纳米生物技术
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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。
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
用量子点检测肿瘤细胞
Quantum dots modified with antibodies to human prostate specific membrane antigen light up murine tumors that developed from human prostate cells. Nature Biotechnology, Vol22,2004
•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 原子总数 N
表面原子百分比
1 30
100
5 4000
40
10 30000
20
100 300000
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）：
纳米生物技术 (NANOBIOTECHNOLOGY)
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)
1. 荧光温度纳米传感器
Hyeter for Intracellular Thermometry，C. Gota et al.， J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 2766.
Temperature-sensitive Polymer Water-sensitive Fluorophore
总的来说，由于量子点技术有其独特的标记特点，它必将成为今后生物分子检测的 尖端技术，为DNA 检测(DNA 芯片) 、蛋白质检测(蛋白质芯片) 和探索蛋白质－ 蛋白质之间(抗原－抗体、配体－受体、酶－底物) 反应原理提供更先进的方法。同 时也将极大的推动生物显像技术和生物制药技术的迅猛发展，给疾病的诊断和治疗 带来巨大进步。
量子点标记过程示意
CONJUGATING QUANTUM DOTS TO
BIOMOLECULES
Avidin
or protein-G with positively charged tail conjugated to negatively charged DHLA coat of quantum dots
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
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）。
量子点在生物学研究中的应用
如通过标记蛋白质、DNA等跟踪探测细胞和
组织内生物分子的相互作用、信号传导、细 胞器定位等；
药物筛选；
医学成像等。
尽管在性质上荧光纳米晶要远远优于传统 生物标记物，但要想真正替代现有的标记物， 尤其是有机染料，还面临一些必须解决的问题。
高质量荧光纳米晶的大规模合成问题； 纳米晶的水溶性问题； 需要建立一套纳米晶与生物分子偶联的方法，由 于纳米晶的表面性质对其荧光影响较大，所以偶 联过程必须保证纳米晶的表面不被破坏。
聚甲基丙烯酸甲酯（ PMMA）： 减少温度探针的掺杂浓度，从而 降低浓度猝灭以获得较强的发光 和较长的荧光寿命。 PMMA的折 射率 (1.49) 与二氧化硅 (1.46) 匹配， 这也使得生成的纳米颗粒拥有较 好的光学透明度。 纳米温度传感器的横截面示意图。 温度探针分子 Eu-DT随机分布于纳 米 颗 粒 内 部 （ 由 BTD-PMMA 组 成） ，纳米颗粒表面覆盖着完整 （或间断的）二氧化硅薄层。 有机硅氧烷BTD：碱性环境下， 硅氧烷基团迅速水解，以及硅醇 缩聚，在纳米颗粒表面生成带负 电二氧化硅薄层
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。
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
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。
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
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
“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。 纳米技术是“由小到大” 的智能化技术。
物质性质的变化只与表面积 和大小相关。 “纳米粒技术”是“由大到 小”的制备技术。
纳米生物技术 (NANOBIOTECHNOLOGY)
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。
MAKING HYDROPHOBIC QUANTUM DOTS BIO-COMPATIBLE
Various methods for making them water-soluble
Derivatizing surface with mercaptoacetic acid Encapsulating in phospholipid micelles Derivatizing surface with DHLA Coating them with amine-modified polyacrylic acid
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
荧光温度探针分子 铕-三（二萘甲酰甲烷)-二(三辛基氧化磷) （Eu-DT）
1.0
Intensity/Normalized
Abs-Em_Eu-DT
3.2、纳米粒子标记和检测技术
荧光 生物纳米 传感器
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 温度 sensor signal
生物材料的大小： 细胞： 100 -10 um 细胞器：10 -1 um
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
2）复合纳米粒子标记物
复合型纳米粒子是指荧光分子或发光分子通过
高分子材料的包裹或连接形成几百个甚至上千 个发光粒子构成的纳米粒子，如包裹着若干个 染料分子的荧光纳米球，包含着稀土螯合物的 纳米粒子。
信号放大 可克服外界环境对发光试剂的影响（如淬灭作用）， 增加发光试剂的稳定性 已用于标记DNA结合蛋白探测DNA分子中的特异序 列，超灵敏的测定前列腺特异抗原
Avidin
二巯基辛酸（DHLA）
protein G
典型的QD生物标记示意图
• Dihydrolipoic acid (DHLA) • Maltose binding protein (MBP) • Avidin 抗生物素 蛋白
细胞内部染色
细胞内部染色对用光学显微镜和电子显微镜研究细胞内各种组织是十分重要的 一项技术。未加染色的细胞衬度很底，目前有几种染色技术，如荧光抗体法、 铁蛋白抗体法和过氧化物酶染色法等，目的是提高用光学显微镜和电子显微镜 观察细胞组织的衬度。随着细胞学研究的发展，要求进一步提高观察细胞内组 织的分辨率，这就需要寻找新的染色方法。纳米微粒的出现，为建立新的染色 技术提供了新的途径。
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：6-8μ m
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
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 不同尺寸下的紫 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
量子点的荧光优越性
（与传统有机染料相比）
Luminescent europium(III) nanoparticles for sensing and imaging of temperature in the physiological range. Peng Hongshang et al., Adv. Mater. 2010, 22: 716.
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 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 Hydrophobic crystals
荧光探针分子
荧光纳米颗粒
荧光分子易被细胞内某种 细胞器封存，或与胞内成 分发生非特异结合，造成 荧光信号失真 稳定性差，存在荧光漂白 单一的荧光波长,受探针浓 度分布、光电子系统的随 机漂移影响 为适应自由进出细胞膜， 分子结构需特殊的功能化
基质具有保护作用，防止了 荧光分子与细胞内成分发生 作用，同时提高了稳定性 提高了荧光强度（大量荧光 分子封装于一个颗粒中）， 即高信噪比；同时封装两种 以上荧光分子，实现比率荧 光传感 多种成熟进入细胞方法：基 因枪、皮量注射枪、细胞内 吞作用
物操控技术，来解决目前生物学的问题。
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
用量子点检测肿瘤细胞
Quantum dots modified with antibodies to human prostate specific membrane antigen light up murine tumors that developed from human prostate cells. Nature Biotechnology, Vol22,2004
•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 原子总数 N
表面原子百分比
1 30
100
5 4000
40
10 30000
20
100 300000
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）：
纳米生物技术 (NANOBIOTECHNOLOGY)
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)
1. 荧光温度纳米传感器
Hyeter for Intracellular Thermometry，C. Gota et al.， J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 2766.
Temperature-sensitive Polymer Water-sensitive Fluorophore
总的来说，由于量子点技术有其独特的标记特点，它必将成为今后生物分子检测的 尖端技术，为DNA 检测(DNA 芯片) 、蛋白质检测(蛋白质芯片) 和探索蛋白质－ 蛋白质之间(抗原－抗体、配体－受体、酶－底物) 反应原理提供更先进的方法。同 时也将极大的推动生物显像技术和生物制药技术的迅猛发展，给疾病的诊断和治疗 带来巨大进步。
量子点标记过程示意
CONJUGATING QUANTUM DOTS TO
BIOMOLECULES
Avidin
or protein-G with positively charged tail conjugated to negatively charged DHLA coat of quantum dots
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
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）。
量子点在生物学研究中的应用
如通过标记蛋白质、DNA等跟踪探测细胞和
组织内生物分子的相互作用、信号传导、细 胞器定位等；
药物筛选；
医学成像等。
尽管在性质上荧光纳米晶要远远优于传统 生物标记物，但要想真正替代现有的标记物， 尤其是有机染料，还面临一些必须解决的问题。
高质量荧光纳米晶的大规模合成问题； 纳米晶的水溶性问题； 需要建立一套纳米晶与生物分子偶联的方法，由 于纳米晶的表面性质对其荧光影响较大，所以偶 联过程必须保证纳米晶的表面不被破坏。
聚甲基丙烯酸甲酯（ PMMA）： 减少温度探针的掺杂浓度，从而 降低浓度猝灭以获得较强的发光 和较长的荧光寿命。 PMMA的折 射率 (1.49) 与二氧化硅 (1.46) 匹配， 这也使得生成的纳米颗粒拥有较 好的光学透明度。 纳米温度传感器的横截面示意图。 温度探针分子 Eu-DT随机分布于纳 米 颗 粒 内 部 （ 由 BTD-PMMA 组 成） ，纳米颗粒表面覆盖着完整 （或间断的）二氧化硅薄层。 有机硅氧烷BTD：碱性环境下， 硅氧烷基团迅速水解，以及硅醇 缩聚，在纳米颗粒表面生成带负 电二氧化硅薄层
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。
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
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。
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
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
“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。 纳米技术是“由小到大” 的智能化技术。
物质性质的变化只与表面积 和大小相关。 “纳米粒技术”是“由大到 小”的制备技术。
纳米生物技术 (NANOBIOTECHNOLOGY)
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。
MAKING HYDROPHOBIC QUANTUM DOTS BIO-COMPATIBLE
Various methods for making them water-soluble
Derivatizing surface with mercaptoacetic acid Encapsulating in phospholipid micelles Derivatizing surface with DHLA Coating them with amine-modified polyacrylic acid
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
荧光温度探针分子 铕-三（二萘甲酰甲烷)-二(三辛基氧化磷) （Eu-DT）
1.0
Intensity/Normalized
Abs-Em_Eu-DT
3.2、纳米粒子标记和检测技术
荧光 生物纳米 传感器
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 温度 sensor signal
生物材料的大小： 细胞： 100 -10 um 细胞器：10 -1 um
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
2）复合纳米粒子标记物
复合型纳米粒子是指荧光分子或发光分子通过
高分子材料的包裹或连接形成几百个甚至上千 个发光粒子构成的纳米粒子，如包裹着若干个 染料分子的荧光纳米球，包含着稀土螯合物的 纳米粒子。
信号放大 可克服外界环境对发光试剂的影响（如淬灭作用）， 增加发光试剂的稳定性 已用于标记DNA结合蛋白探测DNA分子中的特异序 列，超灵敏的测定前列腺特异抗原
Avidin
二巯基辛酸（DHLA）
protein G
典型的QD生物标记示意图
• Dihydrolipoic acid (DHLA) • Maltose binding protein (MBP) • Avidin 抗生物素 蛋白
细胞内部染色
细胞内部染色对用光学显微镜和电子显微镜研究细胞内各种组织是十分重要的 一项技术。未加染色的细胞衬度很底，目前有几种染色技术，如荧光抗体法、 铁蛋白抗体法和过氧化物酶染色法等，目的是提高用光学显微镜和电子显微镜 观察细胞组织的衬度。随着细胞学研究的发展，要求进一步提高观察细胞内组 织的分辨率，这就需要寻找新的染色方法。纳米微粒的出现，为建立新的染色 技术提供了新的途径。
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：6-8μ m
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
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 不同尺寸下的紫 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
量子点的荧光优越性
（与传统有机染料相比）
Luminescent europium(III) nanoparticles for sensing and imaging of temperature in the physiological range. Peng Hongshang et al., Adv. Mater. 2010, 22: 716.
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 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 Hydrophobic crystals
荧光探针分子
荧光纳米颗粒
荧光分子易被细胞内某种 细胞器封存，或与胞内成 分发生非特异结合，造成 荧光信号失真 稳定性差，存在荧光漂白 单一的荧光波长,受探针浓 度分布、光电子系统的随 机漂移影响 为适应自由进出细胞膜， 分子结构需特殊的功能化
基质具有保护作用，防止了 荧光分子与细胞内成分发生 作用，同时提高了稳定性 提高了荧光强度（大量荧光 分子封装于一个颗粒中）， 即高信噪比；同时封装两种 以上荧光分子，实现比率荧 光传感 多种成熟进入细胞方法：基 因枪、皮量注射枪、细胞内 吞作用