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磁性納米粒子
基本信息
| 中文名 | 磁性納米粒子 |
| 外文名 | Magnetic Nanoparticles, MNPs |
| 時間 | 2015年2月 |
| 特點 | 導(dǎo)電性強、生物兼容性好 |
| 類別 | 金、銀、鐵納米粒子 |
| 應(yīng)用領(lǐng)域 |
收起
簡介
2015年2月，德國同步加速器（Deutsches Elektron-Synchrotron)的X-光研究結(jié)果顯示，磁性納米粒子能增加高聚物太陽能電池的性能。這個工作是由牧爾黑技術(shù)大學(xué)(Tecnical University of Munich)教授Peter Muller-Buschbaum領(lǐng)導(dǎo)的。
高聚物或有機太陽能電池具有許多優(yōu)勢：便宜，柔軟和多種性能；缺點是比硅太陽能電池的效率低。典型的高聚物太陽能電池把太陽能轉(zhuǎn)換的效率為百分幾。但由于便宜，在一些情況下仍能存在使用，科學(xué)家也在尋找方法提高它的轉(zhuǎn)換效率。
一種可行的方法是加納米粒子；例如，加金納米粒子吸收附加的太陽光，多產(chǎn)生電荷載流子，使轉(zhuǎn)換效率提高。
Muller-Buschbaum研究組采用不同的辦法；他們認(rèn)為，在太陽能電池中，產(chǎn)生帶正電和帶負(fù)電的成對電荷載流子，要在正，負(fù)電荷載流子復(fù)合之前將它們分開，后將它們向反方向電極流去。
電子自旋可分為+1/2和-1/2二種；二個電子可合為1或0的自旋。研究人員要找方法使二個電子為0的狀態(tài)轉(zhuǎn)為1狀態(tài)：這要求重元素的納米粒子；Fe3O4可適用于此種情況。在他們的實驗中，往聚合物太陽能電池中加入Fe3O4可使電池的效率增加到11%。
X-光研究結(jié)果顯示，如在太陽能電池材料中混入過多納米粒子，會使它的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；如加入量為重量的1%時，它的結(jié)構(gòu)不會變化。但加重量0.6%的納米粒子的效果最好；可使太陽能電池的效率從3.06增加到3.37%之間。這對某一特別使用來說，經(jīng)濟(jì)效益是不錯的。
研究人員還相信，對其它高聚物，加入納米粒子也可增加其效率。但他們認(rèn)為單用X-光作為研究工具，還不能了解為何加入納米粒子到高聚物內(nèi)會使太陽能電池效率提高的具體機制。
磁性納米粒子/磁性納米顆粒（Magnetic Nanoparticles, MNPs）是近年來發(fā)展迅速且極具應(yīng)用價值的新型材料，在現(xiàn)代科學(xué)的眾多領(lǐng)域如生物醫(yī)藥、磁流體、催化作用、核磁共振成像、數(shù)據(jù)儲存和環(huán)境保護(hù)等得到越來越廣泛的應(yīng)用。
研究人員、工程師、化學(xué)家和物理學(xué)家的共同努力下，納米技術(shù)使得生命科學(xué)和健康醫(yī)療領(lǐng)域在分子和細(xì)胞水平上取得很大的進(jìn)展。磁性納米粒子是納米級的顆粒，一般由鐵、鈷、鎳等金屬氧化物組成的磁性內(nèi)核及包裹在磁性內(nèi)核外的高分子聚合物/硅/羥基磷灰石殼層組成。最常見的核層由具有超順磁或鐵磁性質(zhì)的Fe3O4或γ-Fe2O3制成，具有磁導(dǎo)向性（靶向性），在外加磁場作用下，可實現(xiàn)定向移動，方便定位和與介質(zhì)分離。最常見的殼層由高分子聚合物組成，殼層上偶聯(lián)的活性基團(tuán)可與多種生物分子結(jié)合，如蛋白質(zhì)、酶、抗原、抗體、核酸等，從而實現(xiàn)其功能化。因此磁性納米粒子兼具磁性粒子和高分子粒子的特性，具備磁導(dǎo)向性、生物兼容性、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、活性基團(tuán)和一定的生物醫(yī)學(xué)功能。
由于其獨特的物理、化學(xué)特性，磁性納米粒子可以簡化繁瑣復(fù)雜的傳統(tǒng)實驗方法，縮短實驗時間，是一種新型的高效率的試劑。目前，磁性納米粒子在生物醫(yī)藥方面主要應(yīng)用在磁性分離、磁性轉(zhuǎn)染、核酸/蛋白質(zhì)/病毒/細(xì)菌等的檢測、免疫分析、磁性藥物靶向、腫瘤熱療、核磁共振成像和傳感器等。下文將具體介紹磁性納米粒子的性質(zhì)及在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的主要應(yīng)用，并列出對應(yīng)于不同應(yīng)用的具體產(chǎn)品。
性質(zhì)
磁性納米粒子有一系列獨特而優(yōu)越的物理和化學(xué)性質(zhì)。隨著合成技術(shù)的發(fā)展，已成功生產(chǎn)出一系列形狀可控、穩(wěn)定性好、單分散的磁性納米粒子。
磁性納米粒子具有的磁性使其易于進(jìn)行富集和分離，或進(jìn)行定向移動定位。磁效應(yīng)由具有質(zhì)量和電荷的顆粒運動形成。這些顆粒包括電子、質(zhì)子、帶正電和負(fù)電的離子等。帶電顆粒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁偶極，即磁子。磁疇指一個體積的鐵磁材料中所有磁子在交換力的作用下以同一方向排列。這個概念將鐵磁與順磁區(qū)別開來。
鐵磁性材料有自發(fā)磁化強度，在無外加磁場時，也具有磁性。鐵磁材料的磁疇結(jié)構(gòu)決定磁性行為對尺寸大小的依賴性。當(dāng)鐵磁材料的體積低于某個臨界值時，即成為單磁疇。這個臨界值與材料的本征屬性有關(guān)，一般在幾十納米左右。極小顆粒的磁性來源于基于鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)。這個結(jié)論的假設(shè)是鐵磁顆粒在具有最低自由能的狀態(tài)對小于某個臨界值的顆粒有均勻的磁性，而對較大顆粒的磁性不均勻。前者較小顆粒稱為單磁疇顆粒，后者較大的顆粒稱為多磁疇顆粒。
當(dāng)單磁疇顆粒的直徑比臨界值更進(jìn)一步降低，矯頑力變成零，這樣的顆粒即成為超順磁。超順磁由熱效應(yīng)造成。超順磁納米粒子在外加磁場作用下具有磁性，而在外加磁場移除后不具有磁性。在生物體內(nèi)，超順磁顆粒只在有外加磁場時具有磁性，這使得它們在生物體內(nèi)環(huán)境中具有獨特優(yōu)點。鐵、鈷、鎳等晶體材料都有鐵磁性，但由于氧化鐵磁鐵（Fe3O4）是地球上天然礦物中最具磁性的，且生物安全性高（鈷和鎳等材料具有生物毒性），因而在多種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，超順磁形式的氧化鐵磁性納米粒子最常見。
鐵磁流體(磁流體)是在外加磁場作用下變得具有很強磁性的液體，它是既具有磁性又具有流動性的新型功能材料。鐵磁流體是由納米級的鐵磁或亞鐵磁構(gòu)成的膠體溶液，顆粒懸浮于載體溶液中，載體溶液通常為有機溶劑或水。納米顆粒完全被表面活性劑包裹以防止聚合成團(tuán)。鐵磁流體通常在無外加磁場時不保持磁性，因而被歸類為超順磁。鐵磁流體中的納米粒子在正常條件下由于熱運動不發(fā)生沉降。
球形顆粒的磁性納米粒子的比表面積（表面積與體積之比）與直徑成反比。對于直徑小于0.1um的顆粒，其表面原子的百分?jǐn)?shù)急劇增大，此時表面效應(yīng)顯著。顆粒直徑減小，比表面積顯著增大，同時表面原子數(shù)迅速增加。當(dāng)粒徑為1nm時表面原子數(shù)為完整晶粒原子總數(shù)的99%，此時構(gòu)成納米粒子的幾乎所有原子都分布在表面上，在表面原子周圍形成很多懸空鍵，具有不飽和性，易與其他原子結(jié)合形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出高化學(xué)活性。因此，固定目標(biāo)分子/原子效率高。
磁性納米粒子與多種高分子具有良好的生物兼容性。磁性納米粒子的表面修飾包括：非聚合物有機固定、聚合物有機固定、無機分子固定、靶向配套修飾等。常用來作為修飾的物質(zhì)有聚乙二醇、葡聚糖、聚乙烯吡咯烷酮、脂肪酸、聚乙烯乙醇、多肽、明膠、殼聚糖、甲基硅烷、脂質(zhì)體等。磁性納米粒子的表面修飾主要有2種途徑：一是表面修飾材料與粒子表面依靠化學(xué)鍵結(jié)合，這通常是指一些有機小分子化合物；二是用有機或無機材料直接包裹磁性納米粒子，主要包括表面活性劑、高分子聚合物、貴金屬和二氧化硅等。表面修飾不僅增強了磁性納米粒子的穩(wěn)定性，還能提高其在水溶液中的分散性和生物相容性，提高靶向性，防止蛋白吸附，增加其在血液循環(huán)中的時間，以及進(jìn)一步復(fù)合其它的納米粒子、化合物或生物配體，實現(xiàn)磁性納米粒子的功能化。
應(yīng)用
磁性納米粒子在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用主要分為兩大類：體外應(yīng)用主要包括分離純化、磁性轉(zhuǎn)染、免疫分析、催化、Magnetorelaxometry、固相萃取等。體內(nèi)應(yīng)用可大致分為治療和診斷兩類，治療方面的應(yīng)用如熱療和磁靶向藥物(targeted medicine)，診斷方面的應(yīng)用如核磁共振成像（NuclearMagentic Resonance, NMR）。
體外應(yīng)用
生物分離和純化是生物和醫(yī)藥技術(shù)中最重要的技術(shù)之一。這也是磁性粒子應(yīng)用中最具成果的一種。磁性分離方法具有高效、簡單、快速的優(yōu)點。磁性粒子可用于蛋白質(zhì)、核酸等生物分子和細(xì)胞的分離，核酸的分離純化是用納米級的磁性粒子。
在生物分離上，磁性納米粒子體積小、表面積大，具有分散性好，可快速有效的結(jié)合生物分子，并且這種結(jié)合是可逆的，另外絮團(tuán)形成可以被控制，因而使用磁性納米粒子進(jìn)行分離優(yōu)于使用微米級樹脂和珠子的傳統(tǒng)方法。大多數(shù)分離用的磁性納米粒子是超順磁的-在無外加磁場時，粒子無磁性，均勻懸浮在溶液中，而當(dāng)使用外加磁場時，粒子具有磁性可被磁分離。磁性納米粒子表面連接的具有生物活性的吸附劑或其他配體等活性物質(zhì)可與特定生物分子或細(xì)胞特異性結(jié)合，在外加磁場作用下分離。磁性分離方法基本只包括2個步驟：1.用磁性納米粒子標(biāo)記目標(biāo)分子或細(xì)胞；2. 通過磁分離裝置分離出目標(biāo)分子或細(xì)胞。利用磁性納米粒子分離的例子之一是把特異性抗體與磁性納米粒子結(jié)合，可將磁性納米粒子連接在特定細(xì)胞上，外加磁場即可快速將結(jié)合磁性納米粒子的細(xì)胞分離或進(jìn)行免疫分析。這樣的方法特異性高、分離迅速、重現(xiàn)性好。又如，將葡萄糖-DEAE包裹在磁性納米粒子表面，利用帶正電荷的DEAE與帶負(fù)電荷的核酸之間的電荷吸附作用，通過離子交換，在細(xì)菌裂解上清中提純質(zhì)粒。
磁性轉(zhuǎn)染
是將結(jié)合有載體DNA的磁性納米粒子在外界磁場影響下轉(zhuǎn)染到細(xì)胞內(nèi)的方法。用于磁性轉(zhuǎn)染的磁性粒子多用多聚陽離子、多聚氮雜環(huán)丙烷進(jìn)行表面修飾。由于它們帶有陽性電荷，易于與帶有陰性電荷的DNA結(jié)合，與利用病毒或非病毒載體的轉(zhuǎn)染相比，轉(zhuǎn)染效率提高幾十到幾千倍。磁性轉(zhuǎn)染還具有轉(zhuǎn)基因表達(dá)提高，使用極低劑量的載體既可獲得高轉(zhuǎn)染率和高轉(zhuǎn)基因表達(dá)，使用方法簡單等優(yōu)點。磁性轉(zhuǎn)染方法已成功用于多種類型的貼壁細(xì)胞及少數(shù)懸浮細(xì)胞，包括難以用常規(guī)方法轉(zhuǎn)染的原代細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞等。德國Chemicell公司生產(chǎn)的MagnetofectionTM磁性轉(zhuǎn)染試劑被很多世界頂級的實驗室選用，并有多篇文章發(fā)表。
免疫分析是現(xiàn)代生物分析技術(shù)中重要的一種方法，利用它可對蛋白質(zhì)、抗原、抗體及細(xì)胞進(jìn)行定量分析。例如在免疫檢測中，經(jīng)常用一些具有特殊物理化學(xué)性質(zhì)的標(biāo)記物如放射性同位素、酶、膠體金和有機熒光染料分子等對抗體（或抗原）進(jìn)行偶聯(lián)標(biāo)記，在抗原、抗體識別后，通過對標(biāo)記物的定性或定量檢測而達(dá)到對抗原（或抗體）檢測的目的。由于磁性納米粒子具有超順磁性，為樣品的分離、富集和提純提供了很大方便，在免疫檢測方面受到廣泛關(guān)注。
近年來，用磁性納米粒子支持催化劑被廣泛用來改善催化不均一的問題。磁性分離使在液相反應(yīng)中回收催化劑比用橫流式過濾和離心方法更容易，特別是催化劑在亞微米級范圍內(nèi)時。如此小并且可被磁性分離的催化劑兼具高分散性和反應(yīng)性及易分離的優(yōu)點。在回收利用昂貴的催化劑或配體方面，用磁性納米粒子固定這些活性物質(zhì)使得在準(zhǔn)同質(zhì)系統(tǒng)中分離催化劑變得簡單。近年來出現(xiàn)的將催化位點移植到磁性納米粒子上進(jìn)行不同類型的過渡金屬催化的反應(yīng)包括碳-碳交聯(lián)反應(yīng)、烯烴醛化反應(yīng)、氫化作用、聚合反應(yīng)等。已報道的磁性納米粒子支持的催化劑包括酶、水解酯的氨基酸、促進(jìn)Knoevenagel反應(yīng)和相關(guān)反應(yīng)的有機胺催化劑等。
磁粘度
移除磁場后磁性納米粒子系統(tǒng)的凈磁矩。有2種不同的弛豫機制：尼爾弛豫和布朗弛豫，這兩種機制的區(qū)別在于弛豫時間不同。另外，布朗弛豫只在液體中發(fā)生，然而尼爾弛豫不依賴于納米粒子的分散性。
Magnetorelaxometry由核大小、水合直徑和各向異性決定的現(xiàn)象使得這個技術(shù)可以用于根據(jù)游離的和結(jié)合的結(jié)合物磁性行為不同區(qū)分其狀態(tài)是游離的還是結(jié)合的，因此這個技術(shù)可作為評估免疫檢測的分析工具。
Magnetorelaxometry最初被用來評估免疫檢測，它可以用于體外或體內(nèi)研究。Magnetorelaxometry可定量分析磁性納米粒子在器官或整個動物體內(nèi)的分布，由于此方法是非侵入性的，因而可長期監(jiān)測動物，例如監(jiān)測磁標(biāo)記的干細(xì)胞，另一個例子是癌癥(cancer)診斷。近年來出現(xiàn)的使用功能化的磁性納米粒子的磁弛豫免疫分析（MagneticRelaxation Immunoassay,MARIA）基于這個物理學(xué)方法。磁弛豫免疫分析技術(shù)的優(yōu)點是：結(jié)合的粒子和游離的粒子產(chǎn)生不同信號，與傳統(tǒng)方法不同，不需洗滌步驟；不需要標(biāo)記物；每個檢測的時間極短，因而可用于高通量實驗；由于磁弛豫可在不透光的介質(zhì)中被檢測，因而也可用于體內(nèi)實驗；磁性納米粒子與基于用高靈敏度的磁場傳感器如SQUID(SuperconductiveQuantum Interference Device)檢測磁弛豫的技術(shù)結(jié)合，可獲得高靈敏度。在這個應(yīng)用上，與分離純化同理，也是納米級的粒子優(yōu)于微米級的粒子。
目前，固相萃?。⊿olid-Phase Extraction,SPE）作為從樣品中分離和預(yù)濃縮目標(biāo)成分受到很多關(guān)注。固相萃取是從環(huán)境樣品中檢測痕量污染物的常規(guī)方法。近來，納米級顆粒在樣品提取方面的應(yīng)用獲得快速和長足的發(fā)展。固相萃取與傳統(tǒng)的樣品富集方法（如液相抽提）相比，是很好的替代方法。當(dāng)從大體積樣品中分離和預(yù)濃縮目標(biāo)成分時，使用標(biāo)準(zhǔn)純化柱的固相萃取方法非常費時。因而使用磁性或可磁化的吸附劑的磁性固相萃取（MagneticSolid-Phase Extractin,MSPE）越發(fā)重要。在這個過程中，在含有目標(biāo)成分的溶液或懸浮液中加入磁性吸附劑。然后，利用合適的磁分離裝置，將吸附了目標(biāo)成分的磁性吸附劑回收。
在環(huán)境科學(xué)方面，近年來進(jìn)行了用磁性納米粒子去除有機和無機污染物的研究，并且用它們?nèi)コ叵滤⑼寥篮涂諝庵形廴疚锏膶嶒炓言趯嶒炇液蛯嵉匾?guī)模上使用。高濃度的有機污染物大多為染料?？椚竟S、顏料工廠、制革廠等的廢水中均含有染料。用磁性納米粒子替代昂貴或低效的吸附劑可成為一種好的平臺，但這仍需要更多的研究。去除無機污染物的一個主要方面是去除金屬毒素。磁性納米粒子作為從復(fù)雜基質(zhì)中去除金屬毒素的吸著劑具有高容量和高效率的優(yōu)點，由于體積小，表面積大，比微米級吸著劑更好。這些發(fā)現(xiàn)有助于設(shè)計更好的從廢水中去除或回收金屬離子的吸附處理計劃。另外，還可利用功能化的磁性納米粒子對環(huán)境樣品中細(xì)菌、真菌等微生物進(jìn)行分離和檢測。
體內(nèi)應(yīng)用
影響體內(nèi)應(yīng)用的磁性納米粒子的2個主要特性是大小和表面功能。超順磁氧化鐵納米顆粒（Superparamagnetic Iron Oxide,SPIOs）的直徑對它們在體內(nèi)的生物分布有很大影響。直徑為10-40nm的顆粒包括超小的超順磁氧化鐵納米顆?？梢栽谘貉h(huán)中滯留較長時間，它們可以通過毛細(xì)血管壁，并常被去往淋巴結(jié)和骨髓的巨噬細(xì)胞所吞噬。
熱療是指將超順磁氧化鐵置于交流電磁場中，可使磁方向在平行和反平行之間隨機變換，使磁能以熱的形式傳遞給顆粒，在生物體內(nèi)這個特性可用來破壞病態(tài)細(xì)胞。腫瘤細(xì)胞比健康細(xì)胞對溫度更敏感。研究顯示磁性陽離子脂質(zhì)體納米顆粒和葡聚糖包裹的磁鐵在細(xì)胞輻射的熱療中有效的增高了腫瘤細(xì)胞的溫度。這種方法被認(rèn)為是未來癌癥(cancer)治療的主要方法。磁熱療的優(yōu)點是溫度升高僅局限于腫瘤區(qū)域。此外，亞疇磁性顆粒（納米級）比多疇磁性顆粒（微米級）更優(yōu)，因為它們在機體可承受的交流電磁場中能吸收更多的能量，這是它們的大小和形狀決定的。因此，明確的可生產(chǎn)顆粒均勻的合成路徑對于溫度的嚴(yán)格控制很關(guān)鍵。
藥物靶向成為現(xiàn)代給藥技術(shù)之一。磁性納米粒子與外加磁場和/或可磁化的植入物可將顆粒遞送到靶標(biāo)區(qū)域，在藥物釋放時使顆粒固定在局部位點，因而藥物可在局部釋放。這個過程稱為磁性藥物靶向(MagneticDrug Targeting, MDT)。近來，使用氧化鐵磁性納米粒子靶向給藥的可行性越來越大。內(nèi)核使用Fe3O4的磁性納米粒子的直徑小、靈敏度高、毒性低、性能穩(wěn)定、原材料易得。 Fe3O4一般對人體不產(chǎn)生毒副作用，整個療程所用的載體含鐵量不超過貧血病人的常規(guī)補鐵總量，除部分被人體利用外，其余的磁性粒子能通過皮膚、膽汁、腎臟等安全排出體外。納米顆粒表面修飾的有機聚合物或無機金屬或氧化物使它們具有生物兼容性，并適合連接具有生物活性的分子從而具有功能性。將藥物遞送到特定位點可消除藥物的副作用，并降低用藥劑量。
磁性納米粒子在體內(nèi)診斷方面的應(yīng)用主要用于核磁共振成像。由于核磁共振成像在診斷上的發(fā)展，出現(xiàn)了一類新型藥物-磁性藥物。這些藥物給病人服用后的主要用途是提高正常和患病組織的對比度（造影劑）和/或顯示器官功能或血流情況。超順磁氧化鐵納米粒子在體外和體內(nèi)細(xì)胞和分子成像中成為一類新的探針。在核磁共振中使用超順磁顯影劑具有產(chǎn)生比順磁的顯影劑更強的質(zhì)子弛豫的優(yōu)點。因而，需要注射到體內(nèi)的顯影劑劑量更少。然而，核磁共振不便于進(jìn)行原位監(jiān)測。
磁性納米粒子在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，目前對于它們在此領(lǐng)域的應(yīng)用仍在快速增長。磁性納米粒子在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域及其他領(lǐng)域必將發(fā)揮更大的作用。
德國Chemicell公司生產(chǎn)多種磁性納米粒子，磁性納米微粒子，熒光納米粒子，熒光微粒子等，適用于多種生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。北京啟維益成科技有限公司代理Chemicell公司的所有產(chǎn)品。Chemicell的部分磁性納米粒子產(chǎn)品及應(yīng)用見下表。
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