奈米生物技術(nano-biotechnology)

• Speaker: 林秀美博士

• 時間：2018年04月25日

1062生物技術學

奈米簡介１９５９年，諾貝爾獎獲得者、被認為繼愛因斯坦之後最為睿智的理論物

理學家—理查·費曼教授在加州理工大學發表了題為

《底層之下，還有廣大空間》費曼

林秀美

There's Plenty of Room at the Bottom

An Invitation to Enter a New Field of Physics

壹、奈米科技簡介貳、生物技術簡介叁、奈米生物技術肆、奈米檢測伍、結語

人類一直不斷創造新的世界

〝奈米〞新世紀

來臨囉！

壹、奈米科技簡介

黃金一定是黃色的嗎 ?

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彈珠

1公尺

1奈米

http://maggy.spps.tp.edu.tw/04%B6%B5%A5%D8%B2%C5%B8%B9%2F02%B6%EA%C2I1%2F30%2Egifhttp://maggy.spps.tp.edu.tw/04%B6%B5%A5%D8%B2%C5%B8%B9%2F02%B6%EA%C2I1%2F30%2Egif

不是我啦！

沒想到是我吧！哈哈！

1公尺

1奈米

奈米(nano meter)的大小1nm等於十億分之一公尺

1 奈米 (nm)=10-9m (每十億分之一)=2~3 原子

人類的頭髮= 20,000~50,000 nm

人類的身高 17億 nm

材料如何奈米化？由上而下(top down)由下而上(bottom up)

Nanomaterial Technologies

由上往下(Top-down)

發展歷史約歷經250萬年，從東非猿人之火山燧石技術

所製造石斧，發展至目前極致的矽晶微電子技術及微機

電技術(MEMS)，下圖是利用蝕刻法製成的電子元件：

奈米結構的製作•物理方法：

•超重力研磨•蒸鍍、蝕刻、模壓

蝕刻製作

由下朝上(Bottom-up)

生物分子所採用策略，在地球上的發展歷史已經歷35億

年，從原生質發展至目前極致的人腦。目前已應用在光

電元件上，如下圖矽晶片上合成氮化鎵奈米線：

奈米結構的製作

•化學方法：還原、自組（水熱法）

由下朝上(Bottom-up)

奈米後的變化─奈米尺度新特性

•作用力

•量子限域效應

•尺寸效應

•表面/界面效應

•生物磁性

•透明性

作用力- 由奈米尺度之作用力到創新膠帶

凡 得 瓦 力• 壁虎(gecko)的腳上有次微米級的毛髮陣列，因此能由泥土路立即爬上玻璃天花板。

• 壁虎的腳毛直徑約200至500奈米，由於大小恰當，因此可以視欲攀爬的表面材質，選擇採用凡德瓦力或是毛細張力。每根毛髮雖只能提供大小約10 -7

牛頓的力，但因毛髮數量極多，整體能產生每平方公分約10牛頓的力。

★人造的壁虎膠帶★

在5微米厚的聚醯亞胺(polyimide)薄膜上以電子束微影及氧電漿下乾蝕刻(dry etching in oxyegn plasma)，製備出聚醯亞胺彈性纖維。這些纖維長2微米、直徑約500奈米，以1.6微米的周期排列，覆蓋面積約1平方公分。

圖二電子顯微鏡下的「壁虎膠帶」 圖片來源：Andre K. Geim/ University of Manchaster England

★壁貝膠水★

http://www.libertytimes.com.tw/2007/new/jul/20/today-life3.htmhttp://www.libertytimes.com.tw/2007/new/jul/20/today-life3.htm

重複使用的膠帶

量子限域效應- 由量子限域效應引發之商機

Red light = 660 nm

Yellow light = 590 nm

Blue light = 300 nm

Particle size >~ light wavelength

Reflection and scatter

Particle size < light wavelength

scatter

壹、奈米科技簡介

• 自然界的奈米現象

–荷葉表面的奈米現象

–海豚的皮膚

–鴨子、昆蟲翅膀的自潔作用

–壁虎的腳掌作用力的運用(凡得瓦爾力 )

–會回家的候鳥、蜜蜂、龍蝦(生物磁)

–蝴蝶翅膀(光子晶體)

奈米尺度新特性—細微結構/界面效應

奈米紙影片， lotus effct

奈米尺度新特性—細微結構/界面效應

生物磁性

奈米現象

蝴蝶的羽毛以及貝殼的硬度

超博士實驗室.swf超博士實驗室.swf

奈米現象

貳、生物技術簡介生物技術目前的應用相當廣泛，舉凡微生物辨識、疾病防治、食品改良、能源開發、環境保育、及地球永續發展等都有密切關聯性。這些課題中包含了利用核醣體的次單元(subunit)做菌群區別、利用基因診治來防治先天性疾病，利用基因操作來增加糧食生產、利用生物產能系統來獲取生物能、利用改良菌種來去除廢棄物、及利用收集/保存生物多樣性以求物種的永續發展。下列為幾個共通性的生物技術

1. 物種辨識

2. 生物感測

3. 基因操作

4. 基因治療

5. 藥物設計與藥物傳輸

size

基因改造生物(Genetic Modified Organism GMO)

•什麼是GMO食品？

•目前你看過或吃過的GMO食品有哪些？

•GMO食品有什麼優缺點？

(http://www.tndais.gov.tw/Magazine/mag49-4.htm)

什麼是基因改造食品?

雙螺旋構造的DNA

一段有功能的 DNA 遺傳物質 存於細胞核裡 攜帶遺傳訊息

DNA序列密碼

基因是什麼?

啟動子 基因密碼區 終止密碼

細胞依照DNA序列密碼產生各是各樣具功能性的蛋白質以決定生物特性

DNA

RNA

蛋白質

複製

轉錄

轉譯

什麼是基因改造?

限制酵素將DNA進行剪接

Genetically Modified (GM)

非傳統育種技術

基因重組、基因轉移、基因轉殖

現代基因工程技術

胰島素的量產剪一段胰島素基因,貼到質體上(重組),再搬運進到大腸桿菌中:

複製clone動物• 複製生物是否是GMO？

世界上第一個….基因改造蕃茄1994年美國加州Photo by Jack Dykinga.

Sources ARS Photo Unit, 2001, USDA.

世界上第一個….1997年2月，蘇格蘭的胚胎學家Ian Wilmut等人以成年母羊乳腺細胞複製出小羊桃莉 Dolly the cloned sheep桃莉羊

叁、奈米生物技術

•I. 用奈米技術解決生物問題

•II. 學習生物來發展奈米系統

當奈米遇到生技

I. 用奈米技術解決生物問題• 生物分離：磁性奈米細胞分離

• 分子操控、交互作用測量：AFM 、STM

• 生物晶片：基因晶片、蛋白質晶片、化學分子晶片

• 藥物傳輸：微脂體、磁性物、樹狀聚合物

• 基因工程：仿生物細胞載体DNA奈米技術、基因治療

• 醫療：免疫檢測、組織材料、輔助疾病診斷

• 生物感測器：醫療、防疫、環保、食品、國防

• 奈米材料應用於生技：催化、仿生材料、奈米探針、生物電線、奈米陷井、細胞內部染色、抗菌與殺菌

許多偵測是否有某分子或病原菌存在的檢驗法，都是利用抗體與標的物結合的方式達成。帶了磁性奈米粒子的抗體與標的物結合之後，經短暫暴露於磁場之下，將造成這些探針集體放出強烈的磁性訊號。至於沒有與標的物結合的抗體，則會朝不同的方向打轉，而不會產生訊號。因此無需經過清洗的步驟將未結合的抗體除去，就可直接讀出結果。

肆、奈米檢測怎麼看奈米世界─奈米測量

奈米結構的檢測工具•TEM•SEM•XRD•STM

AFM…

穿透式電子顯微鏡(TEM)

•利用極高電壓30~40萬伏的電子束穿透樣品，受樣品的原子影響，而顯示原子排列的影像。•優點：可觀察深層結構。•缺點：樣品需製成極薄片。

穿透式電子顯微鏡(TEM)

單壁及多壁奈米碳管

掃描式電子顯微鏡(SEM)

利用電子束反射樣品表面放大呈像

能量分佈分析儀(EDX)

X光繞射分析儀(XRD)

掃描探針顯微鏡(SPM)

掃描穿隧式顯微鏡(STM)

利用探針極靠近樣品表面時，以低電壓讓針上電子跳到物體表面上，產生穿隧電流顯像，適合半導體或金屬材料。

(Scanning Tunneling

Microscopy)

原子圖像

原子力顯微鏡(AFM) (Atomic Force Microscopy)

•利用探針極靠近樣品表面產生的原子的吸引力與排斥力，固定力量移動探針距離放大呈像。•優點：可看到原子，適合半導體、金屬、絕緣體。

原子力顯微儀(Atomic Force)

噬菌體Φ29的圖像

伍、結語

1) 奈米科技在現今的應用?

2) 奈米科技在20年、30年後會如何呢？

3) 奈米科技有沒有什麼危機？

奈米科技的省思

•奈米科技可能帶來的負面效應

1.奈米微粒對生物組織的影響，由於顆粒非常微小，容易進入

生物體內，是否會對生物體造成不良影響？

目前的實驗尚未有共識，但可以確定奈米顆粒會堆積於生物體內。

2.製作奈米材料的過程中，可能造成的公害。

如蝕刻製程排放的氣體PFCs，會導致溫室效應，但是因為目前尚無有效的替代藥品，僅能朝減少排放的治標方向處理。

3.奈米廢物對環境可能造成的衝擊。

奈米材料是否會與其他常見的污染物如殺蟲劑或多氯聯苯混合吸附，使新形成的顆粒讓原來的化學污染物活動性變得更強而造成更大的危害？細菌是否會吞食奈米材料，以至於讓奈米顆粒進入自然界食物鏈甚至侵入食物鏈的上層？

奈米產品的迷思

• 只要將產品冠上「奈米」，價格立刻提高數倍～數十倍。

• 事實上，其效益有待檢驗。並非奈米材料摻入產品內，「立即」能產生驚人效益。需投入心血研發才能開發出具有特殊效益的奈米產品。而其效益有待實際測試驗證。

• 奈米科技的環保疑慮

2003年7月24日綠色和平組織在一份七十頁的報告中預警，

–奈米科技綠色組織質疑製程風險大

–極微小、人造的奈微米可能變成生物無法分解的新型態污染物。

–奈米的毒性作用對肺部的影響：羅徹斯特大學的 Günter Oberdörster對老鼠吸入聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, PTFE, 鐵弗龍)奈米等級微粒的研究結果顯示，當呼吸的空氣中含有20奈米直徑的PTFE微粒時，四小時內將使大部份的老鼠致死。然而，當微粒直徑超過130奈米時，毒性副作用顯著的降低。

–故有必要制訂有關製造和廢棄奈米材料的行業標準

綠色和平組織在思索是否量子點、奈米微粒以及其他丟棄式奈米元件會構成一個新類別的非生物分解式污染物，而科學家對其了解卻不多。呼籲業界提供較目前更多的經費用於相關研究，以表示其對環境關懷的承諾。

Thanks for your attentions

歷史的教訓

*氟氯碳化物(CFCs)和DDT剛發明時，被視為科技應用上的奇蹟，科學家無不寄予厚望，然而最終卻成為自然環境的最大殺手。

*當初基因改造生物(GVO)根本不構成什麼疑慮，事後才發現其實問題很多。

科學家及政府必須更小心謹慎檢視

奈米科技可能帶來的危害!