第2章+納米生物技術(shù)前沿-3課件

第2章納米生物技術(shù)前沿-32010-04-062.3納米操作系統(tǒng)生物大分子群體行為單個(gè)生物大分子及其聚集體行為納米操作系統(tǒng)用于介觀現(xiàn)象的科學(xué)探索構(gòu)建原型納米設(shè)備測(cè)試納米材料、結(jié)構(gòu)和裝置的性質(zhì)特征納米級(jí)微結(jié)構(gòu)的加工納米設(shè)備單元準(zhǔn)備納米設(shè)備裝配理想的納米操作系統(tǒng)應(yīng)能完成定位、推、拉、拾取、放置、裝配等各種操作。包括納米尺度對(duì)象成像設(shè)備、操作手和末端工具、納米或亞納米級(jí)分辨率驅(qū)動(dòng)器、力傳感設(shè)備、人機(jī)交互設(shè)備等部分?；赟PM的納米操作系統(tǒng)基于EM的納米操作系統(tǒng)光鑷納米操作系統(tǒng)混合式納米操作系統(tǒng)納米操作系統(tǒng)1.基于STM的納米操作系統(tǒng)1.基于STM的納米操作系統(tǒng)1990IBM移動(dòng)氙原子移動(dòng)硅原子移動(dòng)硫原子PEACE’91HCRL移動(dòng)鐵原子19931991移動(dòng)CO原子鐵基FeCO分子形成過程一個(gè)鐵原子(Fe)與一個(gè)一氧化碳(CO)分子結(jié)合成一個(gè)鐵基分子(FeCO)的過程如下圖所示：2002年納米操縱成像獲重大突破2002年第一期國際納米界權(quán)威雜志《納米通訊》采用了三個(gè)“筆跡”稍有歪扭的“DNA”字母虛擬畫面做封面。這一成果是由中科院上海原子核研究所、交通大學(xué)胡鈞、李民乾兩位研究員領(lǐng)銜的課題組與德國莎萊大學(xué)科學(xué)家合作取得.通過納米操縱技術(shù)，用單個(gè)DNA分子長鏈書寫；每個(gè)字母長僅300nm、寬200nm.應(yīng)用原子力顯微鏡等納米顯微術(shù)，將單個(gè)DNA鏈完整地拉直，再對(duì)分子鏈進(jìn)行切割、彎曲、修剪，終于“寫”出“DNA”三個(gè)字母.2.基于EM的操作系統(tǒng)電子顯微鏡（ElectronMicroscope，EM）是根據(jù)電子光學(xué)原理，用電子束和電子透鏡代替光束和光學(xué)透鏡，使物質(zhì)的細(xì)微結(jié)構(gòu)在極高放大倍數(shù)下成像的儀器。EM主要包括SEM和TEM日本名古屋大學(xué)研制的納米操作系統(tǒng)在SEM中集成了四個(gè)操作單元，共16個(gè)自由度。末端執(zhí)行器為三個(gè)AFM懸臂和一個(gè)基底或四個(gè)AFM懸臂?？梢詫?shí)現(xiàn)的功能包括：納米操作、納米測(cè)量、納米制作、納米裝配。2.基于EM的操作系統(tǒng)德國Kleindiek公司研制的適用于SEM的納米操作手，由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)和一個(gè)徑向馬達(dá)組成，徑向運(yùn)動(dòng)范圍達(dá)12mm，分辨率0.5nm?；赥EM的納米操作系統(tǒng)以高分辨率的TEM作為觀察工具，在其超高真空樣品室內(nèi)放置操作手。Kuzumaki用TEM中的雙操作手對(duì)單壁CNT進(jìn)行操作。Wang在TEM中對(duì)單壁CNT的物理和機(jī)械性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)量。NanomanipulationofSingleNanoparticleUsingaCarbonNanotubeProbeinaScanningElectronMicroscopeAbstract:Anovelmethodispresentedformanipulationofasinglenanoparticleusingacarbonnanotubeprobeinascanningelectronmicroscopechamber.Nanomanipulationwasachievedwithoutdependenceontheconductivityofthenanoparticle.Inordertodemonstratetheeffectivenessofthistechnique,insulativeFe2O3andconductiveFe3O4werearrangedonananogapjunctionformeasurementoftheelectricalconductivity.Theresultclearlyshowedthedifferencebetweentheresistanceofthetwoironoxides.Itisconsideredthatthistechniquecouldbeamilestoneinthemeasurementofthephysicalpropertiesofnanomaterials.?2009HiroshiSugaetal.,Appl.Phys.Express,(2009)ElectronMicroscopyofNanotubesbyZhongLinWangandChunHui(KluwerAcademicPublishers,May1,2003)

ISBN:1402073615(328pages)

3.光鑷（Opticaltweezers）納米操作系統(tǒng)1986年，美國科學(xué)家Ashkin等成功地利用一束強(qiáng)會(huì)聚激光束實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物微粒的三維捕獲，自此基于激光的光鑷技術(shù)誕生了。在通過用氣泡與液滴反復(fù)實(shí)驗(yàn)后，Ashkin認(rèn)為光束對(duì)折射率比周圍介質(zhì)高的微粒具有橫向吸力，但對(duì)折射率比周圍介質(zhì)低的微粒具有橫向推力。光鑷已成為研究單個(gè)細(xì)胞和生物大分子行為不可或缺的有效工具。光鑷(Opticaltweezers)又稱為單光束梯度力光阱(Single-beamopticalgradientforcetrap)，是利用光（激光）與物質(zhì)間動(dòng)量傳遞的力學(xué)效應(yīng)而形成的三維勢(shì)阱來捕獲和操縱控制微小粒子的技術(shù)。光具有能量和動(dòng)量光子能量E=h光子動(dòng)量P=E/c=h/~10-27kg·m/s當(dāng)光照射物體時(shí)，光子的動(dòng)量傳遞給物體并產(chǎn)生壓強(qiáng)，稱為光壓。勢(shì)阱電子的勢(shì)能圖類似一個(gè)波的形狀，當(dāng)電子處于波谷的時(shí)候就好像處在一口井里，比較穩(wěn)定，很難跑出來。這種光形成的光學(xué)勢(shì)阱就像是一把鑷子，可以把微粒牢牢“鉗住”，因此被形象地稱為“光鑷”。光與物體的相互作用——幾何光學(xué)原理

(小球直徑D遠(yuǎn)大于光波長，小球折射率大于周圍介質(zhì)的折射率)單光束梯度力光阱的幾何光學(xué)原理圖光阱主要是依靠光梯度力形成的，其合力指向光束焦點(diǎn)當(dāng)焦點(diǎn)附近梯度力大于散射力時(shí),則可以形成三維光學(xué)勢(shì)阱而穩(wěn)定地捕獲微粒。

光鑷的特點(diǎn)1、操控和研究生物微粒：光鑷的捕獲和操控范圍是101nm~101

μm大小的微粒。而大多數(shù)生物微粒，諸如細(xì)胞、細(xì)胞器甚至生物大分子都在這一尺度范圍內(nèi)。2、不會(huì)對(duì)捕獲的生物微粒產(chǎn)生機(jī)械損傷：由于光鑷是用“無形”的光來實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒非機(jī)械接觸的捕獲，捕獲力是施加在整個(gè)微粒上，而不是像機(jī)械捕獲那樣集中在很小的面積上。

光鑷的特點(diǎn)3、選擇粒子吸收小的光波長（600～1000nm）即可避免光吸收對(duì)生物粒子造成損傷。4、幾乎不干擾生物粒子周圍環(huán)境和它的正常生命活動(dòng)：光鑷的所有機(jī)械部件離捕獲對(duì)象的距離都遠(yuǎn)大于捕獲對(duì)象的尺度（1000倍），是“遙控”操作。5、無菌操作：利用光的穿透性，可以無損傷地穿過封閉系統(tǒng)的透明表層（如細(xì)胞膜）操控內(nèi)部顆粒（細(xì)胞器），也可以穿過封閉的樣品池的透明外壁，操控池內(nèi)微粒，實(shí)現(xiàn)真正的無菌操作。這是常規(guī)生物儀器所不具備的。光鑷的特點(diǎn)6、機(jī)械手和生物粒子間微小作用力的測(cè)量：光鑷對(duì)微粒的操控不是剛性的，可以在操作過程中實(shí)時(shí)測(cè)量微粒間的微小相互作用力。因此，光鑷不但可以作為機(jī)械手，而且可以用于測(cè)量微粒間的微小相互作用力，是生物微粒靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)特征的理想研究手段。這對(duì)生物大分子行為的研究具有特別重要的意義。光阱力的測(cè)量光鑷——微小力的探針光鑷不但可以捕獲和操控微粒，也可以作為力的探針，用于測(cè)量作用在微粒上的力，其精度可達(dá)到皮牛(pN)量級(jí)。意義：在生物大分子的水平上，生命過程表現(xiàn)為物體的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)特性與它們的結(jié)構(gòu)和功能密切相關(guān)，所以定量地測(cè)量分子間的作用力為研究生命活動(dòng)奠定了基礎(chǔ)。光鑷系統(tǒng)通常由激光光源、激光擴(kuò)束濾波光路、光鑷移動(dòng)控制環(huán)節(jié)、位移檢測(cè)部分和傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡組成。4）納米光鑷技術(shù)在納米生物學(xué)中的應(yīng)用：現(xiàn)狀和展望Ashkin——光鑷的發(fā)明人Ashkin曾預(yù)言：“光鑷將細(xì)胞器從它們正常位置移去的能力，為我們打開了精確研究細(xì)胞功能的大門”。光鑷技術(shù)在納米生物學(xué)中的應(yīng)用A.研究生物大分子的靜態(tài)力學(xué)特性B.研究生物大分子的動(dòng)力學(xué)特性C.對(duì)生物大分子進(jìn)行精細(xì)操作D.分子水平上的特異性識(shí)別和生命過程的調(diào)控E.納米生物器件的組裝A.研究生物大分子的靜態(tài)力學(xué)特性通過光鑷對(duì)單分子進(jìn)行扭轉(zhuǎn)、彎曲、拉伸等操作，研究其力學(xué)特性.如，單個(gè)DNA分子在光鑷?yán)ψ饔孟路蔷€性彈性拉伸應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)研究，這為研究單個(gè)DNA分子構(gòu)型提供了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).用光鑷測(cè)量微觀的剛度和驅(qū)動(dòng)蛋白的扭轉(zhuǎn)剛度.B.研究生物大分子的動(dòng)力學(xué)特性光鑷在生物大分子動(dòng)力學(xué)特性研究中最重要的成果之一是動(dòng)力原蛋白的研究，觀察到了生命運(yùn)動(dòng)的原過程，發(fā)現(xiàn)分子馬達(dá)是以步進(jìn)方式運(yùn)動(dòng)，并且測(cè)量了其運(yùn)動(dòng)步長，單個(gè)驅(qū)動(dòng)蛋白分子產(chǎn)生的力以及單個(gè)驅(qū)動(dòng)蛋白的速度與ATP濃度的函數(shù)關(guān)系。人們還利用光鑷研究了肌動(dòng)蛋白絲與單個(gè)肌球蛋白分子間的相互作用，測(cè)量了沒有ATP水解時(shí)單個(gè)肌球蛋白分子和肌動(dòng)蛋白纖維分離時(shí)所需的力。單個(gè)分子運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)引發(fā)了對(duì)運(yùn)動(dòng)詳細(xì)模型、ATP水解環(huán)、單酶動(dòng)力學(xué)的深入研究。研究分子馬達(dá)的力學(xué)特性是光鑷的典型應(yīng)用之一．早在1993年，美國科學(xué)家使用光鑷與雙光束干涉儀結(jié)合，在分子水平上首次觀測(cè)到了驅(qū)動(dòng)蛋白(Kinesin)分子(馬達(dá)蛋白的一種)在其微管軌道上以8nm的步幅階梯式前進(jìn)，間隔時(shí)間為1ms量級(jí)的情形，證明了驅(qū)動(dòng)蛋白分子將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程是非連續(xù)的.KnottingasingleDNAmoleculeNature(1999)399,446-448日本和美國的科學(xué)家采用雙光鑷實(shí)現(xiàn)了DNA分子(2nm直徑)的扭轉(zhuǎn)、打結(jié)，這表明分子操作已達(dá)到相當(dāng)高的水平，為細(xì)胞內(nèi)蛋白纖維相互作用等分子力學(xué)的研究開辟了新的途徑。這一技術(shù)還可用于縫合細(xì)胞或神經(jīng)的細(xì)微手術(shù)。C.對(duì)生物大分子進(jìn)行精細(xì)操作D.分子水平上的特異性識(shí)別和生命過程的調(diào)控利用光鑷技術(shù)就可將被研究對(duì)象按設(shè)計(jì)組合“配對(duì)”，研究新的變化。這種操控使得對(duì)生物微粒個(gè)體行為的研究真正從“觀測(cè)”上升到“科學(xué)實(shí)驗(yàn)”。光鑷的納米量級(jí)的操作精度和觀測(cè)精度，使得對(duì)研究對(duì)象的設(shè)計(jì)組合的定位精度達(dá)到了分子尺度，使人們能夠在納米精度上，動(dòng)態(tài)研究細(xì)胞的特異性分子識(shí)別。E.納米生物器件的組裝原生質(zhì)體的融合單個(gè)活力精細(xì)胞研究細(xì)胞間相互作用抗體抗原結(jié)合強(qiáng)度分選單條染色體細(xì)胞膜彈性的測(cè)量分散體系的研究納米生物學(xué)的研究微粒的空間排布教學(xué)研究光鑷的應(yīng)用Abstract:Wehaveconstructedanopticaltweezerusingtwolasers(830nmand1064nm)combinedwithmicropipettemanipulationhavingsub-pNforcesensitivity.SamplepositioniscontrolledwithinnanometeraccuracyusingXYZpiezo-electric(壓電的)stage.Thepositionofthebeadinthetrapismonitoredusingsingleparticlelaserbackscatteringtechnique.Theinstrumentisautomatedtooperateinconstantforce,constantvelocityorconstantpositionmeasurement.WepresentdataonsingleDNAforce-extension,dynamicsofDNAintegrationonmembranesandopticallytrappedbead–cellinteractions.AquantitativeanalysisofsingleDNAandproteinmechanics,assemblyanddynamicsopensupnewpossibilitiesinnanobioscience.CURRENTSCIENCE,2002,83(12):1464-1470自上世紀(jì)90年代以來發(fā)展起來的單分子研究技術(shù)如光鑷、磁鑷、玻璃微管和分子梳等，再加上單分子熒光技術(shù)，使人們能夠直接操縱并檢測(cè)單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)及變化，或通過施加外力改變生化反應(yīng)的進(jìn)程，研究化學(xué)能與機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)化．4.混合式納米操作系統(tǒng)基于AFM和基于STM的納米操作系統(tǒng)雖然容易構(gòu)建，但缺少實(shí)時(shí)的觀察手段；基于TEM的納米操作系統(tǒng)成像分辨率高，但在真空室內(nèi)不能放置體積較大的操作手?；旌鲜郊{米操作系統(tǒng)AFM&SEM——利用SEM觀察，控制AFM針尖拾取和操縱樣品上的對(duì)象SEM&TEM——高的分辨率&高效靈活操作AFM&光鑷——進(jìn)行復(fù)雜的拾取和放置操作2.3.4納米操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

——1.末端工具探針單探針操作手只能完成較簡單的操作，如在平面上對(duì)納米粒子二維操作等。Wang提出一種三探針操作手結(jié)構(gòu)，能執(zhí)行多種操作任務(wù)?；赟EM的納米操作系統(tǒng)——對(duì)CNT進(jìn)行機(jī)械性質(zhì)和電特性測(cè)量及裝配等納米鑷子可實(shí)現(xiàn)對(duì)納米物體的拾取和放置把兩根CNT黏到探針上構(gòu)成納米鑷子并實(shí)現(xiàn)了對(duì)500nm直徑對(duì)象的拾取?；贛EMS靜電馬達(dá)的懸臂構(gòu)成的納米鑷子2.3.4納米操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

——1.末端工具末端工具的選擇主要是根據(jù)操作對(duì)象、操作環(huán)境和操縱任務(wù)的特定要求進(jìn)行的，目前仍缺乏靈活多樣的操作工具。2.3.4納米操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

——2.顯微成像特性AFMSTMSEMTEM分辨率成像原理成像類型成像環(huán)境原子級(jí)原子力近場所有環(huán)境亞埃級(jí)隧道效應(yīng)近場真空或空氣納米級(jí)電子發(fā)射遠(yuǎn)場真空原子級(jí)電子穿透遠(yuǎn)場真空AFM具有三種成像模式：接觸式、非接觸式、輕敲