纳米这个名词，对生物学家来说并不陌生。因为大量的生物结构，从核酸、蛋白质、病毒到细胞，其线度在1nm到100nm。当然，生物结构虽然很小，但异常复杂，又格外活跃，表现出很多特定的生物学功能。如酶就是一种分子机器，它能打断化学键而使分子重新结合；脱氧核糖核酸可作为储存系统，能把命令转移到核糖体中，而核糖体这种分子机器可以制造蛋白质分子。 纳米生物学的目的就是开辟类似的方法，利用由程序化的分子机器组成的装配机器去构建物质。装配机器将像微小的工业机器人那样工作，通过排布分子附件、引导和利用化学反应，把原子逐个地构建成复杂的结构。 纳米生物学的另一个重要方面是利用生物分子的特定功能去构建具有某种功能的产品（如分子机器人）。 纳米生物学是一个非常有意义但又神秘莫测的领域，它究竟能给人类带来多大变化，还很难预料。
一、的研究内容 二、分子机器人 三、纳米生物技术 四、纳米医学
一、的研究内容
利用新兴的纳米技术来研究和解决生物学的问题 1. 核酸的分子生物学
研究核酸的结构及其功能。
由于核酸的主要作用是携带和传递遗传信息，因此分子遗传学（molecular genetics）是其主要组成部分，是目前分子生物学内容zui丰富的一个领域。
核酸分子量为6 ´ 106，由几百到几千个核苷酸组成。核苷酸的分子量约为1000，包含一个碱基、一个五碳糖和一个磷酸根，通过磷酸二酯键连接成核酸。
核酸有两种，即脱氧核糖核酸（胸腺核酸DNA）和核糖核酸（酵母核酸RNA）。两种核酸的差别是：DNA的五碳核糖环（五角环结构）的第二位少一个氧。 遗传信息传递的中心法则（central dogma）是其理论体系的核心：遗传信息流的传递方向是DNA → RNA → 蛋白质(克里克提出)。
以DNA为模板合成RNA叫做转录；以RNA为模板合成蛋白质叫做翻译。DNA通过RNA把遗传信息传递给蛋白质分子。? 一份原件（DNA），一张蓝图（从DNA长链上转录的遗传密码片段），一个信使（mRNA），一个车间（rRNA），一个译员和搬运工（tRNA），一条多肽链，还有做辅助工作的酶，这就是一个蛋白质合成的全部工序，也是遗传信息的流向图。
研究内容包括核酸/基因组的结构，遗传信息的复制、转录与翻译，核酸存储的信息修复与突变，基因表达调控和基因工程技术的发展与应用等。
如果说由孟德尔、摩尔根创立的基因遗传学说是细胞遗传学理论的代表，那么DNA双螺旋结构模型的建立则使遗传学完成了由“细胞”水平向“分子”水平的转变，标志着分子生物学的真正诞生，生命科学的历史由此开始了一个新的时代。
2. 蛋白质的分子生物学
研究执行各种生命功能的主要大分子—蛋白质的结构与功能。
在广漠的宇宙空间，生命现象是zui奇妙zui神秘的领域，恩格斯说：“生命是蛋白质的存在形式” 。生命的新陈代谢和自我复制是依靠蛋白质的辅助为基础的，由于其研究难度较大，迄今对其基本规律的认识尚缺乏突破性的进展。
地球上的150万种生物有1010 ~ 1012 种蛋白质；蛋白质的分子量104 ~ 107；蛋白质是细胞的主要成分（占20%湿量）；蛋白质有五种功能，即酶、抗体、结构成分、运输工具、代谢调节者；氨基酸是蛋白质基本组成单位，氨基酸的分子量约为100，其分子结构为表述为至少有一个氨基，一个羧基，并且氨基和羧基连于同一个碳原子上。每个氨基酸都有一个R基团，也叫侧链基团，不同的氨基酸的R基团是不同的。
? 肽链：两个氨基酸分子相连，脱去一个水分子（H2O ）形成肽链。分子量大于1000的肽链叫做蛋白质，小于1000的叫多肽。
蛋白质是由各种氨基酸通过酰胺键联成的长链分子（肽链），链中相当于氨基酸的单元结构称为残基。
? 蛋白质的结构有层次之分。一级结构称为分形元，在很大程度上决定着结构。蛋白质的构像分为a螺旋、b折叠、b转角和无规卷曲等单元，以及各种微区域、亚单位等结构单元。
一级结构指肽链中氨基酸的排列顺序；二级结构指邻近几个氨基酸形成的一定的结构形状；三级结构指整条肽链盘绕折叠形成一定的空间结构形状。如纤维蛋白和球状蛋白；四级结构指各条肽链之间的位置和结构。所以，四级结构只存在于由两条以上肽链组成的蛋白质。
蛋白质的表面极不规则，布满各种空洞和缝隙，可见蛋白质的结构十分复杂奇异。近年来的研究表明，蛋白质的分子链和表面具有分形特征。
3. 细胞信号转导的分子生物学
研究细胞内、细胞间信息传递的分子基础。
构成生物体的每一个细胞的分裂与分化及其它各种功能的完成均依赖于外界环境所赋予的各种指示信号。在这些外源信号的刺激下，细胞可以将这些信号转变为一系列的生物化学变化（如蛋白质构象的转变等），从而使其增殖、分化及分泌状态等发生改变以适应内外环境的需要。
信号转导研究的目标是阐明这些变化的分子机理，明确每一种信号转导与传递的途径，以及参与该途径的所有分子的作用和调节方式，并认识各种途径间的网络控制系统。
信号转导机理的研究在理论和技术方面与上述核酸及蛋白质分子有着紧密的，是当前分子生物学发展zui迅速的领域之一。
二、分子机器人
纳米科技的zui终目标就是制造分子机器，而分子机器的启发来源于生物体系中存在的大量的生物大分子，它们就是自然界的分子机器。的方向之一是设法在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人（纳米机器人）。
细胞就是一个活生生的纳米机器。细胞中所发生的一切都是按照DNA分子中的基因密码序列指令井然有序地进行的。纳米技术可以仿照生命过程中的各个环节制造出各种各样的微型机器人。
利用纳米技术可以制造在心血管中流动、专门清除血管壁上沉积物的机器人以减少发生在心血管病的概率；可以制造进入组织间隙专门清除癌细胞的机器人，等等。这种想法将不再是天方夜谭。
利用生物大分子制造分子器件，模仿和制造类似生物大分子的分子机器。
的方向之一是设法在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人（纳米机器人）。涉及的内容主要有三个方面：
（1）在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的。
（2）在纳米尺度上获得生命信息。例如，利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞表面的结构信息等。 （3）研制纳米机器人。纳米机器人是中有诱huo力的内容。*代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、做整容手术、从基因中除去有害的DNA或把正常的DNA安装在基因中，使机体正常运行。 第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置。第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置，这种纳米机器人一旦问世将*改变人类的劳动和生活方式。
? 纳米机器人除了能完成它们的基本任务外，还应该具有复制自身的能力，能够制造出的自身复制品。
三、纳米生物技术
1. 生物芯片技术 2. 分子马达 3. 硅虫晶体管 4. 纳米探针
1. 生物芯片技术
早期微处理器芯片的制造经历了由大变小的过程，这种生产技术的突破使得微电子工业的发展发生了质的飞跃，同时也给人们的日常生活带来了革命性的影响。微处理器芯片这种制造上的微型化深深启发了生物学家的思路，使他们产生了用微电子平版印刷技术制造用于生命科学研究和医疗诊断的微型仪器的想法，从而导致了生物芯片的出现。
1991年，美国硅谷的Affymetrix公司的科技人员，用光刻和化学合成技术，在硅片上排布多肽和寡聚核苷酸，用于基因检测。他们的成果一发表，引起了各大基因公司的重视，纷纷投资开发研究，生物芯片技术突飞猛进，各种类型的生物芯片开始在检测中应用。1998年，美国纳米基因公司的科学家，将多种生化处理技术组合在生物芯片中，使芯片成了小小的生化实验室，生物芯片成了世界各国科学研究机构和医药公司的宠儿。
生物芯片技术是近年来在生命科学领域中崭露头角的一项新技术。利用微电子、微机械、化学、物理、计算机以及其他相关技术，将大的分立式生物化学分析系统缩微到固体芯片表面、构建微分析单元和系统，使生命科学研究中所涉及的不连续的分析过程（如样品制备、化学反应和分析检测）连续化、微型化、集成化，从而具有分析自动化和高速并行处理能力。
? 生物芯片技术主要包括四个基本点：芯片方阵的构建、样品的制备、生物分子反应和信号的检测及分析。
Ø 芯片制备：目前芯片制备主要采用表面化学的方法或组合化学的方法处理片芯（玻璃片或芯片），然后将DNA片段、蛋白质分子等生物探针按一定顺序排列在片芯上。目前已能将40万种不同的DNA分子放在1cm2的片芯上，并且正在制备包含50万-100万个DNA探针的人类基因检测芯片。
Ø 样品制备：生物样品往往是非常复杂的生物分子混合体，除少数特殊样品外，一般不能直接与芯片反应。可将样品进行生物处理，获取其中的蛋白质或DNA、RNA，并且加以标记，以提高检测的灵敏度。
Ø 生物分子反应：芯片上生物分子之间的反应是芯片检测的关键步骤。通过选择适宜的反应条件使生物分子间的反应处于*状况之中，减少生物分子之间的错配比率。
Ø 芯片信号检测：常用的信号检测是将芯片置于芯片扫描仪中，通过采集各反应点的荧光位置、荧光强弱，经相关软件进行计算机图像分析，即可获得有关的生物信息。
根据芯片上探针的不同，生物芯片可粗略地分为基因芯片（即DNA芯片）、蛋白质芯片（生物分子芯片）和细胞（组织）芯片等几类，都有集成、并行和快速检测的优点，已成为21世纪生物医学工程的前沿科技。
① 基因芯片
如果芯片上固定的分子是寡核苷酸探针或靶DNA，则称为基因芯片（Gene chip）或DNA芯片（DNA chip）。由于Genechip这一专有名词已经被业界的*Affymetrix公司注册，因而其他厂家的同类产品通常称为DNA微阵列(DNA Microarray) 、寡核苷酸阵列芯片（oligonucleotide array）。
基因芯片是根据DNA双螺旋原理而发展的核酸链分子杂交的技术，是生物芯片技术中发展zui成熟和zui先实现商品化的产品。基因芯片包括模式I和模式II两种：模式I是指将靶DNA固定于支持物上，适合于对大量不同的靶DNA进行分析；模式II是将大量探针分子固定于支持物上，适合于对同一靶DNA进行不同探针序列的分析。
DNA芯片的大小在1cm2左右，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。待测基因通过多聚酶链式反应（polymerase chain reaction，简称PCR）扩增技术得到数量放大，再进行荧光标记。根据碱基互补的原理，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，杂交产生的荧光强度及分布由荧光显微镜检出，通过计算机模式识别进行分析，从而达到基因识别的目的。
DNA芯片技术随着人类基因组计划（Human Genome Project -- HGP）的研究发展应运而生。被誉为与阿波罗登月计划及曼哈顿原zi弹计划相媲美的HGP，是人类为了认识自己而进行的一项伟大而影响深远的研究计划，其目标是测定人类基因组3´109 bp全顺序，鉴定约10万个人类编码基因。
目前国内外已有公司生产并销售的DNA芯片有两类，一类是芯片上原位合成待测的寡核苷酸，可用于检测变异、在基因中定位目标区域、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DNA探针（一段人工合成的碱基序列 ）阵列，再与荧光标记的DNA样品杂交，产生互补匹配时，通过确定荧光强度zui强的探针位置，获得一组序列*互补的探针序列。具有特殊用途的DNA探针阵列可以在人类基因组中快速筛选已知的DNA序列、识别特定基因 。
DNA芯片还可用于监测不同的人体细胞和组织基因表达，以检测癌症或其他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芯片可广泛应用于疾病诊断和治疗、药物筛选、农作物的优育优选、司法鉴定、食品卫生监督、环境检测、国防、航天等许多领域。它将为人类认识生命的起源、遗传、发育与进化、为人类疾病的诊断、治疗和防治开辟全新的途径，为生物大分子的全新设计和药物开发中先导化合物的快速筛选和药物基因组学研究提供技术支撑平台。
② 蛋白质芯片
人类基因组(genome)排序工作的完成是人类医学*的里程碑，也代表着后基因组时代的到来—生命科学的研究重点逐渐转移到了细胞中的蛋白质。*，细胞中的DNA是生命的基础、是遗传信息的携带者；但是细胞中真正行使功能的、生命活动的执行者却是由基因编码的蛋白质，即基因的表达产物。因此，即使得到人类全部基因序列，也只是解决了遗传信息库的问题。人类揭示整个生命活动的规律，就必须研究基因的产物——蛋白质。
生命活动的主体是人体内存在的10万种以上的蛋白质，发展蛋白质芯片这一高新技术已成为生物芯片领域的挑战性课题。
蛋白质芯片(protein chip)是指固定于支持介质上的蛋白质构成的微阵列，又称蛋白质微阵列(protein microarray)。
蛋白质芯片zui早是在生物功能基因组学研究中继基因芯片之后，作为基因芯片功能的补充发展起来的。它是在一个基因芯片大小的载体上，按使用目的的不同，点布相同或不同种类的蛋白质，然后再与用荧光染料标记了的蛋白质结合，扫描仪上读出荧光强弱，计算机分析出样本结果。zui早进行蛋白质芯片研究的是德国科学家Lueking。
蛋白质芯片的研发概念由基因芯片延伸而来，两者的基本原理相同，不同之处有，一是芯片上固定的分子是蛋白质，如抗原或抗体等；其二，检测的原理是依据蛋白分子、蛋白与核酸、蛋白与其它分子的相互作用。即蛋白质芯片利用的不是碱基配对，而是抗体与抗原结合的特异性、即免疫反应来检测。
蛋白质芯片的原理是对固相载体进行特殊的化学处理，再将已知的蛋白分子产物固定其上(如酶、抗原、抗体、受体、配体、细胞因子等)，根据这些生物分子的特性，捕获能与之特异性结合的待测蛋白(存在于血清、血浆、淋巴、间质液、尿液、渗出液、细胞溶解液、分泌液等)，经洗涤、纯化，再进行确认和生化分析。它可为获得重要的生命信息(如未知蛋白组分、序列、与其他分子的相互调控关系、药物筛选、药物靶位的选择等)提供有力的。
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。
蛋白质芯片是一种高通量的蛋白功能分析技术，可用于蛋白质表达谱分析，研究蛋白质与蛋白质的相互作用，甚至DNA－蛋白质、RNA－蛋白质的相互作用，筛选药物作用的蛋白靶点等。
蛋白质芯片的应用领域可概括为三方面：蛋白质表达的检测；蛋白质-蛋白质、蛋白质-DNA和蛋白质-小分子等之间相互作用的鉴定；抗体的鉴定。可分为蛋白质功能芯片(生物信息)和蛋白质检测芯片两类。
蛋白质芯片技术与基因芯片相比较，还处在起步阶段，无论在芯片的制备，具体应用过程以及结果的检测方面还有很多的不足。主要表现在：灵敏度（新的信号放大技术急待解决）、准确度（抗原或抗体的来源、纯度与特异性，温度敏感）、高密度（美国AFFYMERTRIX公司的光蚀到合成技术限制了该技术的普遍采用，发展新的高密度合成技术势在必行）、普及（设备昂贵、限于在少数条件好的实验室进行）等方面。
但是，通过蛋白质芯片技术可以地大规模获取生物体中蛋白质的信息，是蛋白质组研究的重要手段。
蛋白质芯片技术在新世纪里不仅会对认识基因组与人类健康错综复杂的关系、对疾病的早期诊断和疗效监测等会产生巨大的推动作用，而且在其他相关领域，如环境保护、食品卫生、生物工程、工业制药等方面也将具有广阔的发展前景。特别是随着人类基因组计划的完成，一个以研究蛋白质功能为重点的后基因组时代已拉开序幕，许多人预言，蛋白质芯片技术将从根本上改变生物学和生物技术的观点和效率，为生命科学的发展做出贡献。
③ 细胞芯片
通过微制作技术（MEMS），可制成微米量级的机械手，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。以此为基础制造出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。
④ 组织芯片
组织芯片也称为组织微阵列(tissue microarray -- TMA)。组织芯片的概念于1998年由Kononen等提出，可视为基因芯片(DNA芯片)技术的发展和延伸，与细胞芯片、蛋白质(抗体)芯片一样，属于一种特殊形成的生物芯片技术。
基因芯片和蛋白芯片是研究同一种细胞中成千上万个基因或蛋白分子变化的情况，而组织芯片则是研究同一种基因或蛋白分子在成千上万种细胞或组织中表达的情况。所以，组织芯片技术不但是传统病理学技术的进一步发展，也是基因芯片和蛋白质芯片的进一步延伸。
组织芯片是将数十个甚至上千个不同个体的临床组织标本按预先设计的顺序排列在一张固相载体(载玻片)上所形成的组织微阵列，是一种高通量、多样本以及快速的分子水平的分析工具。它克服了传统病理学方法和DNA芯片技术中存在的某些缺陷，使人类*次有可能同时对几百甚至上千份正常或疾病以及疾病发展不同阶段的自然病理生理状态下的组织样本，进行某一个或多个特定的基因、或与其相关的表达产物的研究。
组织芯片的制备目前主要依靠机械化芯片制备仪来完成。制备仪包括操作平台、特殊的打孔采样装置和一个定位系统。打孔采样装置对供体组织蜡块进行采样，同时也可对受体蜡块进行打孔，其孔径与采样直径相同，两者均可定位。制备仪的定位装置可使穿刺针或受体蜡块线性移动，从而制备出孔径、孔距、孔深*相同的组织微阵列蜡块。通过切片辅助系统将其转移并固定到硅化和胶化玻片上即成为组织芯片。根据样本直径(0.2~2.0 mm)不同，在一张45 mm´25 mm的玻片上可以排列40~2000个以上的组织标本。
根据研究目的不同，芯片种类可以分成肿瘤组织芯片、正常组织芯片、单一或复合、特定病理类型等数十种组织芯片。
组织芯片技术可以与DNA、RNA、蛋白质、抗体等研究技术相结合，也可与传统的病理学技术、组织化学及免疫组化技术相结合，在基因、基因转录和相关表达产物-蛋白质生物功能等三个层次上进行系统研究。这对人类后基因组学的深入研究与发展，特别是对研究特定基因及其所表达的蛋白质与疾病之间的相互关系、疾病的分子诊断、预后指标的确定、治疗靶点的定位、治疗效果的预测、抗体和药物的筛选以及基因治疗的研发等方面均有着十分重大的实用价值和广阔的市场前景。
⑤ 糖芯片（carbohydrate chip）
是用于快速和高通量研究糖类生物功能的芯片。 糖(sugar)又称为碳水化合物(carbohydrate)，包括单糖、寡糖、多糖/聚糖和糖复合物。糖类在生命活动中发挥着重要作用，研究糖可以为揭示细胞识别机制提供重要线索。如决定人血清抗体与不配型红细胞凝聚反应特异性的关键结构分子是红细胞表达并展示在红细胞表面上的寡糖链。
但糖类的研究比较困难，因为糖具有不同于其他分子的*性质：高度异源性（糖单元数目差别极大）、糖链的生物合成极其复杂（需要多种酶参与、途径也极其复杂）、信号传导作用不被认识（认为糖仅是细胞结构和储存能量的细胞成分）。为研究糖链中蕴含的大量生物信息，1999年以色列的Glycominds公司zui早推出了寡糖芯片，开启了高通量、敏感、准确而方便的糖类研究。
宿主细胞和病原微生物细胞表面的糖基复合物，在很大程度上影响病原体的侵染、在疾病发生中起着关键作用。糖基复合物同时又是宿主识别与响应的主要抗原结构。某些病原微生物的表面抗原更是模拟宿主细胞的部分碳水化合物结构，从而逃避宿主免役系统的攻击。因此，识别鉴定这类糖结构，对于研究病原微生物与宿主之间的相互关系、并进而有效控制由此引起的传染性疾病都具有非常重大的意义。
糖芯片又称糖微阵列(carbohydrate microarray, sugar array)，包括寡糖芯片(oligosaccharide microarray)和多糖芯片(glycan microarray，polysaccharide microarray) 。根据用途可分为功能糖组学芯片（寻找生物学通路）和药物糖组学芯片（筛选药物靶标，在治疗上增强或抑制糖-蛋白质相互作用的糖模拟物）。
糖类在生命活动中发挥着重要作用，研究糖可以为揭示细胞识别机制提供重要线索。20世纪末，继基因组学、蛋白质组学之后兴起糖组学。糖组(glycome)指的是生物体中所有糖分子以及糖结合分子的全部集合，糖组学是主要研究生物体中所有糖类以及糖结合分子的结构、功能及其表达和调控的新兴分支学科，是糖生物学(glycobiology)的重要研究领域。糖芯片在此背景下出现，变革了糖生物学的研究手段，拓展了糖生物学的发展空间。
糖芯片可同时分析数量的多糖-蛋白质相互作用，可用于功能糖组学（鉴定蛋白质-多糖相互作用）、药物筛选（筛选新的蛋白质-多糖相互作用抑制剂）、抗体结合特异性分析、细胞年黏附检测（鉴定靶多糖）、酶测定（发现糖苷酶特异性抑制剂）和药物糖组学（确定患者类群）等方面的研究，在大容量、高度敏感性和长期稳定性方面有*的优势。
生物芯片技术（进展）
根据芯片的结构和工作原理，生物芯片可分为微阵列芯片（microarray chip）、微流体芯片（microfluidic chip）和芯片实验室(lab-on-a-chip) 。
Ø 所谓微阵列芯片，是将基因的片段［DNA或 RNA］、蛋白质（如抗体）、细胞组织等生物样品，以微点样技术或其他技术固定在玻片等基片上制作形成的。通常一块小小的芯片可以固定数万个甚至上十万个样品点，也就是说这类生物芯片类似于微处理器芯片，有着极大的信息存储量和快速的并行处理能力。
Ø 微流体芯片是相对于微阵列芯片而言的，核心是在基片上刻出若干根微通道作为一系列生物检测反应的发生地。微流体芯片的共同特点是采用半导体微加工技术和(或)微电子工艺在芯片上构建微流路系统(由储液池、微反应室、微通道、微电极、微电路中的一种或几种组成)，加载生物样品和反应液后，在压力泵或电场的作用下形成微流路，于芯片上进行一种或连续多种的反应，达到对样品的高通量快速分析的目的。此类芯片的发展极大地拓宽了生物芯片的内涵。
常规DNA微阵列芯片上DNA探针与靶核酸是被动作用的，受分子扩散的限制。流过式芯片的基本原理是将特定DNA探针结合于芯片微通道内的特定部位，荧光标记靶核酸由压力泵或电场驱动流过微通道，被互补探针捕获进行反应，达到对靶核酸的检测分析目的。探针和靶分子的作用是主动式的，因而大大增强了敏感性，提高了反应速率。
微流体芯片是结合生物技术、微机械等技术，将实验室中许多仪器的功能缩小到芯片上来处理的一种微型器件。随着微型机电技术（MEMS）、X光深层曝光微电铸复制（LIGA）技术和纳米技术的引入和应用，微流体芯片的集成化程度越来越高，已有在一块片基上刻出96根微通道的报道和产品。
应该说微流体芯片是微阵列芯片的延伸（有人将微阵列芯片称为*代生物芯片，而将微流体芯片称为第二代生物芯片）。
Ø 芯片实验室是将样品制备、生化反应以及检测分析等过程高度集约化形成的便携式微型生物分析系统。它zui终的目的是实现生化分析全过程全部集成在一片芯片上完成，从而使现有的许多烦琐、费时、不连续、不和难以重复的生物分析过程自动化、连续化和微缩化，是未来生物芯片的发展方向。
微流体芯片、芯片实验室与微阵列芯片技术并驾齐驱，是生物芯片技术的三驾马车，将逐步实现产业化。目前已经商品化的生物芯片多为微阵列芯片，而微流体芯片和芯片实验室正处于研究阶段。据专业人士称，目前国外生物芯片的研究重心已经转移到微流体芯片。
以芯片毛细管电泳作为核心技术的芯片实验室更是一个微而全的系统，它用量极微、速度极快，得到的信息量可以比常规实验室多几个数量级，它不仅用于分析，也可用于反应，甚至细胞培养，在临床诊断、药物筛选和生命科学的其他领域都有广泛应用，已被很多人认为是21世纪zui重要的前沿技术之一。
生物芯片技术是20世纪90年代随着人类基因组研究的深入而迅速发展起来的一项技术，它以玻片、硅片、高分子凝胶、尼龙膜、微型磁球等固相介质为载体（在选择固相介质时，应考虑其荧光背景的大小、化学稳定性、结构复杂性、介质对化学修饰作用的反应、介质表面积及其承载能力以及非特异吸附的程度等因素），在单位面积上高密度地排列大量的生物探针，从而达到一次实验同时探测多种疾病或分析多种生物样本的目的，在临床诊断、新药开发、环境保护、动植物检疫、司法鉴定等方面有广泛的应用价值，是目前应用前景的生物样品分析技术之一。
生物芯片具有集成、并行和快速检测的优点，其发展的zui终目标是将从样品制备、生化反应到分析检测的全过程集成化，以获得所谓的微型全分析系统--芯片实验室(lab-on-a-chip) ，大大促进了生物信息学这一崭新学科领域的发展。
美国商业界杂志Fortune《财富》在1997年3月刊中，以封面为题撰文对生物芯片技术的重要性和对未来社会的影响进行了大胆预测。文章指出，微处理器使我们的经济发生了根本变化，给人类带来了巨大的财富，改变了我们的生活方式。然而，生物芯片给人类带来的影响可能更大。在20世纪科技*有两件事影响深远，一是微电子芯片，它是计算机和许多家电的心脏，它改变了我们的经济和文化生活，并已进入每一个家庭；另一件事就是生物芯片，它将改变生命科学的研究方式，革新医学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水平，从而改变世界的面貌。2. 分子马达 ① 定义
所谓分子马达（molecular motor）即分子机械，是指分子水平（纳米尺度）的一种复合体系，是能够作为机械部件的zui小实体。
分子马达的驱动方式是通过外部刺激（如采用化学、电化学、光化学等方法改变环境）使分子结构、构型或构象发生较大程度的变化，并且必须保证这种变化是可控和可调制的，而不是无规的，从而使体系在理论上具备对外做机械功的可能性。
世界上zui小的分子马达在我们每个人的身体里。 分子马达是生物体内的一类蛋白质，就像传统的马达一样，它们“燃烧”燃料，做出特定的运动，完成特定的功能：它们是生物体内的“化学能与机械能之间的转换器”；某些分子马达也有定子、转子，只不过它们的尺寸都非常小，以纳米为单位，所以被称为世界上zui小的一类马达。
② 特性和意义
生命在于运动，机体的一切活动，从肌肉收缩、细胞内部的运输、遗传物质（DNA）的复制、一直到细胞的分裂等等，追踪到分子水平，都是来源于具有马达功能的蛋白质大分子做功推动的结果。因此它们被称为分子马达、蛋白质马达或蛋白质机器等。
到目前为止，已有百种以上的分子马达被确定，它们在机体内执行着各种各样的生物功能。这些分子马达可率地将储藏在三磷酸腺苷（ATP）分子中的化学能直接转换为机械能，产生协调的定向运动而做功。
迄今为止，人类尚无由化学能直接转换为机械能做功的任何记载。那么由生物体反映出的这一*的能量转换形式不仅对于生命活动是至关重要的，而且可以使人类从新的角度去认识、研究和利用这一能量转换的分子机制。
因此分子马达作功原理及能量转换机制已成为分子生物学、物理学、生物化学等诸多学科中zui引人注目的问题之一，并会在相当长时间里成为多学科所共同面临的一个挑战性的科学研究领域。
③ 分子马达的种类 i) 线性分子马达
线性分子马达是将化学能转化成机械能，并沿着一条线形轨道运动的生物分子，主要包括肌球蛋白、动力蛋白、驱动蛋白及DNA解旋酶(DNA helicase)、RNA聚合酶(RNA polymerase)等。
Ø 当肌肉收缩时，肌球蛋白马达沿着肌动蛋白（actin）滑动。肌球蛋白以肌动蛋白为线形轨道运动，其运动过程与ATP的水解相关联。
Ø 动蛋白马达和力蛋白马达都是运载囊泡（vesicles）与细胞器（organelles）等沿着微管（microtubule）的负极向正极做定向运动，并由此完成各种细胞内外的传质功能。
Ø 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的单链。
Ø RNA聚合酶则在DNA转录过程中，沿DNA模版迅速移动，消耗的能量来自核苷酸的聚合及RNA的折叠反应。
ii) 旋转分子马达
旋转分子马达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是F0F1－三磷酸腺苷酶（ F0F1 －ATPase）分子马达。这个分子马达包括F0和F1两个复合体。
0是疏水的，由
C12亚基、a1亚基及b2亚基构成，嵌
在双分子膜中。a1b2在一起被认为是马达的“定子”，而c12被看做是马达的“转子”。
F1由3对a、b亚基相间组成类似橘子瓣的“定子” 和一个由g、e亚基组成的“转子”构成，还有一个连在b2亚基上的d亚基。
F0F1－ATPase的一部分夹在细胞的双分子膜间，调节膜内外质子和钠、钾等阳离子的平衡。这种F0F1－ATP酶进行三磷酸腺苷的合成是靠双分子膜内外的质子浓度差驱动完成的，从F1®F0方向观察，它的转子g和e亚基会顺时针转动；而水解ATP的时候，F0又把质子运回来、形成新的质子浓度差，g和e亚基转子会进行逆时针转动。
F0F1－ATP酶的直径小于12nm，能产生大于100pN的力，无载荷时转速可达17转/秒。 F0F1－ATP酶与纳米机电系统（NEMS）的组合已成为新型纳米机械装置。
美国康乃尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达，研制出了可以进入人体细胞的纳米机电设备—“纳米直升机”。
④ 分子马达运动的可能机理 i) 化学模型
从化学的角度来看分子马达，它的反应有几个特点，一是效率都很高。其次，分子马达在反应时，选择性非常专一。所以，可以将生物马达中的反应看做计算机里的“1”与“0”，要么是开，要么就是关。
现在对分子马达的研究主要集中在生物物理学方面，而从化学的角度进行研究的还很少，还没有具体研究到化学键的水平。但我们猜想这里一定有一个非常重要的元素在充当着开关的角色，这种原子和其他的原子有着特殊的结合形式。
赵玉芬院士认为：这个元素是磷。这同赵玉芬院士经过多年研究提出的“磷是生命化学过程的调控中心”的观点是一致的。应该理解，三磷酸腺苷（ATP）不只是作为能量的来源，还应该是参与分子马达运转过程的重要“零件”，这个零件很可能就是其“开关”。
生命过程中许多内源活性物质在激活和转化过程中均以五配位磷作为过渡态，很多生物分子也只有在磷配化以后才会出现生物活性，而且蛋白质可逆磷配化对细胞活动的调节起着至关重要的作用。
因此，赵玉芬等研究者推测，在分子马达与ATP作用的过程中经历了五配位磷过渡态，从而激活了分子马达，使之具有了运动功能。
赵玉芬等研究者对五配位磷化学的研究已经有了很多重要的结果，进一步研究五配位磷与核酸水解、蛋白质可逆磷酸化的作用，不仅有望揭示出生物体内的能量转化机制和分子马达的运动机制，而且对于生命起源的研究有着十分重要的意义。
ii) 物理模型
活细胞有复杂的内部结构，细胞质中有许多悬浮的具有膜的亚细胞结构，如细胞核、各种细胞器、胞质颗粒等，此外，细胞内转运的物质常包装为具有膜的转运小泡。细胞内这些物体的尺度多为亚微米至微米，使细胞质呈两相系统。
这些细胞内物体在细胞质中的运动方式，有主动运动和被动运动。主动运动是基于分子马达的运动，被动运动是在细胞质中的扩散运动，这两类运动在细胞内并存。耗能的主动运动负责细胞内物质定向长距离的转运和分配，有重要的生物学意义。
根据实验，唐孝威等研究者提出细胞内物体主动运动的4个要素是：马达、轨道、能源、调控，主动运动是由分子马达驱动、沿分子轨道定向运动、消耗ATP分子、受信号分子调控的运动。
作为分子马达的各种蛋白质，如肌球蛋白(myosin)、驱动蛋白(kinesin)、动力蛋白(dynein)等，将ATP分子水解的化学能转换为机械能。分子马达常与细胞内物体的膜连接，组成复合体，分子马达产生的作用力驱动与它们连接的物体运动。
作为分子轨道的各种蛋白质，如肌动蛋白(actin)、微管蛋白(microtubule)等，是细胞骨架蛋白，它们组成有极性的蛋白质纤丝，如微丝、微管及它们的复合体，为细胞内物体运动提供运动轨道，马达的性质和轨道的极性决定了物体主动运动的方向，这种运动受细胞信号分子例如Ca2+的调控。
对细胞内物体的主动运动来说，上述4个要素缺一不可：若没有分子马达，就失去主动运动的作用力；若没有分子轨道，就不能发生定向的主动运动；若缺少ATP分子作为运动的能源及调控主动运动的信号分子，主动运动也不能进行。
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。为消除这些生物，研究者试用了从紫外线到强氧化剂，但是细菌仍可以幸存。
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”中存活的*而不会受到损伤。亚里桑那大学的物理学家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生物战毒气。
4. 纳米探针
一种探测单个活细胞生物特性的纳米传感器，探头尺寸仅为纳米数量级，当它插入活细胞时，可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤。
苯并吡（BPT-- benzo pyrene tetrol）是城市受污染空气中普遍存在的致癌物质。为了模仿暴露于致癌物质，将细胞浸入含有苯并吡的液体中，在一般暴露情况下，细胞摄取苯并吡，和细胞DNA代谢反应形成一种可水解的BK-D14A加合物，它可作为因暴露于BPT而产生DNA损伤的生物标记，即肿癌早期诊断的靶标。
纳米探针是一支直径50nm，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形成的分子复合物产生荧光。此荧光进入探针后，由光探测器接收。此高选择和高灵敏的纳米传感器，可用于探测很多细胞生物化学物质。
此外，它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zui有效地阻止细胞内致病蛋白的活动。
随着纳米技术的进步，zui终实现评定单个细胞的健康状况。
四、纳米医学
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，细胞的主要成分是各种各样的蛋白质、核酸、脂类和其他生物分子，可以统称为生物分子，它的种类有数十万种。生物分子是构成人体的基本成分，它们各自具有*的生物活性，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水平的修复。
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（在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信息），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方面的科学技术。换句话讲，人类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，它们由一个个分子装配起来，能够发挥类似于组织和器官的功能，并且能更准确、更有效地发挥作用。
它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。
未来的纳米医学将是强大的，它的功能会令世人惊叹；但它又是令人惊讶的小，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。纳米医学的zui终实现，将使人类拥有持续的健康。
1. 疾病诊断--使诊断更 （1）影像学诊断
分子雷达“光学相干层析术（OCT）”这一纳米影像学诊断工具的分辨率可达1个微米数量级，较CT和核磁共振的精密度高出上千倍，这对疾病的早期诊断有很大帮助。而且它不会像X射线、 CT、核磁共振那样杀死活细胞。
有了如此准确的依据，人们或许有办法把疾病 “扼杀在萌芽状态”，而不必等到生命的尾声才被CT或磁共振检查出癌组织病变。
（2）实验室诊断
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早期诊断出某些疾病。如用超顺磁性氧化铁纳米颗粒脂质体，可以诊断直径在3mm以下的肝肿瘤。激光单原子分子探测术可通过人的唾液、血液、粪便以及呼出的气体，及时发现人体中哪怕只有亿万分之一的各种致病或带病游离分子，具有*的灵敏性。
（3）植入传感器诊断
利用纳米级微小探针技术，可向人体内植入传感器，根据不同的诊断和监测目的，定位于体内不同部位，也可随血液在体内运行，随时将体内各种生物信息反馈于体外记录装置。
（4）病理诊断方面
目前肿瘤诊断zui可靠的手段是建立在组织细胞水平上的病理学方法，但存在着良、恶性及细胞来源判断不准确的问题。
利用原子力显微镜可以在纳米水平上揭示肿瘤细胞的形态特点。通过寻找特异性的异常纳米结构改变，解决肿瘤诊断的难题。
基因水平上的诊断研究：AFM不仅可以对DNA、蛋白质等进行形态分析，还可以进行直观下的分子剪辑、DNA特殊位点的定位等高水平研究。（5）遗传病诊断方面
为了判断胎儿是否具有遗传缺陷，以往常采用价格昂贵并对人体有损害的羊水诊断技术。而应用纳米技术可简便安全地达到目的：妇女怀孕8周左右，在血液中开始出现非常少量的胎儿细胞，利用纳米微粒很容易将这些胎儿细胞分离出来进行诊断。
2. 疾病治疗
（1）在基因治疗方面
基因是“生命的设计图”，当基因因为突变、缺失、转移或是不正常的扩增而“出错”时，细胞制造出来的蛋白质数量或是形态就会出现问题，人体也就生病了。所以要治疗这种疾病zui根本的方法，就是找出基因发生“错误”的地方和原因，把它矫正回来，疾病自然就会*了。
所谓基因疗法，即是通过基因水平的操作来治疗疾病的方法。目前的基因疗法是先从患者身上取出一些细胞（如造血干细胞、纤维干细胞、肝细胞、癌细胞等），然后利用对人体无害的逆转录病毒当载体，把正常的基因嫁接到病毒上，再用这些病毒去感染取出的人体细胞，让它们把正常基因插进细胞的染色体中，使人体细胞“获得”正常的基因，以取代原有的异常基因；接着把这些修复好的细胞培养、繁殖到一定的数量后，送回患者体内，这些细胞就会发挥“医生”的功能，把疾病治好。
（2）在器官yi植方面
纳米技术所要做的是寻找生物兼容物质。只要在人工器官外面涂上纳米粒子，就可预防人工器官yi植的排异反应。生物兼容物质的开发，是纳米材料在医学领域中一个重要应用。
（3）在开发新药方面
制备出理想的具有智能效果的纳米药物载体，以解决人类重大疾病的诊断、治疗和预防等问题（更可靠的纳米载体，更准确的靶向物质，更有效的治疗药物）。 Ø 纳米级粒子可使药物在人体内的传输更为方便。 Ø 制备纳米级载体与具有特异性的药物相结合，以得到具有自动靶向和定量定时释药的纳米智能药物。 Ø 制备针对癌症的“纳米生物dao弹”，将药物连接在磁性超微粒子上，定向射向癌细胞，把癌细胞全部消灭。
（4）纳米机器人的开发与疾病治疗
纳米级机器人可遨游于人体微观世界，随时清除人体中的一切有害物质，激活细胞能量，使人不仅仅保持健康，而且延长寿命。
