网上有关“钱卫平的主要研究经历”话题很是火热
，小编也是针对钱卫平的主要研究经历寻找了一些与之相关的一些信息进行分析，如果能碰巧解决你现在面临的问题 ，希望能够帮助到您。

1998年在德国马普学会高分子研究所同国际SPR研究权威Prof. Knoll进行合作研究 。2000-2002年任日本科技厅特别研究员
，和东京大学的藤岛教授以及神奈川科学院的佐藤博士进行合作研究
。主要在生命科学和材料科学的交叉领域开展工作, 在生物分析化学、生物传感器和生物材料等研究方向上取得了多项创新性成果。主要研究成就包括：利用AFM系统研究了聚苯乙烯基底表面的抗体吸附及抗原-抗体相互作用；阐明了常规ELISA灵敏度低 、线性范围窄及产生高剂量钩镰效应的分子机理；系统研究了在一维到三维基底上固定生物分子，系统比较了不同固定方法的优缺点；建立了一套基于反射干涉光谱检测的非标记分析系统 ，实现生物分子相互作用的高效分析；提出三维有序大孔材料在生物传感器和免疫分析等方面应用的新途径
，实现用衍射峰位置变化非标记分析生物分子相互作用 。

近年来的主要研究工作如下：

1.免疫分析的基础问题研究；

2.基于反射干涉光谱检测的非标记免疫分析体系的建立；

3.基于三维有序多孔材料的生物分子检测体系的建立；

4.基于金纳米壳的全血生化分析；

5.基于晶胶阵列的生物分子检测体系的建立
。

这些研究受到国家自然科学基金（主持面上基金项目三项，主持科学部主任基金项目一项 ，参加重点基金项目一项
，参加重点实验室专项基金项目一项，参加国家自然科学创新人才基金项目一项）
、教育部高等学校全国优秀博士学位论文作者专项基金、教育部优秀青年教师资助计划项目 、教育部高等学校实验室访问学者基金和教育部留学回国人员科研启动基金等多项资助。

谈谈对纳米材料和纳米技术的认识？求解释

纳米生物工程

靳刚 应佩青

中国科学院力学研究所

（2000年11月-2001年2月）

自中国科学院纳米科技网

纳米生物工程是什么意思？它究竟包括哪些内容？笼统地讲它包括纳米医学
、纳米生物技术和纳米生物材料等 。实际上 ，医学、生物技术和生物材料都是人们熟悉的名词和内容
，当戴上一顶纳米的帽子就似乎有了悬念
。这里我们先来回顾一下和我们所熟悉的名词相关的物质和事物，然后再把这些与纳米概念联系起来 ，看看有了哪些新的变化，通过观察一些相关的科学研究结果和应用实例
，来理解纳米生物工程。

一 、纳米医学

大多数人都有生病
、吃药、打针的经历，医学就是研究疾病 ，治病救人的科学 。那么纳米医学又是什么呢？我们知道人体是由多种器官组成的
，如：大脑 、心脏，肝 ，脾
，胃，肠 ，肺
，骨骼，肌肉和皮肤；器官又是由各种细胞组成的 ，细胞是器官的组织单元
，细胞的组合作用才显示出器官的功能
。那么细胞又是由什么组成的呢？按现在的认识，细胞的主要成份是各种各样的蛋白质
、核酸、脂类和其它生物分子 ，可以统称生物分子，它的种类在数十万种。生物分子是构成人体的基本成分
，它们各自具有独特的生物活性的，正是它们不同的生物活性决定了它们在人体内的分工和作用 。由于人体是由分子构成的 ，所有的疾病包括衰老本身也可归因于人体内分子的变化。当人体的分子机器
，如合成蛋白质的核糖体，DNA复制所需的酶等 ，出现故障或工作失常时
，就会导致细胞死亡或异常
。从分子的微观角度来看，目前的医疗技术尚无法达到分子修复的水平。而纳米医学则是在分子水平上 ，利用分子工具和人体的分子知识
，所从事的诊断 、医疗、预防疾病
、防止外伤、止痛 、保健和改善健康状况等科学技术，广义地讲都属于纳米医学的范畴 。换句话讲 ，人们将从分子水平上认识自己
，创造并利用纳米装置和纳米结构来防病治病，改善人类的整个生命系统
。首先需要认识生命的分子基础 ，然后从科学认识发展到工程技术，设计制造大量的具有令人难以置信的奇特功效的纳米装置
，这些微小的纳米装置的几何尺度仅有头发丝的千分之一左右，是由一个个分子装配起来的 ，能够发挥类似于组织和器官的功能
，并且更准确和更有效地发挥作用。他们可以在人体的各处畅游，甚至出入细胞 ，在人体的微观世界里完成特殊使命 。例如：修复畸变的基因
、扼杀刚刚萌芽的癌细胞、捕捉侵入人体的细菌和病毒
，并在它们致病前就消灭它们；探测机体内化学或生物化学成分的变化，适时地释放药物和人体所需的微量物质 ，及时改善人的健康状况
。最终实现纳米医学
，使人类拥有持续的健康。未来的纳米医学将是强大的，它又会是令人惊讶得小 ，因为在其中所发挥作用的药物和医疗装置都是肉眼所无法看到的 。但是它的功能会令世人惊叹
。

需要说明
，不要马上跑到大夫那儿去要纳米处方。上面所谈的纳米医学景观尚处于设计和萌芽阶段，还有很多的未知需要去探索 ，例如：这些纳米装置该由什么制成？他们是否可以被人体接受？并发挥所预期的作用？科学家们正在全力以赴地把纳米医学的科学想法变成医学现实 。终有一天，医药柜越小
，效力越大
。

一定有人会问：纳米医学是不是科学幻想？它离我们到底有多远？还要等多久才能看到医学实现？事实上，它已经开始步入现实 ，并获得蓬勃发展。下面让我们看一看这一领域所取得的科学进展 。

(1) 智能药物

这是纳米医学中的一个非常活跃的领域
，适时准确地释放药物是它的基本功能之一。科学家正在为糖尿病人研制超小型的，模仿健康人体内的葡萄糖检测系统
。它能够被植入皮下 ，监测血糖水平
，在必要的时候释放出胰岛素，使病人体内的血糖和胰岛素含量总是处于正常状态。最近 ，美国麻省理工学院的研究者做出了微型药房的雏形：一种具有上千个小药库的微型芯片
，每一个小药库里可以容纳25纳升的任何药物，例如止痛剂或抗生素等 。它的研究者之一Robert Langer说 ，目前这个芯片的尺寸还相当于一个小硬币
，可以把它做得更小，并计划装上一个"智能化"的传感器 ，使它可以适时和适量地释放药物
。能否在形成致命的肿瘤之前，早期杀灭癌细胞？美国密西根大学的James R. Baker Jr.博士正在设计一种纳米"智能炸弹"
，它可以识别出癌细胞的化学特征(chemical "signatures")。这种"智能炸弹"很小，仅有20纳米左右 ，能够进入并摧毁单个的癌细胞 。此装置的研制刚刚开始
，而初步的人体实验至少要五年以后才能进行
。

(2) 人工红血球

人工红细胞的结构和工作示意图

随着转子的转动，气体分子与转子上的结合位点结合再释放 ，从金刚石腔体进入到血浆中

纳米医学不仅具有消除体内坏因素的功能
，而且还有增强人体功能的能力。我们知道，脑细胞缺氧6至10分钟即出现坏死 ，内脏器官缺氧后也会呈现衰竭 。设想一种装备超小型纳米泵的人造红血球
，携氧量是天然红血球的200倍以上
。当人的心脏因意外，突然停止跳动的时候 ，医生可以马上将大量的人造红血球注入人体
，随即提供生命赖以生存的氧，以维持整个机体的正常生理活动。美国的纳米技术专家Robert Freitas初步提出的人造红血球(respirocyte)的设计,已成为纳米技术的标志性结果 。这个血球是个一微米大小的金刚石的氧气容器 ，内部有1000个大气压，泵浦动力来自血清葡萄糖
。它输送氧的能力是同等体积天然红细胞的236倍
，并维持生物炭活性。 它可以应用于贫血症的局部治疗 、人工呼吸
、肺功能丧失和体育运动需要的额外耗氧等 。它的基本设计和结构功能，以及与生物体的相容性等已有专著详细论述。在此仅对其结构功能做简单介绍
。图是此人工红细胞的结构和工作示意图。

它的腔体外壳是与生物体相容的金刚石 ，腔内储氧
，开口处是一个可以从腔内向外传递氧的转子，随其旋转 ，将氧分子输入血液 。

(3)纳米药物输运

纳米微粒药物输送技术也是重要发展方向之一
。按目前的认识
，有半数以上的新药存在溶解和吸收的问题。由于药物颗粒缩小时，药物与胃肠道液体的有效接触面积将增加 ，所以药物的溶解速率随药物颗粒尺度的缩小而提高 。药物的吸收又受其溶解率的限制
，因此，缩小药物的颗粒尺度成为提高药物利用率的可行方法
。 纳米晶体技术可将药物颗粒转变成稳定的纳米粒子 ，同时提高溶解性
，以提高难溶性药物的药效率。粉碎过程会使粒子间的相互作用力增加，为了避免纳米颗粒在粉碎过程中聚合 ，加工中，不溶的药物是被悬浮在含一般认为安全的稳定剂和赋形剂的悬浮液中 。深入研究的制粉技术已经能够将药物缩小到400纳米以下
。 同时
，这些赋形剂在胃肠道中起表面活性剂的作用，也提高了纳米药物颗粒的溶解率。一旦 ，不溶性药物转变成稳定的纳米颗粒
，就适合于口服或者注射了 。

纳米医学将给医学界，诸如癌症、糖尿病和老年性痴呆等疾病的治疗带来变革 ，已经获得越来越多的认同
。利用纳米技术能够把新型基因材料输送到已经存在的DNA里
，而不会引起任何免疫反应。树形聚合物(dendrimers) 就是提供此类输送的良好候选材料 。因为，它是非生物材料 ，不会诱发病人的免疫反应
，没有形成排异反应的危险；所以，可以作为药物的纳米载体 ，携带药物分子进入人体的血液循环
，使药物在无免疫排斥的条件下，发挥治病的效果。这种技术用于糖尿病和癌症治疗是很有希望的
。

(4) 捕获病毒的纳米陷阱

密西根大学的Donald Tomalia等已经用树形聚合物发展了能够捕获病毒的纳米陷阱。体外实验表明纳米陷阱能够在流感病毒感染细胞之前就捕获它们 ，同样的方法期望用于捕获类似爱滋病病毒等更复杂的病毒 。此纳米陷阱使用的是超小分子，此分子能够在病毒进入细胞致病前即与病毒结合
，使病毒丧失致病的能力
。

通俗地讲，人体细胞表面装备着含硅铝酸成分的"锁" ，只准许持"钥匙"者进入。不幸的是
，病毒竟然有硅铝酸受体"钥匙" 。Tomalia的方法是把能够与病毒结合的硅铝酸位点覆盖在陷阱细胞(glycodendrimers)表面
。当病毒结合到陷阱细胞表面，就无法再感染人体细胞了。陷阱细胞由外壳 、内腔和核三部分组成 。内腔可充填药物分子；将来有可能装上化疗药物 ，直接送到肿瘤上
。陷阱细胞能够繁殖
，生成不同的后代，个子较大的后代可能携带更多的药物。尽管原因尚不明确 ，所观察的特点是越大效果越好 。研究者希望发展针对各种致病病毒的特殊陷阱细胞和用于医疗的陷阱细胞库
。

(5)识别血液异常的生物芯片

美国圣地亚国家实验室的发现实现了纳米爱好者的预言。正像所预想的那样
，纳米技术可以在血流中进行巡航探测，即时地发现诸如病毒和细菌类型的外来入侵者 ，并予以歼灭
，从而消除传染性疾病 。 Micheal Wisz做了一个雏形装置，发挥芯片实验室的功能 ，它可以沿血流流动并跟踪像镰状细胞血症和感染了爱滋病的细胞。血液细胞被导入一个发射激光的腔体表面， 从而改变激光的形成
。癌细胞会产生一种明亮的闪光；而健康细胞只发射一种标准波长的光
，以此鉴别癌变。

二
、纳米生物技术

纳米生物技术是纳米技术和生物技术相结合的产物，它即可以用于生物医学 ，也可以服务于其它社会需求 。所包含的内容非常丰富
，并以极快的速度增加和发展，难以概述
。在此仅举一些研究结果为例。

(1) 生物芯片技术

生物芯片是不同于半导体电子芯片的另一类芯片 。半导体电子芯片是集成具有特定电子学功能的微单元 ，所形成的电子集成电路；而生物芯片则是在很小几何尺度的表面积上
，装配一种或集成多种生物活性，仅用微量生理或生物采样 ，即可以同时检测和研究不同的生物细胞、生物分子和DNA的特性
，以及它们之间的相互作用，获得生命微观活动的规律
。生物芯片可以粗略地分为细胞芯片 、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等几类 ，都有集成
、并行和快速检测的优点
，已成为二十一世纪生物医学工程的前沿科技。

近两年，已经通过微制作(MEMS)技术 ，制成了微米量级的机械手，能够在细胞溶液中捕捉到单个细胞
，进行细胞结构，功能和通讯等特性研究 。美国哈佛大学的Whitesides教授领导的研究人员 ，发展了微电子工业普遍使用的光刻技术在生物学领域的应用
，并研制出效果更好的软光刻方法(soft lithography)
。以此，制出了可以捕捉和固定单个细胞的生物芯片 ，通过调节细胞间距等
，研究细胞分泌和胞间通讯。此类细胞芯片还可以作细胞分类和纯化等 。它的功能原理非常简单，仅利用芯片表面微单元的几何尺寸和表面改性 ，即可达到选择和固定细胞
，及细胞面密度控制
。

图2：多元蛋白质芯片模型 图中按顺时针方向分别表示：

1）在格式化的改性表面上，固定配基；

2）含配基的芯片与蛋白溶液相互作用 ，蛋白特异性结合形成蛋白复合物；

3）对芯片进行检测以确定蛋白间的相互作用。

蛋白质芯片的发展已经经历了约十年的时间
，现已出现了相对成熟的技术，如瑞典的BIACORE的单元芯片 ，中科院力学所的多元蛋白质光学芯片和美国的SELDI质谱芯片等 。它们的共同特点都是将生物分子作为配基，固定在固体芯片表面或表面微单元上
，以单一、或面阵 、或序列式。利用生物分子间的特异结合的自然属性，待测分子与配基分子在芯片表面会形成生物分子复合物
。然后 ，检测此复合物的存在与否
，达到对蛋白质的探测、识别和纯化的目的。以上不同技术的差异仅在探测方法的不同 。BIACORE技术利用表面等离子体共振技术检测芯片，进行单一蛋白质检测；多元蛋白质光学芯片是光学成象法 ，可以同时检测多种混合的蛋白质；SELDI技术则采用质谱法
，以时间顺序检测序列蛋白质
。

图3：研究蛋白相互作用的芯片 Protein G
、p50和FRB等三种蛋白分别以点状阵列固定到玻片上。三种荧光标记的探针IgG（蓝）、 I B （绿） 、FKBP12（红）分别以其中的一种（A
、B、C）或三种（E）同时出现进行探测 。三种探针分别与三种蛋白发生特异性相互作用
。D表示无任何探针的状态。

随着人类基因工程的发展，基因芯片(即DNA芯片)得到迅速的发展 。DNA 芯片又称为寡核苷酸阵列或杂交阵列分析 ，它是根据DNA双螺旋原理而发展的核酸链间分子杂交的技术
。它的基本结构类似于面阵型蛋白质芯片
，在芯片表面能够制备成千上万的基因单元作为配基，对待测基因进行筛选。待测基因通过PCR扩增技术得到数量放大 ，再进行荧光标记
，使其在筛选过程中产生可识别的荧光发射或光谱转移 。此荧光信号被荧光显微镜检出，达到基因识别的目的
。将已知的DNA（探针）和未知的核酸序列之间的一方以有序的阵列固定到载玻片或硅片上 ，再与荧光标记的另一方进行杂交。当荧光标记的一方在DNA芯片上发现互补序列时即发生杂交，杂交的结果以荧光和模式识别分析来检测 。DNA芯片技术可以快速分析大量的基因信息
，从而使生物医学工作者可以研究并收集基因表达和变异信息。目前国内外已有公司生产并销售的DNA芯片有两类，一类是在芯片上原位合成待测的寡核苷酸 ，再与荧光标记的DNA探针放在一起
，当DNA探针杂交到寡核苷酸阵列上后，互补序列通过荧光扫描确定
。该寡核苷酸阵列格式可用于检测变异 ，在基因中定位目标区域
，和基因表达的研究，以及确定基因功能。另一类DNA芯片利用微量点样技术在芯片上制作互补DNA（cDNA）阵列 ，再与荧光标记的DNA探针杂交 。cDNA阵列格式用于快速筛选
。如位于Santa Clara, CA 的Affymetrix公司生产的GeneChip? 含高密度的DNA探针阵列
，可以用于人类基因组中遗传信息的分析。具特殊用途的DNA探针阵列可以在人类基因组中快速筛选已知的DNA序列 。

DNA芯片还可用于监测不同的人体细胞和组织基因表达，以检测癌症或其它疾病所对应的基因的变化
。随着DNA芯片及杂交技术的发展 ，DNA芯片将有可能直接应用于临床诊断
，药物开发和人类遗传诊断。

图4：基因表达的微阵列图 以两种颜色的荧光标记来自于两种细胞的样品，杂交后 ，对微阵列的每一位点进行荧光扫描 。每一位点的光强度正比于它所结合的荧光cDNA的量
。光强越强，样品中该基因的表达水平越高。如微阵列的位点无荧光
，说明两种细胞均不表达该基因 。如某一位点显示一种荧光，说明该标记的基因只在此细胞样品中表达
。同一位点显示两种荧光 ，说明该基因在两种细胞样品中均表达。

（2）分子马达

分子马达是由生物大分子构成
，利用化学能进行机械做功的纳米系统 。天然的分子马达，如：驱动蛋白 、RNA聚合酶
、肌球蛋白等 ，在生物体内参与了胞质运输、DNA复制 、细胞分裂
、肌肉收缩等一系列重要生命活动。分子马达包括线性推进和旋转式两大类
。其中线性分子马达是将化学能转化为机械能
，并沿着一条线性轨道运动的生物分子，主要包括肌球蛋白（myosin）、驱动蛋白（kinesin） 、DNA解旋酶（DNA helicase）和RNA聚合酶(RNA polymerase)等。其中肌肉肌球蛋白是研究得较为深入的一种 ，它们以肌动蛋白（actin）为线性轨道
，其运动过程与ATP水解相偶联 。而驱动蛋白则以微管蛋白为轨道，沿微管的负极向正极运动 ，并由此完成各种细胞内外传质功能
。目前对于驱动蛋白运动机制提出了步行（"hand-over-hand"）模型
，驱动蛋白的两个头部交替与微管结合，以步行方式沿微管运动 ，运动的步幅是8 nm（图5）。目前， ATP水解与肌球蛋白和驱动蛋白的机械运动之间的化学机械偶联的关系还不清楚 。近来的研究发现它们有相同的中心核结构
，并以相似的构象变化将ATP能量转变为蛋白运动
。DNA解旋酶作为线性分子马达，以DNA分子为轨道 ，与ATP水解释放的能量相偶联
，在释放ADP和Pi的同时将DNA双链分开成两条互补单链。RNA聚合酶则在DNA转录过程中，沿DNA模板迅速移动 ，消耗的能量来自核苷酸的聚合及RNA的折叠反应 。

图5：肌肉肌球蛋白（左）和驱动

蛋白（右）的运动周期模型

旋转式分子马达工作时
，类似于定子和转子之间的旋转运动，比较典型的旋转式发动机有F1-ATP酶
。ATP酶是一种生物体中普遍存在的酶。如图所示：它由两部分组成 ，一部分结合在线粒体膜上
，称为F0；另一部分在膜外，称为F1 。F0-ATP酶的a
、b和c亚基构成质子流经膜的通道
。当质子流经F0时产生力矩 ，从而推动了F1-ATP酶的g亚基的旋转。g亚基的顺时针与逆时针旋转分别与ATP的合成和水解相关联 。F1-ATP酶直径小于12 nm
，能产生大于100 pN 的力，无载荷时转速可达17转/秒。F1-ATP酶与纳米机电系统（nanoNEMS）的组合已成为新型纳米机械装置
。

图6：ATP酶的结构示意图

美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达 ，研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备--"纳米直升机"。该设备共包括三个组件，两个金属推进器和一个附属于与金属推进器相连的金属杆的生物分子组件 。其中的生物分子组件将人体的生物"燃料"ATP转化为机械能量
，使得金属推进器的运转速率达到每秒8圈
。这种技术仍处于研制初期，它的控制和如何应用仍是未知数。将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务 。

图7：美国康纳尔大学研制成的"纳米直升机"示意图

（3） 硅虫晶体管

美国和北爱尔兰的研究者偶然发现了一种活的半导体(half bacterium, half microchip) ，它能够嗅出生物战所用的毒气
。这一发现竟来自科学家为消除计算机芯片生产线上的某些特殊细菌的屡屡失败。为消除这些微生物
，研究者试用了从紫外线到强氧化剂，但是 ，细菌仍可幸存 。纽约州立大学的生物学家Robert Baier解释了此现象
。在清洗半导体芯片时
，超纯水能够溶解一些半导体材料，如氧化锗 ，而这些半导体材料会围绕细菌结晶
，使细菌在晶体的"家"中存活得极好，而不会受到损伤。微生物用半导体材料建立了一个"活"的单元 。此现象提出了广阔的想象空间
。亚利桑纳大学的物理学家O'Hanlon 和 Baier认为外面包上硬壳的细菌可以用于制造生物晶体管。在普通三极管中 ，由源极到漏极的电流受门极电压的控制 。而这种细菌半导体晶体恰好可以用作生物晶体管的门极。当在呼吸和光合作用等产生电子转移的生物过程中
，光照或者器官的水汽能诱导细菌产生电子，犹如打开了这个生物晶体管
。这种精巧的灵敏装置能够探测到生物战毒气。

他们在半导体表面用纯水制作细菌晶体单元 ，下一步是使它发挥晶体管的功能，并获得更多的应用 。

图8： 载激光束（蓝色）的纳米传感器探针穿过活细胞
，以检测该细胞是否曾置于致癌物质下

（4） 纳米探针

一种探测单个活细胞的纳米传感器，探头尺寸仅为纳米量级 ，当它插入活细胞时
，可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤
。

为了模仿暴露于致癌物质，将细胞浸入含有苯并吡 (BaP)的代谢物的液体中。 苯并吡是城市污染空气中普遍存在的致癌物质 。在一般暴露情况下 ，细胞摄取苯并吡,并代谢掉
。苯并吡和细胞DNA的代谢反应形成一种可水解的DNA加合物BPT （ benzo(a)pyrene tetrol)。纳米探针是一支直径50纳米
，外面包银的光纤，并传导一束氦-镉激光 。它的尖部贴有可识别和结合BPT的单克隆抗体
。325纳米波长的激光将激发抗体和BPT所形成的分子复合物产生荧光。此荧光进入探针光纤后 ，由光探测器接收 。Tuan Vo-Dinh和他的同事认为此高选择和高灵敏的纳米传感器
，可以用于探测很多细胞化学物质，可以监控活细胞的蛋白质和其它所感兴趣的生物化学物质
。

此传感器还可以探测基因表达和靶细胞的蛋白生成 ，用于筛选微量药物
，以确定哪种药物能够最有效地阻止细胞内，致病蛋白的活动。随着纳米技术的进步 ，最终实现评定单个细胞的健康状况 。

三、纳米生物材料

生物材料已是大家熟知的内容，例如：用于制衣 、皮带的动物皮革是生物材料；用于镶牙和制作隐形眼睛的材料
，尽管不是生物制品，但是被用于生物体内 ，也可以归于生物材料。纳米生物材料也可以分为两类
，一种是适合于生物体内应用的纳米材料，它本身即可以是具有生物活性的 ，也可以不具有生物活性
，而仅仅易于被生物体接受，而不引起不良反应
。另一类是利用生物分子的特性而发展的新型纳米材料 ，它们可能不再被用于生物体
，而被用于其它纳米技术或微制造。

(1) 活的电线

在很多方面，DNA几乎是构筑纳米尺度结构的理想材料 。近来 ，科学家通过在DNA的表面覆盖金属原子的培植方法
，合成了导电的DNA链
。然而，由于DNA完全被金属覆盖 ，仅起一种支架的作用，不再具备选择性结合其它生物分子这一很有价值的特性。 Saskatchewan大学的研究者逐渐发现了将DNA发展成新一代生物传感器和半导体导线的途径 。生物化学教授Jeremy Lee 实验室的研究者发现DNA很容易把锌、镍
、钴等离子并入它的双螺旋的中心
，并找到了在高pH值等基本条件下，稳定DNA含有金属离子的状态 ，获得了新的DNA导电体
。 并且
，此类金属DNA仍然保持选择性结合其它分子的能力。正在开发的应用之一是遗传畸变探测生物传感器 。类似于其它的DNA探测，在此传感器上装配上所要探测的特制DNA序列
。在此 ，DNA链是导电的。杂交DNA所引起的删除或变化
，均起阻碍电流的作用，计算机能够简单地通过测量电导的变化 ，来识别DNA的异常 。

这种生物传感器还能用于鉴别混合物
，如：环境毒素、毒品 、或蛋白质等，当这类分子结合到金属DNA上 ，将把金属离子排斥出来
，导致电流中断
。由于，信号强度的减小正比于污染物的浓度 ，所以，能够很容易地确定环境毒素的量。金属DNA还可以用于筛选结合于DNA的抗肿瘤药物
，用作微细半导体线路的导线等 。

（2） 组织工程中的纳米生物材料

材料支架在组织工程中起重要作用，因为贴壁依赖型细胞只有在材料上粘附后 ，才能生长和分化。模仿天然的细胞外基质--胶原的结构
，制成的含纳米纤维的生物可降解材料已开始应用于组织工程的体外及动物实验，并将具良好的应用前景
。国内清华大学研究开发的纳米级羟基磷灰石/胶原复合物在组成上模仿了天然骨基质中无机和有机成分 ，其纳米级的微结构类似于天然骨基质。多孔的纳米羟基磷灰石/胶原复合物形成的三维支架为成骨细胞提供了与体内相似的微环境 。细胞在该支架上能很好地生长并能分泌骨基质
。体外及动物实验表明
，此种羟基磷灰石/胶原复合物是良好的骨修复纳米生物材料。

通过以上所述，可以明显地看出纳米医学
、纳米生物技术和纳米生物材料等内容 ，并无明显的界线
，可以说是相互交叉，相互依赖 ，共同发展的 。这正是纳米生物工程的含义
。

随着进入21世纪
，纳米技术的发展将使今天的科学幻想成为明天世人普遍接受的实用技术。

（一）纳米材料简介

从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米 ，1厘米=10000微米，1微米=1000纳米
，1纳米=10埃），即100纳米以下 。因此 ，颗粒尺寸在1～100纳米的微粒称为超微粒材料
，也是一种纳米材料
。

纳米金属材料是20世纪80年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷 、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。

纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material) ，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间 。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度
，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化
。并且，其尺度已接近光的波长 ，加上其具有大表面的特殊效应
，因此其所表现的特性，例如熔点
、磁性、光学 、导热
、导电特性等等 ，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。

纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料
，由纳米粒子(nano particle)组成 。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子 ，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看
，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统 ，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后
，它将显示出许多奇异的特性，即它的

光学 、热学
、电学、磁学 、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同
。

纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术
、纳米应用技术等方面。其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料的生产（超微粉、镀膜 、纳米改性材料等） ，性能检测技术（化学组成
、微结构、表面形态 、物
、化、电 、磁
、热及光学等性能） 。纳米加工技术包含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术
。

纳米材料具有一定的独特性
，当物质尺度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为 ，当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时
，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨 ，所以二者行为上将产生明显的差异。

纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大
，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子 。这类原子极易与外来原子吸附键结 ，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子
。

就熔点来说，纳米粉末中由于每一粒子组成原子少
，表面原子处于不安定状态，使其表面晶格震动的振幅较大 ，所以具有较高的表面能量
，造成超微粒子特有的热性质，也就是造成熔点下降 ，同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结
，而成为良好的烧结促进材料。

一般常见的磁性物质均属多磁区之集合体，当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时 ，即形成单磁区之磁性物质 。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜时
，将成为优异的磁性材料
。

纳米粒子的粒径（10纳米～100纳米）小于光波的长，因此将与入射光产生复杂的交互作用。金属在适当的蒸发沉积条件下 ，可得到易吸收光的黑色金属超微粒子
，称为金属黑，这与金属在真空镀膜形成高反射率光泽面成强烈对比 。纳米材料因其光吸收率大的特色 ，可应用于红外线感测器材料
。

纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，美、日 、德等少数国家
，虽然已经初具基础，但是尚在研究之中 ，新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平
，研究队伍也在日渐壮大 。

[1]

纳米材料的发现和发展

1861年，随着胶体化学的建立 ，科学家们开始了对直径为1~100nm的粒子体系的研究工作。

真正有意识的研究纳米粒子可追溯到20世纪30年代的日本的为了军事需要而开展的“沉烟试验 ”
，但受到当时试验水平和条件限制，虽用真空蒸发法制成了世界第一批超微铅粉 ，但光吸收性能很不稳定
。

到了20世纪60年代人们开始对分立的纳米粒子进行研究。1963年
，Uyeda用气体蒸发冷凝法制的了金属纳米微粒，并对其进行了电镜和电子衍射研究 。1984年德国萨尔兰大学（Saarland University)的Gleiter以及美国阿贡实验室的Siegal相继成功地制得了纯物质的纳米细粉
。Gleiter在高真空的条件下将粒子直径为6nm的铁粒子原位加压成形 ，烧结得到了纳米微晶体块
，从而使得纳米材料的研究进入了一个新阶段。

1990年7月在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议（International Conference on Nanoscience&Technology)，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支 。

自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来 ，从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段：

第一阶段（1990年以前）：主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法
，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能；研究对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料
。

第二阶段（1990~1994年）：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性 ，设计纳米复合材料
，复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。

第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系
、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点 。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度的图案材料
。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维 、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。

纳米结构

纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础按一定规律构筑或营造的一种新体系 。它包括纳米阵列体系、介孔组装体系
、薄膜嵌镶体系
。目前对纳米阵列体系的研究集中在由金属纳米微粒或半导体纳米微粒在一个绝缘的衬底上整齐排列所形成的二位体系上。而纳米微粒与介孔固体组装体系由于微粒本身的特性，以及与界面的基体耦合所产生的一些新的效应 ，也使其成为了研究热点
，按照其中支撑体的种类可将它划分为无机介孔复合体和高分子介孔复合体两大类，按支撑体的状态又可将它划分为有序介孔复合体和无序介孔复合体 。在薄膜嵌镶体系中 ，对纳米颗粒膜的主要研究是基于体系的电学特性和磁学特性而展开的。美国科学家利用自组装技术将几百只单壁纳米碳管组成晶体索“Ropes
”
，这种索具有金属特性，室温下电阻率小于0.0001Ω/m;将纳米三碘化铅组装到尼龙-11上 ，在X射线照射下具有光电导性能, 利用这种性能为发展数字射线照相奠定了基础
。

技术指标

纳米氧化铝外观 白色粉末。

纳米氧化铝晶相γ相 。

纳米氧化铝平均粒度(nm) 20±5.

纳米氧化铝含量% 大于 99.9%
。

熔点：2010℃-2050 ℃

沸点：2980 ℃

相对密度（水=1）：3.97-4.0

应用范围

1、 天然纳米材料

海龟在美国佛罗里达州的海边产卵
，但出生后的幼小海龟为了寻找食物，却要游到英国附近的海域 ，才能得以生存和长大。最后，长大的海龟还要再回到佛罗里达州的海边产卵 。如此来回约需5～6年
，为什么海龟能够进行几万千米的长途跋涉呢？它们依靠的是头部内的纳米磁性材料，为它们准确无误地导航
。

生物学家在研究鸽子 、海豚
、蝴蝶、蜜蜂等生物为什么从来不会迷失方向时 ，也发现这些生物体内同样存在着纳米材料为它们导航。

2 、 纳米磁性材料

在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的 。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质
，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性 ，用它制成的磁记录材料不仅音质
、图像和信噪比好
，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍
。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件 、旋转密封及润滑和选矿等领域。

3
、 纳米陶瓷材料

传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动 ，材料质脆
，烧结温度高 。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动 ，因此
，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工
。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形 ，然后做表面退火处理，就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学稳定性
，而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷。

4、纳米传感器

纳米二氧化锆 、氧化镍
、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车尾气都十分敏感 。因此，可以用它们制作温度传感器 、红外线检测仪和汽车尾气检测仪 ，检测灵敏度比普通的同类陶瓷传感器高得多。

5、 纳米倾斜功能材料

在航天用的氢氧发动机中
，燃烧室的内表面需要耐高温，其外表面要与冷却剂接触
。因此 ，内表面要用陶瓷制作
，外表面则要用导热性良好的金属制作。但块状陶瓷和金属很难结合在一起 。如果制作时在金属和陶瓷之间使其成分逐渐地连续变化，让金属和陶瓷“你中有我
、我中有你” ，最终便能结合在一起形成倾斜功能材料
，它的意思是其中的成分变化像一个倾斜的梯子
。当用金属和陶瓷纳米颗粒按其含量逐渐变化的要求混合后烧结成形时，就能达到燃烧室内侧耐高温、外侧有良好导热性的要求。

6 、纳米半导体材料

将硅
、砷化镓等半导体材料制成纳米材料 ，具有许多优异性能 。例如
，纳米半导体中的量子隧道效应使某些半导体材料的电子输运反常、导电率降低，电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降 ，甚至出现负值
。这些特性在大规模集成电路器件 、光电器件等领域发挥重要的作用。

利用半导体纳米粒子可以制备出光电转化效率高的
、即使在阴雨天也能正常工作的新型太阳能电池 。由于纳米半导体粒子受光照射时产生的电子和空穴具有较强的还原和氧化能力，因而它能氧化有毒的无机物
，降解大多数有机物，最终生成无毒、无味的二氧化碳 、水等 ，所以
，可以借助半导体纳米粒子利用太阳能催化分解无机物和有机物
。

7
、纳米催化材料

纳米粒子是一种极好的催化剂，这是由于纳米粒子尺寸小、表面的体积分数较大 、表面的化学键状态和电子态与颗粒内部不同
、表面原子配位不全 ，导致表面的活性位置增加
，使它具备了作为催化剂的基本条件。

镍或铜锌化合物的纳米粒子对某些有机物的氢化反应是极好的催化剂，可替代昂贵的铂或钯催化剂 。纳米铂黑催化剂可以使乙烯的氧化反应的温度从600 ℃降低到室温
。

8、 医疗上的应用

血液中红血球的大小为6 000～9 000 nm ，而纳米粒子只有几个纳米大小
，实际上比红血球小得多，因此它可以在血液中自由活动。如果把各种有治疗作用的纳米粒子注入到人体各个部位 ，便可以检查病变和进行治疗
，其作用要比传统的打针 、吃药的效果好 。

使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米材料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
。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诊断出各种疾病。

9
、纳米计算机

世界上第一台电子计算机诞生于1945年
，它是由美国的大学和陆军部共同研制成功的，一共用了18 000个电子管 ，总重量30 t
，占地面积约170 m，可以算得上一个庞然大物了 ，可是
，它在1 s内只能完成5 000次运算 。

经过了半个世纪，由于集成电路技术、微电子学 、信息存储技术
、计算机语言和编程技术的发展 ，使计算机技术有了飞速的发展
。今天的计算机小巧玲珑
，可以摆在一张电脑桌上，它的重量只有老祖宗的万分之一 ，但运算速度却远远超过了第一代电子计算机。

如果采用纳米技术来构筑电子计算机的器件
，那么这种未来的计算机将是一种“分子计算机 ”，其袖珍的程度又远非今天的计算机可比 ，而且在节约材料和能源上也将给社会带来十分可观的效益 。

可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产
。计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电脑
”。

10、纳米碳管

1991年
，日本电气公司的专家制备出了一种称为“纳米碳管”的材料，它是由许多六边形的环状碳原子组合而成的一种管状物 ，也可以是由同轴的几根管状物套在一起组成的 。这种单层和多层的管状物的两端常常都是封死的
，如图所示
。

这种由碳原子组成的管状物的直径和管长的尺寸都是纳米量级的，因此被称为纳米碳管。它的抗张强度比钢高出100倍 ，导电率比铜还要高 。

在空气中将纳米碳管加热到700 ℃左右
，使管子顶部封口处的碳原子因被氧化而破坏，成了开口的纳米碳管
。然后用电子束将低熔点金属（如铅）蒸发后凝聚在开口的纳米碳管上 ，由于虹吸作用
，金属便进入纳米碳管中空的芯部。由于纳米碳管的直径极小，因此管内形成的金属丝也特别细 ，被称为纳米丝
，它产生的尺寸效应是具有超导性 。因此，纳米碳管加上纳米丝可能成为新型的超导体。

纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段 ，美 、日
、德等少数国家，虽然已经初具基础
，但是尚在研究之中，新理论和技术的出现仍然方兴未艾
。我国已努力赶上先进国家水平 ，研究队伍也在日渐壮大。

11、家电

用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料
，具有抗菌 、除味
、防腐、抗老化 、抗紫外线等作用，可用为作电冰箱
、空调外壳里的抗菌除味塑料 。

12、环境保护

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。

13 、纺织工业

在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO
、纳米SiO2复配粉体材料，经抽丝、织布 ，可制成杀菌 、防霉
、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装
，可用于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维 。

14 、机械工业

采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理 ，可以提高机械设备的耐磨性
、硬度和使用寿命
。

纳米材料分类

纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维 、纳米膜
、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟
，是生产其他三类产品的基础 。

纳米粉末

又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒 ，是一种介于原子 、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料
。可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等。

纳米纤维

指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料 。可用于：微导线
、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料；新型激光或发光二极管材料等
。静电纺丝法是目前制备无机物纳米纤维的一种简单易行的方法。

纳米膜

纳米膜分为颗粒膜与致密膜 。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起
，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜
。可用于：气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。

纳米块体

纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料 。主要用途为：超高强度材料；智能金属材料等
。

制备方法：

（1）惰性气体下蒸发凝聚法。通常由具有清洁表面的、粒度为1-100nm的微粒经高压成形而成，纳米陶瓷还需要烧结 。国外用上述惰性气体蒸发和真空原位加压方法已研制成功多种纳米固体材料 ，包括金属和合金
，陶瓷 、离子晶体、非晶态和半导体等纳米固体材料
。我国也成功的利用此方法制成金属
、半导体、陶瓷等纳米材料。

（2）化学方法：1水热法，包括水热沉淀 、合成
、分解和结晶法 ，适宜制备纳米氧化物；2水解法
，包括溶胶-凝胶法、溶剂挥发分解法 、乳胶法和蒸发分离法等 。

（3）综合方法
。结合物理气相法和化学沉积法所形成的制备方法。其他一般还有球磨粉加工
、喷射加工等方法 。

纳米技术内容

纳米技术包含下列四个主要方面：

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。

如果仅仅是尺度达到纳米
，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料 。

过去 ，人们只注意原子
、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域
，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家 ，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子
，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜 、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质 ，表现出既不导电
、也不导热
。磁性材料也是如此
，像铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小 ，磁畴就变成单磁畴
，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料 。

为什么磁畴变成单磁畴 ，磁性要比原来提高1000倍呢？这是因为
，磁畴中的单个原子排列的并不是很规则，而单原子中间是一个原子核 ，外则是电子绕其旋转的电子，这是形成磁性的原因
。但是
，变成单磁畴后，单个原子排列的很规则 ，对外显示了强大磁性。

这一特性
，主要用于制造微特电机 。如果将技术发展到一定的时候，用于制造磁悬浮 ，可以制造出速度更快、更稳定 、更节约能源的高速度列车
。

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.用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小 ，刻蚀的深度往往要求数十至数百微米
，而宽度误差很小 。这种工艺还可用于制作三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪等
。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度 ，但有很大的潜在科学价值和经济价值 。

理论上讲：可以使微电机和检测技术达到纳米数量级
。

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子间互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜 ，dna的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料 。新的药物
，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如粒子为纳米尺度（即超微粒子） ，则可溶于水。

纳米生物学发展到一定技术时
，可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细胞，并可以吸收癌细胞的生物医药 ，注入人体内
，可以用于定向杀癌细胞
。（上面是老钱加注）

4
、纳米电子学：包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质 、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小
、更快、更冷 ，更小
，是指响应速度要快 。更冷是指单个器件的功耗要小
。但是更小并非没有限度。 纳米技术是建设者的最后疆界，它的影响将是巨大的 。

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