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基于氧化铁纳米材料特性的化物分离和生物检测作者：杜崇磊 杜伟汪冰 丰伟悦王卓赵宇亮【摘要】 氧化铁纳米粒子是一种新型的磁功能材料，被广泛应用于生物、材料以及环境等众多领域木文介绍了超顺磁氧化铁纳米粒子的制备方法，比较了各种方法的优缺点; 评述了磁性氧化铁纳米粒了在细胞、蛋白质和核酸分离及生物检测中的应丿IJ,对多功能复合 磁性氧化铁纳米粒了的构建，在生物医学领域中的应用具有的指导意义关键词】超顺磁性氧化铁纳米粒了；制备；生物分离；生物检测；评述Abstract Superparamagnetic iron oxide nanomaterials have been widely used in the biotechnology, materials and envir on mental chemistry, etc. In this review, the synthesis methods of superparamagnetic iron oxide, the merits and defects of these methods, and their application in cell, protein, nucleic acid separation and bioassay were reviewed.Keywords Superparamagnetic iron oxide nanoparticles; Synthesis; Bioseparation； B ioassay; Review］弓I言・磁性纳米粒子是近年来发展起来的i种新型材料，因其具有独特的磁学特性，如超顺磁 性和高矫顽力，在生物分离和检测领域展现了广阔的应用前累［1］。

同时，因磁性氧化铁纳 米粒了具有小尺寸效应、良好的磁导向性、生物相容性、生物降解性和活性功能基团等特点 ［2〜4］,在核磁共振成像、靶向药物、酶的固定、免疫测定等生物医学领域表现出潜在的 应用前景［5〜7］但由于其较高的比表面积，强烈的聚集倾向，所以通常对其表面进行修 饰，降低粒子的表面，能得到分散性好、多功能的磁性纳米粒子对磁性纳米粒子的表面进 行特定修饰，如果在修饰后的粒了上引入靶向剂、药物分了、抗体、荧光素等多种生物分了, 可以改善其分散稳定性和生物相容性，以实现特定的生物医学应用此外，适当的表面修 饰或表血功能化还可以调节磁性纳米粒了表面的反应活性［8 ］,从而使其应用在细胞分离、 蛋白质纯化、核酸分离和生物检测等领域木文介绍了磁性氧化铁纳米粒了的制备方法，比 较了备种制备方法的优缺点，并对其在生物分离及检测中应用的最新进展进行了评述2磁性氧化铁纳米粒了的合成方法磁性纳米粒子的制备是其应用的基础日前己发展了多种合成和制备方法，如共沉淀法、 水热合成法、溶胶凝胶法和微乳液法等，上述方法均可制备高分散、粒度分布均匀的纳米粒 了，并能方便地对其表面进行化学修饰，这些方法的优点和缺点见表1。

在这些合成方法当中，共沉淀法是水相合成氧化铁纳米粒了最常用的方法该方法制备 的磁性纳米颗粒具有粒径小,分散均匀，高度生物相容性等优点，但制得的颗粒存在形状不 规则，结晶差等缺点通过在反应体系中加入柠檬酸，可得到形状规则、分散性好的纳米粒 了利用这种方法合成的磁性纳米材料被广泛应用在生物化学及生物医学等领域［9］微乳 液法制备纳米粒子，产物均匀、单分散，可长期保持稳定，通过控制胶束、结构、极性等, 可望从分子规模来控制粒子的大小、结构、特异性等微乳液合成的磁性纳米粒子仅溶于有 机溶剂，其M用受到限制通常需要在磁性纳米粒了的表面修饰上亲水分了，使其溶于水, 从而能应用于生物、医学等领域热分解法是有机相合成氧化铁纳米粒了最多也是最稳泄的方法利用热分解法制备的纳 米Fe3O4颗粒产物具有好的单分散性，且呈疏水性，可以长期稳定地分散于非极性有机溶 剂中该方法合成的氧化铁纳米粒了虽然具有粒径均一的特点，但必须在其表面偶联亲水性 及生物相容性好的生物分了或制备成核壳结构，才可用于生物医学领域表1磁性氧化铁 纳米粒了的制备方法（略）此外，绿色化学和生物方法合成氧化铁纳米粒子也备受关注［28,29］磁性氧化铁纳米 粒了除具有的表面效丿应、小尺寸效应、量了效应、宋观最了隧道效应等纳米粒了基木特性外, 它同时还具有超顺磁特性、类酶催化特性和生物相容性等特殊性质，因此在医学和生物技术 领域中的应用引起了人们的广泛兴趣。

3磁性氧化铁纳米材料在生物分离与生物检测的应用3.1磁性氧化铁纳米材料在生物分离的应用磁性氧化铁纳米粒了可以通过外界磁场来控制纳米粒了的磁性能，从而达到分离的目的, 如细胞分离［30, 31］、蛋白分离卩2］和核酸分离［33］等此外磁性氧化铁纳米粒子由于兼有 纳米、磁学和类酶催化活性等性能，不仅能够实现被检测物的分离和富集，而且能够使检测 信号放大，在生物分析领域也部具有很好的应用前景［34, 35］0磁性纳米粒了 （MNP）能够 应用于这些领域主要基于它的表面化学修饰，包括非聚合物有机I古I定、聚合物有机固定、无 机分了固定及靶向配体修饰等［36］（图1）纳米粒了表面功能化修饰是目前研究的热点3.1.1磁性氧化铁纳米材料在细胞分离方面的应用细胞分离技术的忖的是快速获得所需H标细胞传统细胞分离技术主要根据细胞的大 小、形态以及密度的差异进行分离，如采用微滤、超滤以及超离心等方法这些方法操作简 单，但是特异性差，而且存在纯度不高、制备量偏小、影响细胞活性等缺点，因此未能被广 泛地用于细胞的纯化研究［37］近年来，随着对磁性纳米粒子研究的深入，人们开始利用磁 性纳米粒子来分离细胞［3&39］。

如磁性氧化铁纳米粒子在其表面接上具有生物活性的吸附剂 或配体（如抗体、荧光物质、外源凝结素等），利用它们与忖标细胞的特异性结合，在外加 磁场的作用下将细胞分离、分类以及对其种类、数量分布进行研究张春明等［40］运用化学 连接方法将单克隆抗体CD 133连接到SiO2/Fc3O4复合粒了的表面得到免疫磁性Fc3O4纳 米粒子，利用它分离岀单核细胞和CD133细胞经培养后可以看出，分离出来的CD133细 胞与单核细胞一样，具有很好的活性，能够正常增殖形成集落，并且在整个分离过程中对细 胞的形态以及活性没有明显的毒副作用，这与Kuhara等［30］］报道的采用磁分离技术分离 CD19+和CD204-细胞的结果一致Chatterjee等［39］采用外源凝结素分别修饰聚苯乙烯包被 的磁性Fc3O4微球和白蛋白磁性微球，利用凝结索与红细胞良好的结合能力，快速、高效 的分离了红细胞此外，磁性粒了在分离癌细胞和正常细胞方面的动物实验也已获得成功3.1.2磁性氧化铁纳米材料在蛋片质和核酸分离中的丿'''/「川利用传统的生物学技术（如溶剂萃取技术等）来分离蛋白质和核酸稈序非常繁杂，而 磁分离技术是分离蛋白、核酸及其他生物分了便捷而有效的方法。

目前在外磁场作用下，超 顺磁性氧化铁纳米粒了已广泛应用于蛋白质和核酸的分离Liu等［41］利用聚乙烯醉等表面活性剂存在下制备出共聚磁性高分了微球，表面用乙 二胺修饰后用于分离鼠腹水抗体，得到很好的分离效果Xu等［42］在磁性氧化铁纳米粒子 表血偶联多巴胺分了，用于多种蛋白质的分离纯化多巴胺分了具有二齿烯二醇配体，它可 以与氧化铁纳米粒了表面配位不饱和的Fe原了配位，形成纳米颗粒 多巴胺复合物，此复 合物可以进一步偶联次氨基三乙酸分了 （NTA）, NTA分了可特异螯合Ni + ,对于具有6xHis 标签的蛋白质的分离纯化方面表现出很高的专一性Liu等［43］用硅烷偶联剂（AEAPS）对 核売结构的SiO2/Fe2O3复合粒子的表瓯进行处理，研究复合磁性粒子对牛血清白蛋白 （BSA）的吸附情况，结果表明BSA与磁性复合粒了Z间是通过化学键作用被吸附的，复 合粒了对BSA的最大吸附量达86 mg/g,显示出在白蛋白的分离和尚定上有很大的丿应用潜 力Herdt等［44］利用拨基修饰的吸附/解离速度快的核壳型（Fe3O4/PAA）磁性纳米颗粒与 Cu2+亚氨基二乙酸（IDA）共价交联，通过Cu2+与组氨酸较强的亲和能力实现了组氨酸 标记蛋白的选择性分离，分离过稈如图2所示。

磁性纳米粒了也是核酸分了分离的理想载体［4 5 ］DNA/mRNA含有单一碱基错位， 它们的富集和分离在人类疾病诊断学、基因表达研究方面有着至关重要的作用Zhao等［4 6］合成了一种磁性纳米基因捕获器，用于富集、分离、检测痕量的DNA/mRNA分了这 种材料以磁性纳米粒子为核，包覆一层具行生物相容性的Si02保护层，表面再偶联抗生素 蛋白 维生素H分子作为DNA分子的探针,可以将10-15 mol/LDNA/mRNA有效地富集, 并能实时监控产物丁&丫0「等［4 7］川硅酸钠水解法、正硅酸乙酯水解法制备SiO2/Fe2O3磁 性纳米粒了并对DNA进行了分离结果表明，SiO2功能化的Fe2O3磁性纳米粒了对DNA 的吸附分离效果明显好于单独Fc2O3磁性纳米粒子的分离效果，但是其吸附机理有待进一 步研究3.2磁性氧化铁纳米材料在生物检测中的应用3.2.1基于磁学性能的生物检测磁性氧化铁纳米粒子因其特有的磁导向性、小尺寸效应及其偶联基团的活性，兼有分 离和富集地作用，使其在生物检测领域有广泛的应用当检测H标为低含量的蛋白分了时, 不能通过聚合酶链反应（PCR）对其信号进行放大，而磁微球与有机染料或量了点荧光微球 结合可以对某些特异性蛋白、细胞因了、抗原和核酸等进行多元化检测，实现信号放大的作 用。

Yang等［4 8 ］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bl标分析（图3）如果目标DNA序列或 蛋H存在，它将与两个磁珠结合一起，形成了一个三明治结构，经过磁选，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了 是基于数百力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 检出限可达到amol/L量级，英至更低血01等［4 9］利丿I］多孔微粒法（每个微粒可填充大量条形码DNA）和金纳米微粒为基 础的比色法生物条形码检测技术检测了人白细胞介索2 （IL 2）,检出限可达到30 amol/L, 比普通的酶联免疫分析技术的灵敏度高3个数量级Oh等［5 0］利用荧光为基础的生物条 形码放大方法检测了前列腺特异性抗原（PSA）的水平，其检出限也低于300 amol/L,而且 实现了快速检测在免疫检测中，磁性纳米粒了作为抗体的固相载体，粒子上的抗体与特性抗原结合，形 成抗原抗体复合物，在磁力作用下，使特异性抗原与其它物质分离，克服了放免和酶联免疫 测定方法的缺点。

这种分离具有灵敏度高、检测速度快、特异性高、重复性好等优点Yang 等［5 1 ］通过反相微乳液法制备了粒径很小的SiO2包覆的Fe3O4磁性纳米粒了，生物分了通 过诱导这些高单分散的磁性纳米粒了可用于酶的固定和免疫检测o Lange等［5 2 ］采用肓接或 三明治固相免疫法（生物索基化抗IgG抗体和共辘连接链霉索的磁性纳米粒子组成三明治 结构）和超导量子干涉法（SQUID）,研究它们在确定抗原、抗体相互作用免疫检测中的应 丿lb结果表明特异性键合的磁性纳米颗粒的驰豫信号大小依赖于抗原（人免疫球蛋H G, IgG） 的用量，这种磁弛豫（Magnetic relaxation）免疫检测方法得到的结果与广泛使用的ELISA方法 的结果相当因磁性纳米粒子独特的性能，在生物传感器上也有潜在的应用前景Fan等［5 3］在磁 珠上偶联被检测物的一级抗体，在金纳米颗粒上连接二级抗体，两者反应后，利用 HC1 NaCI Br2将Au氧化为Au。