生物医学传感纳米生物传感器

光学 磁学 热学 力学
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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 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。
纳米生物传感器
（Nanobiosensors）
一、背 景 二、纳米材料介绍
三、纳米生物传感器
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一、背 景
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。
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（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。
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纳米涂料
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隐形飞机
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（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。
（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3～5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。
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3. 宏观量子隧道效应
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。
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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。
纳米无创注射器
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纳米管阵列
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自然界中的纳米结构
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。
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纳米技术引入生物传感器领域后，提高了生物传 感器的灵敏度和其它性能，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。
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。
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“上善若水”的水黾
超疏水特性(超强的不沾水的特性)
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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。
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五彩斑斓的蝴蝶
纳米结构:光子晶体, 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。
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纳米粒
纳米粒
用于检测或导向技术
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巨噬细胞，淋巴细 胞等细胞。
抗原 抗体
Nanoparticle
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BIOMAT 190802MH
有机与无机纳米 粒子珠
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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
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生物体内磁性超微颗粒---生物磁罗盘
生物磁性 纳米颗粒
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磁性阿霉素纳米粒在磁场中的定向运动
运动轨迹
磁性纳米粒
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磁性纳米粒在生物医学中的应用
磁性纳米球用于
细胞分离 癌症诊断
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（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。
这种特性可以应用在玻璃上或是战机的雷达上。
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飞檐走壁的壁虎
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”。
表面原子百分数↑↑
性质变化
纳米颗粒的表面能高、活性强
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高表面活性 → 交联或吸附性强
Drug / Gene Delivery System 药物/基因转运系统
纳米粒 吸附药物/质粒DNA
纳米粒-药物/DNA复合物
吸附在细胞膜上
胞吞作用
进入细胞
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纳米载体-绿色荧 光蛋白报道基因 转染细胞
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（二） 纳米材料分类
纳米粉末：碳酸钙，白炭黑，氧化锌
材料的形态
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
纳米块体: 纳米Cu的块体材料 纳米液体材料
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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 纳米超导材料 纳米热电材料
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利用“罗盘”定位的蜜蜂
利用在磁性纳米粒子中存储的图像来判明方向。
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蛛丝
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指路线、安全绳、滑翔索。
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（一） 纳米材料的特性 1.表面效应
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。
颗粒直径↓ 比表面积↑↑