生物醫(yī)學(xué)傳感納米生物傳感器市公開(kāi)課一等獎(jiǎng)?wù)n件省賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

10十月2023生物醫(yī)學(xué)傳感納米生物傳感器1/61*2CompanyLogo

納米技術(shù)和生物技術(shù)是21世紀(jì)兩大領(lǐng)先技術(shù)納米生物傳感技術(shù)成為一種新興產(chǎn)業(yè)。納米尺寸既非典型微觀系統(tǒng)亦非典型宏觀系統(tǒng)，因此有著獨(dú)特化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)，如表面效應(yīng)、微尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，展現(xiàn)出常規(guī)材料不具有優(yōu)越性能。一、背景2/61*3納米生物傳感器是將納米材料作為一種新型生物傳感介質(zhì)，與傳統(tǒng)傳感器相比，具有體積更小、速度更加快、并且精度更高、可靠性更加好長(zhǎng)處。

納米技術(shù)引入生物傳感器領(lǐng)域后，提升了生物傳感器敏捷度和其他性能，并促進(jìn)了新型生物傳感器發(fā)展。由于具有了亞微米尺寸換能器、探針或者納米微系統(tǒng)，生物傳感器多種性能大幅提升。但納米生物傳感器正處于起步階段，目前仍有大量工作需要進(jìn)行。3/61*4二、納米材料介紹

納米材料是指由尺寸不大于100nm（0.1-100nm）超細(xì)顆粒組成具有小尺寸效應(yīng)零維、一維、二維材料或由它們作為基本單元組成三維材料總稱。

納米無(wú)創(chuàng)注射器納米管陣列4/61*55/61*6荷葉表面上有某些微小蠟質(zhì)顆粒,并且覆蓋著無(wú)數(shù)尺寸約10個(gè)微米突包,每個(gè)突包表面又充滿了直徑僅為幾百納米更細(xì)絨毛。

這種特性能夠應(yīng)用在玻璃上或是戰(zhàn)機(jī)雷達(dá)上。自然界中納米構(gòu)造

6/61*7飛檐走壁壁虎

在現(xiàn)實(shí)生活中,我們能夠制造出抓地更牢運(yùn)動(dòng)鞋,能夠制作雨雪環(huán)境中不再打滑汽車輪胎。而在影視劇拍攝中,演員們能夠辭別工作室里電腦,真正在摩天大樓玻璃幕墻上一展身手。據(jù)此開(kāi)發(fā)出空間探測(cè)用攀爬型機(jī)器人,無(wú)論在什么惡劣條件下都能夠在太空飛行器外表面行走,給飛行器進(jìn)行“體檢”。7/61*8“上善若水”水黽超疏水特性(超強(qiáng)不沾水特性)8/61*9水黽腿部上有數(shù)千根按同一方向排列多層微米尺寸剛毛。這些像針同樣微米剛毛表面上形成螺旋狀納米構(gòu)造構(gòu)槽,吸附在構(gòu)槽中氣泡形成氣墊。9/61*10五彩斑斕蝴蝶

納米構(gòu)造:光子晶體,通過(guò)這種構(gòu)造,蝴蝶翅膀能捕捉光線。僅讓某種波長(zhǎng)光線透過(guò),這便決定了不一樣顏色。10/61*11利用“羅盤(pán)”定位蜜蜂

利用在磁性納米粒子中存放圖像來(lái)判明方向。11/61*12

蛛絲指路線、安全繩、滑翔索。12/61*131.表面效應(yīng)（一）納米材料特性

納米材料表面效應(yīng)是指納米粒子表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引發(fā)性質(zhì)上變化。比表面積↑↑表面原子百分?jǐn)?shù)↑↑納米顆粒表面能高、活性強(qiáng)顆粒直徑↓性質(zhì)變化13/61*14高表面活性→交聯(lián)或吸附性強(qiáng)Drug/GeneDeliverySystem藥品/基因轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)吸附在細(xì)胞膜上胞吞作用進(jìn)入細(xì)胞吸附藥品/質(zhì)粒DNA納米粒納米粒-藥品/DNA復(fù)合物14/61*15納米載體-綠色熒光蛋白報(bào)道基因轉(zhuǎn)染細(xì)胞15/61*16納米粒納米粒用于檢測(cè)或?qū)蚣夹g(shù)16/61*17BIOMAT190802MHNanoparticle抗原抗體有機(jī)與無(wú)機(jī)納米粒子珠

巨噬細(xì)胞，淋巴細(xì)胞等細(xì)胞。

17/61*182.小尺寸效應(yīng)

小尺寸效應(yīng)是指由于顆粒尺寸變小所引發(fā)宏觀物理性質(zhì)變化。尺寸變小+比表面積↑↑→新奇性質(zhì)光學(xué)熱學(xué)力學(xué)磁學(xué)18/61*19

由無(wú)數(shù)原子組成固體時(shí)，單獨(dú)原子能級(jí)就并合成能帶，由于電子數(shù)目很多，能帶中能級(jí)間距很小，因此能夠看作是連續(xù)。對(duì)介于原子、分子與大塊固體之間納米顆粒而言，大塊材料中連續(xù)能帶將分裂為分立能級(jí)；能級(jí)間間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場(chǎng)能或者磁場(chǎng)能比平均能級(jí)間距還小時(shí)，就會(huì)展現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不一樣反常特性，稱之為量子/小尺寸效應(yīng)。例如，導(dǎo)電金屬在超微顆粒時(shí)能夠變成絕緣體，磁矩大小與顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)，比熱亦會(huì)反常變化，光譜線會(huì)產(chǎn)生向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)，這就是量子尺寸效應(yīng)宏觀體現(xiàn)。

19/61*20（1）特殊光學(xué)性質(zhì)

納米顆粒當(dāng)尺寸小到一定程度時(shí)具有很強(qiáng)吸光性。金屬納米顆粒對(duì)光反射率很低，一般可低于l％，大約幾微米厚度就能完全消光。幾乎所有金屬納米顆粒都可展現(xiàn)黑色。

20/61*21納米涂料隱形飛機(jī)21/61*22（2）特殊磁學(xué)性質(zhì)

納米顆粒磁性與大塊材料磁性有顯著不一樣，磁性納米顆粒具有高矯頑力。當(dāng)純鐵顆粒尺寸減小到一定程度（二十個(gè)納米）時(shí)，其矯頑力可顯著增加；尺寸減小到6nm時(shí)，其矯頑力反而減少到零，展現(xiàn)出超順磁性。

22/61*23生物磁性納米顆粒生物體內(nèi)磁性超微顆粒---生物磁羅盤(pán)23/61*24磁性阿霉素納米粒在磁場(chǎng)中定向運(yùn)動(dòng)磁性納米粒運(yùn)動(dòng)軌跡24/61*25磁性納米球用于細(xì)胞分離癌癥診斷磁性納米粒在生物醫(yī)學(xué)中應(yīng)用25/61*26（3）特殊熱學(xué)性質(zhì)

固態(tài)物質(zhì)在大尺寸形態(tài)時(shí)，其熔點(diǎn)是固定，超細(xì)微化后其熔點(diǎn)將顯著減少，當(dāng)顆粒不大于10納米量級(jí)時(shí)尤為顯著。（4）特殊力學(xué)性質(zhì)呈納米晶粒金屬要比傳統(tǒng)粗晶粒金屬硬3～5倍。陶瓷材料在一般情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成納米陶瓷材料卻具有良好韌性。26/61*27

電子具有粒子性又具有波動(dòng)性，因此存在隧道效應(yīng)。納米顆粒某些宏觀物理量，如顆粒磁化強(qiáng)度、量子相干器件中磁通量等，亦顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀量子隧道效應(yīng)。3.宏觀量子隧道效應(yīng)27/61*28（二）納米材料分類納米粉末：碳酸鈣，白炭黑，氧化鋅納米纖維：納米絲、納米棒、納米管納米膜：超薄膜、多層膜、超晶格納米液體材料納米塊體:納米Cu塊體材料材料形態(tài)28/61*29物理性能納米半導(dǎo)體材料納米磁性材料納米非線性光學(xué)材料納米鐵電體材料納米超導(dǎo)材料納米熱電材料29/61*30化學(xué)構(gòu)造納米金屬納米晶體納米陶瓷納米玻璃納米高分子材料納米復(fù)合材料30/61*31應(yīng)用納米電子材料納米光電子材料納米生物醫(yī)學(xué)材料納米敏感材料納米儲(chǔ)能材料31/61*32

（三）納米生物材料制備

納米顆粒作用受其尺寸、形貌和構(gòu)造影響。不是所有納米尺寸顆粒都能起作用，納米顆粒尺寸也不是越小越好；特定技術(shù)領(lǐng)域需要特定尺寸、大小均一納米顆粒才能發(fā)揮最佳效果。固相法反應(yīng)物聚合狀態(tài)液相法氣相法32/61*33（四）納米生物醫(yī)用材料及其應(yīng)用1.細(xì)胞分離用納米材料

利用納米復(fù)合粒子性能穩(wěn)定、不與膠體溶液反應(yīng)且易實(shí)現(xiàn)與細(xì)胞分離等特點(diǎn),可將納米粒子應(yīng)用于診斷中進(jìn)行細(xì)胞分離。33/61*34

美國(guó)科學(xué)家用納米SiO2微粒很容易將懷孕8星期左右婦女血樣中很少許胎兒細(xì)胞分離出來(lái),并能精確地判斷是否有遺傳缺陷；挪威工科大學(xué)研究人員,利用納米磁性粒子成功地進(jìn)行了人體骨骼液中腫瘤細(xì)胞分離；利用納米微粒進(jìn)行細(xì)胞分離技術(shù)很也許在腫瘤早期從血液中檢查出癌細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)癌癥早期診斷和治療。

34/61*35

利用不一樣抗體對(duì)細(xì)胞內(nèi)多種器官和骨骼組織敏感程度和親和力顯著差異,選擇抗體種類，將納米金粒子與預(yù)先精制抗體或單克隆抗體混合,制備成多種納米金/抗體復(fù)合物。

2.用于細(xì)胞內(nèi)部染色納米材料35/61*36

借助復(fù)合粒子分別與細(xì)胞內(nèi)多種器官和骨骼系統(tǒng)結(jié)合而形成復(fù)合物,在白光或單色光照射下展現(xiàn)某種特性顏色(如10nm金粒子在光學(xué)顯微鏡下呈紅色),從而給多種組合“貼上”了不一樣顏色標(biāo)簽,因而為提升細(xì)胞內(nèi)組織辨別率提供了一種急需染色技術(shù)。36/61*37

應(yīng)用不一樣材料制備納米顆粒并通過(guò)變化其大小和形狀能夠變化納米顆粒光散射性質(zhì)。以此為基礎(chǔ)可制備多種顏色納米顆粒標(biāo)簽。變化納米顆粒形狀不但能夠變化其光散射特性，還能夠變化其他特性如產(chǎn)生諧波等。例如：球形納米銀顆粒不散射紅光，而棱柱形納米銀顆粒卻呈紅色。37/61*3838/61*39

這些不一樣顏色納米顆粒標(biāo)簽表面包被細(xì)胞特異性抗體/配體后，可進(jìn)行組織/細(xì)胞染色或標(biāo)識(shí)、疾病診斷及示蹤技術(shù)。39/61*403.納米藥品控釋材料

納米粒子不但具有能穿過(guò)組織間隙并被細(xì)胞吸取、可通過(guò)人體最小毛細(xì)血管、甚至可通過(guò)血腦屏障等特性,并且還具有靶向、緩釋、高效、低毒且可實(shí)現(xiàn)口服、靜脈注射及敷貼等多種給藥途徑。40/61*414.納米抗菌材料及創(chuàng)傷敷料利用Ａｇ+可使細(xì)胞膜上蛋白失活,從而殺死細(xì)菌。利用該類材料光催化作用,與Ｈ2Ｏ反應(yīng)生成具強(qiáng)氧化性羥基以殺死病菌

ZnO、TiO2等光觸媒型納米抗菌材料

Ａｇ+系抗菌材料:

41/61*425.納米顆粒中藥及保健品

納米級(jí)中藥粒子

——可溶于水,有效提升藥品利用率

——口服膠囊、口服液或膏藥

納米膠囊或納米粒子懸浮液保健品

——↓毒性，↑活性（硒旺膠囊）42/61*436.納米醫(yī)用陶瓷納米陶瓷在人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工齒以及牙種植體、耳聽(tīng)骨修復(fù)體等人工器官制造及臨床應(yīng)用領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。納米級(jí)羥基磷灰石復(fù)合材料

聚酰胺/納米HA晶體生物活性材料ZrO2納米羥基磷灰石復(fù)合材料納米TiO2/聚合物復(fù)合材料43/61*447.納米生物活性材料

鈣鹽納米ＳｉＯ2/聚合物復(fù)合材料:在人體液中放置1周后,能夠觀測(cè)到其表面有羥基磷灰石層形成。

含鈦硅納米復(fù)合材料：具有優(yōu)良透光率、氧氣透過(guò)率和吸濕性,是抱負(fù)隱形眼鏡材料。

44/61*45聚氨酯材料：因其良好生物相容性和優(yōu)秀力學(xué)性能常用來(lái)制作血管移植物、介入導(dǎo)管、心臟輔助循環(huán)體系及人工心臟等。

納米微孔ＳｉＯ2玻璃：可用作微孔反應(yīng)器、功能性分子吸附劑、生物酶催化劑及藥品控釋體系載體等。

45/61*46在血管中運(yùn)動(dòng)納米機(jī)器人，使用納米切割機(jī)和真空吸塵器來(lái)清除血管中沉積物。納米機(jī)器人消滅癌細(xì)胞虛擬圖將來(lái)應(yīng)用46/61*47三.納米生物傳感器

納米生物傳感器是納米技術(shù)與生物傳感器融合，其研究領(lǐng)域包括到生物技術(shù)、信息技術(shù)、納米科學(xué)、界面科學(xué)等多種主要領(lǐng)域。47/61*4848/61*4949/61*5050/61*51CompanyLogo碳納米管在納米生物傳感器中應(yīng)用碳納米管（CarbonNanotubes，CNTs）是一種由碳六元環(huán)組成類石墨平面卷曲而成納米級(jí)中空管。CNTs具有良好導(dǎo)電性、催化活性和較大比表面積，因此被廣泛用于修飾電極研究。分散性良好碳納米管在水溶液或丙酮、甲醇等有機(jī)溶劑中可觀測(cè)到很強(qiáng)熒光發(fā)射。由于獨(dú)特電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，碳納米管對(duì)周圍環(huán)境極其敏感，因此能夠?qū)⑵鋺?yīng)用于化學(xué)傳感器。51/61*52CNTs在氧化還原酶生物傳感器中應(yīng)用酶構(gòu)造復(fù)雜，活性中心一般包埋于酶內(nèi)部，很難實(shí)現(xiàn)酶與電極間直接電子轉(zhuǎn)移。碳納米管具有良好導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和生物兼容性，將酶固定到碳米管表面能夠保持酶生物活性，有效地促進(jìn)酶與傳感器之間迅速、直接電子轉(zhuǎn)移，提升酶生物傳感器檢測(cè)速度、穩(wěn)定性和使用壽命。應(yīng)用于葡萄糖檢測(cè)中還可應(yīng)用于有機(jī)磷類化合物分析檢測(cè)52/61*53CNTs在DNA生物傳感器中應(yīng)用DNA生物傳感器具有敏捷度高、制作簡(jiǎn)單和成本較低等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在基因檢測(cè)和傳染性疾病研究等領(lǐng)域應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。將DNA特有分子識(shí)別功能與碳納米管優(yōu)良性能相結(jié)合，通過(guò)化學(xué)吸附、共價(jià)聯(lián)接、靜電吸附等辦法將DNA固定在碳納米管上，以期取得性能愈加優(yōu)良DNA生物傳感器。53/61*54CNTs在電化學(xué)免疫生物傳感器中應(yīng)用電化學(xué)免疫生物傳感器可用于檢測(cè)細(xì)胞活性、腫瘤細(xì)胞標(biāo)識(shí)物和致病微生物等，具有高度特異性、敏感性和穩(wěn)定性。碳納米管共價(jià)修飾抗體或其他受體后，不產(chǎn)生細(xì)胞毒性，也不會(huì)影響抗體或受體免疫活性，近年來(lái)該辦法在免疫傳感器方面應(yīng)用逐漸增加。利用單壁碳納米管制備了高度敏捷生物傳感器，用于檢測(cè)多種癌細(xì)胞標(biāo)識(shí)物。碳納米管還可用于檢測(cè)植物毒素。54/61*55膠體金修飾納米免疫傳感器利用抗原與抗體之間高選擇性分子識(shí)別，進(jìn)行抗體或抗原分析免疫分子識(shí)別組件物理信號(hào)轉(zhuǎn)換組件納米構(gòu)造改善表面抗體分布可控，具有抱負(fù)固定方向55/61*56制備辦法：層層組裝在打磨過(guò)金基底上，生長(zhǎng)復(fù)合納米構(gòu)造抗體連接在膠體金上高分子復(fù)合層是“水泥”，膠體金是“鋼筋”紅色：高分子聚合物PSS灰色：高分子聚合物PAH藍(lán)色：膠體金56/61*57納米病原微生物檢測(cè)Tan等提出了一項(xiàng)新生物納米技術(shù)，該技術(shù)是采取生物修飾納米顆粒，通過(guò)熒光信號(hào)為基礎(chǔ)免疫試驗(yàn)，迅速、精確地檢測(cè)出單個(gè)細(xì)菌。他們選擇是大腸桿菌0157：H7作為檢測(cè)細(xì)菌，由于它是食物起源腸道感染致病菌最主要代表。傳統(tǒng)檢測(cè)微量細(xì)菌辦法需要擴(kuò)增或是富及樣本中目標(biāo)菌，因過(guò)程繁瑣而費(fèi)時(shí)費(fèi)勁。該研究中，納米顆粒起到極強(qiáng)信號(hào)放大作用，細(xì)菌眾多表面抗原可供抗體修飾納米顆粒識(shí)別與結(jié)合，因此每一種細(xì)菌表面將結(jié)合數(shù)以千計(jì)納米顆粒，從而提供極強(qiáng)熒光信號(hào)。該辦法甚至能發(fā)展到384孔微平板多菌樣本高通量檢測(cè)。因此，用針對(duì)不一樣細(xì)菌特異性抗體來(lái)修飾納米顆粒，這項(xiàng)納米生物技術(shù)就能用來(lái)檢測(cè)多種起源細(xì)菌病原體，包括生物恐怖試劑以及食品、臨床和環(huán)境樣本。57/61*58單個(gè)細(xì)菌檢測(cè)機(jī)制。單個(gè)細(xì)菌結(jié)合極多納米顆粒，利于信號(hào)放大58/61*59光學(xué)納米生物傳感器表面等離子體共振(SPR)是一種光和金屬電子互相作用光一電子現(xiàn)象，它是將光子所攜帶能量轉(zhuǎn)移給金屬表面電子。如今，迫切需要能特異鑒別周圍環(huán)境中低濃度生物物質(zhì)微型化光學(xué)傳感器，但目前還不存在未經(jīng)擴(kuò)增就能判定出自然濃度這種儀器。借助局部SPR光譜技術(shù)，可利用三面體銀納米顆粒制成一種新型光學(xué)傳感器，由于這種銀顆粒具有顯著光學(xué)特性，且能大大提升檢測(cè)敏感性。59/61