搜索
奈米工程導論第六章第六章奈米生物測定學本章重點奈米科技應用在生醫上會有巨大的突破性發展，在這一章中，你將會發現由自然界中奈米機構所組成的物質，例如：脂質、DNA與蛋白質，我們也會討論到生物運算，並以細菌的視網膜色素為基礎來使用蛋白質的3D光學修正。生物材料，如DNA可用來當作感測器也可用來製作奈米鉸鏈、奈米線和奈米黏著劑。奈米工程導論第六章德霖機械系張添財6.1簡介•自然界的現像就是基本的奈米科技。•奈米機器人從有生命開始就存在自然界中，而奈米機器人就是所謂的細菌與病毒。•ATPase直徑12nm的旋轉馬達。•奈米尺度的組織，如蝴蝶翅膀上之光學結構，其外貌非常像金屬但非金屬的顏色。•在4奈米離子通道裡的極敏感化學感測器。•合成奈米材料要比最好的人造材料強度來的強，像支架、絲綢、甲殼，將太陽光改成化學能的方法。奈米工程導論第六章德霖機械系張添財•昂貴的材料與好的材料兩者是不一樣的，製造生物本身無法製作的材料，發展新的合成材料或結構而應用在生醫方面，因自然界提供的材料或物質還不夠，所以我們想要發展奈米科技。•如何向生物學習呢？•1.知道某些行為是可能發生，不知它是否符合一些科學上的定律。•2.收集自然界如何產生某些現象的原理，在奈米世界中的物理、化學和材料科學有哪些理論？•從生物中我們可以學到，只由少數基本的單元就可自行聚集成較複雜的結構，而這些結構可變化並再自行聚集或更複雜且有感測功能的結構。•生物中最基本的三種細胞─脂質、蛋白質與DNA─他們是如何自行聚集成結構或元件。奈米工程導論第六章德霖機械系張添財6.2脂質就如同奈米磚塊與灰泥•脂質就是你所需要的磚塊。•灰泥可以將它們連接在一起在一個非共價鍵的方塊之中，像蛋白質的窗戶和旋轉門，而且DNA圖書館就像是附加的現代化的生活設施。•製造者—有能力自我組成適合高順序的結構。•在活化脂質時(譬如在乾燥的脂質中加入水)，他們就會自動地組成他們所需要的結構。奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財脂質結構•脂質是多分子，含有碳氫化合物的尾端，是疏水性，或者不溶於水(就像油不溶於水一般)。而一個極性的頭端則親水性或是可溶於水。•整個脂質分子的長度是2.4nm，從這些分子我們可以製造超級分子結構，它在大小上是百倍的奈米尺到微分子粒。•脂質，就像親水性的頭端基和疏水性的尾端基所組成合成的混合物，在油與水中都可溶解。•合成自然萃取或化學技術製造。•數千百種不同的雙親油，親水性架構，已經被萃取、合成及研究。奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財自成組織的分子結構•當水加入脂質時，所有極性頭端基會溶解在水中，然而碳氫尾端不會溶於水中，但會靠凡得瓦爾力互相緊黏著。•碳氫尾端在內部，頭端基突出於水中所組成。•一個具有單一碳氫鍊和一個大的可溶於水的頭端的化合物，那麼微膠體便能自動產生。典型的這種化合物即是所有肥皂和清洗液體的清潔劑，它們在清潔方面的效用正因為任何油性的殘留物都可以溶解在微膠體的碳氫中心裡，這些微膠體在水中被懸浮而且可以很輕易的被清洗掉。•六晶相---內部待有碳氫尾端和外部有水的長管狀脂質。奈米工程導論第六章德霖機械系張添財有關脂質的模板•生物分子自我組成的特性的遺傳，被用來製造其他的非生物結構。•量子特性，如黃金是閃亮金黃色，但在直徑20時是漂亮的葡萄酒紅色。•製造超微小的東西時，不只大小是因素，就連它的形狀，也會決定這材料的特性。•製造奈米桿狀物，我們可以利用脂質，它形成“反六邊形”，油含水結構。•脂質模板的構造，促使奈米粒子沿著水中管成長，形成奈米桿狀物，而不是球型。奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財6.3我組成單層構造•SAMs是在表面上利用一個自我組成進程所形成的單底。除了利用拒水/親水群去組成自我組合進程。•自我組合主要是由強烈的交互作用在固體的次基層和一個特化的功能群所在分子內形成。最多最寬廣的SAM系統研究是單層在金質表面上的脘硫醇型構。•脘硫醇其碳氫尾端1-4nm長，頭端被設計為連接金質表面，如硫醇群--SH。奈米工程導論第六章德霖機械系張添財•在硫醇和金子之間的強烈反應，當金質表面被放在含脘硫醇的稀釋溶液中，一個單層脘硫醇經由硫醇群將自己貼在金質表面上，這碳氫尾端排成一列並由表面向外指出。•一但表面被覆蓋一單層分子，其他更多的脘硫醇就無法再吸附。金質次基層可以用溶液移除及潤濕的，去移除過多的脘硫醇，留下表面覆蓋一分子單層。•SAM型態技術，功能性的群體更可被用來改變表面的特性，譬如，利用製造甲基群的作用群，表面就可以形成拒水的，水因而會離開表面。•利用代負電的磷酸群取代乙醇群，製造親水表面，並且完整的可被水淋濕。這表面對酸性很敏感，可以作為測量PH質的變化。•SAM構造的分子可影響基層材料的電子特性。奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財6.4物件的製造部分－蛋白質利用20個氨基酸的三維結構•蛋白質的一群多糖體，被用來做某些東西的開關，運送某物，感覺、嚐、聞、產生能量、將日光產生糖、氮氣轉成阿摩尼亞化學肥料等。•蛋白質由氨基酸所形成，有20多種一般氨基酸被連結並使用，側鏈可以是距水性或親水性、正電或負電。•生物統合成這些氨基酸的線性聚合體，聚合體可以改造，再將一個聚合體轉成，合成一個特別穩定的三維結構。利用超級電腦，我們根本搞不清楚他是如何完成的。•球形蛋白質直徑通常為2-8nm，概括八萬個不同的蛋白質在人體內，蛋白質可作為特別催化劑，如神經細胞中的離子通道，去傳遞神經衝動。奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米量測馬達•每個活細胞都由超微小旋轉纖維所驅動，它叫做ATPase。•軸桿的轉動允許ATPase將ADP(二磷酸腺塩)轉成ATP(三磷酸腺塩)，ATP經由這個程序合成一個高能量分子，被用來驅動保持細胞存活的化學反應。•ATPase複合體是一個奈米化的馬達，它大約是12nm直徑寬，並且計算出每一秒17轉的無負載速度。•在有質子梯度差出現時，它是順時針旋轉的，就像一旦沒有質子梯度時，它是逆時鐘旋轉一般。•蛋白質第三結構是經由包覆一多縮氨基酸連成為---三維結構所形成的。奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財生物計算機--一個以蛋白質為基礎的菌化視網膜紫質3D光學記憶體•菌化紫質是在細菌的脂質細胞上所發現的紫色蛋白質鹽水暈細菌，生長在極度塩化的環境，在高溫且近厭性的狀態。•菌視紫質是一個相當難纏的蛋白質。例如，就算在溫度高達140°C的乾燥環境，暴露在空氣中或陽光下數年不受影響，它可以忍受PH值0-12或是高濃度塩化(3M)狀態，甚至可以加在塑膠中，依舊不受影響。不是所有生物製造的東西都是很脆弱的。•細菌利用它將光線轉換成電能跟化學能。奈米工程導論第六章德霖機械系張添財•細菌紫質在光線驅動的蛋白質，當它吸收光線時，它將一個質子運送送過細胞璧。這轉運造成質子的不平衡，或稱梯度差，這些質子梯度現在被ATPase蛋白質加以利用，像一個小型的太陽能細胞。•可做唯一個超快速雙向穩定，製造三維光學記憶的紅綠開關。•綠色雷射光驅動菌視紫質從地面狀態轉換成啟動狀態，稱為Q狀態。•紅色雷射光驅動從O狀態到中介的P狀態，再到穩定的Q狀態。奈米工程導論第六章德霖機械系張添財•利用這兩種雷射，我們可以將菌視紫質從一穩定狀態驅動到另一穩定狀態。這兩種雷射(綠和紅)放在這立方塊的正確角度上，我們可以在這三維空間中的立方塊內任何一處寫入資訊。•以低密度的雷射讀出原本存放的資料，所以它將不會有轉換。•發出非常低密度的紅光雷射穿過菌視紫質，這區域中如果在O狀態的，將會吸收紅光，而如果這些區域是在Q狀態的將會允許紅光穿過它。然後就可以用高密度的光感測器讀出。•這種記憶體至少有三種好處。首先，這讀與寫的操作可以視平行達成的。第二，這是屬於光學的技術，而光子比電子快上許多。第三，因為這記憶體是第三度空間的，每一立方公分1011到1013bit，將這跟二維的光學記憶加以比較的話，是每一立方公分108bits。奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財離子通道如同感測器•脂質膜對水合離子是絕佳的絕緣體，譬如鈉離子和氯離子。這需離子通道可被想像成一個神聖的管子，它允許離子經由它的洞穿過。這離子通道的開啟與關閉來自外來的刺激。•若化合物和管口結合，它可能就會很簡單的擋住了通道，所以離子就不能通過。•離子的穿透，利用電流的流進與流出測出，在每一秒裡可以有一個到一千萬個鈉離子穿過離子通道。如同百萬個電子穿過銅導線。奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財•最聰明的是離子通道可以當成一個化學放大器。•量測單一離子的通道流過的離子數是可能達成的。•電流流過單一離子通道是典型上都是以nano，到pico安培的範圍(10-9-10-12安培)，在它是開啟的狀態。如有一分子這時擋住了離子通道，它的電流會降為零。•離子通道傳導可能被大量的機制所控制，離子通道可能因一個電位差的存在而開啟與關閉，就像神經細胞一般。奈米工程導論第六章德霖機械系張添財•製作一個實驗的化學感測器，一個通用的分子認定元素是必須的。•抗體是Y型的蛋白質，是身體免疫系統防禦的第一線。如果有一個外來的分子進入了體內，它就會產生抗體，並且結合外來的分子。一旦這些抗體連接以後，其他在體內的防禦機制，就會接手去消滅這些侵入者。•抗體可以以現代生物的方法來製造。•第二件所需的事情是一個隔離用的脂質膜，更好的是可以貼在一個電極上。感應器連接產生感應電子並可以讀出的元件。奈米工程導論第六章德霖機械系張添財•在一個有脂質膜粘著固體電極的感應元件中，介於電極和脂質膜必須提供一個離子儲液蘘。•第三件所需的是必須擁有一個普通的感應機制，以抗體去結合特別的解析器，簡單、耐用的離子通道可以被發現或者發展出來。•第四、這些電機工程中的感應電極必須可以正確的連接世界上其它的電子儀器。•短桿菌素是一個有關小型離子通道，是由兩個多氨酸管所組成。奈米工程導論第六章德霖機械系張添財•短桿菌素能夠很自由的並且很獨立的擴散通過內層及一半外層的脂質膜，陽離子只能夠流過膜兩半的整為一線，所以一個穿過細胞膜連續的洞就行成了。當他們沒有形成一線，沒有離子流動。•這兩個離子通道的閘門，經由六個氫鍵的行成，排成一列。他們約在0.1到1秒之間。•控制它的開關，經由植入一個一半的短桿菌素在電極表面，此時它不能移動，另一半是放進膜的外圍小葉並連接一個抗體受器群。奈米工程導論第六章德霖機械系張添財•另一個抗體在一些距離上是不能移動的，適用一個特別的綜合膜擴展脂層，那些抗體所有的方法可以連向金質電極的表面。•另一個解析分子，這是黏貼在膜擴展脂質層上的。一旦這一個短桿菌素結合住膜擴展質層經由抗體－解析器－抗體複合，它不在可以擴散也不可以形成離子通道經由內部的短桿菌素，一離子通道在反映任何一個解析器是永久的關閉。•TSH(一種賀爾蒙，促甲狀腺素)，它的離子傳導性通過離子通道就會隨著時間的增加而降低直到離子通道關閉為止。•設計這個感應器，4nm儲液曩在脂質層跟金質電極之間形成。儲液曩是由親水性的寡糖—乙烯葡萄糖群所形成。•量測離子快速的進出這一個儲液曩及通過離子通道。一個離子性儲液囊可以被快速的裝滿。一旦裝滿了，就不會再有電子的流動。奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第六章德霖機械系張添財奈米工程導論第