生物医学传感纳米生物传感器

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
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7.纳米生物活性材料
钙盐纳米ＳｉＯ2/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。
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2.用于细胞内部染色的纳米材料
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。
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借助复合粒子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。
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CNTs在电化学免疫生物传感器中的应 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。
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
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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
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（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。
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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。
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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。
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4. 纳米抗菌材料及创伤敷料
Ａｇ+系抗菌材料: 利用Ａｇ+可使细胞膜上的蛋白失活, 从而杀死细菌。
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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纳米粒
纳米粒
用于检测或导向技术
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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。
固相法 反应物的聚合状态 液相法
气相法
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（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 子应用于诊疗中进行细胞分离。
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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。
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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。
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这些不同颜色的纳米颗粒标签表面包被 细胞特异性抗体/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。
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。
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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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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
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↑↑
表面原子百分数↑↑
性质变化
（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。
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。
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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ＳｉＯ2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。
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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。
生物医学传感纳米生物 传感器
2020年4月29日星期三
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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未来应用
纳米机器人消灭 癌细胞虚拟图
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。
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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。
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碳纳米管在纳米生物传感器中的应用
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
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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。
ZnO、TiO2等光触媒型纳米抗菌材 料 利用该类材料的光催化作用, 与Ｈ2Ｏ反应生成具强氧 化性的羟基以杀死病菌
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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 ）
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6. 纳米医用陶瓷
红色：高分子 聚合物PSS
灰色：高分子 聚合物PAH
蓝色：胶体金
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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。
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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。
碳纳米管还可用于检测植物毒素。
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胶体金修饰纳米免疫传感器
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
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制备方法：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”
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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。
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16源自文库
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
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。
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”。
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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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化学结构