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生物医学纳米技术 神奇的纳米神奇的纳米纳米天天见纳米天天见 洗车巾？ 篮球鞋？ 抗菌茶具？ 家电？ 神奇的纳米神奇的纳米出淤泥而不染出淤泥而不染 荷叶的表面上有许多微米级的突起。 每个突起是由许多直径为200纳米左 右的小突起组成的。这些突起在荷叶 的表面形成了密密麻麻分布的无数“ 小山”，“小山”与“小山”之间的 “山谷”非常窄，小的水滴只能在“ 山头”间跑来跑去，却休想钻到荷叶 内部。于是荷花便有了疏水的性能 我国安徽省出产的著名徽墨能保持毛笔字有光泽且较长时间不褪色 。制作墨汁或黑墨的主要原料是烟炱。烟炱是什么？它就是烟凝 结成的黑灰。制墨时所用的黑灰越细，墨的保色时间越长。徽墨 用纳米级大小的松烟炱（即所谓精烟徽墨）和树胶及少量香 料及水分制成，所以很名贵。 神奇的纳米神奇的纳米看字断案看字断案 什么是纳米技术？ 纳米技术是指在原子、分子和超分子量级，即尺寸在 大约1100 nm下进行测量、设计和操控的能力，目的是理 解、制造并使用由于小尺寸而具有的、本质上区别于传统 材料的新特性、新功能材料的结构、装置和系统。 纳米究竟有多小？ 1纳米(nm）10-9米(m) 地 球 米 乒乓球 纳米 Physical Chemical Electrical Mechanical Optical Magnetic Cluster - A collection of units (atoms or reactive molecules) of up to about 50 units Colloids - A stable liquid phase containing particles in the 1-1000 nm range. A colloid particle is one such 1-1000 nm particle. Nanoparticle - A solid particle in the 1-100 nm range that could be noncrystalline, an aggregate of crystallites or a single crystallite Nanocrystal - A solid particle that is a single crystal in the nanometer range 纳米技术的发展沿革纳米技术的发展沿革 l 1959年，著名物理学家、诺贝尔将获得者理查德费因曼 (1918-1988)预言，人类可以用小的机器制作更小的机器， 最终能实现根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品， 这是关于纳米技术最早的梦想。(来自他在美国物理学会召 开的年后上所做的Theres plenty of room at the bottom ) l 1982年，科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显 微镜，为人类揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米 科技发展产生了积极促进作用 纳米技术的发展沿革纳米技术的发展沿革 l1989年，美国斯坦福大学搬走原子团“写” 下斯坦福大学英文；1990年美国国际商用机 器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”字 样。 l 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的 摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。 l 1993年，中科院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功 写字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地 。 l 1997年，巴西和美国科学家设计出世界上最“小”的秤，它 能够称量出十亿分之一克的物体，相当于一个病毒的重量 ；此后不久德国科学家研制出能称量单个原子的秤。 l 1999年后，纳米技术产业逐步走向商业化。 纳米技术的发展沿革纳米技术的发展沿革 2010年: 80万纳米科技人才 GDP 1万亿美元 200万个就业机会 本世纪前10年几个关键领域之一 纳米技术的发展沿革纳米技术的发展沿革 纳米碳管 蛋白质、DNA、RNA、病毒 单电子晶体管 AFM Image of DNATEM Image of carbon nanotube SEM Image of SET 纳米材料的独特性质纳米材料的独特性质 表面与界面效应 纳米晶体粒表面原子数 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。 纳米材料的独特性质纳米材料的独特性质 Spherical iron nanocrystals J. Phys. Chem. 1996, Vol. 100, p. 12142 For example, 5 cubic centimeters about 1.7 cm per side of For example, 5 cubic centimeters about 1.7 cm per side of material divided 24 times will produce 1 nanometer cubes and material divided 24 times will produce 1 nanometer cubes and spread in a single layer could cover a football fieldspread in a single layer could cover a football field Repeat 24 times Nanoscale = High Ratio of Surface Area to Nanoscale = High Ratio of Surface Area to Vol.Vol. 纳米材料的独特性质纳米材料的独特性质 l 小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗 意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺 寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其 声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象 。 纳米材料的独特性质纳米材料的独特性质 l宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧 道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效 应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变 化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效 应。 纳米材料的独特性质纳米材料的独特性质 l量子尺寸效应 当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能 级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级 。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静 磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现 纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声 、热、电、超导电性能变化。 纳米材料的独特性质纳米材料的独特性质 纳米材料离散能级分布示意图。LUMO, lowest unoccupied molecular orbital, 最低空分子轨道; HOMO, highest unoccupied molecular orbital, 最高空分子轨道。 纳米材料的制备纳米材料的制备 l对纳米材料的要求 尺寸可控(小于 100 nm) 成分可控 形貌可控 晶型可控 表面物理和化学特性可控(表面改性和表 面包覆) 优点缺点 缺点 团聚 纯度 粒径分布 高温耗 设备复杂 成本高 纳米材料制备技术 化学法 物理法 固相法 液相法 气相法 微乳化法（mircro-emulsion) 化学沉淀法(chemical precipitation) 溶胶-凝胶法（sol-gel) 水热法（hydrothermal) 溶剂蒸发法 处理量大 技术成熟 高温耗能 粒径大 分布广 气相沉积法(chemical vapor deposition) 激光光照合成（laser ablation) 固相法机械研磨 气相法气体冷凝法（gas condensation) 优点 合成温度低 精确控制组成 设备简易 纯度高 粒径小 分散佳 纳米材料的制备纳米材料的制备 Some examples of Some examples of nanomaterialsnanomaterials Quantum dotsQuantum dots Carbon Carbon nanotube(CNTnanotube(CNT) ) DendrimersDendrimers Carbon Carbon nanotubenanotube l CNT是直径小于1 nm的、 管状的碳结构 ；其长度在 数纳米到数微米。 l CNT 的构象是由二维的石 墨片层卷折而成，如果由 单层石墨片层构成，称为 单壁CNT (single wall CNT, SWNT)；如果由多 层构成，则称多壁CNT (multiple wall CNT, MWNT) 。 SWNT MWNT Tower Close view of MWNT Tower MWNT Structures Carbon Carbon nanotubenanotube l CNT 存在超常的力学性能 杨氏模量：杨氏模量： CNT 1 TPa vs Aluminum 70 GPa C-fiber 700 GPa 强度重量比（强度重量比（strength/weight ratiostrength/weight ratio） CNT是铝的500倍； 比石墨和环氧树脂高出一个数量级； 接近于钢和钛。 See /gallery.html for videos of bending, compression, etc., of CNTs CNT PropertiesCNT Properties l CNT的高强度和弯折性是由于C-C共价键和石墨片 层的六边形无缝网络结构 最大应变：最大应变： 约10%左右，远高于其他任何材料 导热率：导热率： 轴向导热率 3000 W/mK 辐射方向几乎不导热 CNT PropertiesCNT Properties BendingBending TwistingTwisting l 电导率：高于铜 l 电流负载能力强 107 - 109 A/cm2 l 优良的场发射体 高长宽比，低尖端曲率半径 l 能够被“功能化” 其它的化学基团能够连接到其侧壁 CNT PropertiesCNT Properties CNT PropertiesCNT Properties CNT PropertiesCNT Properties 传感器/生物医学领域 基于CNT的显微镜：AFM,STM 纳米管传感器 分子马达、传动装置 氢气存储 纳米反应器，离子通道 生物医学应用 -植入式纳米电极 -集成式芯片“实验室” -人工肌肉 -DNA测序 -细胞移植 电子应用 用于计算的二极管/晶体管 数据存储 电容设备 场发生器 平板显示器 Challenges Challenges Controlled growth Functionalization with probe molecules, robustness Integration, signal processing Fabrication techniques CNT applicationsCNT applications tools tools CNT based biosensorsCNT based biosensors CNT修饰传感器表面，并为探针分子（如葡萄糖 氧化酶）提供适宜连接的位点 探针与待测分子（如葡萄糖）发生电化学反应， 产生电子传递 CNT的特殊结构使得电子在其径向转移速度非常 迅速，进而提高酶促反应速度，提高反应效率 e CNT based biosensorsCNT based biosensors Quantum DotsQuantum Dots 族量子点 IIVIMgS SrS MgSe SrSe MgTe SrTe CaS BaS CaSe BaSe CaTe IIIVBaTe CdTe ZnS HgS ZnSe HgSe ZnTe GaAs CdS InGaAs CdSe InP lWhat are they? 通常指由一种或两种及以上的IIVI族(Zn、Cd、Hg 等与S、Se、Te)或IIIV族(Al、Ga、In等与P、As、Sb) 元素组成的、三个维度的尺寸都在10纳米(nm)以下的球形 或类球形超微颗粒（ultrafine particles）。 QDsQDs history history 上世纪80年代初。被誉为“量子点之父”的Louis Brus博士 在AT Steigerwald and Brus 1989)。 同一时期，前苏联Yoffe研究所的Alexander Efros和 A.I.Ekimov博士对量子点的光学和电学特性进行了开拓性 的研究，为了解量子点的光学特性、电子结构以及其线性 和非线性的光学响应打下了基础(Ekimov and Onushchenko 1981; Ekimov, Efros et al. 1985)。 Energy levels Absorption Radiationless decay Fluorescence Valence Band Band gap Small Molecules QdotsSemiconductors Conduction Band 量子点尺寸量子点尺寸/ /限域效应限域效应 当激发能量大于带隙时，量子点吸收光子产生空穴-电子对，电子从价带跃迁至导带。 量子点的特性量子点的特性 由于量子点的带隙宽度强烈依赖于其尺寸，尺寸越小，带 隙越宽。因此，量子点的发射波长也依赖于其带隙宽度， 也即是依赖于量子点的尺寸。 可以充分利用量子点激发光对其尺寸的依赖性，通过控制 其合成时的直径大小和各组分来进行连续调谐，以获得可 见光乃至红外等波段内任意波长的量子点。 量子点的特性量子点的特性 显著区别于传统有机荧光染料 宽而连续的吸收光谱 较大的斯托克位移(stokes shift) 狭窄对称的发射光谱 p 波长小于发射光波长激光对其进行激发 p 在同一激发光下同时激发多种不同尺寸的量子点 p 发射出无交叠或很少交叠的、不同波长的荧光，从而很方 便的实现单激发、多发射的多色荧光检测 量子点的特性量子点的特性 量子点的荧光强度强 具有很强的抗光漂白的能力 量子点的特性量子点的特性 量子点的制备量子点的制备 金属有机化学法 在无氧无水的条件下，将有机金属试剂如二甲基镉、三辛 基硒磷或氧化镉等与高温有机配体溶剂如TOPO、己基磷 酸等混合，通过热解有机金属试剂在很短时间内得到大量 的纳米颗粒晶核，然后通过调节反应体系温度来控制纳米 晶体的生长，最终获得量子点。 优点 高量子产率，良好晶体结构、单分散性、尺寸均一 缺点 反应条件苛刻，操作复杂，有机溶剂毒性大，合成受到 一定限制。具有疏水性表面，必须通过亲水性修饰才能应 用于生物医学领域 量子点的制备量子点的制备 水相化学方法合成 以水为介质、金属盐为反应前体，利用水溶性巯基化合物 （短链巯基羧酸，硫醇，半胱氨酸、谷胱甘肽等）作为稳 定剂，通过水相离子交换反应得到纳米晶体 优点 操作简便、成本低、亲水性好、表面容易与生物分子偶联 、无需相转换 缺点 量子产率低、尺寸分布均一性差 ApplicationsApplications Ki-67 actin tublin mitochondria ApplicationsApplications ApplicationsApplications ApplicationsApplications 通过荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer, FRET)或三重态能量转移(triplet energy-transfer process, TET)的方式与已知的硅酞菁染料相互作用产 生可用于光动力疗法(photodynamic therapy, PDT)的单 线态氧 ApplicationsApplications “Quantum Dot as a Drug Tracer In Vivo, IEEE Transactions on nanobioscience, 2006,5 (4), pp 263-267” DendrimersDendrimers 树枝状大分子是由重复增长反应合成而来的，高度支化且结构精确 的分子。每一个重复循环反应增加一个支化层，叫做“代”。它包括主 结构（内核，支化单元，外围基团）及微环境（空腔）。 DendrimersDendrimers DendrimersDendrimers 树枝状大分子的结构特点 精确的分子结构； 高度的几何对称性； 外围大量的官能团； 分子内存在空腔； 分子量可控； 分子本身具有纳米尺寸。