纳米生物技术

综合性交叉学科

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。

技术介绍

主要包含两个方面：（1）利用新兴的纳米技术解决和生物学问题；（2）利用生物大分子制造分子器件，模仿和制造类似生物大分子的分子机器。

基本原理

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100 nm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。

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。

应用

以下是纳米生物技术的5种重要应用，包括生物芯片、纳米探针、生物荧光标记、分子马达和分子纳米筛。

1、生物芯片

生物芯片主要包括2方面：（1）纳米复合材料在生物芯片制备方面的应用，增强核酸、蛋白质与片基间静态与动态粘附力，促进小型化、高分辨率与多功能化；（2）拓宽生物芯片应用范围，如植物药有效成分的高通量筛选，癌症等疾病的临床诊断，作为细胞内部信号传感器。

结合微电子磁技术，生物芯片已用于单细胞分离、单基因突变分析、基因扩增与免疫分析。在微小硅材料表明制出能对微量样品进行变性、分离、纯化、电泳、PCR扩增、加样和检测等的微小结构，将普通实验的各步骤微缩在一个芯片上。生物芯片不同于半导体电子芯片，它在很小几何尺度的表面积上装配一种或集成多种生物活性，仅用微量生理或生物采样，即可同时检测和研究不同的生物细胞、生物分子和DNA特性及它们之间的相互作用，从而获得生命微观活动的规律。生物芯片有集成、并行和快速检测的优点，成为21世纪生物医学工程的前沿科技。生物芯片分为细胞芯片、蛋白质芯片（生物分子芯片）和基因芯片（DNA芯片）。

2、纳米探针

利用纳米技术制成纳米探针，可直接对生物分子在其生命环境中进行检测，以获得更真实更详尽的信息。

纳米探针可探测多种细胞化学物质，监控活细胞蛋白质和其他生物化学物质；还可用于筛选微量药物，最终实现评定单个细胞的健康状况。利用纳米探针制成纳米传感器，其纳米级探头可探测单个活细胞并插入活细胞中探知导致肿瘤的早期DNA损伤。

3、生物荧光标记

采用生物分子的纳米粒子（如量子点）标记的纳米生物分析技术平台突破了常规荧光标记法荧光易猝灭的限制。量子点是胶状纳米晶态半导体，有独特发光性。与传统有机荧光团相比，量子点宽带激发、发射带宽窄的特性很适于用作多元分析的探针且分析灵敏度更高。通过发光量子点与细胞表面或内部蛋白特性结合，可观察细胞工作状态并用于药物设计与治疗。我国现已研发出荧光磁性细胞靶向多功能纳米生物器件，发明了简便、安全、高效和廉价的核/壳型半导体荧光量子点的合成方法，并研制出一系列性能优良的量子点产品和新型纳米生物器件。

4、分子马达

分子马达是由生物大分子构成并利用化学能进行机械做功的纳米生物器件。天然分子马达如驱动蛋白、RNA聚合酶和肌球蛋白等在生物体内参与胞质运输、DNA复制、细胞分裂和肌肉收缩等一系列重要生命活动。目前研究较多的分子马达是F1-ATP酶。

分子马达是微型机器人的核心元件，在分子上连接特异分子可实现多种功能。如可探测有害物质的纳米传感器，在生物芯片中实现液体制动或混合，将药物分子输送至特定位置，在人体细胞内释放药物等。

5、分子纳米筛

通过电压门控的分子纳米筛可控制物质在纳米孔的流通。将圆柱状金纳米小管排列在膜上，小管内径仅1.6 nm；小管带正电时，正离子受排斥，仅负离子能通过膜；膜带负电时，负离子受排斥，仅正离子能通过膜。同时控制门控电压、孔径、孔形状和电荷限制，可更精确地控制离子运输。由于纳米孔能快速区分少量DNA分子，因此该方法有望成为快速、低成本、高通量的基因测序方法。

展望

后基因时代为纳米生物技术的发展提供了良好的契机。可以预计，随着化学、生物学、材料学等领域的不断进步，纳米生物技术会得到更为广泛和深入的研究。在生物芯片、分子马达、生物探针、纳米生物材料等迅速发展的同时，还会诞生出纳米生物技术其他一些新领域。

纳米生物技术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。国际上纳米生物技术在医药领域的研究已取得一定的进展。美国、日本、德国等国家均已将纳米生物技术作为21世纪的科研优先项目予以重点发展。

全国各地天气预报查询

上海市

云南省

云南省

云南省

云南省

云南省