磁传感中纳米材料的运用范文

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0引言

近年来，随着生命科学、生物技术、磁分离技术和生物探针以及传感器应用科学等领域的交叉融合，一门新兴的学科领域———化学磁传感和生物探针逐渐成为研究的热点．而蓬勃发展的纳米技术，特别是具有一些特殊性质的磁性纳米材料的出现及其应用，促进了新型的、灵敏的化学磁传感器和生物探针的快速发展［1－2］．在方法上，追求高灵敏度和高选择性的趋势导致科学研究由宏观向微观、介观尺度迈进，出现了许多新型的磁传感器［3］;在技术上，利用交叉学科方法将磁性纳米材料与光、热、靶向等特殊功能有机地结合并运用于磁传感器和生物探针上，从而实现了在分子甚至原子水平上进行实时、现场和活体监测的目的［4］;在应用上，磁性纳米材料在外磁场独特的弛豫性能以及修饰以后良好的生物相容性，为研究生命现象中的某些基本过程提供了可能［5］．本文作者从磁性纳米材料的功能角度出发，简述近几年来其在化学磁传感和生物探针中的研究进展，并对其发展前景做出展望．

1磁性纳米材料在化学生物磁传感中的应用

纳米材料是指三维空间尺寸至少有一维处于纳米级(通常为0．1～100nm)的材料．纳米材料由于其特殊的尺寸分布，其具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，表现出一系列特有的力学、电学、光学、磁学以及催化性能．在化学磁传感和生物探针应用方面，磁性纳米材料主要起到以下几种作用:(1)在外界磁场下利用磁分离技术分离一些生物分子或生物体;(2)探测一些细菌、DNA以及其他生物分子;(3)磁性纳米材料自组装;(4)其他生物应用．

1．1在外界磁场下利用磁分离技术分离一些生物分子或生物体

磁性纳米粒子由于具有良好的磁学性能，在外界磁场作用下磁性纳米粒子可以发生聚集，利用这一性质，在纳米粒子表面修饰一些与病原体特异结合的分子后可以起到分离一些病毒以及净化环境等作用．美国托莱多大学Huang课题组［6］(图1)将四氧化三铁纳米粒子用正硅酸乙酯(TEOS)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)修饰后，再修饰了一种能与大肠肝菌特异结合的甘油衍生物，把修饰之后的纳米粒子加入到含有病原体的培养基中让其孵育一段时间，在外界磁场作用下磁性纳米粒子得到富集，进而分离了病原体，达到排除污染物的目的．香港理工大学Xu课题组［7］(图2)利用同样的原理在FePt纳米粒子表面接上了万古霉素，万古霉素和葡萄球菌发生特异的结合，从而达到捕获和分离葡萄球菌的目的，他们又报道了万古霉素在较低浓度下还可以捕获革兰氏阴性的其他细菌［8］

．1．2探测一些细菌、DNA以及其他生物分子

生物兼容性的磁性纳米传感器可以用来探测生物环境中一些病原体和生物分子;由于靶向的作用，引起纳米传感器横向弛豫时间(T2)的改变，从而根据NMR/MRI技术来探测生物分子．美国哈佛医学院JanGrimm［9－10］(图3)等人，发明了一种在生物样品内快速检测端粒酶活性的纳米磁传感器:先将氧化铁磁性纳米粒子修饰为外端带－NH2的水溶性纳米粒子，然后通过硫醚作用耦联上低核苷酸，该核苷酸上的基因碱基对和端粒酶的基因碱基对有特定的结合作用，被核甘酸修饰之后的氧化铁纳米粒子在有端粒酶的环境中可以发生自组装，利用氧化铁纳米粒子自组装和非自组装两种不同状态下T2值的大小以及T2加权成像来检测生物样品中端粒酶的活性．这种方法还可以用来高效率的检测mRNA、蛋白质［11－13］和抗体［14］以及其他蛋白酶的生物活性［15－17］．美国佛罗里达大学J．ManuelPerez［17］(图4)等人报道了一种一步法靶向探测细菌的磁性纳米传感器:超顺磁性四氧化三铁纳米粒子通过G蛋白作用在其表面耦联上类结核病细菌(MAP)的抗体，选择了最优的纳米粒子浓度和T2弛豫值，然后加入少量的MAP细菌，由于抗体和抗原的特异性结合，纳米粒子会连接到细菌表面并发生自组装，若加入过量的MAP细菌，四氧化三铁纳米粒子之间竞争细菌，形成准平衡态即使得纳米粒子会相对分散，根据磁性纳米粒子在分散和富集不同状态时T2值变化来探测MAP细菌，实验中还加入其他细菌如(E．coli，Staph，Enterococ，poroteus)作为对照，结果在其他细菌条件下T2值不发生变化，由此说明这种探测方法可以达到靶向作用;最近他们又报道了通过改变纳米粒子表面耦联抗体数量的多少来定量探测牛奶中MAP细菌的数量［18－19］．

1．3磁性纳米材料自组装

磁性纳米材料可以进行表面功能化，修饰后的磁性纳米材料在特定的生物环境中就会发生自组装，通过动态激光光散射(DLS)表征可以检测纳米材料自组装后的粒径大小，也可以用这种方法来检测一些生物体．RalphWeissleder等人(图5)［20］，将粒径均一的四氧化三铁纳米粒子修饰上葡聚糖，粒径大小为(46±0．6)nm，然后通过氮－琥珀酸亚氨－3(2－吡啶二硫代)－酸酯(SPDP)和G蛋白质的耦联作用，将单纯疱疹病毒(HSV－1)抗体固定在已功能化的四氧化三铁纳米粒子表面，由于病毒和抗体的特定结合，加入HSV病毒后，HSV和纳米粒子发生了特定的结合，纳米粒子发生了团聚，用DLS可以观测到30min后，粒径大小达到了(494±23)nm，T2值的变化也证明纳米粒子发生了自组装．KeithP．Johnston等人［21］用羟胺做促结晶剂在葡聚糖交联的四氧化三铁纳米粒子溶液中滴加HAuCl4溶液，形成四氧化三铁表面连接一层金壳的核－壳结构，可以通过控制反应前驱体的浓度来控制金壳的厚度，由于金壳的存在四氧化三铁粒子之间范德华力增加，导致了金对四氧化三铁的哈梅克常数增大;又因为葡聚糖的交连作用，核－壳结构的金和四氧化三铁材料形成粒径约为30nm的纳米花，这种自组装结构利用四氧化三铁的磁学性质做磁共振成像造影剂，也可以利用金的近红外吸收性质做热疗．RalphWeissleder等人(图5)［22］通过辛二酸作为交连剂在葡聚糖包裹的四氧化三铁纳米粒子表面耦联上血清素，向修饰后的纳米粒子溶液中加入过氧化氢和过氧化氢酶，过氧化氢酶在催化过氧化氢分解过程中，四氧化三铁纳米粒子表面的血清素作为电子给予体与血清素结合，从而使四氧化三铁纳米粒子发生了自组装，DLS表征证明四氧化三铁粒子大小由原来的50nm团聚到450nm，因为过氧化氢酶存在于一些炎症和冠状动脉疾病中，可根据材料T2值的变化以及磁共振成像来诊断细胞内是否发生病变．

1．4其他生物应用

磁性纳米粒子传感器除了以上几种作用外，在其他方面如DNA－切割试剂，磁开关中也有一些应用［23～24］．美国J．ManuelPerez［25］(图6)课题组在四氧化三铁纳米粒子表面修饰葡聚糖，由于刀豆凝集素不仅可以和葡聚糖的特定位点结合而且也可以与细菌培养基(MH肉汤)中淀粉发生特异性结合，通过这一原理，根据T2弛豫率值的变化来评估血液中抑菌剂的杀菌效果．这种方法具有以下特点:(1)可以快速确定细菌培养基中碳水化合物的量，(2)快速评估细菌活性，(3)快速确定血液中抑菌剂的最低抑制浓度．RalphWeissleder等人［26］(图6)报道了一种探测低核苷酸序列的磁性纳米传感器:在Fe2O3/Fe3O4晶体表面先耦联上葡聚糖，然后将纳米粒子表面修饰上氨基，使其成为水溶性的纳米粒子，用SP-DP作为连接器连接两种带有不同硫醇基的低核苷酸，称之为P1、P2，如果向纳米粒子溶液中加入互补的核苷酸碱基对，加入后的低核苷酸碱基对与P1、P2发生DNA序列的特殊配对作用，P1、P2连接起来，使得纳米粒子发生了团聚，利用这种磁性纳米粒子T2驰豫率值的变化来探测低核苷酸序列．

2展望

纳米科技的兴起促进了化学磁传感和生物探针的快速发展．在未来，基于磁性纳米材料设计研究新的化学传感器和生物探针的趋势将关注以下几个方面:(1)合成尺寸均匀、具有磁信号响应的纳米材料标记物，使其在多组分蛋白质及细菌的同时检测中发挥作用;(2)利用磁性纳米材料构筑仿生界面，并将其应用于磁性纳米材料开关的研究中;(3)将磁性纳米材料和发光材料结合，多表征手段对细胞及其他生物体的动态化学变化进行监测;(4)将磁性纳米材料、化学生物磁传感技术与微电子机械技术结合，研究开发具有实时、在线检测复杂实际样品能力的化学生物磁传感器．随着研究的不断深入，结合了先进纳米技术的化学生物磁传感器将会在生命过程的探索和研究中发挥更大的作用，并且被广泛的应用于临床诊断、环境监测、食品安全等与人们日常生活息息相关的领域．