纳米材料在生物领域的应用
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2nm DNA的纳米结构图
蛋白质的纳米结构
一级
二级
三级
蛋白质的等级结构图
四级
蛋白质的分子结构是生物化学中的重要内容之一，其中大部分 内容都与纳米结构有着密切的关系。蛋白质的二级结构是指肽链在 一定方向形成有规律的、周期性的空间结构，维持空间构想稳定存 在的作用力是氢键以及Van der Waals力，蛋白质的二级结构涉及α螺
SARS病毒
HIV病毒
动植物界丰富的纳米结构
动植物界有着丰富纳米结构或超微结构。例如，老鼠的门牙为 矿物板层结构，看似密实测定一颗牙齿，是由众多的针状材料排列 而成的，这种排列留有一定空间，使牙齿具有刚柔相济性能的主要 原因。在一些植物体中，非晶体二氧化硅可被纤维素，蛋白质等大 分子稳定而形成典型的纳米丝结构，这种纳米二氧化硅生物大分子 复合体存在于植物的树叶，树枝等部位，从理论上说，这些纳米复 合植物具有较好的力学性能。
生物领域中纳米材料和纳米结构
陈天威 何龙 蓝一茗 宫凡
目录
DNA的纳米结构 蛋白质的纳米结构 病毒
动植物界丰富的纳米结构
微米尺度
纳米尺度
细胞
蛋白质组装体
核酸
层状脂肪
病毒 微纳米尺度重要生物体和生命物质
DNA的纳米结构
如图，DNA分子双螺旋结构的宽度为 2nm，碱基对之间的间隔为0.34nm，螺旋结
病毒的分类有很多种方法，从形貌上可大致分为4类： ➢ 多边形结构，其中以正20面体最为常见；
噬菌体T2
曲尾噬菌体
腺病毒
➢ 螺旋结构（A）（B）（D）； ➢ 特殊的混杂结构（C）； ➢ 核-壳型球体（A）（B）。
副粘病毒
流感病毒
痘类病毒
纤维弯曲病毒
因此，病毒至少在以下4个方面具有纳米结构的特征：
对动物有关部位的纳米结构研究更加有趣，许多学者用显微观察技
术研究了一些蝴蝶（如蓝色蝴蝶）翅膀颜色的形成机理，研究表明，蓝
色蝴蝶翅膀表面这种类似于金属光泽颜色的产生不属于通常染料的显色
机理，而是在一种程度上相像于天空雨后彩虹的生成机理彩虹现象是水
滴对可见光进行散射、折射等综合光学作用的结果。蓝色蝴蝶翅膀表面
球形蛋白质的形成还没涉及蛋白质的三、四级结构。蛋白质三 级结构是蛋白质二级结构进一步折叠、卷曲后形成的球形聚集体， 研究表明，具有合适三级结构的蛋白质才显现生物活性。蛋白质四 级结构是蛋白质二级结构的二次团聚体，与常规纳米材料中的团聚 体一样，二次团聚基本上是靠非化学键作用力完成的。
wenku.baidu.com
病毒
病毒在纳米材料、纳米科技研究领域中的切入点至少应包括下两 个方面：首先病毒微粒的几何尺寸至少有一维方向在纳米尺度范围内， 其次病毒微粒几何形状的多样性正是纳米材料研究中关注的一个热点 问题。病毒是由核酸及外围的蛋白质构成的，病毒与人类的健康关系 密切，目前很多困扰人类的疾病是由各类病毒引起的，如一些流感、 肝炎、非典型肺炎（SARS）、艾滋病等。
（1）病毒是天然的、由核酸和蛋白质构成的纳米复合材料； （2）病毒的大小一般在纳米尺度范围； （3）不少病毒属于核-壳结构； （4）病毒的形成包含了自组装等超分子化学过程。
SARS病毒
SARS的形状为球形，直径为100nm，其外围的结构相像古代的 皇 冠，又称为冠状病毒。2003年SARS在中国肆虐时，人们开展了对 SARS 病毒的研究工作。由于SARS病毒是一种纳米粒子，不可能利用普通 光学显微镜对它进行观察，因此，在SARS流行初期，人们因无法清 楚地观察到SARS病毒的真实面目，同时又无特效检测试剂，只能通 过综合观察病员的宏观体征现象（包括体温测量、胸部拍片等）进 行诊断，该诊断方法的不足导致了“疑似病人”这一称谓的出现。
艾滋病毒
艾滋病毒（HIV）的部分结构与SARS病毒有相像之处，HIV的尺寸 小于SARS，HIV病毒属于在病毒“大家庭”中的定位是逆转录病毒科慢 病毒属中的人类免疫缺陷病毒组。艾滋病损害人类的机理是，HIV把人 体的免疫系统中最重要的T4淋巴细胞作为攻击目标，大量吞噬、破坏 该淋巴细胞，导致整个人体免疫系统不断遭到损伤，最终使人体丧失 对各种疾病的抵抗能力，从而导致死亡。因此，科学家把HIV病毒称为 “人类免疫缺陷病毒”。
旋 结构和β片层结构，其中α螺旋结构的周期高度为0.54nm，多数蛋白 质同时包含α螺旋、 β片层以及非晶结构。从几何状上划分，在蛋白 质二级结构基础上可形成纤维状和球状蛋白质。纤维蛋白多属于结 构材料，如胶蛋白、胶原、弹性蛋白等，球状蛋白等，球状蛋白质 多属于功能材料，具有生物活性，如酶和血红蛋白等。
为纳米级有序的鳞片状结构，其厚度为3-4μm，每个鳞片实为一个细胞 单
元所。产鳞生片的的综表合面光又学是作由用纳 ，米 使级瓦光楞的状入射结构构成的，正光的是散在射这纳米级界面 蝴蝶翅膀产生了特殊的蓝色
发光，蓝色蝴蝶翅膀表面被
认为具有光子晶体的性能。
纳米界面
综合光和作用
光的折射
A
近期的研究已证实，动 植物界含有丰富的纳米结构， 荷花之所以出淤泥而不染， 是因为荷花，荷叶的表面具 有强疏水性，显微观察表明， 平时看似光滑的菏叶表面结
结构其实是粗糙的，他们的表面凹凸不平但错落有致，这些凸状柱的大 小，高低，和排列分布都具有较好的规整性，有序性，属于自然界一种 奇妙的自组装现象。
构 的周期为3.4nm，这些数据都显示出了DNA分 子的纳米特征。值得指出的是，纳米技术的 快速发展为DNA的结构研究提供了新的手段， 现已可以采用STM技术观察到DNA分子的双 螺旋结构。
DNA分子双螺旋结构是1953年发现的， 这是生命科学乃至整个科学技术发展进步中 的一个里程碑事件。
0.34n m 3.4nm
蛋白质的纳米结构
一级
二级
三级
蛋白质的等级结构图
四级
蛋白质的分子结构是生物化学中的重要内容之一，其中大部分 内容都与纳米结构有着密切的关系。蛋白质的二级结构是指肽链在 一定方向形成有规律的、周期性的空间结构，维持空间构想稳定存 在的作用力是氢键以及Van der Waals力，蛋白质的二级结构涉及α螺
SARS病毒
HIV病毒
动植物界丰富的纳米结构
动植物界有着丰富纳米结构或超微结构。例如，老鼠的门牙为 矿物板层结构，看似密实测定一颗牙齿，是由众多的针状材料排列 而成的，这种排列留有一定空间，使牙齿具有刚柔相济性能的主要 原因。在一些植物体中，非晶体二氧化硅可被纤维素，蛋白质等大 分子稳定而形成典型的纳米丝结构，这种纳米二氧化硅生物大分子 复合体存在于植物的树叶，树枝等部位，从理论上说，这些纳米复 合植物具有较好的力学性能。
生物领域中纳米材料和纳米结构
陈天威 何龙 蓝一茗 宫凡
目录
DNA的纳米结构 蛋白质的纳米结构 病毒
动植物界丰富的纳米结构
微米尺度
纳米尺度
细胞
蛋白质组装体
核酸
层状脂肪
病毒 微纳米尺度重要生物体和生命物质
DNA的纳米结构
如图，DNA分子双螺旋结构的宽度为 2nm，碱基对之间的间隔为0.34nm，螺旋结
病毒的分类有很多种方法，从形貌上可大致分为4类： ➢ 多边形结构，其中以正20面体最为常见；
噬菌体T2
曲尾噬菌体
腺病毒
➢ 螺旋结构（A）（B）（D）； ➢ 特殊的混杂结构（C）； ➢ 核-壳型球体（A）（B）。
副粘病毒
流感病毒
痘类病毒
纤维弯曲病毒
因此，病毒至少在以下4个方面具有纳米结构的特征：
对动物有关部位的纳米结构研究更加有趣，许多学者用显微观察技
术研究了一些蝴蝶（如蓝色蝴蝶）翅膀颜色的形成机理，研究表明，蓝
色蝴蝶翅膀表面这种类似于金属光泽颜色的产生不属于通常染料的显色
机理，而是在一种程度上相像于天空雨后彩虹的生成机理彩虹现象是水
滴对可见光进行散射、折射等综合光学作用的结果。蓝色蝴蝶翅膀表面
球形蛋白质的形成还没涉及蛋白质的三、四级结构。蛋白质三 级结构是蛋白质二级结构进一步折叠、卷曲后形成的球形聚集体， 研究表明，具有合适三级结构的蛋白质才显现生物活性。蛋白质四 级结构是蛋白质二级结构的二次团聚体，与常规纳米材料中的团聚 体一样，二次团聚基本上是靠非化学键作用力完成的。
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病毒
病毒在纳米材料、纳米科技研究领域中的切入点至少应包括下两 个方面：首先病毒微粒的几何尺寸至少有一维方向在纳米尺度范围内， 其次病毒微粒几何形状的多样性正是纳米材料研究中关注的一个热点 问题。病毒是由核酸及外围的蛋白质构成的，病毒与人类的健康关系 密切，目前很多困扰人类的疾病是由各类病毒引起的，如一些流感、 肝炎、非典型肺炎（SARS）、艾滋病等。
（1）病毒是天然的、由核酸和蛋白质构成的纳米复合材料； （2）病毒的大小一般在纳米尺度范围； （3）不少病毒属于核-壳结构； （4）病毒的形成包含了自组装等超分子化学过程。
SARS病毒
SARS的形状为球形，直径为100nm，其外围的结构相像古代的 皇 冠，又称为冠状病毒。2003年SARS在中国肆虐时，人们开展了对 SARS 病毒的研究工作。由于SARS病毒是一种纳米粒子，不可能利用普通 光学显微镜对它进行观察，因此，在SARS流行初期，人们因无法清 楚地观察到SARS病毒的真实面目，同时又无特效检测试剂，只能通 过综合观察病员的宏观体征现象（包括体温测量、胸部拍片等）进 行诊断，该诊断方法的不足导致了“疑似病人”这一称谓的出现。
艾滋病毒
艾滋病毒（HIV）的部分结构与SARS病毒有相像之处，HIV的尺寸 小于SARS，HIV病毒属于在病毒“大家庭”中的定位是逆转录病毒科慢 病毒属中的人类免疫缺陷病毒组。艾滋病损害人类的机理是，HIV把人 体的免疫系统中最重要的T4淋巴细胞作为攻击目标，大量吞噬、破坏 该淋巴细胞，导致整个人体免疫系统不断遭到损伤，最终使人体丧失 对各种疾病的抵抗能力，从而导致死亡。因此，科学家把HIV病毒称为 “人类免疫缺陷病毒”。
旋 结构和β片层结构，其中α螺旋结构的周期高度为0.54nm，多数蛋白 质同时包含α螺旋、 β片层以及非晶结构。从几何状上划分，在蛋白 质二级结构基础上可形成纤维状和球状蛋白质。纤维蛋白多属于结 构材料，如胶蛋白、胶原、弹性蛋白等，球状蛋白等，球状蛋白质 多属于功能材料，具有生物活性，如酶和血红蛋白等。
为纳米级有序的鳞片状结构，其厚度为3-4μm，每个鳞片实为一个细胞 单
元所。产鳞生片的的综表合面光又学是作由用纳 ，米 使级瓦光楞的状入射结构构成的，正光的是散在射这纳米级界面 蝴蝶翅膀产生了特殊的蓝色
发光，蓝色蝴蝶翅膀表面被
认为具有光子晶体的性能。
纳米界面
综合光和作用
光的折射
A
近期的研究已证实，动 植物界含有丰富的纳米结构， 荷花之所以出淤泥而不染， 是因为荷花，荷叶的表面具 有强疏水性，显微观察表明， 平时看似光滑的菏叶表面结
结构其实是粗糙的，他们的表面凹凸不平但错落有致，这些凸状柱的大 小，高低，和排列分布都具有较好的规整性，有序性，属于自然界一种 奇妙的自组装现象。
构 的周期为3.4nm，这些数据都显示出了DNA分 子的纳米特征。值得指出的是，纳米技术的 快速发展为DNA的结构研究提供了新的手段， 现已可以采用STM技术观察到DNA分子的双 螺旋结构。
DNA分子双螺旋结构是1953年发现的， 这是生命科学乃至整个科学技术发展进步中 的一个里程碑事件。
0.34n m 3.4nm