Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Нанотехнологии в биохимии. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

1 / 151 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

образования

«Оренбургский государственный университет»

О.А. Науменко, Е.В. Бибарцева

НАНОТЕХНОЛОГИИ В

БИОХИМИИ

Учебное пособие

Рекомендовано ученым советом федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Оренбургский государственный университет» для обучающихся по образовательной программе высшего образования по программам высшего образования по направлению подготовки 06.04.01 Биология

Оренбург

2024

УДК 577.3 (076.5)

Науменко О.А.

Нанотехнологии в биохимии [Электронный ресурс] : учебное пособие / О.А. Науменко, Е.В. Бибарцева ; Оренбургский гос. ун-т. - Электрон. текстовые дан. (1 файл: 1,9 Мб). – Оренбург: ОГУ, 2024. – 1 электрон. опт. диск (CD-R): зв., цв.; 12 см. – Системные требования: Intel Core или аналогич.; Microsoft Windows 7, 8, 10; 512 Mб; монитор, поддерживающий режим 1024х768; мышь или аналогич. устройство. – Загл. с этикетки диска.

ББК 28.071я7

Н 34

Рецензент – доктор биологических наук Е.В. Сальникова

Н 34

ISBN 978-5-7410-3235-0

Учебное пособие содержит теоретический материал по истории,

методам создания, исследования и применения нанотехнологий, методику осуществления лабораторных работ с наноаквохелатами металлов, вопросы к разделам и по защите лабораторных работ в соответствии с пунктами профессиональной компетентности федерального образовательного стандарта высшего образования по направлению подготовки. Учебное пособие предназначены для обучающихся по направлению подготовки 06.04.01 Биология, магистерской программы «Биохимия и молекулярная биология»

УДК 577.3 (076.5)

ББК 28.071я7

Бибарцева Е.В., 2024

ISBN 978-5-7410-3235-0 ©ОГУ, 2024

Содержание

Введение ............................................................................................................................... 5

1 Научные и теоретические основы нанотехнологий ...................................................... 6

1.1 История развития нанотехнологий ........................................................................... 6

1.2 Миниатюризация и проведение исследований в области нанотехнологий (НТ)

.......................................................................................................................................... 12

1.3 Литография ............................................................................................................... 19

1.4 Проблемы использования понятий в нанобиотехнологиях. Технологии «снизу-

вверх» и «сверху-вниз» .................................................................................................. 28

1.5 Методы исследования и изготовления наноструктур .......................................... 34

1.6 Изучение новых свойств биологически активных веществ, созданных

методами нанобиотехнологий ...................................................................................... 86

1.7 Распределение атомов и связанные с этим свойства наноматериалов ............... 90

1.8 Связь строения биологически активных веществ, созданных методами НТ с их

функциональностью ....................................................................................................... 96

1.9 Стандартные методы исследования в НТ ............................................................ 104

1.10 Контрольные вопросы к разделу «Научные и теоретические основы

нанотехнологий» .......................................................................................................... 108

2 Перспективы развития нанотехнологий .................................................................... 110

2.1 Применение достижений НТ ................................................................................ 110

2.2 Использование нанотехнологий в биологии, медицине и сельском хозяйстве

........................................................................................................................................ 111

2.3 Нанокарбоксилаты и их влияние на здоровье человека .................................... 118

2.4 Потенциальные опасности и этические аспекты развития НТ ......................... 121

2.5 Классификация наноаквахелатов металлов по биологическому действию ..... 127

2.6 Рынки сбыта и социальные последствия внедрения НТ .................................... 128

2.7 Контрольные вопросы к разделу «Перспективы развития нанотехнологий» . 130

3 Лабораторные работы .................................................................................................. 132

3.1 Проверка наноаквахелатов биогенных металлов на цитотоксичность ............ 132

3.2 Лабораторная работа по исследованию кожно - резорбтивного и

раздражающего эффекта наноаквахелатов металлов на кожу белых мышей ....... 133

3.3 Лабораторная работа по исследованию местного раздражающего действия

наноаквахелатов металлов на кожу кроликов ........................................................... 135

3.4 Лабораторная работа по исследованию местного раздражающего действия

наноаквахелатов металлов на слизистые оболочки лабораторных животных ...... 136

3.5 Оценка неспецифических показателей сенсибилизации морских свинок

наноаквахелатами металлов ........................................................................................ 137

3.6 Антимикробные свойства и химиотерапевтическая активность

наноаквахелатов металлов .......................................................................................... 138

Заключение ....................................................................................................................... 142

Список использованных источников ............................................................................ 144

Введение

Нанотехнология широким фронтом входит в различные отрасли современ-

ной науки и техники, воплощаясь в разнообразные практические разработки с высоким экономическим эффектом.

Нанотехнологии (от греч. «карлик») – технологии манипулирования веще-

ством на атомном и молекулярном уровне, что позволяет создавать новые мате-

риалы с заданными свойствами. В 1974 году Норио Танигучи (Япония) высказал

мнение, что понятие нанотехнология включает в себя описание процессов постро-

ения новых объектов и материалов при помощи манипуляций с отдельными ато-

мами. Это практическое использование сверхмалых величин, которые получили название наноединицы (от десяти до девяти начальной физической величины лю- бого процесса).

В России нанотехнологии начали развиваться сравнительно недавно, офи-

циально - с 2007 года. Нанотехнологические разработки в сфере биологии, меди-

цины, ветеринарии и сельского хозяйства пока еще не имеют достаточного рас-

пространения. Учитывая это, актуальным представляется изучение дисциплины

«Нанотехнологии в биохимии» магистрами направления 06.04.01 Биология по программе «Биохимия и молекулярная биология».

Учебное пособие, необходимо для освоения магистрами современных методов создания и изучения свойств нанобиоматериалов и нанобиопрепаратов с использованием нанобиотехнологий.

1 Научные и теоретические основы нанотехнологий

1.1 История развития нанотехнологий

Первое упоминание методов, которые потом будут названы нанотехнологией,

связано с известным выступлением Ричарда Фейнмана «В том мире полно места» (анг. «Theret’s Plenty of Room at the Bottom») в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического товарищества. Ричард Фейнман допустил, что возможно механически перемещать единичные атомы при помощи «манипулятора» соответствующего размера; по крайней мере, такой процесс не будет противоречить известным на сегодняшний день физическим законам. Этот «манипулятор» Ричард Фейнман предложил делать следующим образом: необходимо построить механизм, который бы создавал свою копию, но на порядок меньших размеров. Созданный меньший механизм должен снова создавать свою копию, и снова на порядок меньших размеров, и так до тех пор, пока размеры механизма не будут адекватными с размерами порядка одного атома. При этом необходимо делать изменения в таком приборе, поскольку силы гравитации, которые действуют в макромире, будут проявлять все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовые силы будут все больше влиять на работу механизма. Последний этап – созданный механизм соберет свою копию из отдельных атомов. Такие машины (нанороботы) тем же самым способом, но в обратном порядке, будут собирать макропредметы. Последние станут на порядок дешевле, поскольку будет расходоваться минимум молекул и энергии. Пока еще никто не смог опровергнуть такую возможность, как и воплотить ее в действительность.

Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танегучи в 1974 году. Он

назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980 году этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах «Машины создания: грядет эра нанотехнологии» (Engines of Creation: The Coming Era of Nanotecgnology)

и «Nanosystem: Moiecular Machinery, Manufacturing, and Computation». Центральное место в его исследованиях составляли математические расчеты, при помощи которых можно было бы проанализировать работу механизма размерами в несколько нанометров.

Нанотехнология – область прикладной науки и техники, которая имеет дело с

объектами размером меньше 100 нанометров (1 нанометр равен 10-9 метра). Нанотехнология качественно отличается от дисциплин, которые решают свои задачи в обычных масштабах измерений. Последние для нанотехнологии не могут быть использованы, а субмикроскопические явления, которыми пренебрегают в обычных масштабах, становятся определяющими – это свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул, а также квантовые эффекты. В практическом аспекте это технология производства средств и их компонентов, которые необходимы для создания, обработки и манипулирования частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет отнести ее к высоким технологиям.

При работе с такими малыми размерами проявляются квантовые эффекты и эф-

фекты межмолекулярных взаимодействий, таких как Ван-дер-Ваальсовые взаимодействия. Нанотехнология и, в особенности, молекулярная технология – новые области, еще мало исследованные. Классические методы производства подошли к своей естественной технологической и экономической границе, когда размер прибора уменьшается незначительно, а экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология – следующий логический шаг развития электроники и других наукоемкий производств.

Одним из методов, которые используются при изучении нанообъектов, явля-

ется атомно-силовая микроскопия. При помощи атомно-силовой микроскопии (АСМ) можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно влиять на них, в частности, перемещать атомы по площади. Так, в исследовательском центре IBN, последовательно перемещая атомы ксенона на поверхность монокристалла никеля, было выложено три литеры логотипа компании всего из 35 атомом.

Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может при-

обрести новые свойства, если взять малую частицу этого вещества. Частицы размером от 1 до 100 нанометров получили название «наночастиц». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов обладают очень хорошими каталитическими и адсорбционными свойствами. Другие материалы демонстрируют удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов, которые применяются при производстве солнечных батарей. Удалось добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров – бел- ками, нуклеиновыми кислотами и др. Старательно очищенные наночастицы могут выстраиваться в определенные структуры. Такая структура состоит из строго упорядоченных наночастиц и также нередко обладает необычными свойствами.

Нанообъекты подразделяются на три основных класса:

1) частички трех измерений, которые получают взрывом проводников, плазмен-

ным синтезом, восстановлением тонких пленок и т. п.;

2) частички двух измерений, которые получают методом ионного наслоения и

т. п.;

3) частички одного измерения – вискеры, которые получают методом молеку-

лярного наслоения, ионного наслоения и т п.‚ введением веществ в цилиндрические микропоры и т. п.

Также имеются нанокомпозиты – вещества, полученные импрегнацией нано-

частиц в какие-нибудь матрицы. Наиболее распространенным в данный момент является метод микролитографин, который позволяет получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм; этот метод применяется в электронике. Особенно следует отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, поскольку с их помощью возможно получение реальных монослоев.

Термин нанотехнология объединяет разные представления, подходы и методы

влияния на вещество: чаще всего приставку «нано» относят к размерам в масштабе нескольких нанометров. Один нанометр (нм) соответствует величине всего 10 атомов водорода. Бактерии измеряются несколькими сотнями нанометров, а размеры многих вирусов около 10 нм. Белковые молекулы преимущественно равны 1 нм, такую же

величину имеет спираль молекулы ДНК. Наименьшие элементы, которые способен рассмотреть невооруженный глаз человека, составляет 10 000 нм. Для сравнения, толщина человеческого волоса составляет приблизительно 50 000 нм.

Самоорганизация наночастиц. Одной из важнейших проблем нанотехнологии

является – как заставить молекулы группироваться определенным образом, самоорганизовываться, чтобы получить в результате этого новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии – супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействие между молекулами, которые, организуясь определенным образом, могут преобразовываться в новые вещества. Обнадеживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в соответствующие структуры. Один из таких примеров – белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы – структуры, которые включают несколько молекул протеинов (белков). Уже имеется метод синтеза, в котором применяются специфические молекулы ДНК для получения особых соединений с заранее заданными свойствами.

Частички размером нанометров (наночастички) имеют одно свойство, которое

мешает их использованию. Они способны образовывать агломераты, то есть слипаться одна с одной. Чтобы предотвратить это свойство наночастиц, применяют вещества-дисперсанты, в частности, цитрат аммония (водный раствор), имидазолин, олеиновый спирт (нерастворимые в воде и т.п.). Их добавляют в среду, которая содержит наночастицы.

Нанопроцессоры. 1 марта 2005 года на сайте news.com появилось сообщение,

что компании Intel создала прототип процессора, который содержит наименьший структурный элемент размером приблизительно 65 нм. В дальнейшем компания имеет намерение достичь размеров структурных элементов до 5 нм. Данный прототип использует комплементарные металл-оксидные полупроводники. Но вскоре компания имеет намерения перейти на другие материалы, такие как квантовые точки, полимерные пленки и нанотрубочки. Уже созданы рабочие образцы обычных и многоядерных процессоров с транзисторами размером 45 нм.

На сайте PhysOrg.com сообщается о перспективах использования плазмонов.

Плазмоны – коллективные колебания свободных электронов в металле. Характерной особенностью плазмонов можно считать так называемый плазмонный резонанс, впервые предвиденный в начале ХХ столетия. Длина волны, например, для сферической частицы серебра диаметром 50 нм составляет приблизительно 400 нм, что указывает на возможность регистрации наночастиц далеко за границами дифракционного предела (длина волны излучения намного больше размеров наночастиц). В начале 2000 года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления наноразмерных частиц, был дан толчок для развития новой области нанотехнологии – наноплазмоники. Оказалось возможным прерывать электромагнитные излучения вдоль цепочки наночастиц при помощи плазмонных колебаний.

В последние годы с большим успехом достижения нанотехнологии начали при-

менять в биологии и медицине. В литературе имеются лишь отдельные работы, посвященные более или менее фрагментарному изложению фундаментальных данных относительно применения элементов нанотехнологии в ветеринарной медицине. Так, например, А. А. Комисаренко и Т. В. Новосаднюк (2008) относят нанотехнологию в состав ветеринарной гомеопатии, поскольку наночастицы используются в сверхвысоких разведениях. Учитывают, что существуют зоны физико-биологических процессов, в которых отображены новые особенные свойства объектов, которые возникают в условиях наномасштаба. В данное понятие включаются процессы, связанные с самыми малыми величинами в человеческой деятельности. В этом масштабе размеров свойства металлов – проводимость, твердость или точка плавления сочетаются с такими характеристиками атомов и молекул, как корпускулярно-волновой дуализм и квантовые эффекты.

Нанонаука рассматривает все свойства структур в наномасштабе независимо от

того, являются они химическими, физическими или биологическими. С точки зрения технологии и прикладного использования уникальные свойства наномира дают основания надеяться, что проецирование в нем может дать результаты, добиться которых другими способами не удается.

1 / 151 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]