磁性納米顆粒在法醫(yī)學(xué)痕量分析中的應(yīng)用進(jìn)展

程忠平，劉燕飛，徐興敏，莫耀南

1.河南科技大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與法醫(yī)學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471000；2.河南科技大學(xué)物理工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng)471000

磁性納米顆粒（magnetic nanoparticle，MNP）是一種由鐵、錳、鈷等金屬元素及其氧化物組成的新型納米材料。其中，F(xiàn)e3O4納米顆粒憑借其毒性小、穩(wěn)定性好、生物相容性好且具有超順磁性、高比表面積等特性已在醫(yī)學(xué)影像診斷、腫瘤熱療、藥物遞送、分離與純化、食品、環(huán)境污染檢測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-4]。近年來(lái)，已有學(xué)者嘗試?yán)肕NP 在痕量樣本中提取到足夠的、高質(zhì)量的目標(biāo)物，以滿足法醫(yī)學(xué)痕量分析要求[5-7]。為此，本文綜述了MNP 在法醫(yī)毒物分析、環(huán)境法醫(yī)學(xué)、痕量物證分析和刑事偵查領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展，以期為MNP 在法醫(yī)學(xué)痕量分析領(lǐng)域的應(yīng)用提供研究思路。

1 MNP 在法醫(yī)毒物分析中的應(yīng)用

MNP 通過(guò)與其他物質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生的聚合物具有獨(dú)特的疏水性、π-π 作用、極性官能團(tuán)、離子交換性質(zhì)和主客體識(shí)別作用，可提高吸附的選擇性、生物相容性、可重復(fù)性、易分離性等[8]，適用于法醫(yī)毒物分析和藥物濫用領(lǐng)域?qū)哿课镔|(zhì)的篩查。

1.1 在毒品檢測(cè)中的應(yīng)用

目前，毒品的種類多樣，隱蔽性強(qiáng)，相似毒品難以區(qū)分，這就對(duì)毒品的高效檢測(cè)提出了較高的要求。近年來(lái)的研究表明，MNP 經(jīng)表面修飾與分子印跡技術(shù)（molecular imprinting technology，MIT）或固相萃?。╯olid phase extraction，SPE）相結(jié)合已成功應(yīng)用于相關(guān)毒品的分析檢測(cè)。如BOOJARIA 等[9]將硅烷修飾改性的MNP 作為一種新型吸附劑，結(jié)合高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）測(cè)定人頭發(fā)中嗎啡，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下線性范圍為1～800 μg/L，檢出限（limit of detection，LOD）可達(dá)到0.1 μg/L。SUPIYANI 等[10]以稻殼為原料通過(guò)溶膠-凝膠法制備了二氧化硅納米顆粒并應(yīng)用于水中甲基苯丙胺（methamphetamine，MA）的檢測(cè)，最大吸附量達(dá)到333.3 mg/g，甲基苯丙胺的吸附動(dòng)力學(xué)符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)。YILMAZ 等[11]綜述了分子印跡技術(shù)在法醫(yī)科學(xué)中的應(yīng)用，其中多處是分子印跡技術(shù)與MNP 的綜合應(yīng)用。EL-BEQQALI 等[12]基于固相微萃取生物流體樣品制備的苯丙胺選擇性分子印跡溶膠-凝膠MNP 對(duì)尿液中的甲基苯丙胺具有特異性結(jié)合能力，可多次再利用，LOD為1.0 ng/mL，定量限（limit of quantitation，LOQ）為5 ng/mL，準(zhǔn)確度為91.0%～104.0%。BATTAL 等[13]制備了大麻素印跡的納米顆粒聚合物傳感器，LOD 達(dá)到0.20～0.45 pg/mL。ZHANG 等[14]合成了一種磁性多壁碳納米管（Fe3O4/O-MWNT）用于磁性固相萃?。╩agnetic solid phase extraction，MSPE），結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）技術(shù)定量分析了1 名無(wú)吸毒志愿者和1 名疑似吸毒者的尿液和全血樣本中的甲基苯丙胺和氯胺酮，此方法線性關(guān)系良好，甲基苯丙胺和氯胺酮的LOD 分別為0.04 ng/mL 和0.02 ng/mL，遠(yuǎn)低于聯(lián)合國(guó)毒品和犯罪問(wèn)題辦公室建議的閾值（甲基苯丙胺為10.0 ng/mL，氯胺酮為1.0 ng/mL）[15]。但MNP 在空氣中容易團(tuán)聚、化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定且對(duì)目標(biāo)物的吸附和富集作用力弱，需要對(duì)其表面的修飾或改性進(jìn)一步研究使之成為生物相容性更高和更加穩(wěn)定的磁性納米材料。

1.2 在毒（藥）物檢測(cè)中的應(yīng)用

磁性固相萃取在樣品前處理中可選擇性地將目標(biāo)物吸附到分散的磁性吸附劑表面，通過(guò)外部磁場(chǎng)促進(jìn)固體物質(zhì)與液體的分離，具有分散性、無(wú)毒、吸附能力強(qiáng)、重現(xiàn)性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種生物檢材中痕量目標(biāo)物的分離富集[16]。王澤嵐等[17]制備的核殼結(jié)構(gòu)的MNP（Fe3O4@SiO2@PANI）可選擇性地富集分離牛奶中4 種痕量磺胺類抗生素，結(jié)合高效液相色譜-質(zhì)譜（high performance liquid chromatography-mass spectrometry，HPLC-MS）進(jìn)行分析檢測(cè)，結(jié)果在10～500 μg/L 范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，LOD 為1.3～8.2 ng/mL，該方法具有靈敏度高、選擇性強(qiáng)、抗干擾性好的特點(diǎn)，適用于乳制品中痕量磺胺類抗生素的檢測(cè)。葉學(xué)敏等[18]制備合成的Fe3O4@SiO2@C14mimBF4聚合物可用于固相萃取環(huán)境水中痕量磺胺類藥物（磺胺噻唑、磺胺甲二唑、苯甲?；前贰⒒前仿冗拎海┑亩糠治鰴z測(cè)。馮祖飛等[19]將羥基化修飾的多壁碳納米管與MNP 結(jié)合，可固相萃取血漿樣品中的士的寧和馬錢子堿，在萃取時(shí)間30 min、吸附劑量3.38 mg 的條件下，LOD 和LOQ 分別為6.2～6.3 ng/mL 和20.5～21.0 ng/mL，此方法無(wú)需離心、過(guò)濾，在外加磁場(chǎng)作用下即可將血漿中的目標(biāo)化合物萃取分離，為生物樣本中痕量物質(zhì)的檢測(cè)提供了新的技術(shù)手段。

精神類藥物濫用對(duì)人體身心健康均造成不良影響，近年來(lái)利用精神類藥物進(jìn)行的犯罪活動(dòng)也逐漸增多[20-22]。FARNOUDIYAN-HABIBI 等[23]將 咪 唑 類離子液體修飾的MNP（Fe3O4@SiO2-Imz）作為固相萃取劑，對(duì)血清中兩種三環(huán)類抗抑郁藥阿米替林及其代謝物去甲替林進(jìn)行吸附，通過(guò)分光光度法測(cè)定，結(jié)果顯示，阿米替林和去甲替林的LOD 分別為0.90 ng/mL 和0.19 ng/mL，LOQ 分別為2.93 ng/mL 和0.63 ng/mL，線性范圍均為1～5 ng/mL。氟西汀，也稱為“百憂解”或“薩拉菲”，是目前全球處方最多的抗抑郁藥，但引起了嚴(yán)重的公共健康問(wèn)題[24]?；诒砻嬗≯E法制備的一種磁性分子印跡聚合物（magnetic molecularly imprinted polymer，MMIP）可對(duì)人體尿液中的氟西汀進(jìn)行痕量萃取，該方法的動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍為0.8～10.0 ng/mL，LOD為0.03 ng/mL，具有選擇特異性、無(wú)毒、生物降解性和高吸附能力，為氟西汀在體內(nèi)藥物代謝以及毒理學(xué)研究提供了一種更加便捷的分析方法[25]。陳建虎等[26]合成了C18修飾的MNP（Fe3O4@SiO2@C18），通過(guò)固相萃取提取并富集尿液樣品中9 種常見安眠類藥物，再聯(lián)合GC-MS 進(jìn)行定量分析，結(jié)果表明，9 種常見安眠類藥物的LOD 為0.2～0.6 μg/mL，回收率為60.5%～89.5%，該方法可用于大批量尿液樣本中常見安眠類藥物的定性定量檢測(cè)。

2 MNP 在環(huán)境法醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

2.1 在環(huán)境污染物取證中的應(yīng)用

環(huán)境污染物取證涵蓋了水污染、空氣污染和土壤污染等各個(gè)方面，包括識(shí)別污染物、確定其可能的來(lái)源、估計(jì)其釋放和分布到環(huán)境中的大致時(shí)間、分配污染物來(lái)源之間的損害責(zé)任以及起訴責(zé)任人等。如三氯苯酚由于其高效的抗菌作用被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，然而，大量三氯苯酚釋放到水生態(tài)環(huán)境中后，會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)[27]。LU等[28]以檸檬酸鹽修飾的MNP 為核心，利用溶膠-凝膠法包裹SiO2合成具有核殼結(jié)構(gòu)的載體，結(jié)合分子印跡技術(shù)以三氯苯酚為模板分子制備了MMIP，該MMIP 對(duì)水環(huán)境中的三氯苯酚具有特異選擇性，2 min 內(nèi)吸附量為53.12 mg/g，作為環(huán)境友好型吸附劑，MMIP 顯著減輕了三氯苯酚對(duì)萊茵衣藻的毒害作用。

鄰苯二甲酸酯（phthalic acid ester，PAE）是大氣顆粒物、淡水、沉積物、土壤和垃圾填埋場(chǎng)中最常見的持久性有機(jī)污染物之一，人或動(dòng)物長(zhǎng)期接觸PAE 可導(dǎo)致體內(nèi)雌性激素失調(diào)、內(nèi)分泌混亂，甚至誘發(fā)癌癥[29]。GUO 等[30]通過(guò)介孔二氧化硅修飾磁性氧化石墨烯的表面，與雙模板分子鄰苯二甲酸二丙酯和鄰苯二甲酸二異壬酯結(jié)合制備的MMIP 較單一模板分子對(duì)水中6 種PAE 具有更高的吸附量，LOD 和LOQ 分別為0.01～0.05 μg/L 和0.05～0.20 μg/L，其加標(biāo)回收率高于92.9%。

2.2 在有毒重金屬監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

有毒重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染是多方面的[31-34]，如何更好地監(jiān)測(cè)環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)中的重金屬污染物是治理和維護(hù)環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵，在環(huán)境法醫(yī)學(xué)中也具有重要意義。六價(jià)鉻［Cr（Ⅵ）］由于其高毒性、致癌性和致突變性，對(duì)人體健康和環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅[35]。ZHONG 等[36]通過(guò)微波共熱解法將稻殼與硫酸亞鐵（FeSO4）混合，制備了具有活性的MNP 和磁性生物炭的混合體用于去除水中的六價(jià)鉻，研究結(jié)果表明，磁性生物炭中多孔型的MNP 對(duì)六價(jià)鉻具有高吸附性，比稻殼生物炭對(duì)六價(jià)鉻的吸附和還原效率分別高出3.2 倍和11.7 倍，從而具有更高的去除效率（84.3%）和平衡吸附量（8.35 mg/g）。

金屬有機(jī)骨架（metal-organic framework，MOF）憑借其較大的表面積、可調(diào)節(jié)的孔隙和足夠的活性吸附位點(diǎn)，在氣體分離、能量?jī)?chǔ)存和藥物輸送等研究領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[37]。ZHOU 等[38]以MNP 為核、UiO-66為內(nèi)殼、聚吡咯為外殼，采用直接外延生長(zhǎng)和原位聚合法制備了一種核-雙殼結(jié)構(gòu)的鋯基磁性納米復(fù)合材料（UiO-66@Ppy），該磁性鋯基MOF 具有較高的比表面積（52.49 m2/g）、可控的孔徑以及更高的吸附量（259.1 mg/g），可選擇性地從水中有效去除六價(jià)鉻。

2.3 在農(nóng)藥殘留取證中的應(yīng)用

三嗪類農(nóng)藥是水果、蔬菜及谷物種植的常用除草劑之一，但毒理學(xué)研究[39]表明，三嗪類農(nóng)藥殘留物有致癌作用，可導(dǎo)致嬰兒先天性生理缺陷及免疫系統(tǒng)紊亂。ZHOU 等[40]基于靜電效應(yīng)用沸石咪唑骨架材料（ZIF-8）修飾MNP 表面以減小聚合物空間阻力，經(jīng)過(guò)鋅離子（Zn2+）和咪唑配體的π-π 效應(yīng)與π-絡(luò)合效應(yīng)，增強(qiáng)了目標(biāo)物之間的作用力，提高了比表面積和穩(wěn)定性，該方法可萃取不同環(huán)境樣品中4種三嗪類除草劑，LOD 為0.18～0.72 ng/mL。此外，周戀[41]還利用反相乳液交聯(lián)和水熱法，合成了殼聚糖和MIL-101（Cr）修飾的新型磁性功能化MOF 復(fù)合材料，由于殼聚糖分子和MOF 材料兩者獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，制備的功能化磁性納米材料分散性和穩(wěn)定性較好，可用于茶飲料和果汁樣品中4種苯甲酰脲類殺蟲劑的檢測(cè)。吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在優(yōu)化條件下線性范圍為1.0～100 ng/mL，相關(guān)系數(shù)均大于0.999 2，對(duì)4 種殺蟲劑目標(biāo)物的絕對(duì)回收率和加標(biāo)回收率分別為80.3%～90.8%和88.0%～102.1%。姚偉宣等[42]通過(guò)化學(xué)共沉淀法將MNP 負(fù)載于酸化多壁碳納米管（acid multi-walled carbon nanotubes，AMWNTs）表面，制備了磁性納米材料Fe3O4/AMWNTs，可用于富集萃取水樣及蜂蜜樣品中痕量擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留，并聯(lián)合氣相色譜對(duì)6 種菊酯類農(nóng)藥殘留進(jìn)行了定量檢測(cè)。張凌怡等[43]將C18修飾的MNP 用于水樣中7 種農(nóng)藥的固相萃取，采用GC-MS 進(jìn)行定性定量分析，結(jié)果表明，C18修飾的MNP 在萃取水中不同濃度化合物時(shí)分配不同，非極性化合物保留較好，極性化合物較弱。同時(shí)，該方法用于3 例水樣中未知農(nóng)藥投毒案件的取證檢測(cè)，2 例水樣中檢測(cè)出農(nóng)藥氟胺氰菊酯，質(zhì)量濃度分別為5.16 μg/L 和0.47 μg/L，另一樣品中檢測(cè)出甲氰菊酯，質(zhì)量濃度為3.72 μg/L。

3 MNP 在痕量物證分析中的應(yīng)用

在法醫(yī)物證學(xué)中，痕量證據(jù)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)與犯罪者相關(guān)的痕跡、物品，犯罪嫌疑人認(rèn)定以及犯罪地點(diǎn)判定等具有重要意義。然而，在“痕量證據(jù)”中獲取足夠高質(zhì)量的樣本困難重重。MNP 因其具有超順磁性和生物相容性的特點(diǎn)，在核酸提取[44-45]、細(xì)胞免疫磁性分離[46]、蛋白質(zhì)分離[47]中的應(yīng)用越來(lái)越受到關(guān)注。

3.1 在痕量核酸提取中的應(yīng)用

高純度、高質(zhì)量的RNA 是在分子水平研究生物個(gè)體遺傳的基礎(chǔ)，MNP 擁有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和超順磁性、生物相容性，可直接從血液、組織勻漿、培養(yǎng)基、水等粗制樣品中將核酸提取出來(lái)，避免了離心步驟[44]。MENG 等[48]合成的深共熔溶劑修飾的磁性復(fù)合材料（Fe3O4-COOH@UiO-66-NH2@DES）可從藥用酵母中選擇性提取RNA，而不是DNA、牛血紅蛋白和氨基酸，且吸附劑在循環(huán)6 次后仍具有穩(wěn)定性和再生性。有研究[49]表明，表面功能化的MNP 可從高濃度污染物中有效捕獲純化核酸生物標(biāo)志物。如采用水熱法制備多巴胺修飾的MNP（Fe3O4@PDA），以磁性固相萃取為基礎(chǔ)，結(jié)合PCR 和瓊脂糖凝膠電泳技術(shù)，能夠高效捕獲原始生物樣本中的DNA 分子，無(wú)需預(yù)先洗脫分離，且對(duì)于不同DNA 片段均可有效提取，較免疫磁珠和旋轉(zhuǎn)柱核酸提取方法更方便、快速和有效[50]。

3.2 在復(fù)雜生物樣本免疫細(xì)胞分離中的應(yīng)用

程昉等[51]利用磁性微核-砜基-聚乙二醇鏈的核-殼結(jié)構(gòu)的MNP，分別對(duì)人、牛、羊和兔的免疫球蛋白G（immunoglobulin G，IgG）吸附性能進(jìn)行研究，經(jīng)氨基聚乙二醇2000 修飾后，具有最優(yōu)的抗體分離性能，IgG 的吸附量為132.8 mg/g，選擇性為32.5［IgG 吸附量/牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA）吸附量］，該方法應(yīng)用于復(fù)雜生物樣本的抗體分離，可從胎牛血清中得到純度為96%的IgG，同時(shí)從無(wú)血清細(xì)胞培養(yǎng)基中得到純度為99%的奧馬珠單抗，較傳統(tǒng)的Protein A 配基具有物種特異性、親和性和快速分離的優(yōu)勢(shì)。許炎等[52]利用免疫磁珠有效分離了女性陰道上皮細(xì)胞中混有的精子細(xì)胞，能完全獲得女性陰道拭子中單個(gè)嫌疑男性的基因型，進(jìn)而為法庭審判提供有力證據(jù)。

3.3 在復(fù)雜生物檢材蛋白質(zhì)識(shí)別中的應(yīng)用

對(duì)基質(zhì)復(fù)雜的生物檢材中的目標(biāo)蛋白進(jìn)行快速高效的特異性識(shí)別，是蛋白質(zhì)分離領(lǐng)域的難點(diǎn)。王文靜等[53]利用溶劑熱法制備了羧基功能化的MNP，經(jīng)過(guò)3-（異丁烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷和聚丙烯酸修飾，使其表面富含雙鍵并與NTA-Ni2+螯合成Fe3O4/MPS/PAA/NTA-Ni2+磁性納米復(fù)合材料，該復(fù)合材料5 min內(nèi)對(duì)組氨酸標(biāo)簽蛋白的選擇性吸附能力為15.0 g/mg，富集力為90%，將其運(yùn)用于復(fù)雜基質(zhì)中的蛋白質(zhì)分離與純化具有高度特異性。陳炯等[54]利用人脂質(zhì)運(yùn)載蛋白6（human lipocalin 6，hLCN6）單克隆抗體偶聯(lián)包被的免疫磁珠捕獲分離精子細(xì)胞，并對(duì)混合斑進(jìn)行STR 分型，該方法成功應(yīng)用于法醫(yī)學(xué)性侵案件中混合檢材精子的分離，且操作簡(jiǎn)單、高效。

4 MNP在刑事偵查潛指印顯現(xiàn)中的應(yīng)用

在法庭科學(xué)中，犯罪嫌疑人在案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)留下的指紋是偵查人員分析、鑒別、認(rèn)定犯罪嫌疑人的依據(jù)，也是刑偵人員查驗(yàn)、揭露和證實(shí)犯罪嫌疑人犯罪的有效途徑[55]。MNP可與潛指印中無(wú)機(jī)、有機(jī)類物質(zhì)相結(jié)合，并利用光子晶體或高效發(fā)光體照射激發(fā)結(jié)合在潛指印上的納米材料，使其發(fā)出熒光，然后通過(guò)識(shí)別熒光光譜圖，從而有效識(shí)別出犯罪嫌疑人指紋圖譜[56-57]。劉嘉揚(yáng)等[58]制備的MNP 輔以微波輻射，可用于多種客體表面（金屬門把手、玻璃、塑料、油漆、紙張、桌面等）潛指印的顯現(xiàn)，且懸浮在溶液中的MNP可在5 s內(nèi)被吸到永磁體的表面，與指紋殘留物中的濕潤(rùn)物質(zhì)或油脂類物質(zhì)間進(jìn)行靜電吸附，呈現(xiàn)出清晰的紋線和細(xì)節(jié)特征。與傳統(tǒng)的金、銀粉末顯現(xiàn)的指紋線相比，MNP展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，在刑事偵查個(gè)體識(shí)別中具有實(shí)際作用。

5 機(jī)遇與挑戰(zhàn)

MNP 在不斷的發(fā)展過(guò)程中逐漸形成了“納米磁醫(yī)學(xué)工程”，包括磁共振成像、生物傳感器、靶向載藥等新的交叉學(xué)科，繼而為各學(xué)科的應(yīng)用提供了更加廣闊的發(fā)展空間。目前研究[59-60]表明，兩種或兩種以上具有不同物理化學(xué)性質(zhì)的MNP 聚合物具有尺寸小、磁性強(qiáng)、耐酸堿腐蝕、生物相容性強(qiáng)、比表面積大、催化吸附能力強(qiáng)等特性，可嘗試將MNP 運(yùn)用于法醫(yī)毒物分析、環(huán)境法醫(yī)學(xué)、痕量物證分析等的檢材取樣和處理等方面。利用先進(jìn)的磁學(xué)理論和納米技術(shù)，進(jìn)行創(chuàng)新性的科學(xué)研究，建立新型的痕量分析方法，可為法醫(yī)學(xué)研究提供更加有效的技術(shù)手段。然而，在法醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，痕量目標(biāo)物的取樣和制備是一個(gè)多樣化的研究領(lǐng)域，往往受到樣品量、雜質(zhì)、人為因素的影響，因此，將MNP 應(yīng)用于法醫(yī)學(xué)痕量分析也面臨如下挑戰(zhàn)：（1）磁性探針的生物相容性、毒性的評(píng)價(jià)、靶向效能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，必須使用體外或體內(nèi)模型進(jìn)行研究；（2）為了提高磁性納米材料的生物靶向性和增強(qiáng)其物理化學(xué)性能，還需要進(jìn)一步探索MNP 的功能化；（3）如何將MNP 與智能傳感器、量子光學(xué)研究相結(jié)合，更加快捷、高效地對(duì)犯罪嫌疑人殘留痕量目標(biāo)物進(jìn)行分離提取，再利用計(jì)算機(jī)高通量的處理能力建立應(yīng)用廣泛的數(shù)據(jù)庫(kù)，將會(huì)極大地提高M(jìn)NP 在法醫(yī)學(xué)鑒定中的應(yīng)用效率。