纳米生物技术资料
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第三部分 纳米生物技 术
主要内容
3.1、纳米技术概述 3.2、纳米粒子标记和检测技术 3.3、纳米技术与生物医学（纳米药物载体） 3.4、纳米安全性
3.1、纳米技术概述
纳米（Nanometer，nm）1 nm=10-9 m 纳米结构（Nanostructure）——至少有一维尺
寸在100 nm以下的微小结构
量子点的荧光优越性
（与传统有机染料相比）
激发光波长范围宽, 发射光谱狭窄对称（FWHM
≤40 nm）且具有较大的斯托克位移(Stock’s shift), 这 样就允许同时使用不同光谱特征的量子点, 而发射光 谱不出现交叠, 或只有很少交叠, 使标记生物分子荧 光谱的区分、识别变得很容易。
量子点可以耐受更长的光激励和光发射周期（可
灵敏度高 无损伤 响应速度快 二维平面成像
生物分子
电解质离子 analyte 溶解气体
sensor
温度
生物材料的大小：
细胞： 100 -10 um
细胞器：10 -1 um
signal processing
生物检测对象
有内源荧光 直接测定
无内源荧光 引入荧光探针
活体线粒体中NADH的多光 子成像。Karl Kasischke, et al. , Cornell University.
测量细胞中Ca2+浓度。Tsien, R.Y. et al. Science 280, 1954–1955 (1998).
1）半导体纳米粒子（量子点）标记物
半导体纳米粒子也称为半导体纳米微晶粒 （nanocrystal, NC）或量子点（quantumn dots, QD）
II －VI 族、III －V 族
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 ……
纳米生物材料
药物和转基因纳米载体
纳米生物技术 的研究范围
纳米生物相容性人工器官 纳米生物传感器和成像技术
利用SEM分析蛋白质和DNA 的结构和功能……
以疾病的早期诊断和提 高疗效为目标
3.2、纳米粒子标记和检测技术
荧光 生物纳米 传感器
纳米结构是生命现象中基本的东西
蛋白质、DNA、RNA、病毒，都在1~100 nm 的范围
光合作用在“纳米车间” 进行 细胞中的一些结构单元都是执行某种功能
的“纳米机械”，细胞象一个“纳米工厂”
纳米生物技术 (NANOBIOTECHNOLOGY)
纳米生物技术是指用于研究生命现象的纳米 技术，利用分子层次（纳米级）的有机或无机 物操控技术，来解决目前生物学的问题。
持续几小时），染料荧光分子的周期通常是几分钟， 连续的激发将使荧光分子发生光化学分解，即光漂 白（Photobleaching）。
粒径2～20 nm
荧光量子点是在受到光激发或加上电压后 会产生强的荧光发射的一类纳米材料。
应用：平面显示器件、光电子元件、量子 点激光器、生物标记物等
WHAT ARE QUANTUM DOTS
Unique Spectral properties Broad absorption Narrow emission Wavelength depends on size 一元激发、多元发射
纳米尺度空间为0.1~100 nm
纳米材料的特性——基本物理效应
表面（界面）效应 小尺寸效应 量子尺寸效应 宏观量子隧道效应
•表面（界面）效应：比表面大、 表面原子的百分数剧增
粒子的大小与表面原子数的关系
直径/nm
1
5
10
100
原子总数 N
30
4000 30000 300000
表面原子百分比
“纳米技术”和“纳米粒技术”
纳米技术强调从纳米水平 生产构件和组合；
“纳米粒技术”限于表面大 小和尺寸的变化；
纳米技术的构件和组合具 备特殊的性质。
物质性质的变化只与表面积 和大小相关。
纳米技术是“由小到大” 的智能化技术。
“纳米粒技术”是“由大到 小”的制备技术。
纳米生物技术 (NANOBIOTECHNOLOGY)
Hydrophobic crystals
3 nm
斯托克斯位移
量子点的荧光光谱
ZnSe
CdSe CdTe
（a）荧光素的激发谱和发射谱 （b）CdSe量子点的激发谱和发射谱
（c）三种不同尺寸的量 子点的荧光光谱
CdS溶胶颗粒在 不同尺Βιβλιοθήκη Baidu下的紫 外吸收光谱
•由图看出，随着微粒尺寸的变小而有明显的蓝移
其目的并不只是将产品微小化，同时也希望 通过控制分子的行为，达到控制组织与细胞的 目的，并有效掌握控制纳米材料或复合物本身 的多变性，以及与生物系统之间的交互反应。
纳米技术
纳米生物技术
生物学
1. 利用新兴的纳米技术来解 决和研究生物学问题；
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。
如果把一粒纳米材料放在乒乓球上，就好像把一 个乒乓球放在地球上一样
1-100nm
12738km 5cm
1km=1000m=100000cm=1000000000000nm
红血球直径：6-8μm 细菌：200-600 nm 病毒：61-101 nm 10个氢原子一个挨一个排成一列：1nm
纳米技术（Nanotechnology）是指在纳米尺 度空间内操纵原子和分子，对材料进行加工， 制造具有特定功能的产品或对物质及其结构 进行研究，并掌握其原子、分子运动规律和 特性的一门综合性的技术体系。
100
40
20
2
*假如原子间距为0.3 nm，表面原子仅占一层，粗略地估算表面原子所 占的百分比见上表。
体积效应（小尺寸效应、量子尺寸效应）： 光、电、磁、化学特性和体材料相比发生很 大变化
等离子体共振频率随颗粒尺寸变化（宽频微波 吸收材料）
磁性变化：纳米磁性材料表现为超顺磁性
电阻率发生突变：金属变成非导体，电阻温度 系数发生变化
生物技术（Biotechnology）是应用生物体 （包括微生物、动物细胞、植物细胞）或其 组成部分（细胞器和酶），在最适条件下， 生产有价值的产物或进行有益过程的技术。
现代生物技术主要包括：基因工程、细胞工 程、酶工程，此外还有发酵工程、生化工程、 蛋白质工程、 抗体工程等。
纳米生物技术 (NANOBIOTECHNOLOGY)
主要内容
3.1、纳米技术概述 3.2、纳米粒子标记和检测技术 3.3、纳米技术与生物医学（纳米药物载体） 3.4、纳米安全性
3.1、纳米技术概述
纳米（Nanometer，nm）1 nm=10-9 m 纳米结构（Nanostructure）——至少有一维尺
寸在100 nm以下的微小结构
量子点的荧光优越性
（与传统有机染料相比）
激发光波长范围宽, 发射光谱狭窄对称（FWHM
≤40 nm）且具有较大的斯托克位移(Stock’s shift), 这 样就允许同时使用不同光谱特征的量子点, 而发射光 谱不出现交叠, 或只有很少交叠, 使标记生物分子荧 光谱的区分、识别变得很容易。
量子点可以耐受更长的光激励和光发射周期（可
灵敏度高 无损伤 响应速度快 二维平面成像
生物分子
电解质离子 analyte 溶解气体
sensor
温度
生物材料的大小：
细胞： 100 -10 um
细胞器：10 -1 um
signal processing
生物检测对象
有内源荧光 直接测定
无内源荧光 引入荧光探针
活体线粒体中NADH的多光 子成像。Karl Kasischke, et al. , Cornell University.
测量细胞中Ca2+浓度。Tsien, R.Y. et al. Science 280, 1954–1955 (1998).
1）半导体纳米粒子（量子点）标记物
半导体纳米粒子也称为半导体纳米微晶粒 （nanocrystal, NC）或量子点（quantumn dots, QD）
II －VI 族、III －V 族
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 ……
纳米生物材料
药物和转基因纳米载体
纳米生物技术 的研究范围
纳米生物相容性人工器官 纳米生物传感器和成像技术
利用SEM分析蛋白质和DNA 的结构和功能……
以疾病的早期诊断和提 高疗效为目标
3.2、纳米粒子标记和检测技术
荧光 生物纳米 传感器
纳米结构是生命现象中基本的东西
蛋白质、DNA、RNA、病毒，都在1~100 nm 的范围
光合作用在“纳米车间” 进行 细胞中的一些结构单元都是执行某种功能
的“纳米机械”，细胞象一个“纳米工厂”
纳米生物技术 (NANOBIOTECHNOLOGY)
纳米生物技术是指用于研究生命现象的纳米 技术，利用分子层次（纳米级）的有机或无机 物操控技术，来解决目前生物学的问题。
持续几小时），染料荧光分子的周期通常是几分钟， 连续的激发将使荧光分子发生光化学分解，即光漂 白（Photobleaching）。
粒径2～20 nm
荧光量子点是在受到光激发或加上电压后 会产生强的荧光发射的一类纳米材料。
应用：平面显示器件、光电子元件、量子 点激光器、生物标记物等
WHAT ARE QUANTUM DOTS
Unique Spectral properties Broad absorption Narrow emission Wavelength depends on size 一元激发、多元发射
纳米尺度空间为0.1~100 nm
纳米材料的特性——基本物理效应
表面（界面）效应 小尺寸效应 量子尺寸效应 宏观量子隧道效应
•表面（界面）效应：比表面大、 表面原子的百分数剧增
粒子的大小与表面原子数的关系
直径/nm
1
5
10
100
原子总数 N
30
4000 30000 300000
表面原子百分比
“纳米技术”和“纳米粒技术”
纳米技术强调从纳米水平 生产构件和组合；
“纳米粒技术”限于表面大 小和尺寸的变化；
纳米技术的构件和组合具 备特殊的性质。
物质性质的变化只与表面积 和大小相关。
纳米技术是“由小到大” 的智能化技术。
“纳米粒技术”是“由大到 小”的制备技术。
纳米生物技术 (NANOBIOTECHNOLOGY)
Hydrophobic crystals
3 nm
斯托克斯位移
量子点的荧光光谱
ZnSe
CdSe CdTe
（a）荧光素的激发谱和发射谱 （b）CdSe量子点的激发谱和发射谱
（c）三种不同尺寸的量 子点的荧光光谱
CdS溶胶颗粒在 不同尺Βιβλιοθήκη Baidu下的紫 外吸收光谱
•由图看出，随着微粒尺寸的变小而有明显的蓝移
其目的并不只是将产品微小化，同时也希望 通过控制分子的行为，达到控制组织与细胞的 目的，并有效掌握控制纳米材料或复合物本身 的多变性，以及与生物系统之间的交互反应。
纳米技术
纳米生物技术
生物学
1. 利用新兴的纳米技术来解 决和研究生物学问题；
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。
如果把一粒纳米材料放在乒乓球上，就好像把一 个乒乓球放在地球上一样
1-100nm
12738km 5cm
1km=1000m=100000cm=1000000000000nm
红血球直径：6-8μm 细菌：200-600 nm 病毒：61-101 nm 10个氢原子一个挨一个排成一列：1nm
纳米技术（Nanotechnology）是指在纳米尺 度空间内操纵原子和分子，对材料进行加工， 制造具有特定功能的产品或对物质及其结构 进行研究，并掌握其原子、分子运动规律和 特性的一门综合性的技术体系。
100
40
20
2
*假如原子间距为0.3 nm，表面原子仅占一层，粗略地估算表面原子所 占的百分比见上表。
体积效应（小尺寸效应、量子尺寸效应）： 光、电、磁、化学特性和体材料相比发生很 大变化
等离子体共振频率随颗粒尺寸变化（宽频微波 吸收材料）
磁性变化：纳米磁性材料表现为超顺磁性
电阻率发生突变：金属变成非导体，电阻温度 系数发生变化
生物技术（Biotechnology）是应用生物体 （包括微生物、动物细胞、植物细胞）或其 组成部分（细胞器和酶），在最适条件下， 生产有价值的产物或进行有益过程的技术。
现代生物技术主要包括：基因工程、细胞工 程、酶工程，此外还有发酵工程、生化工程、 蛋白质工程、 抗体工程等。
纳米生物技术 (NANOBIOTECHNOLOGY)