納米氧化鐵材料

1、納米氧化鐵材料班級：材料化學(xué)091班姓名：林賺 學(xué)號：091304101摘要：氧化鐵納米粒子是一種新型的磁功能材料，被廣泛應(yīng)用于生物、材料以及環(huán)境等眾多領(lǐng)域。本文介紹了超順磁氧化鐵納米粒子的制備方法，比較了各種方法的優(yōu)缺點；評述了 磁性氧化鐵納米粒子在細胞、蛋白質(zhì)和核酸分離及生物檢測中的應(yīng)用，對多功能復(fù)合磁性氧 化鐵納米粒子的構(gòu)建，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用具有的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：超順磁性氧化鐵納米粒子；制備；生物分離；生物檢測1引言磁性納米粒子是近年來發(fā)展起來的一種新型材料，因其具有獨特的磁學(xué)特性，如超順磁 性和高矯頑力，在生物分離和檢測領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。同時，因磁性氧化鐵納米粒 子具有

2、小尺寸效應(yīng)、良好的磁導(dǎo)向性、生物相容性、生物降解性和活性功能基團等特點，在 核磁共振成像、靶向藥物、酶的固定、免疫測定等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景。但 由于其較高的比表面積，強烈的聚集傾向，所以通常對其表面進行修飾，降低粒子的表面， 能得到分散性好、多功能的磁性納米粒子。對磁性納米粒子的表面進行特定修飾，如果在修 飾后的粒子上引入靶向劑、藥物分子、抗體、熒光素等多種生物分子，可以改善其分散穩(wěn)定 性和生物相容性，以實現(xiàn)特定的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。此外，適當?shù)谋砻嫘揎椈虮砻婀δ芑€可 以調(diào)節(jié)磁性納米粒子表面的反應(yīng)活性，從而使其應(yīng)用在細胞分離、蛋白質(zhì)純化、核酸分離和 生物檢測等領(lǐng)域。2磁性氧化鐵納米粒

3、子的合成方法磁性納米粒子的制備是其應(yīng)用的基礎(chǔ)。目前已發(fā)展了多種合成和制備方法，如共沉淀法、 水熱合成法、溶膠凝膠法和微乳液法等，上述方法均可制備高分散、粒度分布均勻的納米粒 子，并能方便地對其表面進行化學(xué)修飾。在這些合成方法當中，共沉淀法是水相合成氧化鐵納米粒子最常用的方法。該方法制備 的磁性納米顆粒具有粒徑小，分散均勻，高度生物相容性等優(yōu)點，但制得的顆粒存在形狀不 規(guī)則，結(jié)晶差等缺點。通過在反應(yīng)體系中加入檸檬酸，可得到形狀規(guī)則、分散性好的納米粒 子。利用這種方法合成的磁性納米材料被廣泛應(yīng)用在生物化學(xué)及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。微乳液法 制備納米粒子，產(chǎn)物均勻、單分散，可長期保持穩(wěn)定，通過控制膠束、結(jié)構(gòu)

4、、極性等，可望 從分子規(guī)模來控制粒子的大小、結(jié)構(gòu)、特異性等。微乳液合成的磁性納米粒子僅溶于有機溶 劑，其應(yīng)用受到限制。通常需要在磁性納米粒子的表面修飾上親水分子，使其溶于水，從而 能應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。熱分解法是有機相合成氧化鐵納米粒子最多也是最穩(wěn)定的方法。利用熱分解法制備的納 米Fe3O4顆粒產(chǎn)物具有好的單分散性，且呈疏水性，可以長期穩(wěn)定地分散于非極性有機溶 劑中。該方法合成的氧化鐵納米粒子雖然具有粒徑均一的特點，但必須在其表面偶聯(lián)親水性 及生物相容性好的生物分子或制備成核殼結(jié)構(gòu)，才可用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。此外，綠色化學(xué)和生物方法合成氧化鐵納米粒子也備受關(guān)注。磁性氧化鐵納米粒子 除具有的表面

5、效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等納米粒子基本特性外，它 同時還具有超順磁特性、類酶催化特性和生物相容性等特殊性質(zhì)，因此在醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng) 域中的應(yīng)用引起了人們的廣泛興趣3磁性氧化鐵納米材料在生物分離與生物檢測的應(yīng)用3.1磁性氧化鐵納米材料在生物分離的應(yīng)用磁性氧化鐵納米粒子可以通過外界磁場來控制納米粒子的磁性能，從而達到分離的目的， 如細胞分離、蛋白分離和核酸分離等。此外磁性氧化鐵納米粒子由于兼有納米、磁學(xué)和類酶 催化活性等性能，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)被檢測物的分離和富集，而且能夠使檢測信號放大，在生物 分析領(lǐng)域也都具有很好的應(yīng)用前景。磁性納米粒子（MNP）能夠應(yīng)用于這些領(lǐng)域主要基于 它的表

6、面化學(xué)修飾，包括非聚合物有機固定、聚合物有機固定、無機分子固定及靶向配體修 飾等。納米粒子表面功能化修飾是目前研究的熱點。3.1.1磁性氧化鐵納米材料在細胞分離方面的應(yīng)用細胞分離技術(shù)的目的是快速獲得所需目標細胞。傳統(tǒng)細胞分離技術(shù)主要根據(jù)細胞的大 小、形態(tài)以及密度的差異進行分離，如采用微濾、超濾以及超離心等方法。這些方法操作簡 單，但是特異性差，而且存在純度不高、制備量偏小、影響細胞活性等缺點，因此未能被廣 泛地用于細胞的純化研究。近年來，隨著對磁性納米粒子研究的深入，人們開始利用磁性納 米粒子來分離細胞。如磁性氧化鐵納米粒子在其表面接上具有生物活性的吸附劑或配體（如 抗體、熒光物質(zhì)、外源凝結(jié)素

7、等），利用它們與目標細胞的特異性結(jié)合，在外加磁場的作用 下將細胞分離、分類以及對其種類、數(shù)量分布進行研究。張春明等運用化學(xué)連接方法將單克 隆抗體CD133連接到SiO2/Fe3O4復(fù)合粒子的表面得到免疫磁性Fe3O4納米粒子，利用它 分離出單核細胞和CD133細胞。經(jīng)培養(yǎng)后可以看出，分離出來的CD133細胞與單核細胞一 樣，具有很好的活性，能夠正常增殖形成集落，并且在整個分離過程中對細胞的形態(tài)以及活 性沒有明顯的毒副作用，這與Kuhara等報道的采用磁分離技術(shù)分離CD19+和CD20+細胞的 結(jié)果一致。Chatterjee等采用外源凝結(jié)素分別修飾聚苯乙烯包被的磁性Fe3O4微球和白蛋白 磁性微

8、球，利用凝結(jié)素與紅細胞良好的結(jié)合能力，快速、高效的分離了紅細胞。此外，磁性 粒子在分離癌細胞和正常細胞方面的動物實驗也已獲得成功。3.1.2磁性氧化鐵納米材料在蛋白質(zhì)和核酸分離中的應(yīng)用利用傳統(tǒng)的生物學(xué)技術(shù)（如溶劑萃取技術(shù)等）來分離蛋白質(zhì)和核酸程序非常繁雜，而磁 分離技術(shù)是分離蛋白、核酸及其他生物分子便捷而有效的方法。目前在外磁場作用下，超順 磁性氧化鐵納米粒子已廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)和核酸的分離。Liu等利用聚乙烯醇等表面活性劑存在下制備出共聚磁性高分子微球，表面用乙二胺修 飾后用于分離鼠腹水抗體，得到很好的分離效果。Xu等在磁性氧化鐵納米粒子表面偶聯(lián)多 巴胺分子，用于多種蛋白質(zhì)的分離純化。多巴胺分

9、子具有二齒烯二醇配體，它可以與氧化鐵 納米粒子表面配位不飽和的Fe原子配位，形成納米顆粒多巴胺復(fù)合物，此復(fù)合物可以進 一步偶聯(lián)次氨基三乙酸分子（NTA），NTA分子可特異螯合Ni+，對于具有6xHis標簽的 蛋白質(zhì)的分離純化方面表現(xiàn)出很高的專一性Liu等用硅烷偶聯(lián)劑（AEAPS）對核殼結(jié)構(gòu)的 SiO2/Fe2O3復(fù)合粒子的表面進行處理，研究復(fù)合磁性粒子對牛血清白蛋白（BSA）的吸附 情況，結(jié)果表明BSA與磁性復(fù)合粒子之間是通過化學(xué)鍵作用被吸附的，復(fù)合粒子對BSA的 最大吸附量達86 mg/g，顯示出在白蛋白的分離和固定上有很大的應(yīng)用潛力。Herdt等利用 羧基修飾的吸附/解離速度快的核殼型（F

10、e3O4/PAA）磁性納米顆粒與Cu2+ 亞氨基二乙酸 （IDA）共價交聯(lián)，通過Cu2+與組氨酸較強的親和能力實現(xiàn)了組氨酸標記蛋白的選擇性分 離。磁性納米粒子也是核酸分子分離的理想載體。DNA/mRNA含有單一堿基錯位，它們的 富集和分離在人類疾病診斷學(xué)、基因表達研究方面有著至關(guān)重要的作用。Zhao等合成了一 種磁性納米基因捕獲器，用于富集、分離、檢測痕量的DNA/mRNA分子。這種材料以磁性 納米粒子為核，包覆一層具有生物相容性的SiO2保護層，表面再偶聯(lián)抗生素蛋白口維生素 H分子作為DNA分子的探針，可以將10-15 mol/L DNA/mRNA有效地富集，并能實時監(jiān) 控產(chǎn)物。Tayor等

11、用硅酸鈉水解法、正硅酸乙酯水解法制備SiO2/Fe2O3磁性納米粒子并對 DNA進行了分離。結(jié)果表明，SiO2功能化的Fe2O3磁性納米粒子對DNA的吸附分離效果 明顯好于單獨Fe2O3磁性納米粒子的分離效果，但是其吸附機理有待進一步研究。3.2磁性氧化鐵納米材料在生物檢測中的應(yīng)用磁性氧化鐵納米粒子因其特有的磁導(dǎo)向性、小尺寸效應(yīng)及其偶聯(lián)基團的活性，兼有分離 和富集地作用，使其在生物檢測領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。當檢測目標為低含量的蛋白分子時，不 能通過聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）對其信號進行放大，而磁微球與有機染料或量子點熒光微球結(jié) 合可以對某些特異性蛋白、細胞因子、抗原和核酸等進行多元化檢測，實現(xiàn)信號放大

12、的作用。 Yang等采用一對分子探針分別連接熒光光學(xué)條碼（彩色）和磁珠（棕色），對DNA （頂端 鑲板）和蛋白質(zhì)（底截鑲板）生物分子進行目標分析。如果目標DNA序列或蛋白存在，它 將與兩個磁珠結(jié)合一起，形成了一個三明治結(jié)構(gòu)，經(jīng)過磁選，光學(xué)條碼可以在單磁珠識別目 標水平下，通過分光光度計或是在流式細胞儀讀出。通過此方法檢測目標分子是基于數(shù)百萬 個熒光基團組成的微米尺寸光學(xué)條碼信號的擴增而檢測出來，其基因和蛋白的檢出限可達到 amol/L量級，甚至更低。在免疫檢測中，磁性納米粒子作為抗體的固相載體，粒子上的抗體與特性抗原結(jié)合， 形成抗原抗體復(fù)合物，在磁力作用下，使特異性抗原與其它物質(zhì)分離，克服了放

13、免和酶聯(lián)免 疫測定方法的缺點。這種分離具有靈敏度高、檢測速度快、特異性高、重復(fù)性好等優(yōu)點。 Yang等通過反相微乳液法制備了粒徑很小的SiO2包覆的Fe3O4磁性納米粒子，生物分子 通過誘導(dǎo)這些高單分散的磁性納米粒子可用于酶的固定和免疫檢測。Lange等采用直接或三 明治固相免疫法（生物素基化抗IgG抗體和共軛連接鏈霉素的磁性納米粒子組成三明治結(jié) 構(gòu)）和超導(dǎo)量子干涉法（SQUID），研究它們在確定抗原、抗體相互作用免疫檢測中的應(yīng)用， 結(jié)果表明特異性鍵合的磁性納米顆粒的馳豫信號大小依賴于抗原（人免疫球蛋白G，IgG） 的用量，這種磁弛豫（Magnetic relaxation）免疫檢測方法得到的

14、結(jié)果與廣泛使用的ELISA方法 的結(jié)果相當。總之，磁性氧化鐵納米粒子不但具有顯著的超順磁性，而且具有類辣根過氧化物酶 催化特性，可通過使用過氧化物敏感染料，設(shè)計了一系列（如乙肝病毒表面抗原等）的免疫 檢測模型，因此超順磁性納米粒子在生物分離和免疫檢測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。4結(jié)語隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展，磁性氧化鐵納米粒子的開發(fā)及其在生物醫(yī)學(xué)、生物分析、生 物檢測等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用已經(jīng)越來越受到重視，但同時也面臨很多挑戰(zhàn)和問題。（1）構(gòu)建 并制備尺寸小、粒徑均一、分散性和生物相容性好及催化性能高的多功能磁性納米粒子；（2） 根據(jù)被檢測生物分子的特點設(shè)計多功能磁性氧化鐵納米粒子，實現(xiàn)高靈敏度、特異性

15、檢測;（3）利用納米氧化鐵顆粒作為分子探針進行實時、在線、原位、活體和細胞內(nèi)生物分子的 檢測。這些問題不僅是納米材料在生物分子檢測領(lǐng)域應(yīng)用需要解決的難點，也是目前其進行 生物分子檢測研究的熱點和重點。【參考文獻】Perez J M, Simeone F J, Saeki, Y, Josephson L, Weissleder R. J. Am. Chem. Soc., 2003, 125（34）: 1019210193Kim G J, ORegan R M, Nie S M. 2005 27th Annual International Conference of the IEEE Engin

16、eering in Medicine and Biology Society, 2005，1D7： 714716LIU JunDTao（劉軍濤）,LIU RuDPing（劉儒平）,WANG MiDXia（王蜜霞）,LIU ChunDXiu （劉春秀）,LUO JinDPing （羅金平）,CAI XinDXia （蔡新霞）.Chinese J. Anal. Chem,（分 析化學(xué)），2 0 0 9， 37（7）: 985988Lang C, Schuler D, Faivre D. Macromol. Biosci., 2007, 7（2）: 144151Silva G A. Surg. Neurol., 2007, 67（2）： 113 116Corot C, Robert P, Idee J M, Port M. Adv. Drug Delivery. Rev., 2006, 58（14）: 14711504Kohler N, Sun C, Wang J, Zhang M Q.