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wyb20050316

新虫 (正式写手)

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[交流] 一篇纳米生物前沿技术综述

纳米生物技术是指利用分子层级（纳米级）的有机或无机物操控技术，来解决目前生物学的问题；或从生命科学角度出发提供产品纳米化制造的相关技术。纳米技术结合生物技术，其目的并不只是将产品微小化，同时也希望通过控制分子的行为，达到控制组织与细胞的目的，并有效掌握控制纳米材料或复合物本身的多变性，以及与生物系统之间的交互反应。现将现今较为前沿的纳米生物技术或产品作简单介绍。

一、生物分子微分析技术 (Microanalysis of Biomolecules)

许多的生物分子相当微小，其大小通常就在纳米范围，因此若能利用纳米尺度的检测设备或系统，将有助于进一步观察及探讨生物分子、细胞表面与细胞内分子层级的活动及变化。例如以微组装快速流体混合器（Microfabricated Rapid Fluid Mixer）与荧光检测技术研究蛋白质构造在不同环境不同时间的连续变化情形、以纳米检测数组仪（Nanofabricated detector arrays）检测细胞功能、以及发展纳米级传感器以分析神经传导物质等。

二、分子模板技术 (Molecular Templates)

在生物分子的辨识上，可善用分子形状互补的特性，由于不同的生物分子往往具有不同的特殊形状，此时它就像一把形状特殊的钥匙，如果想要把这个分子从众多不同分子中分离出来，只要有个正确的锁就可以，也就是说只要先在某种材料上弄出一个可以和分子特殊形状相对应的模板，即可用来检测或分离特定分子。此外，经由设计特殊的分子模板，可达成如控制生化反应、纳米结构效应等功能。

三、生物选择性表面技术 (Bioselective Surfaces)

本技术是指在微纳米尺度下改变材料表面几何与化学性质，以控制细胞在材料表面的贴附、生长、运动等，进而调控细胞与组织的生理状况。例如以微影图案基质（Micropatterned substrates）控制神经细胞的生长、透过生物选择性表面技术重建血脑屏障（Blood-brain barrier）、以生物互动表面（Biointeractive surfaces）分析真菌生长等。

四、分子过滤技术 (Molecular Filtration)

通常指的是利用孔径在纳米级大小的透膜、微管、多孔材料等来有效过滤大小不等的分子，以达到分离与浓缩等目的。例如以胶原蛋白（Collagen）覆于硅芯片表面的过滤装置、以纳米结构进行酵素传输等。

五、特殊细胞分离技术 (Sparse Cell Isolation)

有些细胞特别表现出和其它细胞不同的特性与特殊的生理功能，而这类细胞的数目比例往往很小，因此能否有效将它们从其它细胞中分离出来就显得格外重要。通常本技术会通过开发或使用纳米尺度的仪器或设备达到分离特殊细胞的目的。例如从混合组织中分离被病毒感染的细胞、恶性肿瘤细胞、免疫细胞、胚胎细胞、干细胞及微生物等；或构建亚细胞（Subcellular）等级细胞分类及分析系统。

六、生物传感器及生物芯片 (Biosensor/Biochip)

生物传感器的原理是利用待测分析物与生物物质产生的特异反应，将反应所产生的特性，配合光学、电学、热学、声学、压力、质量变化等相对应的换能器（Transducer），将反应转换成可处理的讯号输出。生物传感器的基本结构包括：生物物质层、换能器、讯号处理系统、讯号输出系统。根据感测物质的种类可将生物传感器的种类区分为：酵素传感器、免疫传感器、受体传感器、微生物传感器、细胞传感器、组织传感器及核酸传感器等。

至于生物芯片，目前尚无一定的分类及定义，若以使用功能区分，可分为微阵列晶片（Microarray chip）与微流体芯片（Microfluidic chip）两大类。微阵列晶片主要用于样品分析、检测，其与一般半导体芯片不同的是微阵列晶片缺少整合性电子电路和组件，但作用原理大同小异。事实上，微阵列晶片是将成千上万的微型生物传感器有如数组般排列在不同材质的载体上，如玻璃、尼龙、硅芯片或塑料等材质，借着生物传感器上的生物探针与样品中的特定对象进行生化反应，再经换能器将反应结果转换成讯号输出。若以载体上排列物质来区分种类，可以分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片及组织芯片等。微流体芯片亦称为实验室芯片（Lab-on-a-chip），是利用微机电技术将一般实验室所使用的分离纯化混合，以及酵素反应等装置微小化到芯片上，以进行生化反应、过程控制或分析，其构造远较微数组芯片复杂得多，依其应用范围可再细分为：样品前处理芯片、反应型芯片及分析型芯片等三大类。

七、生物分子马达 (Biomolecular Motors)

分子马达是一种分子机械，它是分子尺度（纳米尺度）下的一种复合体，能够作为机械零件的最小实体。驱动方式是透过外部的刺激（如化学、电化学、光化学等方法），使分子结构或模型发生较大变化，且这种变化是可以被控制及调整，具有可预期的规则性，进而使整个体系在理论上具有对外机械作功的可能性。由于马达是机器运转的核心，若将生物分子马达利用微机电技术再接上其它东西，可制造出纳米机器人等。生物分子马达的相关研究，目前遭遇到的最大困难在于作用时的稳定性问题，这些生物分子仅能够在狭窄的温度范围与离子强度下运作，在有机溶液或空气中都无法作用。

八、核酸计算机 (DNA computer)

DNA计算机的应用原理是基于DNA分子中的密码相当于数据的储存，DNA分子间可以在酵素作用下瞬间完成生化反应，从一种基因代码变成另一种基因代码。如果将反应前的基因代码作为输入数据，反应后的基因代码即为运算结果。DNA计算机运算速度极快，几天的运算量就相当于计算机问世以来的总运算量，储存容量也非常大，超过目前所有计算机的储存量，但所耗的能量极低，只有一台普通计算机的十亿分之一。

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