磁性纳米材料的应用.doc

磁性纳米材料的应用磁性纳米颗粒是一类智能型的纳米材料，既具有纳米材料所特有的性质如表面效应、小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应、偶连容量高，又具有良好的磁导向性、超顺磁性类酶催化特性和生物相容性等特殊性质，可以在恒定磁场下聚集和定位、在交变磁场下吸收电磁波产热。基于这些特性，磁性纳米颗粒广泛应用于分离和检测等方面。（一） 生物分离生物分离是指利用功能化磁性纳米颗粒的表面配体与受体之间的特异性相互作用（如抗原-抗体和亲和素-生物素等）来实现对靶向性生物目标的快速分离。传统的分离技术主要包括沉淀、离心等过程，这些纯化方法的步骤繁杂、费时长、收率低，接触有毒试剂，很难实现自动化操作。磁分离技术基于磁性纳米材料的超顺磁性，在外加磁场下纳米颗粒被磁化，一旦去掉磁场，它们将立即重新分散于溶液中。因此，可以通过外界磁场来控制磁性纳米材料的磁性能，从而达到分离的目的，如细胞分离、蛋白质分离、核酸分离、酶分离等，具有快速、简便的特点，能够高效、可靠地捕获特定的蛋白质或其它生物大分子。此外，由于磁性纳米材料兼有纳米、磁学和类酶催化活性等特性，不仅能实现被检测物的分离与富集，而且能够使检测信号放大，具有重要的应用前景。通常磁分离技术主要包括以下两个步骤：（1）将要研究的生物实体标记于磁性颗粒上；（2）利用磁性液体分离设备将被标记的生物实体分离出来。 细胞分离：细胞分离技术的目的是快速获得所需的目标细胞。传统的细胞分离技术主要是根据细胞的大小、形态以及密度差异进行分离，如采用微滤、超滤和超滤离心等方法。这些方法虽然操作简单，但是特异性差，而且纯度不高，制备量偏小，影响细胞活性。但是利用磁性纳米材料可以避免一定的局限性，如在磁性纳米材料表面接上具有生物活性的吸附剂或配体（如抗体、荧光物质和外源凝结素等），利用它们与目标细胞特异性结合，在外加磁场的作用下将细胞分离、分类以及对数量和种类的研究。磁性纳米材料作为不溶性载体，在其表面上接有生物活性的吸附剂或其它配体等活性物，利用它们与目标细胞的特性结合，在外加磁场作用下将细胞分离。温惠云等的地衣芽孢杆菌实验结果表明，磁性材料Fe3O4 的引入对地衣芽孢杆菌的生长没有影响；Kuhara等制备了人单克隆抗体anti-hPCLP1，利用anti-hPCLP1 修饰的磁纳米颗粒从人脐带血中成功分离了成血管细胞，PCLP1 阳性细胞分离纯度达到了95%。 蛋白质分离：利用传统的生物学技术（如溶剂萃取技术）来分离蛋白质程序非常复杂，而磁分离技术是分离蛋白分子便捷而快速的方法。基于在磁性粒子表面上修饰离子交换基团或亲和配基等可与目标蛋白质产生特异性吸附作用的功能基团, 使经过表面修饰的磁性粒子在外加磁场的作用下从生物样品中快速选择性地分离目标蛋白质。王军等采用络合剂乙二胺四乙酸二钠和硅烷偶联剂KH-550对磁性Fe3O4 粒子进行表面修饰改性, 并用其对天然胶乳中的蛋白质进行吸附分离。结果表明, 乙二胺四乙酸通过化学键合牢固地结合在磁性粒子表面, 并通过羰基与蛋白质反应, 达到降低胶乳氮含量的目的。 核酸分离经典的DNA/RNA分离方法有柱分离法和一些包括沉积、离心步骤的方法，这些方法的缺点是耗时多，难以自动化，不能用于分析小体积样品，分离不完全。使用磁性纳米材料进行核酸分离可避免这些局限。吴能表等采用氧化硅包裹的磁性纳米粒子，平均粒径为20nm 左右，在外加磁场的作用下，从细胞粗提掖中快速分离质粒DNA。结果表明，制得的磁性纳米微球表面包裹SiO2，粒径均匀，分散性良好，且具有超顺磁性和较大的比饱和磁化强度，可以很好地从细胞悬液、组织、血液等样品中分离得到高质量的核酸。 酶分离酶是一种生物蛋白质, 目前常用的酶分离方法存在的问题是酶在分离后很容易失活, 影响到它的催化活性。用磁性纳米材料分离酶可以很好地保持它的活性和稳定性, 同时也使得体系中酶的回收更加方便, 提高了酶的使用效率。Lin 等制备了用表氯醇修饰并用淀粉交联剂包覆的超顺磁性纳米颗粒，成功地将其应用于从大豆蛋白质分离淀粉酶的试验中；李梅基等通过化学共沉淀法合成纳米粒子Fe3O4磁核，以壳聚糖为包裹材料包被自制的磁核，采用乳化交联法制备了具有核-壳结构的磁性高分子微球-壳聚糖磁性微球，并偶联肝素配基得到了一种新型亲和磁性微球，并将磁分离技术应用于凝血酶的分离纯化，得到了较好的效果。（二） 生物检测磁性纳米颗粒由于其较小的尺寸、较高的反应活性、优异的磁导向性质以及这些性质的可调控性，超顺磁性、高矫顽力、低居里温度与高磁化率等特性，使其在用于蛋白质、核酸等生物分子检测方面受到广泛关注。将其结合到生物分子（如核酸、蛋白质、肽等）表面上时，产生的生物共轭物种由于尺寸依赖性和维度与生物大分子类似，很适合作为活性磁共振成像、药物释放与运输的大循环载体和组织工程的结构构架，同时又能用在分子识别和标记、DNA传感器和生物芯片中，可以利用其建立新的检测方法以改善目前检测方法所存在的缺陷。 蛋白质检测当检测目标为低含量的蛋白质分子时,不能通过聚合酶链反应对其信号进行放大,而磁性纳米材料与有机染料或是量子点荧光微球结合可以对某些特异性蛋白进行多元化检测，实现信号放大的作用。Yang等采用一对分子探针分别连接荧光光学条码（彩色）和磁珠（棕色），对DNA（顶端镶板）和蛋白质（底截镶板）生物分子进行目标分析。如果目标DNA序列或蛋白质存在，它将与两个磁珠结合在一起，形成一个三明治结构。通过磁选，光学条码可以在单磁珠识别目标水平下，通过分光光度计或是在流式细胞仪读出。通过此方法检测目标分子是基于数百万个荧光基团组成的微米尺寸光学条码信号的扩增而检测出来，其基因和蛋白的检出量可达到amol/L量级,甚至更低。 免疫检测将磁性纳米材料作为抗体的固相载体,材料上的抗体与抗原特异性结合,形成抗体抗原的复合物,在磁力的作用下,使特异性抗原与其它物质分离,克服了放免和酶联免疫测定方法的缺陷。这种分离方法具有灵敏度高、检测速度快、特异性高和重复性好等优点。 酶检测将磁性纳米材料作为酶的固相载体。主要由以下优点：（1）亲水性磁性纳米材料能够比较稳定地悬浮在水溶液中，并可在外加磁场作用下定位于某一部位；（2）作为酶的固定化载体，磁性纳米材料有利于固定化酶从反应体系中分离和回收，还可以利用外部磁场控制磁性材料固定化酶的运动和方向，从而代替传统的机械搅拌方式，提高固定化酶的催化效率；（3）磁性纳米材料作为酶的固定化载体，使固定化酶可重复使用，降低成本，可以提高酶的稳定性，改善酶的生物相容性、免疫活性、亲疏水性、分离效果及酶的回收操作。 细菌和病毒检测采用磁性纳米粒子实现对细菌和病毒的检测具有检测速度快和对人为因素不敏感等优点，检测过程不需要孵育或复杂的PCR反应，其检测限和检测效率与传统方法相比具有明显的优势。对于病毒和细菌，采用传统的方法检测，检测限只能达100cfu/mL （cfu：菌落形成单位），但将磁性纳米粒子应用到生物传感器中，可将其检测限提高到1030 cfu/mL。（三） 水处理中的离子吸附分离随着工业与经济的快速发展，水域重金属污染已经成为危害较为严重的水污染问题之一。重金属因具有毒性大、在环境中不易被代谢、易被生物富集和生物放大效应等特点，一旦未经处理而排放到自然界中，将极大地破坏生态系统，不但污染水环境，也会严重威胁水生物的生存和人类的健康。磁分离法因其独特的分离原理和诸多优点使之成为最有发展前途的新型污水处理技术之一。传统的处理技术以物理化学方法为主，将重金属进行沉淀或将其还原成低毒性的物质，然而这些处理技术一般成本较高，而且易引起二次污染；。磁性纳米材料作为一种新型的功能材料，与传统的回收或修复技术相比，由于其低成本运行、无二次污染、还可以有选择地吸附重金属离子等优点，因而是非常具有吸引力的一种选择，从而为重金属废水的处理提供了更广泛的空间。（四） 水处理中的有机物吸附分离磁性纳米粒子因其具有表面电位高、比表面积大、超顺磁性和易分离等性质，对污水中多种有机物有较强的吸附能力或螯合作用，随之借助于具有诸多优点的超导磁分离技术，可将吸附污物的纳米粒子从污水中分离出来，从而达到净化污水的目的。Zhu 等成功地合成了一种核壳结构的Fe2O3-C 磁性纳米粒子。测试结果显示，该磁性纳米粒子具有很好的疏水性以及亲油脂性，并且不易团聚。将这种磁性纳米粒子应用于含油污水的清理以及吸附水体中有机污染时，通过实验发现，该磁性纳米粒子对于油污具有很高的吸附性。同时，通过超声处理吸附油污的粒子后，磁性纳米粒子仍然保持很好的疏水性和超强的亲油性，而且可以多次循环使用。（五） 水体检测鉴于磁性纳米材料强大的功能特点以及在生化领域所取得的成功应用, 科研工作者已经尝试将磁性微球引入环境监测领域, 用于对环境中自热水体、工业废水、生活污水中部分有毒有机物、病毒、细菌的检测。Wang 等通过溶胶-凝胶法制备了以Fe3O4 为核的磁性核壳介孔氧化硅纳米材料。该纳米颗粒是具有荧光、介孔和磁性一体化的多功能材料。实验发现，该磁性核壳介孔氧化硅纳米材料对水相体系中的Hg2+离子具有很好的检测和选择吸附性。（六） 食品安全监测食品安全检测包括食品中各种致病微生物、农兽药残留、有毒有害毒素等的检测。磁性纳米粒子具有超顺磁性特性，即在有外界磁场的情况下能表现出很强的磁感应，而在没有外加磁场的情况下不表现磁感应的现象。基于磁性纳米材料的在食品安全分析中进行目标分析物的富集、分离等均是利用其超顺磁性。巫远招等在Fe3O4-Au 微粒上固定乙酰胆碱酯酶,制得磁性复合粒子。通过磁力将其吸附于涂覆了碳纳米管/纳米ZrO2/普鲁士蓝/Nafion 复合膜的丝网印刷碳电极表面, 制得一次性有机磷农药酶传感器。该传感器采用复合纳米粒子修饰电极表面，具有较高的比表面活性，响应迅速，检测限低；ZrO2 可特异性地富集样品中的有机磷，磁性纳米颗粒包被乙酰胆碱酯酶可实现磁场分离和电极表面更新，且具有高灵敏度、低样品量、一次使用可抛弃、便携式等特点，可用于蔬菜等农产品中痕量有机磷的快速、简便、准确检测。