磁性納米材料的制備及其應(yīng)用研究進展

鄭 磊 李忠海 黎繼烈

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004）

磁性納米材料是納米材料中的一種。當(dāng)粒子的大小為納米級時，由于特殊的物理化學(xué)性質(zhì)如量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等，賦予了其力學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)及催化和生物學(xué)性能。納米技術(shù)使古老的磁學(xué)變得年輕活躍，磁性材料使納米材料的發(fā)展進入新紀元，在信息科技、生物醫(yī)學(xué)以及分離檢測技術(shù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。如磁流體［1］、高密度信息存儲［2］、固定化酶［3］、靶向藥物［4］、核磁共振［5］、DNA［6］、細胞分離技術(shù)［7］、食品檢測［8］等。通過表面修飾，將磁性粒子功能化，在催化、分離、識別等領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。

1 磁性納米材料的合成

目前磁性納米材料的主要合成方法有溶膠－凝膠法、水熱合成法、共沉淀法、微乳液法等。

1.1 溶膠－凝膠法

溶膠－凝膠法反應(yīng)條件溫和，操作簡單，化學(xué)均勻性好，所制備的納米顆粒細，易于摻雜，產(chǎn)物活性高，工藝設(shè)備簡單，工藝過程溫度低，用料少，成本較低，特別適合具有多種組分氧化物的制備等優(yōu)點，是制備納米復(fù)合材料（ONIC）的有效方法。該方法使用烷氧金屬或金屬鹽等前驅(qū)物和有機溶劑配合形成溶液，在共溶劑的體系中經(jīng)水解反應(yīng)形成納米級粒子并形成溶膠，經(jīng)蒸發(fā)干燥轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。在適當(dāng)?shù)臈l件下，凝膠形成與干燥過程中聚合物不發(fā)生相分離，即可獲得ONIC。

車如心等［9］采用添加分散劑溶膠－凝膠法制備軟磁納米材料Fe2O3，采取添加分散劑和改變焙燒方法保證晶粒尺寸。軟磁納米晶制備中添加分散劑尿素，在高溫（600℃）焙燒前增加一個低溫（400℃）退火階段，兩項措施能保證Fe2O3原始晶粒尺寸在30～40nm。

方學(xué)玲等［10］以正硅酸乙酯和Fe（NO3）3·9H2O作為SiO2和Fe2O3的前體物，無水乙醇和鹽酸作為有機溶劑和催化劑，以十六烷基三甲基溴化銨為表面活性劑，采用溶膠－凝膠法制備了具有超順磁性的納米C2Fe2O3／SiO2復(fù)合材料。C2Fe2O3樣品表面均有殘余的表面活性劑存在，表面活性劑與樣品顆粒之間的相互作用以及表面活性劑的較大的空間位阻作用，導(dǎo)致樣品顆粒之間不易團聚［11］，顆粒之間存在著較強的耦合相互作用，使得C2Fe2O3／SiO2復(fù)合材料表現(xiàn)出超順磁性，同時可以改變復(fù)合材料的磁性能。

1.2 水熱合成法

水熱法是指在一定溫度和壓力下，使物質(zhì)在溶液中進行反應(yīng)的一種制備方法，所得產(chǎn)物純度高，分散性好，粒度易于控制，近年來發(fā)展迅速。Cheng等［12］以乙二醇為還原劑，乙酸鈉為靜電穩(wěn)定劑，用水熱法還原FeCl3可得到Fe3O4微球。Qi等［13］用十二烷基硫酸鎳作為前體物和表面活性劑，與FeCl3和NaOH溶液在120℃水熱合成NiFe2O4納米微粒，其δs（比飽和磁化強度）達到30.4emu／g。然而在研究水熱法制備納米粒子的過程中發(fā)現(xiàn)，通常的加熱方式由于使反應(yīng)溶液中存在嚴重的溫度不均勻，使液體不同區(qū)域產(chǎn)物 “成核”時間不同，從而使先前成核微晶聚集長大，難以保證反應(yīng)產(chǎn)物顆粒的集中分布［14］。

1.3 共沉淀法

共沉淀法是把沉淀劑加入混合后的金屬溶液中，然后加熱分解獲得超微粒。由于其具有制備工藝簡單、成本低、條件易控制、合成周期短等優(yōu)點，是制備磁性Fe3O4納米粒子的常用方法。韓志萍等［15］使用高純度N2的保護，制備的Fe3O4納米粒子的δs在60emu／g左右。高道江等［16］選用NH3·H2O做為沉淀劑，在晶化溫度達到80℃時，得到δs為73.5emu／g的Fe3O4納米粒子。鄒濤等［17］研究發(fā)現(xiàn)，通過改變n（Fe2＋）∶n（Fe3＋）、晶化溫度、晶化時間、NaOH 濃度和總鐵濃度等條件，可以得到δs為75.9emu／g，強磁性晶?？煽氐腇e3O4納米粒子。姚素薇等［18］通過超聲共沉淀法制備單相Fe3O4磁納米顆粒，粒徑隨超聲功率增大而減小，測得δs為86.19emu／g。由于反應(yīng)中的成核、核生長和核成熟的過程幾乎同時發(fā)生，難以區(qū)分，所以共沉淀反應(yīng)的機理目前尚不明確。

1.4 微乳液法

微乳液是將兩種或兩種以上互不相溶的溶劑混合乳化后形成的均勻、穩(wěn)定、各向同性的透明液體。分散水相粒徑尺度控制在納米級范圍內(nèi)，極性水相液滴可以看做微型反應(yīng)器，通過化學(xué)反應(yīng)而獲得納米粒子。微乳法中所使用的表面活性劑和助表面活性劑決定了納米粒子的粒徑和結(jié)構(gòu)，因此表面活性劑的選擇是采用微乳法制備納米粒子的重要步驟。Feltin等［19］用FeCl2與表面活性劑十二烷基磺酸鈉（SDS）反應(yīng)生成的Fe（DS）2作為反應(yīng)前體，通過控制反應(yīng)溫度和SDS的濃度制備合成了粒徑為3.7～11.6nm的Fe3O4納米粒子。Liu等［20］以雙十二烷基磺酸鈉為表面活性劑在水－丙酮反相膠束中制備合成了4～15nm的尖晶石結(jié)構(gòu)MFe2O4粒子。微乳法優(yōu)點是當(dāng)納米粒子合成后，體系能提供表面活性劑用來鈍化粒子表面，保障了其分散性。而產(chǎn)量低，粒子提取過程復(fù)雜也是微乳法本身存在的不足。

2 磁性納米材料的應(yīng)用

2.1 核酸分離提取

利用磁性納米粒子的表面配受體間的相互特異性作用可以對靶向性的目標進行快速的分離提取。相比于傳統(tǒng)技術(shù)，運用磁納米粒子具有快速、簡便、高效的特點。Bromberg等［21］發(fā)現(xiàn)磁性納米復(fù)合粒子經(jīng)由聚乙烯亞胺和聚六亞甲基雙胍鹽酸鹽表面修飾后能夠在pH值≤10的水中保持穩(wěn)定，并能捕獲各種細菌的DNA分子。Chan［22］發(fā)現(xiàn)一種基于表面改性磁性納米粒子的特異性DNA提取的新方法。將生物?；牡途厶翘结樑cDNA通過生物素－鏈親和素作用雜交到磁納米表面。這樣DNA分子更易被捕獲，在外部磁場的作用下也可以實現(xiàn)快速分離。

2.2 生物檢測

磁納米粒子在活性、磁導(dǎo)性以及可調(diào)控性方面表現(xiàn)顯著，對蛋白質(zhì)、核酸等的生物分子檢測應(yīng)用技術(shù)也逐漸成熟。Song等［23］成功地使用連接有單克隆抗體的熒光－磁性－細胞靶向多功能的納米粒子富集檢測白血病細胞和前列腺癌細胞。這種多功能納米粒子對兩種癌細胞的捕獲效率分別達到96%和97%，對微量癌細胞也有較高的靈敏度，可達到0.01%，而且不需要任何前處理。

2.3 核磁共振成像磁性納米粒子

由于其超順磁性可以被用于核磁共振成像（MRI）。生物的弱磁性使得磁性納米粒子在微創(chuàng)處理中具有更高靈敏度。核磁共振利用磁納米粒子作為近距離傳感器調(diào)節(jié)納米淋巴靶向周圍水質(zhì)子馳豫時間，使其位置的磁共振信號強度發(fā)生改變。隨著診斷磁共振生物傳感器、接合方法和高靈敏度微型磁納米系統(tǒng)的發(fā)展，診斷磁共振的檢測能力已經(jīng)大大提高［24］。Zhang等［25］通過尾靜脈注射的方式將功能化修飾的Fe3O4納米粒子注入小鼠體內(nèi)，在外加磁場作用30min后檢測其MRI，結(jié)果表明，與對照組相比，磁納米粒子集中在靶向區(qū)域，小鼠的重要器官的陰性對比度明顯增強。試驗表明該功能化的Fe3O4納米粒子可在外加磁場作用下定位特定靶向組織，并作為MRI的造影劑使用。

2.4 主動靶向磁性納米載體

納米醫(yī)藥研究始于20世紀70年代，近年來發(fā)展迅速。納米藥物載體的研究推動了醫(yī)學(xué)的發(fā)展，減少了藥物不良反應(yīng)，解決了很多以往只能通過手術(shù)治療的疾病。

Hillger等［26］在交變磁場的作用下，培養(yǎng)修飾了抗Her－2基因的磁性納米粒子與乳腺癌細胞，發(fā)現(xiàn)結(jié)合修飾過的磁性納米粒子的細胞溫度上升8℃。Ito等［27］將磁性納米粒子通過聚乙烯乙二醇與腫瘤靶向特異的單抗結(jié)合，與BM314細胞共同孵育，結(jié)果發(fā)現(xiàn)每個癌細胞可吸收90pg的磁鐵，是對照組的4倍，在磁場作用下加熱30s可使1cm3的腫瘤溫度升高到42℃。這種方法可以形成疫苗，產(chǎn)生抗腫瘤免疫效應(yīng)。

Cristina等［28］將磁性Fe3O4納米粒子作為神經(jīng)指導(dǎo)磁驅(qū)動器，運用光學(xué)和電子顯微鏡觀測細胞內(nèi)的納米粒子通過細胞膜進入細胞質(zhì)，在磁場的作用下進行操控，比商業(yè)納米更有效的誘導(dǎo)定向遷移。通過這種方法可以促進神經(jīng)細胞再生，并且對細胞沒有明顯的毒性作用。

腫瘤細胞的耐藥性是影響化療效果的主要障礙。Jian等［29］研究了包裹在納米粒子中的漢黃芩素和紅比霉素共聚物的可逆影響，用 MTT法（噻唑藍比色法）研究K562／A02細胞的生長抑制率，通過流式細胞儀檢測細胞凋亡和細胞內(nèi)紅比霉素含量。用普魯士藍染色法在電子顯微鏡下觀察K562／A02細胞內(nèi)的納米粒子，P－糖蛋白的 MDR 1mRNA轉(zhuǎn)錄和表達分別由聚合酶鏈式反應(yīng)和蛋白質(zhì)免疫印跡控制。結(jié)果顯示，紅比霉素－漢黃芩素磁性納米粒子在克服K562／A02白血病細胞耐藥性方面具有顯著效果。

2.5 水處理離子分離

隨著工業(yè)和經(jīng)濟的快速發(fā)展，污水的大量排放，使得水域中的重金屬污染問題日益嚴峻，嚴重威脅著水生物和人類的生存健康［30］。傳統(tǒng)離子處理方法主要為物理方法，將重金屬轉(zhuǎn)化為沉淀或者還原為低毒物質(zhì)，而成本高、容易引起二次污染等弊端無法滿足人們對環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控日益嚴格的要求。磁分離技術(shù)因為其諸多優(yōu)點而成為新型的污水處理技術(shù)之一［31］。Chandra等［32］制備了一種具有超順磁性的石墨烯Fe3O4雜化磁性納米粒子，該粒子粒徑約為10nm。與未經(jīng)修飾的純磁性納米粒子對照相比，該雜化粒子對于離子As（III）和 As（V）的吸附率可以達到99.9%。同時，該雜化粒子不易團聚。

2.6 食品安全快速檢測

快速檢測技術(shù)的發(fā)展，為食品安全提供了重要保障。隨著科技的發(fā)展，食品快速檢測方法也逐漸多樣化。免疫磁分離技術(shù)（MS）是新興的通過納米技術(shù)檢測食品的方法，該方法具有快速富集分離目標、操作簡單、特異性強等特點。

Wright等［33］將E.coli O157從牛肉樣本中分離出，其檢測的靈敏度可以達到2CFU／g，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的選擇性培養(yǎng)基檢測技術(shù)。

普通酶聯(lián)免疫技術(shù)（ELISA）具有反應(yīng)接觸面積小、反應(yīng)速度慢等缺點。磁分離－酶聯(lián)免疫技術(shù)（MS－ELISA）利用納米材料比表面積高等特點，增大了分子接觸面積，使反應(yīng)更為徹底，也提高了靈敏度。Gessler等［34］利用 MS－ELISA檢測肉毒桿菌神經(jīng)毒素，其靈敏度可達到0.3MLD／mL。

3 結(jié)語

隨著納米科技的迅速發(fā)展，合成技術(shù)的不斷完善，對納米粒子的形狀、大小、組分的控制也日趨成熟。但如何精確控制合成條件，實現(xiàn)大規(guī)模的高品質(zhì)磁納米粒子生產(chǎn)仍是研究者面臨的挑戰(zhàn)性工作。存在的問題包括前體物價格昂貴，有毒性，產(chǎn)物形成的分散體系不穩(wěn)定，如何構(gòu)建多功能磁性納米體系等。只有確保合成出的磁性納米材料性能穩(wěn)定，才能更好的實現(xiàn)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。在不久的將來，磁性納米科學(xué)對經(jīng)濟社會的發(fā)展，特別是高新技術(shù)的發(fā)展，必將起到重要的作用。

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