几种典型纳米材料.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 几种典型的纳米材料,第一节 纳米金,第二节 磁性纳米粒子,第三节 量子点,第四节 其他,第一节 纳米金,一、概述,二、性质,三、制备,四、应用,一、概述,（一）概念：纳米金是指分散相粒子直径在,1,150nm,之间的金溶胶，是由金盐还原成金后形成的金颗粒悬液。又称金溶胶、胶体金或金纳米粒子。,colloidal gold,，,nano gold,gold nanoparticle,（二）纳米金颗粒结构：,由一个基础金核,(,原子金,),及包围在外的离子层构成，离子层为负离子,(AuCl,2,-,),，外层为,H+,则分散在溶液中。呈球形,(,小颗粒,),或椭圆形,(,大颗粒,),。,二、性质,A,胶体性质，特别是对电解质敏感，对试验有影响。,B,呈色性：胶体金的光散射性与溶胶颗粒的大小密切相关，一旦颗粒大小发生变化，光散射也随之发生变异，产生肉眼可见的显著的颜色变化。小：,25nm,橙黄色，中：,1020nm,酒红色，大：,3080nm,紫红色。,C,光吸收性：胶体金有单一吸收峰，光波在,510550nm,之间，随颗粒变大而偏向长波长。利用这特性，可进行吸光度检测。,D,电子密度高，最早用于电镜检测,E,密度大，介电常数大,(SPR),，生物相容性好,(IA),三、制备,柠檬酸三钠法,柠檬酸三钠,-,鞣酸法,枸橼酸钠法,鞣酸,-,枸橼酸钠法,白 磷 法,抗坏血酸法,乙醇,-,超声波法,硼酸钠法,（一）、制备方法,化学还原法,1,）取,0,、,01,氯金酸,(HAuCl,4,),水溶液,100ml,加热至沸，搅动下准确加入柠檬酸三钠,(Na,3,C,6,H,5,O,7,.2H,2,O),水溶液,0.7ml,，金黄色的氯金酸水溶液在分钟内变为紫红色，,2,）继续煮沸,15,分钟，冷却后以蒸馏水恢复到原体积，,3,）如此制备的金溶胶其可见光区最高吸收峰在,535nm,，,1cm,/,535,=,1.12,。,金溶胶的光散射性与溶胶颗粒的大小密切相关，一旦颗粒大小发生变化，光散射也随之发生变异，产生肉眼可见的显著的颜色变化，这就是金溶胶用于免疫沉淀或称免疫凝集试验的基础。,1,、柠檬酸三钠法,HAuCl,4,H,2,O,100,O,C,Cit,-,Cit,-,Cit,-,Cit,-,Cit,-,Cit,-,（,1,）,10nm,胶体金粒的制备：取,0.01,HAuCl4,水溶液,100ml,，加入,1,枸橼酸三钠水溶液,3ml,，加热煮沸,30min,，冷却至,4,，溶液呈红色。,（,2,）,15nm,胶体金颗粒的制备：取,0.01,HAuCl4,水溶液,100ml,，加入,1,枸橼酸三钠水溶液,2ml,，加热煮沸,15min,30min,，直至颜色变红。冷却后加入,0.1Mol/LK2CO30.5ml,，混匀即可。,（,3,）,15nm,、,18nm,20nm,、,30nm,或,50nm,胶体金颗粒的制备：取,0.01,HAuCl4,水溶液,100ml,，加热煮沸。根据需要迅速加入,1,枸橼酸三钠水溶液,4ml,、,2.5ml,、,1ml,或,0.75ml,，继续煮沸约,5min,，出现橙红色。这样制成的胶体金颗粒则分别为,15nm,、,18,20nm,、,30nm,和,50nm.,3,、枸橼酸三钠法,1,）,A,液：,1,HAuCl4,水溶液,1ml,加入,79ml,双馏水中混匀。,2,）,B,液：,1,枸橼酸三钠,4ml,，,1,鞣酸,0.7ml 0.1Mol/LK,2,CO,3,液,0.2ml,，混合，加入双馏水至,20ml.,3,）将,A,液、,B,液分别加热至,60,4,）在电磁搅拌下迅速将,B,液加入,A,液中，溶液变蓝，继续加热搅拌至溶液变成亮红色。,此法制得的金颗粒的直径为,5nm.,如需要制备其它直径的金颗粒，则按表,15-1,所列的数字调整鞣酸及,K,2,CO,3,的用量。,4,、枸橼酸三钠,-,鞣酸法,金粒直径（,nm,）,A,液,B,液,1,HAuCl4,双馏水,1,枸橼酸三钠,0.1Mol/LK2CO3,1,鞣酸,双馏水,5,1,79,4,0.20,0.70,15.10,10,1,79,4,0.025,0.10,15.875,15,1,79,4,0.0025,0.01,15.9875,鞣酸,-,枸橼酸钠还原法试剂配制表,（二）、注意事项,方 法 金颗粒直径,白 磷 法,512nm,抗坏血酸法,813nm,枸橼酸钠法,1695nm,柠檬酸钠法,16147nm,乙醇,-,超声波法,610nm,硼酸钠法,25nm,鞣酸,-,枸橼酸钠法,15nm,还原剂不同，胶体金颗粒大小及特性不同,还原剂相同但用量不同，金颗粒大小也不同,一般,5nm,以下适用于组化法,Ag,、,Ab,检测,520nm,适用于标记体液中,Ag,、,Ab,检测，,20nm,以上适用于免疫沉淀试验。,：,不同直径的胶体金有不同的适用范围,制备过程中不能使用金属容器，因氯金酸对金属有强烈的腐蚀性。另外由于氯金酸极易吸潮，应注意试剂保存。,金颗粒容易吸附于电极上使之堵塞，所以不能用,pH,电极直接测定金溶液的,pH,值。,应选,用缓冲容量足够大的缓冲液,(,例如,PEG20000,液,),稳定胶体金后再测定或保存。,要得到大小更均匀的胶体金颗粒，可采用甘油或蔗糖密度梯度离心。,胶体金具有很高的动力学稳定性，在稳定因素不受破坏时自身凝聚极慢，可放置数年。影响因素有：电解质、溶胶浓度、,pH,、温度。,1,成核过程,成核过程是,液相纳米晶体生长的起始过程。,晶体生长过程主要分为,成核控制,和,扩散控制,。,对于很小的晶体，,可能不存在位错或其它缺陷,，生长是由分子或离子一层一层地沉积进行的。因此，,对于,成核控制,的晶体生长，,成核速率,可看作是,晶体生长速率。,当晶体的某一层长到足够大时，,溶液中的离子在完整表面上不能找到,有效吸附点,而使晶体的生长停止,，这时，,单个表面晶核和溶液,之间形成,不稳定状态,。,（三）、形成过程,2,生长过程,生长阶段一般是,扩散控制机理,。,从溶液相中生长出晶体，首要的问题是,溶质必须从过饱和溶液中运送到晶核表面，并按照晶体结构排列,。,若这种,运送受速率,控制，则,扩散和对流,将会起重要作用。,当晶体粒度不大于,10m,时，在,正常重力场或搅拌速率很低,的情况下，,晶体的生长机理为扩散控制机理,。,在生长过程中反应主要在,动力学生长和热力学生长,的平衡下进行。,当反应温度较,高,，单体浓度低时，,反应基本,受热力学生长控制,；,而当反应温度,低,，单体浓度高时，,反应受,动力学生长控制,。,动力学生长,过程中影响晶体生长的主要有五个因素：,晶体内在表面能,(,和动力学,能垒,G,直接相关,),，,反应温度,，,前驱液单体浓度,，,修饰基分子和反应时间,。,四、应用,（一）,胶体金标记技术,（二）,增强表面等离子体共振检测（,SPR,）,（三）,表面增强拉曼散射检测（,SERS,）,（四）,增强电化学中压电检测信号（,QCM,）,（一）胶体金标记技术,免疫胶体金技术,是以胶体金作为示踪标志物应用于抗原抗体的一种新型的免疫标记技术。,胶体金标记,实质上是蛋白质等高分子被吸附到胶体金颗粒表面的包被过程。,一些概念,1939-,雏形,Kausche,等把烟草花叶病毒吸附到金颗粒上在电子显微镜下观察金离子呈高电子密度。,1971-,作为标记物应用于免疫组织化学研究,Faulk,等首先将兔抗沙门菌抗血清与胶体金颗粒结合，用直接免疫细胞化学技术检测沙门菌的表面抗原。,1974-,实现间接免疫金染色法,Romano,将胶体金标记到马抗人的,IgG,上，实现了间接免疫金染色法,胶体金技术发展,快速免疫金渗滤法,(colloidal gold immuofiltration assay,GIFA),即穿流式,(flow through),的固相膜免疫测定。,主要由两部分组成：膜渗滤装置和标记结合物。前者为一塑料小盒，其中填满吸水性物质，面上紧贴放置一片吸附有抗体,(,以双抗体夹心法测抗原为例,),的硝酸纤维膜，标记结合物为免疫金。,A,：金标记抗体,B,：标本中的抗原,C,：包被抗体,D,：,NC,膜,E,：吸水材料,F,：塑料盒,胶体金技术类型,免疫层析法,(colloidal gold immunochromatogra-phy,，,GICA),是继,GIFA,之后发展起来的另一种固相膜免疫测定，与,GIFA,利用微局限性膜的过滤性能不同，免疫层析法中滴加在膜一端的样品溶液受膜的毛细管作用,(,基于层析作用的横流（,lateral flow,）,),向另一端移动。移动过程中被分析物 与固定在膜上某一区域的受体,(,抗原或者抗体,),结合而被固相化，无关物质则越过该区域而被分离，然后通过标记物显色来判定试验结果，以胶体金为标记物的实验称为胶体金免疫层析试验。,胶体金免疫色谱试纸,加样区,反应区,吸附区,将经由加样区而来的剩余的样品、胶体金,吸附在其中。该区提供色谱分析的动力。,样品垫,加样区,胶金垫,与样品中待测物反应,玻璃纤维素,硝酸纤维素膜,检测线,检测此处抗原,/,体与胶体金的反应,质控线,检测胶体上包被蛋白的活性,滤纸或类似吸水纸的材料,双抗体夹心法,竞争抗体法,阳性,阴性,阳性,阴性,无效,样品垫,(Sample pad),：,玻璃纤维、聚酯膜、纤维素滤纸、无纺布等多种材质，多种规格，批间稳定。,作用：,减缓样品渗透速度，有利于样品在结合垫上均匀分布；,去除样品中杂质颗粒；,调节样品液,pH,值或粘度等。,样本垫可使用化学物质进行浸渍处理，从而减少样本差异，提高试验的灵敏度。通常可以将洗涤剂、粘性增强剂、阻滞剂及盐渗入样本垫然后加以干燥，该工艺可避免使用复杂辨识剂,/,追迹缓冲液的麻烦，使检测一步完成。,胶金垫,(Conjugate pad),：,玻璃纤维、聚酯膜、纤维素滤纸、无纺布等多种材质，多种规格，批间稳定。,结合垫的作用主要为：,-,吸附一定量的金标结合物颗粒；,-,吸附并持续不断的将样品转移到,NC,膜上；,-,保持金标结合物颗粒的稳定性；,-,保证金标结合物颗粒定量完全释放等。,硝酸纤维素膜,(Nitrocellulose),：,推荐使用,Millipore,，,MDI,，,S&S,，,whatman,等国外公司的硝酸纤维素膜。,NC,膜的作用：,-,在检测线和对照线条带区域固定抗体；,-,样品在,NC,膜上流动并与试剂混合发生免疫反应；,-,反应在,NC,膜上显色，读检测结果,NC,膜的重要参数：,孔径、对称性、层析速度、表面活性剂、蛋白结合力、强度、表面质量、厚度、批间均一性等。,硝酸纤维素膜与蛋白结合的原理,主要有两种假说：,1,）首先两者靠静电作用力结合，然后靠,H,键和疏水作用来维持长时间结合。,2,）首先两者靠疏水作用结合，然后靠静电作用来维持长时间结合。两条假说，都表明其结合过程分为两步，首先结合和后面长时间结合。由于结合原理的不明确性，导致在这方面的工作非常依赖实践经验。,硝酸纤维膜的选择,膜的分类标准,(m,和,s),m:,指的是膜孔径，,s:,以秒为单位的定义为，每,4cm,膜，水的层析时间是*,s.,换算情况大致为：,8um=135s,；,6um=180s,不同秒数的膜对反应的影响,通过速度越快和包被在,T,线的物质反应时间也就越短，读数快，那么灵敏度也就越低。反之，反应时间长，读数慢，也就灵敏度高。同时还有一个问题是，反应时间越长，发生非特异性结合的可能性就越大，所以过长时间的反应不一定就能够真正的提升灵敏度。,135s,一般用在双抗体夹心法，,180s,一般用在竞争法,.,如何选择,物理性能,膜的物理性能主要是,2,个参数，膜厚度和宽度,厚度不均匀影响生物原料在膜上的扩散性能，点出来的,C/T,线宽窄不一，另外也影响爬速；,宽度,(,检测区的长度,),和爬速及灵敏度的关系,跑水性能,注入足够溶液到槽内，将不同批次膜每隔,1cm,做一次标记（总长大于,4cm,）并放到倾斜支架，整个支架下端放入溶液槽，膜开始吸液，计时。记录每个标记处的通过时刻，并与对照组比较。跑板时，理论上溶液呈水平线形式上吸，观测是否有波浪倾斜或包围润湿等反常现象。,点样测试,C/T,线出线时间和灵敏度,片材：,不干胶塑料衬底，片材的质量很大程度上影响了产品的货架期。,吸收垫,(Absorbent Pad),：,提供高吸收率、高容量以及相对稳定吸收率的吸收纸；,吸收纸的作用：,主要表现在控制样品的流速，促进虹吸作用以及使试剂跨过膜而不仅仅移到膜上。,研究和应用,胶体金法检测,HEV-IgM,胶体金法检测,TB-Ab(,双抗原夹心法,),优点,：,检测方法简单而快速，数分钟即可得出结果；,不需仪器设备，操作人员不需特殊训练；,试剂稳定，适用于单份测定；,无污染。,GICA,的特点是单一试剂，一步操作。小型实验室即有条件开发生产。,干燥包装的试剂可在室温保存一年以上。,成为目前,“,病人身边检验,”,（,point-of-care testing,，,POCT,）中广为应用的方法。,胶体金技术特点,最近由于原料的精选和制作工艺的改进，已能制备出可用于定量测定的,GICA,试剂。,Roche,公司生产的用于急性心肌梗死诊断的肌钙蛋白和肌红蛋白的,GICA,试剂和匹配的简便测读器,Cardiac Reader,，其精密度和准确性均符合定量测定要求。,不足：,金免疫测定中应用的是单份试剂，难于进行质量控制。即使是同一批生产的试剂，也很难保证每个试剂的同一性。因此金免疫测定一般只能用于定性试验。,其定量检测和灵敏度的提高还有赖于新原料和新材料的开发与应用。,1.,标记原理：表面带负电荷的胶体金与蛋白质的正电荷基团因静电吸附而结合。,胶体金,+Ag/Ab,金标,Ag/Ab(Ag*/Ab*),2.,标记步骤：,调节金溶胶至所需,pH,(,用,0.2mol/LK,2,CO,3,或,0.1mol/LHCl),加入蛋白质溶液,(100ml:23ml),，搅拌,加入,5ml 1%PEG20000,溶液,离心分离,3060min(,胶体颗粒不同则离心条件不同,),沉淀悬浮于含,0.20.5mg/ml PEG20000,的缓冲液中。,免疫胶体金的制备,3.,免疫金的纯化和鉴定：,纯化：,A,超速离心：速度根据直径和蛋白的不同而不同。,5.9nm,胶体金,-SPA,，用,50000g,，而,15.5nm,胶体金,-SPA,，用,15000g,。,B,密度梯度离心。,C,凝胶过滤或层析：对洗脱液、,pH,、流速均有不同要求。,鉴定：,A,电镜观察测定颗粒大小,B,测定反应特异性和敏感性。,4.,免疫金制备注意事项：,在,pH,接近或略高于蛋白质等电点时标记，可使蛋白质在金颗粒表面的吸附量最大。需要提高胶体金的,pH,值时可用,0.1mol/LK2CO3,，需要降低胶体金的,pH,值时可用,0.1mol/L HCl,。测定金溶液的,pH,可能损害,pH,测定计的探头，因此，一般用精密的,pH,试纸测定其,pH,即可,.,蛋白质溶液应避免磷酸根和硼酸根等盐类离子的存在，因为它们可被吸附在金表面而影响对蛋白质的吸附，并可死溶胶沉淀，所以应在标记前对低离子强度的水透析去盐。,免疫金的稳定性随溶液,pH,而变化，,pH,接近或略高于蛋白质等电点时较稳定。,免疫金的保存通常需加入稳定剂，蛋白质、葡聚糖、,PEG20000,、明胶等均是良好的稳定剂,。,常用几种蛋白质标记时胶体金所用的,pH,值,1.,斑点金免疫渗滤试验,2.,斑点金免疫层析试验,3.,免疫金银染色法（,IGSS),4.,凝集试验,5.,在电镜水平的应用：金颗粒有高等的电子密度。,免疫测定,早期应用,组织或细胞成分或受体研究，如植物血凝素受体定位,多肽类激素的定位研究，如小鼠海马免疫反应神经元中缩胆囊素、小鼠垂体前叶生长激素,酶的研究，如猪肾上腺皮质细胞色素,P450,肿瘤或疾病相关抗原的定位检测，如小鼠乳腺癌病毒抗原（,MMTV,）,组织细胞形态发生研究,Figure 7.Light scattering images of three different cells after incubation with anti-EGFR antibody conjugated gold nanospheres.,Nano Lett.,2005,5(5),829-834,Anal.Chem.,2008,80(15),5951-5957,Figure 11.TIR uorescence images of HeLa cells incubated(a)in pure medium,(b)in the medium with free GNPs,(c)in the medium with BSA conjugated GNPs,and(d)in the medium with anti-EGFR antibody conjugated GNPs.,J.Biomed.Opt.,2007,12(3),034007,Nano Lett.,2005,5(4),709-711,J.Am.Chem.Soc.,2001,123(32),7961-7962,Science 289,1757(2000),J.Am.Chem.Soc.2001,123,5164-5165,（二）增强表面等离子体共振检测,（,SPR,）,表面等离子体共振,(surface plasmon resonance,SPR),是一种敏感的表面分析分析技术，它是通过分子吸附在重金属膜上引起介电常数的变化来进行检测。,20,试剂,90,年代以来，广泛用于生物分子、药物分子相互作用的研究。,然而，常规的,SPR,测试不能检测到折射系数的微小变化，限制其在超敏感检测中的应用。,纳米金由于其易于制备、密度高、介电常数打及良好的生物相容性等特点，已被广泛用于增强,SPR,响应。（,J.Am.Soc.2000,122,9071,）,SPR,响应的增加是金膜表面质量、纳米金的介电常数、纳米金与金膜之间电磁耦合等因素作用的综合结果。,J.Am.Chem.Soc.2000,122(38),9071-9077,（三）表面增强拉曼散射检测（,SERS,）,表面增强拉曼散射（,SERS,），是在普通的拉曼散射的基础上发展起来的一种技术。,一些分子被吸附到适合的粗糙金属表面上时，它们的拉曼信号会增加,10,4,10,7,倍，极大提高拉曼信号的强度。,纳米金就可以增强拉曼散射的信号，利用其可进行,DNA,的检测。（,science 2002,297,1563,）,Science 2002,297,1536,（四）增强电化学中压电检测信号（,QCM,）,压电检测法是一种利用石英晶体微天平（,QCM,）进行测量的电化学检测法。,QCM,是通过测定振子的基频共振频率的变化来检测微小质量的变化，检测灵敏度高一般可达纳克级，且重现性较好，在测定,DNA,的固定、杂交等方面有广泛应用。（,Chem Commun 2000,953;Chem Commun 2000,1025,）,与小分子物质相比，纳米金的质量较大，因而得到的振荡频率的变化也大，从而提高了检测灵敏度。,Chem.Commun.2000,953,954,Chem.Commun.2000,1025,1026,Anal.Chem.2001,73(18),4450-4456,（一）免疫金标记技术应用的深入,免疫金电镜的应用新进展,细胞分选标记物,免疫印迹技术,生物传感器,快速诊断技术,复合金属纳米探针,Cui,等以银为核、金为壳，利用晶种生长法合成出,AgcoreAushell,的核壳型纳米粒子，并将这种复合金属纳米粒子表面通过共价作用修饰上抗体使其成为探针。当样品中的抗原与固定在硅片上的抗体反应后再与,AgcoreAushell,探针发生特异反应形成三明治结构的复合物。利用,表面增强拉曼散射光谱,(SERS),检测抗体和抗原之间的特异性作用，为金标试纸的仪器检测开辟了道路,左图是该方法的模拟图。,（二）免疫原性应用,半抗原载体应用,免疫增强佐剂作用,免疫治疗剂作用,（三）其他,微波增强胶体金标记效果,电解方法制备纳米金属粉末,荧光增强机理,在芯片检测中的应用前景,展望,进一步提高检测灵敏度,实现检测多元化,临床医学诊断和病理研究,分子水平上研究和理解病变的机理,实现可定向输送和释放的靶向性药物,结论,胶体金独特的理化特性及作为标记物的独特优点使其在生物医学研究的各个领域得到广泛应用。,第二节 磁性纳米粒子,一、概述,二、性质,三、制备,四、应用,一、概述,磁性是物质的基本属性之一。磁性的产生是由围绕核外运动的电子绕核旋转和自传产生磁矩的结果。磁场对处于其中的许多物质都有作用，使其磁化。磁化了的物质即磁介质也会产生附加磁场，从而对磁场产生影响。实验表明，不同的磁介质对磁场的影响是不同的。假设没有磁介质某点的磁感应强度为,B,0,放入磁介质后因磁介质被磁化而产生的附加磁感应强度为,B,那么该点的磁感应强度,B,应为这两个磁感应强度的矢量和，即,B=B,0,+B,。根据,B,相对于,B0,的方向以及强弱，可将磁介质分为三种：,1,B,与,B0,方向相同，使得,B B0,，称为,顺磁质,2,B,与,B0,方向相反，使得,BB0,，,BB0,，称为,铁磁质,顺磁质和抗磁质的,B,对原磁场影响比较微弱，统称为弱磁物质。,磁性纳米粒子是指大小在纳米尺度的磁性材料，如,Fe,2,O,3,和,Fe,3,O,4,等的纳米粒子等，具有顺磁性，在外加磁场的作用下产生的磁矩与外加磁场一致，进而受外加磁场的吸引。磁性纳米材料可分为有机磁性纳米材料和无机磁性纳米；前者的代表是有机磁性高分子材料，后者主要是铁、钴、镍、锰、铂及其合金和氧化物等。,磁性纳米粒子具有以下优势：,（,1,）粒径小，能够有效进入细胞等生物体系内部；,（,2,）比表面积大，与生物物质结合效率高；,（,3,）磁性强，磁操纵和分离方便；,（,4,）具有超顺磁性，即在无外加磁场时无剩磁，可避免纳米粒子间因磁性吸引相互团聚而带来的分散困难,二、性质,超顺磁性,高矫顽力,低居里温度,高磁化率,超顺磁性,超顺磁性,:,纳米微粒尺寸小到一定临界值时，各向异性能也减少到与热运动能可相比拟，磁行方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁性的临界尺寸是不同的。例如,a,Fe,，,Fe,3,O,4,和，,Fe,2,O,3,等粒径分别为,5nm,，,16nm,和,20nm,时变成超顺磁体这时磁化率,c,不再服从居里一外斯定律,c,=C,(T-Tc),例如粒径为,85nm,的纳米,Ni,微粒，,c,服从居里一外斯定律，而粒径小于,15nm,的,Ni,微粒，矫顽力,Hc0,，这说明它们进入了超顺磁状态。,高矫顽力,矫顽力,纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的桥顽力,C,例如，用惰性气体蒸发冷凝方法制备的,Fe,纳米微粒。,随着颗粒变小饱和磁化强度有所下降，但矫顽力却显著地增加，在,.5K,时达,1.2710,5,A/m,。室温下，,Fe,的矫顽力仍保持,10,4,A/m,而常规的,Fe,块的矫顽力为,80A/m,。,高矫顽力的起源,有两种解释：一致转动模式和球链反转磁化模式,一致转动磁化模式基本内容是：当粒子尺寸小到某一尺寸时，每个粒子就是一个单磁畴，例如对于,Fe,和,Fe,3,O,4,单磁畴的临界尺寸分别为,12nm,和,40nm,。每个单磁畴的纳米微粒实际上成为一个永久磁铁，要使这个磁铁去掉磁性，必须使每个粒子整体的磁矩反转，这需要很大的反向磁场，即具有较高的矫顽力许多实验表明，纳米微粒的,Hc,测量值与一致转动的理论值不相符合,也有人认为，纳米颗粒的高矫顽力来源应用球链反转磁化模式来解释，即由于静磁作用球形纳米,Ni,微粒形成链状，计算结果与实验值可比拟，略大于实验值，修正后，可定性解析高娇顽力。,低居里温度,居里温度,是物质磁性的重要参数，通常与交换积分,Jc,成正比，并与原子构型和间距有关。对于薄膜，理论与实验研究表明，随着铁磁薄膜厚度的减小，居里温度下降。对于纳米微粒，由于小尺寸效应和表面效应而导致纳米粒子的本征和 内禀的磁性变化，因此具有较低的居里温度。,例如体相,Ni,的居里温度为,631K,；,85nm,粒径的,Ni,微粒为,623K,；而,18nm,粒径的,Ni,粒子为,573K,。,超顺磁性颗粒的居里温度，随粒径的下降有所下降,。,居里温度,:,是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里温度时,该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为,10,-6,。,超顺磁状态,:,指当磁性颗粒很小时,(,处于纳米级,),常温下也可以呈现出磁极的随意性,这种状态叫做超顺磁状态,.,高磁化率,纳米微粒的磁性与它所含的总电子数的奇偶性密切相关，每个微粒的电子可以看成一个体系，电子数的宇称可为奇或偶。一价金属的微粉，一半粒子的宇称为奇，另一半为偶，两价金属的粒子的宇称为偶，电子数为奇或偶数的粒子磁性有不同温度特点。,电子数为奇数的粒子集合体的磁化率服从居里一外斯定律，,c,=C/(T-Tc),量子尺寸效应使磁化率遵从,-3,规律,;,电子数为偶数的系统,c,k,B,T,并遵从,规律。,纳米磁性金属的工值是常规金属的,20,倍。,三、制备,要求,:,具有高的比饱和磁化强度,有利于靶向 操控,.,具有低的剩余磁化强度,避免磁性团聚,.,具有较小的粒径和较好的单分散性以使其具有均一的物理化学及生物学性能,.,通常与高分子材料结合为核,-,壳型结构,.,物理法,机械球磨法；耗时长、粒径不均一,生物法,从各种生物体中提取；可控性差,化学法,均相法：共沉淀法、高温分解法,非均相法；微乳液法、凝胶,-,溶胶法、,超声化学法、激光分解法,方法,（一）共沉淀法,原理：在水溶液中同时水解二价和三价的铁离子来实现磁性,Fe,3,O,4,纳米粒子的制备。,1,、以,Fe,2+,为水解反应原料，同时采用不同种类的氧化剂在,Fe,2+,水解的同时，将其部分氧化成,Fe,3+,，最后得到相应产物。,2,、以,Fe,3+,为水解反应原料，同时采用不同种类的还原剂将,Fe,3+,部分还原成,Fe,2+,，最后得到相应产物。,3,、同时水解按一定比例混合的,Fe,2+,和,Fe,3+,J Colloid Interface Sci 1980,74,227,J Colloid Interface Sci 1999,215,190,Chem Mater 1996,8,2209,Chem Mater 2003,15,1617,共沉淀法具有实验操作简便，反应条件温和等特点。然而由于铁在自然界存在多种氧化物和氢氧化物，而且相互之间很容易转化，因此在水溶液中通过水解的方法来制备磁性纳米粒子，其产物组成的控制是该方法面临的重要问题，所得产物往往是铁氧化物和铁氢化物的混合物。,此外在制备过程中粒子的成核和生长过程受复杂水解平衡反应的控制，因此得到的粒子普遍存在尺寸分布较宽的缺点。,（二）高温分解法,原理：在高沸点溶剂中加热分解有机金属化合物来制备纳米粒子的一种方法。,将反应原料,(,一般为易分解的有机金属化合物,),快速注入含有表面活性剂的高温溶剂中实现纳米粒子的快速成核，再通过对反应温度的和时间的控制得到不同尺寸的同时又具有较窄粒度分布的纳米粒子。,将反应原料在低温下预先混合，然后缓慢加热至反应开始，在粒子的生长过程中不断补加反应原料来维持体系中恒定的过饱和浓度，最后可得到窄粒度分布的粒子。,粒度范围,10%,5%,高温分解法制备的磁性纳米粒子具有粒度分布窄、尺寸和形貌可控、避免水参与反应等特点。但粒子的疏水性却大大限制了它们在生物医学领域的应用,。,J.Am.Chem.Soc,1999,121,11959,J.Am.Chem.Soc,2000,122,8581,J.Am.Chem.Soc,2001,123,12798,J.Am.Chem.Soc,2002,124,8204,J.Am.Chem.Soc,2004,126,273,Science,2001,291,2115,Nature Materials,2003,2,88,（三）微乳液法和反相胶束法,该法是利用水、油和表面活性剂三元体系形成的微乳液和反向胶束作为反应场来制备纳米粒子的方法。将两种互不相溶的液体，在表面活性剂作用下形成的热力学稳定、各向同性、外观透明或半透明、粒径,1100nm,的,“,油包水,”,分散体系。可将每个水相液滴看作一个微型反应器，通过控制胶束及液滴的形态、结构、极性等性质，可望从分子规模来控制粒子的大小、结构、特异性等。,表面活性剂作用：,一方面可有效的阻止纳米粒子的聚集和进一步生长；从而实现对粒子尺寸的有效控制，另一方面可以为粒子提供可溶性或可分散性；再次，表面活性剂的形状和极性的大小对胶束的形状有着重要影响，这为制备各种形貌的无机纳米粒子提供了可能。,Nature materials,2003,2,1983,Langmuir 2003,19,9486,Adv.Mater.2003,15,1761,J.Phys.Chem.B 2004,108,2200,该法在磁性纳米粒子的尺寸分布及其形貌控制方面体现出一定的优势，但所得到的粒子往往在结晶度和磁响应性能等方面还有待提高。,（四）超声化学法,该法是利用超声波的空化作用瞬间所产生的高温（,500O0,）、高压（,20MPa,）以及极高的冷却速率（,10,10,K/S,）等极端条件促使氧化、还原、分解和水解等反应的发生来制备纳米粒子。,Suslick,等人采用聚乙烯基吡咯或油酸作为稳定剂防止团聚，将,Fe(CO)5,在辛醇中用高强度超声分解，制得了,3,8nm,的无定形,Fe,与,FeO,超顺磁性纳米粒子。进一步的，,Ulman,等人用超声方法在超声制得的,-Fe2O3,外包裹上十八烷基硅烷（,OTHS.CH3(CH2)17SiH3,），结果发现由于晶型的改善，纳米粒子的磁性明显增强,。,J.Am.Chem.Soc,1996,118,11960.,Langmuir,1998,14,1512.,Langmuir,1999,15,1703.,Chem.Mater.,2002,14,1778.,Chem.Mater.,2003,15,1378.,J Mater Chem.,2004,14,944.,可见此种制备方法简便易行，产率高，但产物的粒径和形貌不太均一，此外产物在结晶度方面存在较低的原因,。,（五）其他方法,激光分解法,J.Appl.Phys.1996,79,5063,J.Appl.Organometal Chem.2001,15,365,电化学沉积法,Chem.Mater.1999,11,141,g,射线辐射法,Chem.Mater.2002,14,1048,细胞筛选,细菌、病毒,分离检测,核酸蛋白质,分离富集,肿瘤治疗,靶向药,物输送,疾病诊断,应用,四、应用,（一）在分离中的应用,原理：利用外磁场从混合物中分离与磁性纳米粒子表面发生识别作用的物质。,方式：,移去上清液,（,a,）,磁场,液体流动,移去磁场,液体流动,液体流动,（,c,）,（,b,）,NuFeB,永磁铁,1,、细胞,细胞磁免疫分离方法是细胞生物学和药学研究中的重要方法之一。,大量的磁免疫分离都是基于磁性纳米粒子或球表面的抗体与抗原或粒子表面的配体与受体之间的相互作用来实现细胞的快速分离。,有直接和间接法：直接法就是直接用偶联有抗体的粒子加入带分离体系，从而分离细胞；间接法是用链霉亲和素或二抗的粒子，来分离细胞。,重要应用：,通过出去肿瘤患者骨髓夜中的肿瘤细胞来辅助肿瘤的放射疗法。,实现,CD34+,细胞（干细胞）的选择性分离,细胞磁分离技术优点：,磁性载体与细胞识别的过程基本可以保证不破坏被识别的细胞的形态，同时也不影响非识别细胞。,分离纯度可达,95%,99%,不影响细胞的功能和活性，经分离的细胞存活率可达,90%,左右,分离操作方便、快捷,与常用的磁性微球相比：,较小的尺寸可以避免与细胞识别时对细胞产生机械应力,可缩短孵育时间，加快分离流程,磁性纳米粒子形成稳定胶体分散体，不发生聚集和沉淀,具有生物相容性,Nature,1977;268:437-440.,Science,1980;208:364-368.,Immunol,1997,159:3247.,Anal.Chem.,2006;78:2918-2924.,2,、细菌和病毒的检测与分离,四大食品中的细菌：,大肠杆菌,O157,、李斯特、沙门氏、志贺氏,2003 SARS,2004,禽流感,2008,手足口病,常规的检测方法其检测限通常只达到,100cfu/mL,：,建立高效、快速、灵敏的细菌、病毒检测方法显得尤为紧迫,Anal.Chem.,2004;76:4806-4810.,Chem.Commun.,2003;15:1966-1967.,J.Am.Chem.Soc,.2003;125:15702-15703.,J.Am.Chem.Soc.,2007;129:13392-13393.,3,、蛋白质和核酸的分离与检测,蛋白质和核酸的分离式生物技术中一项艰巨而繁重的任务，然而到目前为止，还没有一种成熟和完善的可以把任一组分从复杂生物混合体系中分离出来的方法。,常用方法：离心、电泳、亲和层析等,磁流体中的磁性纳米粒子在外磁场作用下通常可自发的形成间距从亚微米到,100,微米的规则排列的磁柱，可用来分离不同分子量的,DNA,。,表面修饰有次氮基三乙酸的磁性纳米粒子为载体，在,Ni2+,参与下实现对带有,His,残基的蛋白质的分离。,Science.,2002;295:2237.,J.Am.Chem.Soc,.2004;126:3392.,J.Am.Chem.Soc,.2002;124:4208.,Science.,2003;301:1884.,J.Am.Chem.Soc,.2004;126:5932.,Angew.Chem.Int Ed.,2001;40:17.,Angew.Chem.Int Ed.,2003;42:2372.,（二）靶向药物输送中的应用,所谓靶向药物技术就是利用药物载体的,pH,敏、热敏、磁性,等特点在外部环境的作用下对病变组织实行定向给药。磁性纳米粒子具有粒径小、毒性低、在磁场中有较好响应等特点。这种特性使得载药的磁性微粒在体内不聚集,不堵塞血管,能够均匀分布并扩散到靶区,产生治疗作用，是当前药物载体的研究的热点。通过对磁性粒子表面功能化,在外加磁场的作用下,将药物载至预定区域,实现靶向给药技术，从而提高药物的效用,减少其毒副作用。特别是顺磁性或者超顺性的