生物医学传感-纳米生物传感器.ppt

10 55 34 1 纳米生物传感器 Nanobiosensors 一 背景 二 纳米材料介绍 三 纳米生物传感器 10 55 34 2 CompanyLogo 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 一 背景 10 55 34 3 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 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 10 55 34 4 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 10 55 34 5 10 55 34 6 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 这种特性可以应用在玻璃上或是战机的雷达上 自然界中的纳米结构 10 55 34 7 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 10 55 34 8 上善若水 的水黾 超疏水特性 超强的不沾水的特性 10 55 34 9 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 10 55 34 10 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 10 55 34 11 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 10 55 34 12 蛛丝 指路线 安全绳 滑翔索 10 55 34 13 1 表面效应 一 纳米材料的特性 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 10 55 34 14 高表面活性 交联或吸附性强 Drug GeneDeliverySystem药物 基因转运系统 吸附在细胞膜上 胞吞作用 进入细胞 纳米粒 药物 DNA复合物 10 55 34 15 纳米载体 绿色荧光蛋白报道基因转染细胞 10 55 34 16 用于检测或导向技术 10 55 34 17 BIOMAT190802MH 10 55 34 18 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 10 55 34 19 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 10 55 34 20 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 10 55 34 21 10 55 34 22 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 10 55 34 23 生物体内磁性超微颗粒 生物磁罗盘 10 55 34 24 磁性阿霉素纳米粒在磁场中的定向运动 10 55 34 25 10 55 34 26 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 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 10 55 34 27 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 3 宏观量子隧道效应 10 55 34 28 二 纳米材料分类 纳米粉末 碳酸钙 白炭黑 氧化锌 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 纳米液体材料 纳米块体 纳米Cu的块体材料 材料的形态 10 55 34 29 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 10 55 34 30 化学结构 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 10 55 34 31 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 10 55 34 32 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 10 55 34 33 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 10 55 34 34 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 10 55 34 35 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 2 用于细胞内部染色的纳米材料 10 55 34 36 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 10 55 34 37 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 10 55 34 38 10 55 34 39 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 10 55 34 40 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 10 55 34 41 4 纳米抗菌材料及创伤敷料 利用 可使细胞膜上的蛋白失活 从而杀死细菌 利用该类材料的光催化作用 与 2 反应生成具强氧化性的羟基以杀死病菌 ZnO TiO2等光触媒型纳米抗菌材料 系抗菌材料 10 55 34 42 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 10 55 34 43 6 纳米医用陶瓷 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 10 55 34 44 7 纳米生物活性材料 钙盐纳米 2 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 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 10 55 34 45 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 2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 10 55 34 46 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 纳米机器人消灭癌细胞虚拟图 未来应用 10 55 34 47 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 10 55 34 48 10 55 34 49 10 55 34 50 10 55 34 51 CompanyLogo 碳纳米管在纳米生物传感器中的应用 碳纳米管 CarbonNanotubes 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 10 55 34 52 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 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 10 55 34 53 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 10 55 34 54 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 碳纳米管还可用于检测植物毒素 10 55 34 55 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 10 55 34 56 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 红色 高分子聚合物PSS灰色 高分子聚合物PAH蓝色 胶体金 10 55 34 57 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 传统检测微量细菌的方法需要扩增或是富及样本中的目标菌 因过程繁琐而费时费力 该研究中 纳米颗粒起到极强的信号放大作用 细菌众多的表面抗原可供抗体修饰的纳米颗粒识别与结合 所以每一个细菌表面将结合数以千计的纳米颗粒 从而提供极强的荧光信号 该方法甚至能发展到384孔微平板的多菌样本高通量检测 因此 用针对不同细菌的特异性抗体来修饰纳米颗粒 这项纳米生物技术就能用来检测多种来源的细菌病原体 包括生物恐怖试剂以及食品 临床和环境样本 10 55 34 58 单个细菌检测机制 单个细菌结合极多纳米颗粒 利于信号放大 10 55 34 59 光学纳米生物传感器 表面等离子体共振 SPR 是一种光和金属电子相互作用的光一电子现象 它是将光子所携带的能量转移给金属表面的电子 如今 迫切需要能特异鉴别周围环境中低浓度生物物质的微型化光学传感器 但目前还不存在未经扩增就能鉴定出自然浓度的这种仪器 借助局部SPR光谱技术 可利用三面体银纳米颗粒制成一种新型的光学传感器 因为这种银颗粒具有显著的光学特性 且能大大提高检测的敏感性 10 55 34 60 纳米生物传感器在氯霉素检测中的应用 利用pH敏感的荧光指示剂F1300可以量化ATP合酶活性的特点 构建生物传感器 开发灵敏 特异 快速的氯霉素残留检测方法 将pH变化敏感荧光物质F1300标记到色素体 chromatophore