纳米分析技术

纳米食品的分析检测进展

摘要介绍了纳米材料的安全性,重点对纳米食品的3种分析检测手段(成像、分离和表征技术)进行了较为详细的综述,并对该领域的工作进行了展望。

关键词纳米材料,纳米食品,分析手段

进入21世纪以来,纳米技术已经在材料、化工、生物、医药、食品、通信、能源等众多领域展现出广阔的应用前景,并对各学科领域的发展产生了深远的影响。在食品工业中真正运用了纳米技术的产品只占消费品的一小部分,主要包括纳米包装材料、纳米营养物和纳米添加剂等[1]。目前,全球有200多家公司致力于纳米技术在食品工业中的应用。根据著名咨询公司HelmutKaiser一项调查显示,仅在食品饮料包装行业, 2004年纳米产品的全球销售额就高达8·6亿美元,而在2002年,纳米产品的全球销售额只有1·5亿美元[2]。

纳米食品,也称纳米尺度(10-9-10-7m)的食品,是以人类可食用的天然物、合成物和生物生成物等原料采用纳米技术加工制成的,并根据人体健康进行不同配制的食品。由于纳米粒子具有独特的表面效应和量子尺寸效应,研究发现,食品和营养素经过纳米化以后,亦表现出更高生物活性,甚至显现出常态物质没有的活性。所以纳米食品除了包括普通食品的功能外还有以下功能:预防疾病、调节机体、康复病体的功能;降低保健食品的毒副作用功能;提高人体对矿质元素的吸收利用率和杀菌除味等。新兴纳米技术下生产的食品的安全性一直受到消费者和研究人员的高度关注。本文就纳米食品的分析检测方法进行综述,以期为纳米食品的发展提供技术支持。

1纳米材料的安全性

纳米材料是将材料的尺度在空间进行约束,并到一定的临界尺寸后,材料的结构和性质也随之发生从宏观到微观的转变。粒径的减小也是引起纳米材料的安全性问题的主要原因。Frampton通过对大气中尘埃粒子的研究发现,当大气中的尘埃粒子粒径<10μm时,尘埃粒子对肺部有明显的毒性。材料对生物体的毒性强烈地依赖于材料的尺寸[3]。

在一般情况下,纳米材料不会表现出明显的毒性。但纳米材料的潜在毒性、在生物体内的富集及其对食物链的影响,人们却自知甚少,研究者称这种毒性为“生态毒性”。Brunner等研究发现,不同类型的纳米粒子能够透过细胞膜,导致细胞内自由基含量的增加,最终造成生物体的毒性[4-6];同时,纳米粒子还会在生物体的组织中富集。Chen研究发现, SiO2纳米颗粒会导致核质蛋白的团聚,从而损害细胞核的功能[6]。富勒烯和TiO2纳米颗粒会对蚤、大口鲈鱼和其他水生动物产生一定的毒性[7]。而纳米材料有时也会扮演降低污染物毒性的角色: Zhang 通过对鲤鱼的活体实验发现,TiO2纳米颗粒会大量富集游离的镉离子[8];纳米银也显示出较强的抗菌能力,研究者已将这种抗菌能力应用到人们健康保护和水生环境治理中[9]。

纳米食品中采用的纳米技术是一种全新的技术,如同转基因食品,其安全性和接受程度受到消费者的质疑。纳米食品在活性、吸收利用率等增加的同时还应该考虑到有害物质的吸收、渗透等问题。一方面粒径减小使得食品原料本身具有的毒素,农残和重金属成分更易被吸收,加剧了纳米化后的安全隐患。另外,纳米食品中营养成分纳米粒子可以通过传统吸收途径之外的其他途径进入人体,并穿过生物膜屏障,使人体的防御能力降低,引起机体功能紊乱,出现健康问题。

维蒙特大学的消费经济学家科洛丁斯基在佛罗达里达州奥兰多市的食品安全大会上说,纳米技术是一种新的基因工程〔10〕。美国消费联盟的资深科研人员汉森称,不要因为某种物质在自然尺寸状态下是安全的,就以为处理成纳米尺寸后也一定是安全的,所有科学家都赞同,物质的大小也是安全重要因素之一。例如,大量接触含有纳米碳(如富勒烯)的食品或化妆品,会造成与石棉一样的危害[10]。美国消费者保护组织称,纳米食品已经悄悄打入市场,促请美国

当局强制厂商标明食品是由纳米技术制造的。因此,有必要借助于先进的分析仪器,深入了解纳米食品在复杂体系中的行为及其对人体和环境的潜在影响。

2纳米食品分析检测技术

纳米材料的理化性质包括尺寸大小、尺寸分布、表面特征、形状、溶解度、活性、团聚状态和化学组成等诸多信息。为了更多地获得这些信息,应用多种分析手段来检测和表征纳米材料成为一种必然。将分析手段分为成像、分离和表征3种技术。

2·1样品前处理

样品处理是整个分析过程中最薄弱环节和时间决定步骤,也是误差的主要来源。而环境因素对纳米材料的结构和组成等性质的影响很大。因此,前处理或消化后“纳米食品”得到的结果常常不同于原位检测的结果[11]。避免或减少样品的前处理,可以有效地减少人为干扰因素。如果不得不对样品进行前处理,仔细地记录前处理的每一环节对“追踪”人为干扰因素至关重要。同时,一些新的样品前处理技术应用到纳米材料的分析检测技术,尤其是涉及到成像邻域: Paunov采用凝胶捕获技术结合扫描电镜(SEM)对乳液进行了成像[12]; Bickmore采用固定技术结合原子力显微镜(AFM)对水溶液中的黏土矿物质进行了成像[13];Lonsdale应用高压冷冻和冷冻基质技术,借助于透射电镜(TEM)对稀有的糊粉原生质体进行了成像,这种技术保留了细胞结构的完好和蛋白质的抗原性,优于传统的化学固定和去水技术[14];Wang

采用低温透射电镜,对掺杂Fe的TiO2纳米颗粒进行了“原位成像”[15]。当然,这些新的样品前处理技术也有望在纳米食品的分析检测技术中得到广泛的应用。

2·2成像技术

纳米材料的尺寸都在可见光的衍射极限以下,普通光学显微镜无法观测纳米材料。目前,电子显微和扫描探针显微技术是运用最多的成像技术。依赖于这些技术,可以得到亚纳米的分辨率。利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)3种常见的成像技术,人们可以得到纳米材料的许多性质,诸如团聚的状态、分散、吸附、尺寸、结构和形状。

Parris通过SEM观测到包埋香精油的蛋白纳米微球的形态,更深入了解这种香精油的抗氧化性。TEM可以对各种纳米粒子进行成像,可观测到不同形状的纳米管状牛乳蛋白,制备出嵌入活性酶的多肽自组装材料。利用TEM,研究者还可以控制最终合成的纳米β-环糊精的形态和尺寸分布。

对于TEM和SEM而言,必须在真空条件下操作,因此大大阻碍了这2种技术的推广。样品必须进行去水、低温固定或嵌入等前处理;而前处理的引入,不可避免地改变了样品的原有性质。如果在全液体状态下成像,就需要应用AFM技术。AFM属于扫描探针显微镜的一类,振荡的悬臂掠过样品的表面,在针尖和表面之间,可以检测到<10-12N的静电力。基于以上原理, AFM可以提供3D表面形态(大约0·5 nm的高度分辨率)。AFM的主要优势在于提供湿的或潮湿状态下的样品的亚纳米结构。如果样品是液体状态,样品就很难固定在基质上,甚至到处流动,有时甚至吸附在振荡的悬臂上。以上会导致“涂污效应”的产生和振荡悬臂性质的改变。人们采用非接触式扫描,来减小“涂污效应”。AFM可以用于表征蛋白、多糖和脂质体的结构,AFM很早就用于成像纳米管状α-乳清蛋白的分子结构,还可以研究脂质体包埋体系的形态、尺寸、稳定性和动力学过程。

以上3种成像技术均属于损伤性技术,因此同一样品不能多次分析。电子显微技术的另一个缺点是“充电效应”,这种效应源于组织成像时,由于电子辐射导致静态电场的累积。如果将样品的表面包裹导电性材料,可以消除充电效应,但是同时会导致部分信息的缺失。此外, 3种成像技术普遍存在成本高、耗时等缺点,因此很难成为最常用的分析手段。

2·3分离技术

常见的分离技术如高效液相色谱(HPLC)、场流分级分离(FFF)、毛细管电泳(CE)、水动力色谱(HDC)、凝胶电泳(gel electrophoresis, GE),借助于传统的检测器,这些分离技术不仅能够快速、灵敏、无损伤地定性检测各种环境中的纳米粒子(包括纳米食品),而且能对其定量。其缺点在于,由于溶剂的引入和不同介质的相互作用,使样品原始环境发生改变,最终导致分析结果的偏差。将各种分离技术的灵敏度、简单程度、分析时间、成本消耗和应用程度进行对比(表1所示),不难看出HPLC和FFF是两类优势明显的分离技术。

表1三种分析检测手段的对比1)

简称灵敏度简单程度分析时间成本消耗应用程度分离技术HPLC ○√○√√FFF ○√√√○

HDC ○√√√×

CE ×√○√○

GE ○√×√○

成像技术TEM √√××√SEM √√××○

AFM ○√○×○

表征技术MALDI-MS √○××√ESI-MS √√√○○

DESI-MS √○√××

IM-MS √○√×○

PCS ○√○√√

AU ○○××○

NMR ×○○×○

XRD √×××○

SAXS ○××××注: 1)√,良好;○,中等;×,较差。

食品邻域内,用于分离纳米材料的HPLC主要有2种: SEC(尺寸排阻色谱)和IEC(离子交换色谱)。众所周知,尺寸排阻色谱是尺寸分离常用的技术。这种技术已经应用到量子点、碳纳米管和聚苯乙烯纳米颗粒的尺寸表征。尽管有着良好的分离效率,但尺寸排阻色谱存在以下缺点:溶剂与流动相之间存在强烈的相互作用,测定的粒径分布较窄,不能同时分离纳

米粒子和其团聚物。借助于紫外-可见光检测器(UV-Vis)或独特的荧光检测器(FL), SEC和IEC 均可监控纳米蛋白材料的洗脱情况。与光子相关光谱(PCS)相结合, SEC可以检测纳米脂质体包埋体系,并给出详细、准确的尺寸分布。SEC还可以与示差折光检测器(RI)或多角度光散射(MALS)联用表征多糖。高灵敏的检测器,如电喷雾质谱(ESI-MS)和基质辅助激光解吸附-飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)与SEC联用后,可以得到多糖的组成、尺寸和重复单元次序等重要信息。

20世纪60年代诞生的场流分级分离技术(FFF),现已在理论、仪器技术和实际应用方面都有了较大的发展,尤其在分离复杂的大分子物质方面,驱动技术的基本要素。与色谱一样,FFF是一种洗脱技术;与场驱动技术一样,需要一外加场或梯度。在场流分级分离中,分离是在外加场的诱导下与流体联合作用进行的。场流分级分离技术是一个分离技术的大家族,它包括多种分支技术。根据引入的外加场的不同,主要有沉淀场流分级分离、流动场流分级分离、热力场、流分级分离、电力场流分级分离等。同高灵敏的检测技术(诸如ICP-MS和多

角度激光散射)结合,FFF已经成功应用到地球化学和天然胶体研究,同样也应用到功能化纳米粒子的行为研究。应用范围从新鲜水样和海水中的胶体物质,到土壤悬浮物的尺寸分离。Peng利用双电场FFF技术分离了不同尺寸的纳米管;此外,人们利用FFF技术分析了诸多纳米粒子,如SiO2、金属、金属氧化物和炭黑等。FFF的主要缺点:积聚壁的相互作用,通道内的连续再平衡,某些情况下的样品前处理,平衡过程中的样品补加和通道内样品团聚的可能性增大。

与SEC不同,毛细管电泳技术,不存在固定相间的相互作用。但由于分离不单单建立在尺寸的基础上,数据干扰更加复杂。水动力色谱(HDC)利用无孔刚性固体颗粒来填充其分离柱,让含有被测乳液的淋洗液在高压下通过床层,由于水动力效应,使粒径不同的粒子流出速度不同,从而实现了对聚合物乳液或胶体悬浮液中的粒子分级或分离。同SEC相比,测定的粒径分布很宽,涵盖了5-1 200 nm的范围。HDC的主要缺点就是峰的分辨率较差。HDC同最常用的UV-Vis检测相结合,已经应用到(荧光)纳米材料、胶体悬浮液和生物大分子的尺寸分离。此外,这种技术同DLS相结合,应用到脂质纳米胶囊的尺寸分离。

2·4表征技术

光子相关光谱(PCS)、质谱(MS)、分析性超滤(AU)、核磁共振(NMR)、X射线衍射(XRD)和小角度X射线散射(SAXS)是几种常见的表征技术。在表1 中不难看出:MS结合PCS后,几乎可以满足所有的分析要求。

2·4表征技术

光子相关光谱(PCS)、质谱(MS)、分析性超滤颗粒粒径分布的标准方法,可以提供快速的原位和实时检测[24]。PCS,是一种无损检测技术,可以快速、准确提供纳米脂质体或蛋白包埋体尺寸大小。PCS还可以提供纳米多糖包埋体系的尺寸大小及其分布和稳定性表等信息。借助于这项技术,通过研究纳米壳聚糖包埋体系,人们可以改善纳米保健或功能食品效和提高其安全性。用PCS测颗粒的大小时,随着悬浮液颗粒浓度的增大,除了发生重散射外,颗粒之间还会因为互相碰撞而聚集在一起,形成团聚颗粒,影响测试结果。所得颗粒大小只是一定条件状态下相对值,并非颗粒的真实值。只有辅以其他表征手段,才能确定颗粒的实际大小和分布状况。

4种质谱技术-电喷雾质谱(ESI-MS)、基质辅助激光解吸附质谱(MALDI-MS)、解吸电喷雾质谱(DE-SI-MS)和离子迁移质谱(IMS-MS)均已应用到纳米材料的表征中。分析检测固体和液体纳米材料,常用2种软电离方式-电喷雾(ESI)和基质辅助激光解吸附(MALDI)。ICP 电离源可以用于纳米食品的金属元素分析,与MS技术结合后,样品可以直接注入离子源中,再与HPLC等技术联用后,可用于元素的价态分析。FFF-ICP-MS作为一种交叉技术,已经应用到样品的尺寸分离及定量分析,这种分析检测最大限度地保留了样品的原始状态。核磁振(NMR)技术,能够提供固体或悬浮状纳米样品的动态和三维结构信息。Carter利用NMR

技术表征了空气和水中的硅纳米颗粒。扩散NMR技术可以有效地表征胶体物质的尺寸和相互作用。Lead利用脉冲梯度场NMR技术测定了腐殖酸的扩散系数。X射线光谱分为X射线光电子光谱(XPS)、X射线荧光光谱(XRF)、X射线吸收光谱(XAS)、X射线散射光谱(XRD)。小角度X射线散射(SAXS)技术,可用于固体或液体纳米材料的结构表征。对单一分散体系而言, SAXS可以提供材料的尺寸、形状和结构信息;而对多分散体系而言, SAXS只能提供尺寸的可能性分布信息。

2·5离心和过滤等其他技术

离心和过滤技术可以用于纳米材料的制备和分离,其优点在于低成本和高效。超离心

技术能够提供最大可达1×106g的相对离心力,从而可以对胶体粒子进行沉降分离和分析,现已广泛地用于蛋白质分子的分离与分析。传统的膜过滤可以分离尺寸范围在0·2-1μm的颗粒,滤又称微孔过滤,膜的平均孔径为0·05-14μm,能阻挡住悬浮物、细菌、部分病毒及胶体的

透过。超滤也是一种加压膜分离技术,膜的平均孔径为1-10 nm,用于分离大分子溶质。纳滤作为一项新型的膜分离技术,介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程,纳滤膜的孔径围在几个纳米左右纳滤技术主要应用于水的软化、净化以及分子质量在102的物质分离、分级和浓缩、脱色和去异味等。新兴的错流过滤和传统过滤技术的差别在于:传统方式是一种静态过滤,悬浮液和垂直滤层直接接触,这通常被认为是“死亡”过滤,在这个过程中无法移动越积越厚的滤层,导致滤层逐渐堵塞。而在错流过滤中,悬浮液在滤柱的孔道中做高速的循环运动,悬浮液以从过滤膜片表面切过的方式,通过膜片和多孔的基体作为滤液排出,由孔道中的高速流动引起的湍流不断的冲洗膜片表面,从而防止了堵塞。错流过滤已经成为分离胶体和颗粒的标准方法,其效果已经通过AFM技术得到了验证。利用错流过滤技术荧光分析检测湖水、河水和海水中胶体,已有相关报道。Sung利用电场辅助的错流过滤技术,成功分离了多

种纳米粒子。先进的离心和过滤技术也有望在纳米食品的分析检测技术中得到广泛的应用。3展望

由于纳米材料拥有众多优良性能,越来越多的纳米食品将走入百姓的生活。纳米材料的潜在毒性及其对食物链的影响使人们有必要认识纳米材料在复杂体系中的行为。为了获得这些信息,人们采用了多种技术分析和表征纳米食品。将3种分析手段———成像、分离和表征技术进行对比,不难发现对纳米食品特殊地前处理,利用HPLC或FFF技术将纳米材料分离开,再利用MS结合PCS的表征技术,就可以得到纳米食品中纳米材料的理化性质的基本全貌了。一种理想的、可用于分析和表征“纳米食品”的分析仪器必须满足以下条件:能同时检测纳米材料的物理和化学特性;能实时、快速检测纳米食品。但目前还没有一种仪器能够满足理想仪器所具有的所有条件,现有的分析仪器都存在以下或多或少的不足:(1)需要对样品进行前处理,增添了人为因素; (2)有损检测,样品只能分析一次; (3)只能提供材料的某些特征信息; (4)不能分析非均一相的样品。因此,这些关键性技术都有待于研究人员去突破和解决。参考文献

[1]孙勇,李华佳,辛志宏,等·纳米食品的活性与安全性

研究[J].食品科学, 2006, 27(12): 936-939.

[2]曾晓雄·纳米技术在食品工业中的应用研究进展[J].

湖南农业大学学报(自然科学版), 2007, 33(1): 90-

95.

[3]FramptonMW, StewartJC, OberdorsterG, etal·Inhala-

tion of ultrafine particles alters blood leukocyte expression

of adhesionmolecules in humans [J]. EnvironHealth Per-

spect, 2006, 114: 51-58.

[4]BrunnerT J, W ick P, ManserP, etal·In vitro cytotoxici-

ty of oxide nanoparticles: Comparison to asbestos, silica,

and the effect ofparticle solubility [J]. Environ SciTech-

no,l 2006, 40: 4 374-4 381.

[5]HardmanR·A toxicologic review ofquantum dots: Toxicity

depends on physicochemical and environmental factors

[J]. EnvironHealth Perspect, 2006, 114: 165-172.

[6]ChenM, vonMikecz A·Formation of nucleoplasmic pro- tein aggregates impairs nuclear function in response to SiO2 nanoparticles [J]. Exp CellRes, 2005, 305: 51-62.

[7]Lovern S B, KlaperR·Daphniamagnamortalitywhen ex- posed to titanium dioxide and fullerene (C-60) nanopar-

ticles [ J]. Environ Toxicol Chem, 2006, 25: 1 132 -

1 137.

[8]Zhang Xuezh,i Sun Hongwen, Zhang Zhiyan, et al·En- hanced bioaccumulation ofcadmium in carp in the presence

of titanium dioxide nanoparticles [ J]. Chemosphere,

2007, 67: 160-166.

[9]Lyon D Y, Adams L K, Falkner J C, et al·Antibacterial activity of fullerene water suspensions: Effects of prepara- tionmethod and particle size [ J]. Environ Sci Technol·2006, 40: 4 360-4 366.

[10]http: //news·hexun·com /2008-08-01/107839942. ht- m.l

[11]Burleson D J, DriessenM D, Penn R L·On the charac- terization of environmental nanoparticles [ J]. J Environ SciHealthA, 2004, 39: 2 707-2 753.

[12]Paunov V N, Cayre O J, Noble P F, et al·Emulsions stabilised by food colloid particles: Role of particle ad- sorption and wettability at the liquid interface [ J]. J

Colloid Interface Sc,i 2007, 312: 381-389.

[13]Bickmore B R, HochellaM F, Bosbach D, et al·Meth- ods forperforming atomic forcemicroscopy imaging of clay minerals in aqueous solutions [ J]. Clays Clay Miner·1999, 47: 573-581.

[14]Lonsdale J E, McDonald K L, JonesR L·High pressure freezing and freeze substitution reveal new aspects of fine structure andmaintain protein antigenicity in barley aleu- rone cells [J]. Plant J, 1999, 17: 221-229·

[15]Wang C Y, BottcherC, Bahnemann D W, et a.l In situ electron microscopy investigation of Fe( III)-doped TiO2 nanoparticles in an aqueous environment [J]. Nanoparti-

cle Res, 2004, 6: 119-122·

浅谈纳米技术的研究与应用

浅谈纳米技术的研究与应用 1.引言 当集成电路代替电子管和半导体晶体管的初期，1959年美国诺贝尔奖获得者查理·费曼(Richard Phillips Feynman)，在美国加州理工学院召开的美国物理年会上预言：“如果人们能够在原子/分子的尺度上来加工材料，制造装置，将会有许多激动人心的新发现，人们将会打开一个崭新的世界。”这在当时只是一个美好的梦想。 如今，这个预言和梦想终于实现了。费曼所预言的材料就是现在的纳米。 今天，不少科学家又在预言，纳米科技将在新世纪里得到惊人的发展，纳米科技将给人类的科学技术和生活带来革命性的变化。科学家认为，纳米时代的到来不会很久，它在未来的应用将远远超过计算机，并成为未来信息时代的核心。 我国著名科学家钱学森早在1991年就指出：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。” 英国理论物理学家斯蒂芬·霍金是继爱因斯坦之后最杰出的物理学家。他预测：“未来一千年人类有可能对DNA基因重新设计。而生化纳米材料则是设计DNA基因所必须具备的医药材料基础。” 近年来，科学家勾画了一幅若干年后的蓝图：纳米电子学将使量子元件代替微电子备件，巨型计算机可装入口袋；通过纳米化，易碎的陶瓷可以变成韧性的；世界还将出现1μm以下的机器甚至机器人；纳米技术还能给药物的传输提供新的方式和途径，对基因进行定点等。 海内外科技界广泛认为，纳米材料和技术的大规模应用可望在10年内实现。现阶段纳米材料和技术正向新材料、微电子、计算机、医学、航天航空、环境、能源、生物技术和农业等诸多领域渗透，并已得到不同程度的应用。 1998年8月20日，《美国商业周刊》发表文章指出，21世纪有三个领域可能取得重大突破：生命科学和生物技术；纳米材料和纳米技术；从外星球获得能源。并指出这是人类跨入21世纪所面临的新的挑战和机遇。诺贝尔奖获得者罗雷尔也曾说过：“70年代重视微米的国家如今都成为发达国家，现在重视纳米技术的国家很可能成为21世纪先进国家。” 1974年，Taniguchi最早使用纳米技术(Nanotechnology)一词描述精细机械加工。1977年美国麻省理工学院的德雷克斯勒也提倡纳米科技的研究。但当时多数主流科学家对此持怀疑态度。1982年发明了扫描隧道显微镜(STM)，以空前的分辨率揭示了一个“可见的”原子、分子世界。到80年代末，STM已不仅是一个可观察的手段，而且已成为可以排布原子的工具。STM与AFM(原子力显微镜)

浅谈纳米技术及其应用

浅谈纳米技术及其应用 1 概述 1.1 引言 纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物。纳米技术兴起于20世纪80年代，随着它的逐步发展和完善，人类将必然在认识和改造自然方面进入一个前所未有的新阶段。 1.2 纳米技术的发展 最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼教授[1]。1959年他在一次题为《在底部还有很大空间》的演讲中提出：物理学的规律不排除用单个原子制造物品的可能。也就是说，人类能够用最小的机器制造更小的机器。直至达到分子或原子状态，最后可以直接按意愿操纵原子并制造产品。这正是关于纳米技术最早的构想。 20世纪70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米技术的构想。美国康奈尔大学Granqvist和Buhrman[2]利用气相凝集的手段制备出纳米颗粒，提出了纳米晶体材料的概念，成为纳米材料的创始者。之后，麻省理工学院教授德雷克斯勒[3]积极提倡纳米科技的研究并成立了纳米科技研究小组。 纳米科技的迅速发展是在20世纪80年代末、90年代初。1981年发明了可以直接观察和操纵微观粒子的重要仪器——扫描隧道显微镜（STM)、原子力显微镜（AFM)，为纳米科技的发展起到了积极的促进作用。1984年德国学者格莱特[4]把粒径6nm的金属粉末压成纳米块，经研究其内部结构，指出了它界面奇异结构和特异功能。1987年，美国实验室用同样的方法制备了纳米TiO 多晶体。 2

纳米生物医学材料的应用

纳米生物医学材料的应用 摘要：纳米材料和纳米技术是八十年代以来兴起的一个崭新的领域,随着研究的深入和技术的发展,纳米材料开始与许多学科相互交叉、渗透,显示出巨大的潜在应用价值,并且已经在一些领域获得了初步的应用。本文论述了纳米陶瓷材料、纳米碳材料、纳米高分子材料、微乳液以及纳米复合材料等在生物医学领域中的研究进展和应用。 关键字：纳米材料；生物医学；进展；应用 1. 前言 纳米材料是结构单元尺寸小于100nm的晶体或非晶体。所有的纳米材料都具有三个共同的结构特点:(1)纳米尺度的结构单元或特征维度尺寸在纳米数量级(1~100nm),(2)有大量的界面或自由表面,(3)各纳米单元之间存在着或强或弱的相互作用。由于这种结构上的特殊性,使纳米材料具有一些独特的效应,包括小尺寸效应和表面或界面效应等,因而在性能上与具有相同组成的传统概念上的微米材料有非常显著的差异,表现出许多优异的性能和全新的功能,已在许多领域展示出广阔的应用前景,引起了世界各国科技界和产业界的广泛关注。 “纳米材料”的概念是80年代初形成的。1984年Gleiter首次用惰性气体蒸发原位加热法制备成功具有清洁表面的纳米块材料并对其各种物性进行了系统研究。1987年美国和西德同时报道,成功制备了具有清洁界面的陶瓷二氧化钛。从那时以来,用各种方法所制备的人工纳米材料已多达数百种。人们正广泛地探索新型纳米材料,系统研究纳米材料的性能、微观结构、谱学特征及应用前景,取得了大量具有理论意义和重要应用价值的结果。纳米材料已成为材料科学和凝聚态物理领域中的热点,是当前国际上的前沿研究课题之一[1]。 2. 纳米陶瓷材料 纳米陶瓷是八十年代中期发展起来的先进材料,是由纳米级水平显微结构组成的新型陶瓷材料,它的晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等都只限于100nm量级的水平[2]。纳米微粒所具有的小尺寸效应、表面与界面效应使纳米陶瓷呈现出与传统陶瓷显著不同的独特性能。纳米陶瓷已成为当前材料科学、凝聚态物理研究的前沿热点领域,是纳米科学技术的重要组成部分[3]。 陶瓷是一种多晶材料,它是由晶粒和晶界所组成的烧结体。由于工艺上的原因,很难避免材料中存在气孔和微小裂纹。决定陶瓷性能的主要因素是组成和显微结构,即晶粒、晶界、气孔或裂纹的组合性状,其中最主要的是晶粒尺寸问题,晶粒尺寸的减小将对材料的力学性能产生很大影响,使材料的强度、韧性和超塑性大大

纳米技术的应用.

纳米技术的应用 用含有纳米材料技术的一种特殊整理剂对羊绒衫进行加工处理纳米技术目前已成功用于许多领域，包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。本词条为纳米技术应用的总纲，包括如下领域： 1.纳米技术在新材料中的应用 2.纳米技术在微电子、电力等领域中的应用 3.纳米技术在制造业中的应用 4.纳米技术在生物、医药学中的应用 5.纳米技术在化学、环境监测中的应用 6.纳米技术在能源、交通等领域的应用 7.纳米技术在农业中的应用 8.纳米技术在日常生活中的应用

衣在纺织和化纤制品中添纳米微粒，可以除味杀菌。化纤布挺括结实，但有烦人的静电现象，加入少量金属纳米微粒就可消除静电现象。 食利用纳米材料，冰箱可以抗菌。纳米材料做的无菌餐具、无菌食品包装用品已经面世。利用纳米粉末，可以使废水彻底变清水，完全达到饮用标准，纳米食品色香味俱全，还有益健康。 住纳米技术的运用，使墙面涂料的耐洗刷性可提高10倍。玻璃和瓷砖表面涂上纳米薄层，可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖，根本不用擦洗。含有纳米微粒的建筑材料，还可以吸收对人体有害的紫外线。 行纳米材料可以提高和改进交通工具的性能指标。纳米陶瓷有望成为汽车、轮船、飞机等发动机部件的理想材料，能大大提高发动机效率、工作寿命和可靠性。纳米卫星可以随时向驾驶人员提供交通信息，帮助其安全驾驶。 医利用纳米技术制成的微型药物输送器，可携带一定剂量的药物，在体外电磁信号的引导下准确到达病灶部位，有效地起到治疗作用，并减轻药物的不良反应。用纳米制造成的微型机器人，其体积小于红细胞，通过向病人血管中注射，能疏通脑血管的血栓，清除心脏动脉的脂肪和沉淀物，还可“嚼碎”泌尿系统的结石等。纳米技术将是健康生活的好帮手。 纳米技术应用前景十分广阔，经济效益十分巨大，美国权威机构预测，2010年纳米技术市场估计达到14400亿美元，纳米技术未来的应用将远远超过计算机工业。纳米复合、塑胶、橡胶和纤维的改性，纳米功能涂层材料的设计和应用，将给传统产生和产品注入新的高科技含量。专家指出，纺织、建材、化工、石油、汽车、军事装备、通讯设备等领域，将免不了一场因纳米而引发的“材料革命”。现在我国以纳米材料和纳米技术注册的公司有近100个，建立了10多条纳米材料和纳米技术的生产线。纳米布料、服装已批量生产，像电脑工作装、无静电服、防紫外线服等纳米服装都已问世。加入纳米技术的新型油漆，不仅耐

纳米光电子技术的发展及应用

纳米光电子技术的发展及应用 摘要:纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学和现代技术结合的产物,由纳米技术而产生一些先进交叉学科技术，本文主要讲述的纳米光电子技术就是纳米技术与光电技术的结合的一个实例，随着纳米技术的不断成熟和光电子技术的不断发展，两者的结合而产生的纳米光电子器件也在不断的发展,其应用也在不断扩大。 关键词：纳米技术纳米光电子技术纳米光电子器件应用 一、前言 纳米材料与技术是20世纪80年代末才逐步发展起来的前沿性，交叉性的学科领域，为21世纪三大高新科技之一。而如今，纳米技术给各行各业带来了崭新的活力甚至变革性的发展，该性能的纳米产品也已经走进我们的日常生活，成为公众视线中的焦点。[2 纳米技术的概念由已故美国著名物理学家理查德。费因曼提出，而不同领域对纳米技术的看法大相径庭，就目前发展现状而言大体分为三种：第一种，是美国科学家德雷克斯勒博士提出的分子纳米技术。而根据这一概念，可以制造出任何种类的分子结构；第二种概念把纳

米技术定位为微加工技术的极限，也就是通过纳米技术精度的“加工”来人工形成纳米大小的结构的技术；第三种概念是从生物角度出发而提出的，而在生物细胞和生物膜内就存在纳米级的结构 二、纳米技术及其发展史 1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开，将纳米技术划分为6大分支：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学，促进了纳米技术的发展。由于该技术的特殊性，神奇性和广泛性，吸引了世界各国的许多优秀科学家纷纷为之努力研究。纳米技术一般指纳米级(0.1一100nm)的材料、设计、制造，测量、控制和产品的技术。纳米技术主要包括：纳米级测量技术：纳米级表层物理力学性能的检测技术：纳米级加工技术；纳米粒子的制备技术；纳米材料；纳米生物学技术；纳米组装技术等。其中纳米技术主要为以下四个方面 1、纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。 2、纳米动力学：主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等. 3、纳米生物学和纳米药物学：如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分

无机纳米材料在生物医学的应用

无机纳米材料在生物医学的应用 班级：材料科学与工程（1）班 姓名：何丽莉 学号：201473030107

摘要：主要介绍了几种介绍了介孔二氧化硅、纳米碳等非金属类纳米材料，以及磁性铁、氧化铈、银纳米粒子、金纳米粒子、镍等金属类纳米材料，比较了不同来源无机纳米材料的发展、特点、优势，明确了无机纳米材料具有环境友好、成本低、生物相容性好及低毒性等特点，综述了无机纳米材料在生物医药、临床诊断、疾病预防等生物医学方面的研究与应用。 关键词：无机纳米材料生物医学 Abstract: This paper mainly introduces several kinds of the mesoporous silica, nano carbon and other non metal nano materials, and magnetic iron, cerium oxide, silver nanoparticles, gold nanoparticles, nickel and other metal nano materials, compared the development of different sources of inorganic nano materials, features, advantages, the inorganic nano material is environmentally friendly low cost, good biocompatibility and low toxicity characteristics, the application of inorganic nano materials in the biomedical, clinical diagnosis, disease prevention research and application in biomedicine. Keywords: inorganic nano materials biomedicine

纳米技术的应用与前景

纳米技术的应用与前景 纳米技术作为一种高新科技，我认为其本质不亚于当年的电子与半导体科技，有着我们未所发掘到潜能与实用价值，在这个世代，各种技术的发展迅速，随着纳米技术的进一步发展，可以作为一种催化剂，促使各行各业的迅猛发展。 纳米技术是近年来出现的一门高新技术。“纳米”主要是指在纳米（一种长度计量单位，等于1/1000,000,000米）尺度附近的物质，其表现出来的特殊性能用于不同领域而称之为“纳米技术”，其具体定义见词条“纳米科技”。 纳米技术目前已成功用于许多领域，包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。本词条为纳米技术应用的总纲，包括如下领域： 1、纳米技术在新材料中的应用 2、纳米技术在微电子、电力等领域中的应用 3、纳米技术在制造业中的应用 4、纳米技术在生物、医药学中的应用 5、纳米技术在化学、环境监测中的应用 6、纳米技术在能源、交通等领域的应用 尽管从理论到实践是一个相当困难的过程，但纳米技术已经证明，可以利用扫描隧道电子显微镜等工具移动原子个体，使它们形成在自然界中永远不可能存在的排列方式，如IBM 公司的标志图案、比例为百亿分之一的世界地图、或一把琴弦只有50纳米粗的亚显微吉他。纳米材料的应用有着诱人的技术潜力，它的应用范围包括从制造工业、航天工业到医学领域等。美国全国科学基金会曾发表声明说：“当我们进入21世纪时，纳米技术将对世界人民的健康、财富和安全产生重大的影响，至少如同20世纪的抗生素、集成电路和人造聚合物那样。”科学家们预计，纳米技术在新世纪中的应用前景广阔，已经涵盖了材料、测量、机械、电子、光学、化学、生物等众多领域，信息技术与纳米技术的关系已密不可分。 从纳米科技发展的历史来看，人们早在1861年建立所谓肢体化学时即开始了对纳米肢体的研究。但真正对纳米进行独立的研究，则是1959年，这一年，著名美国物理学家、诺贝尔奖金获得者德·费曼在美国物理学年会上作了一次报告。他在报告中认为，能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器，而这较小的机器又可制作更小的机器，这样一步步达到分子程度。费曼还幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质。 在70年代末，美国MIT（麻省理工大学）的W.R.Cannon等人发明了激光气相法合成数十纳米尺寸的硅基陶瓷粉末。80年代初，德国物理学家H.Gleiter等人用气体冷凝发制备了具有清洁表面的纳米颗粒，并在超真空条件下原位压制了多晶纳米固体。现在看来，这些研究都属于纳米材料的初步探索。 科学家预言，尺寸为分子般大小、厚度只有一根头发丝的几百万分之一的纳米机械装置将在今后数年内投入使用。学术实验室和工业实验室的研究人员在开发分子马达、自组装材料等纳米机械部件方面取得了飞速进展。纳米机器具有可以操纵分子的微型“手指”和指挥这些手指如何工作、如何寻找所需原材料的微型电脑。这种手指完全可以由碳纳米管制成，碳纳米管是1991年发现的一种类似头发的碳分子，其强度是钢的100倍，直径只有头发的五万分之一。美国康奈尔大学的研究人员利用有机物和无机物组件开发出一个分子大小的马达，一些人称之为纳米技术领域的“T型发动机”。 纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学发展的下一代。纳米电子学是来自电子工业，是纳米技术发展的一个主要动力。纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理

纳米科技在生活中的应用举例

纳米科技在生活中的应用举例 1.听说过EPS吗就是汽车的汽油燃烧装置，她是应用纳米技术将汽油分子分割成纳米为单位的质子保证充分燃烧，这样应用的后果是，气体燃烧完全有助于动力提升，节约能源等等。 2.现在流行纳米洗涤，譬如说用纳米分子Na(OH)2制造的肥皂可以充分溶解于液体，有助于衣服污汁的分解，彻底洗尽衣物！ 3.现在医学上纳米手术已经达到比较成熟的状态，科学家运用纳米为单位的手术刀，可以最小的精确手术伤口的切割，保证血液的最少流动！ 纳米技术应用领域 纳米技术在新世纪将推动信息技术、医学、环境科学、自动化技术及能源科学的发展，像抗生素、集成电路和人造聚合物在二十世纪发挥了重要作用一样，纳米技术在新世纪将人类的生活带来深远影响。 纳米技术将给医学带来变革：纳米级粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排异反应；使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA（脱氧核糖核酸）诊断出各种疾病。 在电子领域，可以从阅读硬盘上读取信息的纳米级磁读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米级存储器芯片都已投入生产。可以预见，未来以纳米技术为核心的计算机处理信息的速度将更快，效率将更高。 环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂进行过滤，从而消除污染。 尽管纳米技术前景诱人，但是在科学家真正掌握纳米技术之前，还有许多工作要做。 目前世界上许多实验室仍在研究如何自由地操纵原子和分子问题，这对於进一步探究如何将一个个原子重新组合成新的物质来说非常重要。 科学家认为，细胞本身就是“纳米技术大师”，细胞中所有的酶都是能完成独特任务的“纳米机器”。它们在微观世界里能极其精确地制造物质，而这正是科学家希望通过纳米技术实现的梦想。科学家希望通过对细胞的研究来进一步掌握纳米技术。 纽约大学一实验室最近研制出了一个纳米级机器人，机器人有两个用DNA制作的手臂，能在固定的位置间旋转。研究人员认为，这一成果预示着，科学家有朝一日能够研制出在纳米级工厂里制造分子的纳米机器人。

纳米技术在医学领域的应用和重要影响

纳米技术在医学领域的应用 和重要影响 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

纳米技术在医学领域的应用和重要影响 摘要：纳米技术与生物医学的结合, 为医学界提供了全新的思路和便利, 纳米材料在医学领域的应用取得了显著效果。随着纳米材料在生物医学领域更广泛的应用, 临床医疗将变得节奏更快、效率更高, 诊断、检查更准确, 治疗更有效, 人们的生命安全将得到更大的保障。 关键词：纳米材料，纳米技术，生物医学，应用，重要影响 “纳米（nm）”是一种度量长度的单位，一个纳米是百万分之一毫米，也就是十亿分之一米，大约相当于45个原子串起来的长度。根据2011年10月18日欧盟委员会通过的纳米材料的定义，纳米材料是一种由基本颗粒组成的粉状或团块状天然或人工材料，这一基本颗粒的一个或多个三维尺寸在1nm-100nm之间，并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50%以上。简单来说就是，一种由具有尺寸在100nm以下的微小结构的固体颗粒组成的材料。纳米技术是指一种在单个原子与分子层次上对物质的数量、种类和结构形态等进行精确的识别、观测和控制的技术，并在纳米尺度（1—100nm）内研究物质的特性和相互作用来达到创制新物质的高新技术。这项技术是在20世纪80年代末、90年代初才逐步发展起来的前沿、交叉性新兴学科，它具有创造新生产工艺、新物质和新产品的巨大潜能和前景，它将在21世纪掀起一场新的产业革命。 科技快速发展的今天, 科学技术的各个领域相互融合、渗透,其中纳米科技的发展促进了高新技术一体化的进程, 引起了科技界的高度重视。我国著名科学家钱学森曾经预言“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点,会是一次技术革命, 从而将是21世纪的又一次产业革命”。纳米技术的发展正越来越成为世界各国科技界所关注的焦点,谁能在这一领域取得领先,谁就能占据21世纪科学的制高点。 美国纳米技术的应用研究在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等领域迅猛发展。随着纳米技术在癌症诊断和生物分子追踪的应用，医学纳米技术已经被列为美国优先科研计划。在纳米医学方面，纳米传感器可在实验室条件下对前列腺癌、直肠癌等多种癌症进行早期诊断，2004年，美国国立卫生研究院所专门出台了一项《癌症纳米技术计划》，目的是将纳米技术、

纳米技术在生物和医学上的应用

《纳米材料导论》 学院：材料与化学工程学院 专业：电化学 姓名：张博 学号：541304060149

纳米技术在生物和医学上的应用 摘要：纳米技术与生物化学、分子生物学整合将对21世纪的生物医学产生深刻的影响。它将利用生物大分子进行物质的组装、分析与检测技术的优化、并将药物靶向性与基因治疗等研究引入微型、微观领域，用纳米生物技术检测是否患有癌症只用几个细胞。 20世纪80年代才开始研究的纳米技术在90年代获得了突破性进展。最近美《业周刊》列出了21世纪可能取得重大突破的三个领域：一是生命科学和生物技术；二是从外星球获取能源；三是纳米技术。所谓纳米技术(Nanotechnology)是指在小于100 nm 的量度范围内对物质和结构进行制造的技术，其实就是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米技术在新世纪将推动信息技术、生物医学、环境科学、自动化技术及能源科学的发展，将极大的影响人类的生活，衣、食、住、行、医疗等方面。本文将围绕纳米技术给21世纪的生物医学可能带来影响作一概述。 1 纳米生物学的研究对象 有人把在纳米尺度(水平)上研究生命现象的生物学叫做纳米生物学。纳米结构通常指尺寸在1 nm～100 nm范围的微小结构。1纳米等于10-9m，即1m的十分之一。我们知道，细胞具有微米(10-6m)量级的空间尺度，生物大分子具有纳米量级的空间尺度。在它们之间的层次是亚细胞结构，具有几十到几百纳米量级的空间尺度。显然在纳米水平上研究生命现象的纳米生物学，它的研究对象就是亚细胞结构和生物大分子体系。由于纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红细胞小得多，这就为生物学研究提供了一个新的研究途径即利用纳米微粒进行细胞分离、疾病诊断，利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等。 2 纳米技术在生物医学方面的应用

纳米技术在生物医药中的应用

科技创业 ＰＩＯＮＥＥＲＩＮＧＷＩＴＨＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＭＯＮＴＨＬＹ 月刊 科技创业月刊２００７年第８期 １９９０年在美国召开了第一届纳米技 术国际学术会议，成为纳米科技发展进步的一个重要标志。１９９９年，美国的ＲｏｂｅｒｔＡＦｒｅｉｔａｓＪｒ出版了《 纳米医学》，表明了纳米科技的发展已促使人们开始多方面考虑并且探索纳米科技在医学临床诊治、药物学等方面的应用。纳米技术作为一项新兴技术，在生物医药领域具有十分广阔的应用前景。 １纳米技术 纳米是英文ｎａｎｏｍｅｔｒｅ的译名，像米、 厘米、毫米等一样，是一个长度单位。１纳米（ｎｍ）为１０－９米，也即百万分之一毫米，相当于一根头发丝直径的五万分之一。更形象地讲，如果把１ｎｍ的物体放在乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上。在纳米尺度上，由于物质的量子效应，物质的局域性和巨大的表面、界面效应，形成的材料性能发生了由量变到质变的飞跃，从而突变或产生奇异的新现象。 纳米技术是指在纳米尺度上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性，通过组建和利用纳米材料来实现特有功能和智能作用的高科技先进技术。这一基本概念普遍认为由美国著名物理学家、诺贝尔物理奖获得者ＲｉｃｈａｒｄＦｅｙｎｍａｎ在一次题为《在物质底层有很大的空间》的演讲中提出，“为什么我们不可以从另外一个方向出发，从单个的分子甚至原子开始组装，以达到我们的要求……如果有一天能按照人们的意志安排一个个原子和分子，将会产生什么样的奇迹”。 纳米技术涵盖领域广泛，包括纳米材料学、纳米生物学和纳米显微学等方面，它建立了一种崭新的思维方式，使人类能够 利用越来越小、越来越精确的物质和越来越精细的技术成品来满足更高层次的要求。目前，由于纳米技术具有的独特优势以及人们对健康和重大疾病防治等问题的日益关注，纳米技术开始广泛应用于生物医药领域。 ２纳米技术在生物医药中的应用 方兴未艾的纳米技术把人类对微观世 界的认识带入了一个全新的境界，同时也为人类战胜疾病、提高健康水平提供了更为有力的武器。就目前而言，纳米技术在生命领域的应用前景已逐渐展现，并且许多设想已经逐渐实现，可以预见纳米技术将渗透至生物医药研究和应用的方方面面。 ２．１万能的机器人 １９８６年，美国预见研究所的工程师埃 里克?德雷克斯勒说：“我们为什么不制造出成群的、肉眼看不见的微型机器人，让它们在地毯或书架上爬行，把灰尘分解成原子，再将这些原子组装成各种物品。这些微型机器人不仅是搬运原子的建筑工人，同时还具有绝妙的自我复制和自我修复能力。” 同时，还有些科学家设想将蛋白质芯片或基因芯片组装成尺寸比人体红细胞还小的纳米机器人，使其具有某些酶的功能，它是纳米机械装置与生物系统的有机结合，在生物医学工程中可充当微型医生，解决传统医生难以解决的问题。将这些纳米机器人注入血管内，可按照预定程序，直接打通脑血栓，清洁心脏动脉脂肪沉积物等，达到预防和治疗心脑血管疾病的目的。 除此以外，不同的组合方案还可组装出其他功能的纳米机器人，例如，有的可以吞噬病菌、杀死癌细胞；有的可以作为人体 器官的修复工具，修复损伤的器官和组织等，以完成整容手术或其他器官修复手术；有的可以进行基因装配工作，除去基因中错误或有害的ＤＮＡ片段，并将正常的 ＤＮＡ片段装配进染色体，使机体正常运 作。 ２．２灵敏的检测器 癌症是人类死亡率极高的疾病之一， 但以目前的医疗诊断水平，癌症一旦被确诊通常已发展到晚期，即已无药可救或已过最佳治疗时期。科学家设想，可制造出纳米传感器植入体内，监控早期癌变信号分子的产生，通过与外界特定的声信号或其他信号的相互作用，将内部信号转化为外部信号。 另外，近年来科学家正尝试应用纳米技术的新型检测仪器和诊断试剂，只需检测少量血液中蛋白质和ＤＮＡ就可诊断出某人患各种疾病的可能性。国内外研究者正致力于脑肿瘤、肝癌、肺癌、白血病等癌症的早期纳米诊断手段的研究，并取得了一定的成绩。 ２．３多彩的标记物 科学家根据ＣＤ唱机中激光二极管的 发光原理，研制出半导体纳米晶体。这种微型的无机晶体被称作量子点，可通过对其大小的控制，使其经同一光源激发后，发出红、黄、蓝等多种颜色的光。又因量子点比传统有机染色小分子更稳定，目前得到了广泛应用。例如，研究者可用量子点附着在不同基因序列组成的ＤＮＡ分子上，通过比较标记的基因序列与已知序列找出哪些基因在特定细胞或组织中表达较为活跃；当用量子点标记蛋白质或其他物质时，技术人员可动态跟踪标记物在体内的过程，从而使其应用于一些疾病的诊断。 纳米技术在生物医药中的应用 夏 涛 （华中师范大学第一附属中学 湖北 武汉 ４３０２２３） 摘 要 纳米技术是在纳米尺度上研究物质的特性，通过组建和利用纳米材料来实现特有功能和智能作用 的高科技先进技术。介绍了纳米技术在生物医药中的应用现状和前景，并分析了纳米技术在生物医药领域应用中的纳米材料安全性和成本问题。 关键词 纳米技术 纳米材料 生物医药 中图分类号 ＴＤ３８３：Ｒ３１９文献标识码 Ａ 收稿日期：２００７－０４－１７ ８６

纳米材料及其应用前景

纳米材料及其应用前景 摘要:21世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。 关键词：纳米材料；功能；应用； 一、纳米材料的基本特性 所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增 殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和 增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50 多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直 难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、 强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油 钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用 变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面 有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作 用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的 隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体 器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管 放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室 温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研 制出由碳纳米管组成的逻辑电路。

纳米技术在生物医学中的应用(一)

纳米技术在生物医学中的应用(一) 摘要纳米技术与生物化学、分子生物学整合将对21世纪的生物医学产生深刻的影响。它将利用生物大分子进行物质的组装、分析与检测技术的优化、并将药物靶向性与基因治疗等研究引入微型、微观领域，用纳米生物技术检测是否患有癌症只用几个细胞。 关键词纳米技术；纳米生物学；DNA纳米技术 20世纪80年代才开始研究的纳米技术在90年代获得了突破性进展。最近美国《商业周刊》列出了21世纪可能取得重大突破的三个领域：一是生命科学和生物技术；二是从外星球获取能源；三是纳米技术。所谓纳米技术(Nanotechnology)是指在小于100nm的量度范围内对物质和结构进行制造的技术，其实就是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术〔1〕。纳米技术在新世纪将推动信息技术、生物医学、环境科学、自动化技术及能源科学的发展，将极大的影响人类的生活，衣、食、住、行、医疗等方面。本文将围绕纳米技术给21世纪的生物医学可能带来影响作一概述。 1纳米生物学的研究对象 有人把在纳米尺度(水平)上研究生命现象的生物学叫做纳米生物学。纳米结构通常指尺寸在1nm～100nm范围的微小结构。1纳米等于10-9m，即1m的十亿分之一。我们知道，细胞具有微米(10-6m)量级的空间尺度，生物大分子具有纳米量级的空间尺度。在它们之间的层次是亚细胞结构，具有几十到几百纳米量级的空间尺度。显然在纳米水平上研究生命现象的纳米生物学，它的研究对象就是亚细胞结构和生物大分子体系。由于纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红细胞小得多，这就为生物学研究提供了一个新的研究途径即利用纳米微粒进行细胞分离、疾病诊断，利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等。2纳米技术在生物医学方面的应用 2.1测量和控制生物大分子 纳米技术与扫描探针显微镜(Scanningprobemicroscopes,SPMs)相结合，便具有了观察、制造原子水平物质结构的能力，为生物医学工作者提供了直接在亚细胞水平或分子水平研究生命现象的应用前景〔2，3〕。扫描探针显微镜是指利用扫描探针的显微技术，常用的有扫描隧道显微镜(STM,它是ScanningTunnelingMicroscope的简称)和原子力显微镜(AFM,它是AtomicForceMicroscope的简称)。STM的原理是利用电子隧道效应测量探针和样品间微小的距离，又将探针沿样品表面逐点扫描，从而得到样品表面各点高低起伏的形貌。当探针和样品表面间的距离非常近达到一个纳米时，同时在它们之间施加适当电压，在它们之间会形成隧道电流，这就是电子隧道效应。这时探针尖端便吸引材料的一个原子过来，然后将探针移至预定位置，去除电压，使原子从探针上脱落。如此反复进行，最后便按设计要求“堆砌”出各种微型构件。 Hafner(1999)等〔4〕报道了碳纳米管的制备方法，整个过程如同用砖头盖房子一样。隧道电流的大小和探针与表面间的距离有关，因此通过隧道电流的测量可以确定这距离的值。STM 观测的样品要有导电性，用AFM就没有这种要求。AFM的原理是用探针的针尖去“触摸”样品表面，将探针沿表面逐点扫描，针尖随着样品表面的高低起伏作上下运动。用光学方法精确测量针尖这种上下运动，就可以得到样品表面高低起伏的图像。用AFM还可以测量分子间作用力的大小以及不同环境中分子间作用力大小的变化。扫描探针显微镜又是操作生物大分子的工具。用它们可以扭转或拉伸生物大分子，从而研究单个生物大分子的运动学特性。STM和AFM在平行于样品表面的方向上的空间分辨率达到0.1nm。已知样品中原子间距离的量级是0.1nm，所以STM和AFM的空间分辨率达到了分辨单个原子的水平。它的时间分辨率取决于要扫描的样品范围和像素点数目，用它们测量固定观测点时，时间分辨率达到ns甚至ps，扫描一幅面积是10nm×10nm的样品时，中等象素密度的时间分辨率约是1秒〔5〕。显而易见，利用STM、AFM等技术，好象使用“纳米笔”一样，可以操纵原子分子，在纳米石

微纳米加工技术及其应用

绪论 1：纳米技术是制造和应用具有纳米量级的功能结构的技术，这些功能结构至少在一个方向的几何尺寸小于100nm。 2：微纳米技术包括集成电路技术，微系统技术和纳米技术；而微纳米加工技术可获得微纳米尺度的功能结构和器件。 3：平面集成加工是微纳米加工技术的基础，其基本思想是将微纳米机构通过逐层叠加的方式筑在平面衬底材料上。（类似于3d打印机？） 4：微纳米加工技术由三个部分组成：薄膜沉积，图形成像（必不可少），图形转移。如果加工材料不是衬底本身材料需进行薄膜沉积，成像材料的图形需转化为沉积材料的图形时需进行图形转移。（衬底材料，成像材料，沉积材料的区别和联系） 5：图形成像工艺可分为三种类型：平面图形化工艺，探针图形化工艺，模型图形化工艺。平面图形化工艺的核心是平行成像特性，其主流的方法是光学曝光即“光刻“技术；探针图形化工艺是一种逐点扫描成像技术，探针既有固态的也有非固态的，由于其逐点扫描，故其成像速度远低于平行成像方法；模型图形化工艺是利用微纳米尺寸的模具复制出相应的微纳米结构，典型工艺是纳米压印技术，还包括模压和模铸技术。 6：微米加工和纳米加工的主要区别体现在被加工结构的尺度上，一般以100nm 作为分界点。 光学曝光技术 1：光学曝光方式和原理 可分为掩模对准式曝光和投影式曝光。其中，掩模对准式曝光又可分为接触式曝光和邻近式曝光，投影式曝光又可分为1∶1投影和缩小投影（一般为1∶4和1∶5）。 接触式曝光可分为硬接触和软接触。其特点是：图形保真度高，图形质量高，但由于掩模与光刻胶直接接触，掩模会受到损伤，使得掩模的使用寿命较低。采用邻近式曝光可以克服以上的缺点，提高掩模寿命，但由于间隙的存在，使得曝光的分辨率低，均匀性差。 掩模间隙与图形保真度之间的关系 W=k√ 其中w为模糊区的宽度。 掩模对准式曝光机基本组成包括：光源（通常为汞灯），掩模架，硅片台。 适用范围：掩模对准式曝光已不再适用于大规模集成电路的生产，但却广泛应用于小批量，科研性质的以及分辨率要求不高的微细加工中。 投影式曝光：投影式曝光广泛应用于大批量大规模集成电路的生产。 评价曝光质量的两个参数：分辨率和焦深。

生物医学中纳米材料的作用

生物医学中纳米材料的作用 1用于生物医学的纳米材料 1·1细胞分离用纳米材料 病毒尺寸一般约80~100nm,细菌为数百纳米,而细胞则更大,所以利用 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实行细胞分离。该方法同传统方法相比,具有操作简便、费用低、快速、安全等特点。美国科学家用纳米粒子 已成功地将孕妇血样中微量的胎儿细胞分离出来,从而简便、准确地判 断出胎儿细胞中是否带有遗传缺陷。 1·2纳米材料用于细胞内部染色 利用不同抗体对细胞内各种器官和骨骼组织的敏感水准和亲和力的显 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。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表现某 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,因而为提升细胞内组织的分辨率提供了 一种急需的染色技术。 1·3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等很多优点,因而 使其在药物输送方面具有广阔的应用前景。德国科学家将铁氧体纳米 粒子用葡萄糖分子包覆,在水中溶解后注入肿瘤部位,使癌细胞和磁性 纳米粒子浓缩在一起,通电加热至47℃,可有效杀死肿瘤细胞而周围正 常组织不受影响;挪威工科大学的研究人员,利用纳米磁性粒子成功地 实行了人体骨骼液中肿瘤细胞的分离,由此来实行冶疗;SharmaP等1用聚乙烯吡咯烷酮包覆紫松醇制得的纳米粒子抗癌新药,体内实验以荷瘤

纳米材料在生物医学领域的应用

纳米材料在生物医学领域的应用 摘要目前应用于生物医学中的纳米材料的主要类型有纳米碳材料、纳米 高分子材料、纳米复合材料等。纳米材料在生物医学的许多方面都有广泛的应用前景。 关键词纳米材料生物医学应用 1 应用于生物医学中的纳米材料的主要类型及其特性 1.1 纳米碳材料 纳米碳材料主要包括碳纳米管、气相生长碳纤维也称为纳米碳纤维、类金刚石碳等。 碳纳米管有独特的孔状结构[1],利用这一结构特性,将药物储存在碳纳米管中并通过一定的机制激发药物的释放,使可控药物变为现实。此外,碳纳米管还可用于复合材料的增强剂、电子探针(如观察蛋白质结构的AFM探针等)或显示针尖和场发射。纳米碳纤维通常是以过渡金属Fe、Co、Ni及其合金为催化剂,以低碳烃类化合物为碳源,氢气为载体,在873K~1473K的温度下生成,具有超常特性和良好的生物相溶性,在医学领域中有广泛的应用前景。类金刚石碳(简称DLC)是一种具有大量金刚石结构C)C键的碳氢聚合物,可以通过等离子体或离子束技术沉积在物体的表面形成纳米结构的薄膜,具有优秀的生物相溶性,尤其是血液相溶性。资料报道,与其他材料相比,类金刚石碳表面对纤维蛋白原的吸附程度降低,对白蛋白的吸附增强,血管内膜增生减少,因而类金刚石碳薄膜在心血管临床医学方面有重要的应用价值。 1.2 纳米高分子材料 纳米高分子材料,也称高分子纳米微粒或高分子超微粒,粒径尺度在1nm~1000nm范围。这种粒子具有胶体性、稳定性和优异的吸附性能,可用于药物、基因传递和药物控释载体,以及免疫分析、介入性诊疗等方面。 1.3 纳米复合材料 目前,研究和开发无机-无机、有机-无机、有机-有机及生物活性-非生物活性的纳米结构复合材料是获得性能优异的新一代功能复合材料的新途径,并逐步向智能化方向发展,在光、热、磁、力、声[2]等方面具有奇异的特性,因而在组织修

纳米生物监测技术原理

纳米材料在各个领域都有应用，尤其是在生物医药方面，不管是用于遗传病监测诊断、病理学情况分析，还是作为药物的一部分促进药物表面溶解，纳米材料都能发挥很大作用。我们可能会疑惑，体积娇小的纳米材料究竟有什么性能？纳米生物监测技术原理到底是什么呢？下面就为大家详细解释一下。 纳米材料的种类很多，纳米材料凭借其独特的光、磁、电、热性能，已经被广泛应用于生物监测诊断。这些性能可用来产生不同类型的检测信号、放大检测信号的强度以及简化检测过程等。下面介绍3种纳米材料以及其技术原理。 1、半导体量子点 量子点是由II-VI、IV-VI或者III-V族元素组成的半导体纳米晶。这些纳米材料由于量子限域效应显示出与粒径相关的光电性能。当半导体材料的粒径接近或者小于其玻尔激子半径时，其能带成为具有势垒的离散能级，从而限制电子的运动，这种量子限域效应形成了量子点粒径可调性能的基础。当量子点的粒径增加时，其分立能级发生分裂导致禁带宽度变窄，相应的电子空穴对复合后发射出长波长的光子。因此，量子点的发光可以通过其粒径调节，发射出不同波长的光。 此外，量子点还具有宽而连续的吸收谱，该光学性能有利于其应用于体外检测，因为拥有不同发射光谱的量子点可以被单束激光所激发。但对于有机染料来说，具有不同发射谱的有机染料通常需要不同波长的激光器激发。此外，量子点

还具有更窄的发射谱、更好的光稳定性、更高的发光强度等，这些优异的发光性能使得量子点非常适合在生物标记及体外检测方面的应用。 2、金纳米颗粒 金纳米颗粒由于其表面等离子共振（surface plasmon resonance，SPR）效应，显示出独特的光、热性能。当金纳米颗粒被光激发后，电场的振荡导致导带的电子（也叫等离激元）同步发生振荡。导带电子的位移在表面上产生了净电荷差或偶极子，这种偶极子与入射光的电场同相振荡，在特定波长下将引起强烈的光吸收。对于粒径小于50 nm的球形金纳米颗粒，蓝、绿光波段的光容易被吸收并传播出红色波段的光，因此粒径小的球形金纳米颗粒溶液通常显示出红色。振荡频率或者吸收波长取决于电子密度、电子的有效质量和电荷分布，这些因素都受到纳米颗粒的粒径、形状和表面化学状态的影响。随着金纳米颗粒粒径的增加，其吸收峰的位置向长波长方向红移，溶液的颜色则变成暗紫色。球形金纳米颗粒只呈现出单一吸收峰，而金纳米棒则呈现出两个吸收峰：一个在可见光波长范围，对应于横向等离激元；另一个在近红外波长范围，对应于纵向等离激元。颗粒间距也可影响金纳米颗粒的吸收谱。当其小于金纳米颗粒的直径时，溶液的颜色将由红色向紫色或者蓝色变化（图2（b）），取决于其聚集状态，而表面等离激元的耦合导致了吸收峰的红移。金纳米颗粒还可以在光激发的条件下产生热。当入射光的频率和表面等离子共振吸收峰匹配时，金纳米颗粒将通过非辐射衰减的形式产生热。在这个过程中，激发的热电子在弛豫时将能量转移到晶格上，并伴随着声子-声子相互作用，其中晶格能被耗散到环境中，导致纳米颗粒周围被局部加热。 3、磁性纳米颗粒