定尺寸、大小均一的纳米颗粒才能发挥最佳效果。,01:16:02,102,（四）纳米生物医用材料及其应用,1.细胞分离用纳米材料,利用纳米复合粒子性能稳定、不与胶体溶液反应且易实现与细胞分离等特点,可将纳米粒子应
40、用于诊疗中进行细胞分离。,01:16:02,103,美国科学家用纳米SiO2微粒很容易将怀孕8星期左右妇女的血样中极少量的胎儿细胞分离出来,并能准确地判断是否有遗传缺陷；挪威工科大学的研究人员,利用纳米磁性粒子成功地进行了人体骨骼液中肿瘤细胞的分离；利用纳米微粒进行细胞分离技术很可能在肿瘤早期从血液中检查出癌细胞，实现癌症的早期诊断和治疗。,01:16:02,104,利用不同抗体对细胞内各种器官和骨骼组织的敏感程度和亲和力的显著差异,选择抗体种类，将纳米金粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合,制备成多种纳米金/抗体复合物。,2.用于细胞内部染色的纳米材料,01:16:02,105,借助复合粒子
41、分别与细胞内各种器官和骨骼系统结合而形成的复合物,在白光或单色光照射下呈现某种特征颜色(如10nm的金粒子在光学显微镜下呈红色),从而给各种组合“贴上”了不同颜色的标签,因而为提高细胞内组织的分辨率提供了一种急需的染色技术。,01:16:02,106,应用不同的材料制备纳米颗粒并通过改变其大小和形状可以改变纳米颗粒的光散射性质。以此为基础可制备多种颜色的纳米颗粒标签。改变纳米颗粒的形状不仅可以改变其光散射特征，还可以改变其他特征如产生谐波等。例如：球形纳米银颗粒不散射红光，而棱柱形纳米银颗粒却呈红色。,01:16:02,107,01:16:02,108,这些不同颜色的纳米颗粒标签表面包被细胞特
42、异性抗体/配体后，可进行组织/细胞染色或标记、疾病的诊断及示踪技术。,01:16:02,109,3.纳米药物控释材料,纳米粒子不但具有能穿过组织间隙并被细胞吸收、可通过人体最小的毛细血管、甚至可通过血脑屏障等特性,而且还具有靶向、缓释、高效、低毒且可实现口服、静脉注射及敷贴等多种给药途径。,01:16:02,110,4.纳米抗菌材料及创伤敷料,利用+可使细胞膜上的蛋白失活,从而杀死细菌。,利用该类材料的光催化作用,与2反应生成具强氧化性的羟基以杀死病菌,ZnO、TiO2等光触媒型纳米抗菌材料,+系抗菌材料:,01:16:02,111,5.纳米颗粒中药及保健品,纳米级中药粒子 可溶于水,有效提高
43、药物利用率 口服胶囊、口服液或膏药,纳米胶囊或纳米粒子悬浮液保健品 毒性，活性（硒旺胶囊）,01:16:02,112,6.纳米医用陶瓷,纳米陶瓷在人工骨、人工关节、人工齿以及牙种植体、耳听骨修复体等人工器官制造及临床应用领域有广阔的应用前景。,纳米级羟基磷灰石复合材料,聚酰胺/纳米HA晶体生物活性材料ZrO2 的纳米羟基磷灰石复合材料 纳米TiO2/聚合物复合材料,01:16:02,113,7.纳米生物活性材料,钙盐纳米2/聚合物复合材料:在人体液中放置1周后,可以观察到其表面有羟基磷灰石层形成。,含钛硅的纳米复合材料：具有优良的透光率、氧气透过率和吸湿性,是理想的隐形眼镜材料。,01:16:
44、02,114,聚氨酯材料：因其良好的生物相容性和优异的力学性能常用来制作血管移植物、介入导管、心脏辅助循环体系及人工心脏等。,纳米微孔2玻璃：可用作微孔反应器、功能性分子吸附剂、生物酶催化剂及药物控释体系的载体等。,01:16:02,115,在血管中运动的纳米机器人，使用纳米切割机和真空吸尘器来清除血管中的沉积物。,纳米机器人消灭癌细胞虚拟图,未来应用,01:16:02,116,三.纳米生物传感器,纳米生物传感器是纳米技术与生物传感器的融合，其研究领域涉及到生物技术、信息技术、纳米科学、界面科学等多个重要领域。,01:16:02,117,01:16:02,118,01:16:02,119,01
45、:16:02,120,Company Logo,碳纳米管在纳米生物传感器中的应用,碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是一种由碳六元环构成的类石墨平面卷曲而成的纳米级中空管。CNTs具有良好的导电性、催化活性和较大的比表面积，因此被广泛用于修饰电极的研究。分散性良好的碳纳米管在水溶液或丙酮、甲醇等有机溶剂中可观察到很强的荧光发射。由于独特的电学和光学性质，碳纳米管对周围的环境极其敏感，所以可以将其应用于化学传感器。,01:16:02,121,CNTs在氧化还原酶生物传感器中的应用,酶的结构复杂，活性中心通常包埋于酶内部，很难实现酶与电极间的直接电子转移。碳纳米管具有良好的导电
46、性、稳定性和生物兼容性，将酶固定到碳米管表面可以保持酶的生物活性，有效地促进酶与传感器之间快速、直接的电子转移，提高酶生物传感器的检测速度、稳定性和使用寿命。应用于葡萄糖的检测中还可应用于有机磷类化合物的分析检测,01:16:02,122,CNTs在DNA生物传感器中的应用,DNA生物传感器具有灵敏度高、制作简单和成本较低等优势，近年来在基因检测和传染性疾病研究等领域的应用得到了迅速发展。将DNA特有的分子识别功能与碳纳米管的优良性能相结合，通过化学吸附、共价联接、静电吸附等方法将DNA固定在碳纳米管上，以期获得性能更加优良的DNA生物传感器。,01:16:02,123,CNTs在电化学免疫生
47、物传感器中的应用,电化学免疫生物传感器可用于检测细胞活性、肿瘤细胞标记物和致病微生物等，具有高度特异性、敏感性和稳定性。碳纳米管共价修饰抗体或其他受体后，不产生细胞毒性，也不会影响抗体或受体的免疫活性，近年来该方法在免疫传感器方面的应用逐渐增加。利用单壁碳纳米管制备了高度灵敏的生物传感器，用于检测多种癌细胞标记物。碳纳米管还可用于检测植物毒素。,01:16:02,124,胶体金修饰纳米免疫传感器,免疫传感器是生物传感器的一种：利用抗原与抗体之间高选择性分子识别，进行抗体或抗原分析免疫分子的识别组件物理信号转换组件纳米结构改进表面抗体分布可控，具有理想固定方向,01:16:02,125,制备方法
48、：层层组装在打磨过的金基底上，生长复合纳米结构抗体连接在胶体金上高分子复合层是“水泥”，胶体金是“钢筋”,红色：高分子聚合物PSS 灰色：高分子聚合物PAH蓝色：胶体金,01:16:02,126,纳米病原微生物检测,Tan等提出了一项新的生物纳米技术，该技术是采用生物修饰的纳米颗粒，通过荧光信号为基础的免疫试验，快速、准确地检测出单个细菌。他们选择的是大肠杆菌0157：H7作为检测细菌，因为它是食物来源肠道感染致病菌的最主要代表。传统检测微量细菌的方法需要扩增或是富及样本中的目标菌，因过程繁琐而费时费力。该研究中，纳米颗粒起到极强的信号放大作用，细菌众多的表面抗原可供抗体修饰的纳米颗粒识别与结
49、合，所以每一个细菌表面将结合数以千计的纳米颗粒，从而提供极强的荧光信号。该方法甚至能发展到384孔微平板的多菌样本高通量检测。因此，用针对不同细菌的特异性抗体来修饰纳米颗粒，这项纳米生物技术就能用来检测多种来源的细菌病原体，包括生物恐怖试剂以及食品、临床和环境样本。,01:16:02,127,单个细菌检测机制。单个细菌结合极多纳米颗粒，利于信号放大,01:16:02,128,光学纳米生物传感器,表面等离子体共振(SPR)是一种光和金属电子相互作用的光一电子现象，它是将光子所携带的能量转移给金属表面的电子。如今，迫切需要能特异鉴别周围环境中低浓度生物物质的微型化光学传感器，但目前还不存在未经扩增
50、就能鉴定出自然浓度的这种仪器。借助局部SPR光谱技术，可利用三面体银纳米颗粒制成一种新型的光学传感器，因为这种银颗粒具有显著的光学特性，且能大大提高检测的敏感性。,01:16:02,129,纳米生物传感器在氯霉素检测中的应用,利用pH 敏感的荧光指示剂F1300 可以量化ATP 合酶活性的特点，构建生物传感器，开发灵敏、特异、快速的氯霉素残留检测方法。将pH 变化敏感荧光物质F1300标记到色素体(chromatophore)的内表面，然后，将亚基抗体-生物素-链亲和素-生物素-氯霉素抗体系统连接到色素体上F0F1-ATPase的亚基上，该检测体系能与氯霉素相连接。采用微弱发光检测仪检测荧光值
