1、第二章第二章 几种典型的纳米材料几种典型的纳米材料第一节第一节 纳米金纳米金第二节第二节 磁性纳米粒子磁性纳米粒子第三节第三节 量子点量子点第四节第四节 其他其他第一节纳米金一、概述一、概述二、性质二、性质三、制备三、制备四、应用四、应用一、概述一、概述（一）概念：纳米金是指分散相粒子直径在1150nm之间的金溶胶，是由金盐还原成金后形成的金颗粒悬液。又称金溶胶、胶体金或金纳米粒子。colloidalgold，nanogold,goldnanoparticle（二）纳米金颗粒结构：由一个基础金核(原子金)及包围在外的离子层构成，离子层为负离子(AuCl2-)，外层为H+则分散在溶液中。呈球形(
2、小颗粒)或椭圆形(大颗粒)。二、性质二、性质A胶体性质，特别是对电解质敏感，对试验有影响。B呈色性：胶体金的光散射性与溶胶颗粒的大小密切相关，一旦颗粒大小发生变化，光散射也随之发生变异，产生肉眼可见的显著的颜色变化。小：25nm橙黄色，中：1020nm酒红色，大：3080nm紫红色。C光吸收性：胶体金有单一吸收峰，光波在510550nm之间，随颗粒变大而偏向长波长。利用这特性，可进行吸光度检测。D电子密度高，最早用于电镜检测E密度大，介电常数大(SPR)，生物相容性好(IA)三、制备三、制备柠檬酸三钠法柠檬酸三钠-鞣酸法枸橼酸钠法鞣酸-枸橼酸钠法白 磷 法抗坏血酸法乙醇-超声波法 硼酸钠法 （
3、一）、制备方法（一）、制备方法 化学还原法化学还原法1）取0、01氯金酸(HAuCl4)水溶液100ml加热至沸，搅动下准确加入柠檬酸三钠(Na3C6H5O7.2H2O)水溶液0.7ml，金黄色的氯金酸水溶液在分钟内变为紫红色，2）继续煮沸15分钟，冷却后以蒸馏水恢复到原体积，3）如此制备的金溶胶其可见光区最高吸收峰在535nm，1cm/535=1.12。金溶胶的光散射性与溶胶颗粒的大小密切相关，一旦颗粒大小发生变化，光散射也随之发生变异，产生肉眼可见的显著的颜色变化，这就是金溶胶用于免疫沉淀或称免疫凝集试验的基础。1、柠檬酸三钠法、柠檬酸三钠法HAuCl4H2O,100OCCit-Cit-C
4、it-Cit-Cit-Cit-胶体金粒径(nm)1%柠檬酸三钠加入量(ml)胶体金特性 呈色 max162橙色518nm24.51.5橙色522nm411红色525nm71.50.7紫红535nm还原剂用量不同，金颗粒大小也不同还原剂用量不同，金颗粒大小也不同 97.5 0.45 紫灰 240 147 0.3 蓝灰 2202、柠檬酸三钠法、柠檬酸三钠法-鞣酸法鞣酸法1）取4ml柠檬酸三钠，加入05ml鞣酸，05ml25mmo/LK2CO3（体积与鞣酸加入量相等），以双蒸馏水补至溶液最终体积为20ml，加热至60；2）取1ml的HAuCl4，加于79ml双蒸馏水中，水浴加热至60；3）然后迅速将
5、上述柠檬酸鞣酸溶液加入氯金酸溶液中，于此温度下保持一定时间；4）待溶液颜色变成深红色(约需0.51小时)后，将溶液加热至沸腾，保持沸腾5分钟即可。改变鞣酸的加入量，制得的胶体颗粒大小不同。（1）10nm胶体金粒的制备：取0.01HAuCl4水溶液100ml，加入1枸橼酸三钠水溶液3ml，加热煮沸30min，冷却至4，溶液呈红色。（2）15nm胶体金颗粒的制备：取0.01HAuCl4水溶液100ml，加入1枸橼酸三钠水溶液2ml，加热煮沸15min30min，直至颜色变红。冷却后加入0.1Mol/LK2CO30.5ml，混匀即可。（3）15nm、18nm20nm、30nm或50nm胶体金颗粒的制
6、备：取0.01HAuCl4水溶液100ml，加热煮沸。根据需要迅速加入1枸橼酸三钠水溶液4ml、2.5ml、1ml或0.75ml，继续煮沸约5min，出现橙红色。这样制成的胶体金颗粒则分别为15nm、1820nm、30nm和50nm.3、枸橼酸三钠法、枸橼酸三钠法1）A液：1HAuCl4水溶液1ml加入79ml双馏水中混匀。2）B液：1枸橼酸三钠4ml，1鞣酸0.7ml0.1Mol/LK2CO3液0.2ml，混合，加入双馏水至20ml.3）将A液、B液分别加热至604）在电磁搅拌下迅速将B液加入A液中，溶液变蓝，继续加热搅拌至溶液变成亮红色。此法制得的金颗粒的直径为5nm.如需要制备其它直径的
7、金颗粒，则按表15-1所列的数字调整鞣酸及K2CO3的用量。4、枸橼酸三钠、枸橼酸三钠-鞣酸法鞣酸法金粒直径（nm）A液B液1HAuCl4双馏水1枸橼酸三钠0.1Mol/LK2CO31鞣酸双馏水517940.200.7015.101017940.0250.1015.8751517940.00250.0115.9875鞣酸鞣酸-枸橼酸钠还原法试剂配制表枸橼酸钠还原法试剂配制表（二）、注意事项（二）、注意事项方方 法法 金颗粒直径金颗粒直径白白 磷磷 法法 512nm512nm抗坏血酸法抗坏血酸法 813nm813nm枸橼酸钠法枸橼酸钠法 1695nm1695nm柠檬酸钠法柠檬酸钠法 16147n
8、m16147nm乙醇乙醇-超声波法超声波法 610nm610nm硼酸钠法硼酸钠法 25nm25nm鞣酸鞣酸-枸橼酸钠法枸橼酸钠法 15nm15nm 还原剂不同，胶体金颗粒大小及特性不同还原剂不同，胶体金颗粒大小及特性不同还原剂相同但用量不同，金颗粒大小也不同还原剂相同但用量不同，金颗粒大小也不同 一般一般5nm5nm以下适用于组化法以下适用于组化法AgAg、AbAb检测检测 520nm520nm适适用于标记体液中用于标记体液中AgAg、AbAb检测，检测，20nm20nm以上适用于免疫沉淀试验。以上适用于免疫沉淀试验。：不同直径的胶体金有不同的适用范围不同直径的胶体金有不同的适用范围制备过程中
9、不能使用金属容器，因氯金酸对金属有强烈的腐蚀性。另外由于氯金酸极易吸潮，应注意试剂保存。金颗粒容易吸附于电极上使之堵塞，所以不能用pH电极直接测定金溶液的pH值。应选应选用缓冲容量足够大的缓冲液(例如PEG20000液)稳定胶体金后再测定或保存。要得到大小更均匀的胶体金颗粒，可采用甘油或蔗糖密度梯度离心。胶体金具有很高的动力学稳定性，在稳定因素不受破坏时自身凝聚极慢，可放置数年。影响因素有：电解质、溶胶浓度、pH、温度。1成核过程成核过程成核过程是液相纳米晶体生长的起始过程。晶体生长过程主要分为成核控制成核控制和扩散控制扩散控制。对于很小的晶体，可可能能不不存存在在位位错错或或其其它它缺缺陷陷
10、生长是由分子或离子一层一层地沉积进行的。因此，对于成核控制的晶体生长，成核速率可看作是晶体生长速率。当晶体的某一层长到足够大时，溶溶液液中中的的离离子子在在完完整整表表面面上上不不能能找找到到有有效效吸吸附附点点而而使使晶晶体体的的生生长长停停止止，这时，单个表面晶核和溶液之间形成不稳定状态。（三）、形成过程（三）、形成过程2生长过程生长过程生长阶段一般是扩散控制机理扩散控制机理。从溶液相中生长出晶体，首要的问题是溶溶质质必必须须从从过过饱饱和和溶溶液液中中运运送送到到晶晶核核表表面面，并并按按照照晶晶体体结结构排列构排列。若这种运运送送受受速速率率控制，则扩扩散散和和对对流流将会起重要作用
11、当晶体粒度不大于10m时，在正常重力场或搅拌速率很低的情况下，晶晶体体的的生生长长机机理理为为扩扩散散控控制制机理机理。在生长过程中反应主要在动力学生长和热力学生动力学生长和热力学生长长的平衡下进行。当反应温度较高，单体浓度低时，反应基本受热受热力学生长控制力学生长控制；而当反应温度低，单体浓度高时，反应受动力学动力学生长控制生长控制。动力学生长动力学生长动力学生长动力学生长过程中影响晶体生长的主要有五个因素：过程中影响晶体生长的主要有五个因素：晶体内在表面能晶体内在表面能晶体内在表面能晶体内在表面能(和动力学和动力学能垒能垒G G直接相关直接相关)，反应反应反应反应温度温度温度温度，前驱液
12、单体浓度前驱液单体浓度前驱液单体浓度前驱液单体浓度，修饰基分子和反应时间修饰基分子和反应时间修饰基分子和反应时间修饰基分子和反应时间。四、应用四、应用（一）（一）胶体金标记技术胶体金标记技术（二）（二）增强表面等离子体共振检测增强表面等离子体共振检测（SPR）（三）（三）表面增强拉曼散射检测（表面增强拉曼散射检测（SERS）（四）（四）增强电化学中压电检测信号增强电化学中压电检测信号（QCM）（一）胶体金标记技术（一）胶体金标记技术l免疫胶体金技术免疫胶体金技术是以胶体金作为示踪标志物应用于抗原抗体的一种新型的免疫标记技术。l胶体金标记胶体金标记实质上是蛋白质等高分子被吸附到胶体金颗粒表面的包
13、被过程。一些概念一些概念1939-雏形Kausche等把烟草花叶病毒吸附到金颗粒上在电子显微镜下观察金离子呈高电子密度。1971-作为标记物应用于免疫组织化学研究Faulk等首先将兔抗沙门菌抗血清与胶体金颗粒结合，用直接免疫细胞化学技术检测沙门菌的表面抗原。1974-实现间接免疫金染色法Romano将胶体金标记到马抗人的IgG上，实现了间接免疫金染色法 胶体金技术发展胶体金技术发展快速免疫金渗滤法快速免疫金渗滤法(colloidal gold immuofiltration assay,GIFA)即穿流式(flowthrough)的固相膜免疫测定。主要由两部分组成：膜渗滤装置和标记结合物。前者
14、为一塑料小盒，其中填满吸水性物质，面上紧贴放置一片吸附有抗体(以双抗体夹心法测抗原为例)的硝酸纤维膜，标记结合物为免疫金。A A：金标记抗体：金标记抗体B B：标本中的抗原：标本中的抗原C C：包被抗体：包被抗体D D：NCNC膜膜E E：吸水材料：吸水材料F F：塑料盒：塑料盒 胶体金技术类型胶体金技术类型l免疫层析法免疫层析法(colloidal gold immunochromatogra-phy，GICA)是继GIFA之后发展起来的另一种固相膜免疫测定，与GIFA利用微局限性膜的过滤性能不同，免疫层析法中滴加在膜一端的样品溶液受膜的毛细管作用(基于层析作用的横流（lateralflow
15、)向另一端移动。移动过程中被分析物与固定在膜上某一区域的受体(抗原或者抗体)结合而被固相化，无关物质则越过该区域而被分离，然后通过标记物显色来判定试验结果，以胶体金为标记物的实验称为胶体金免疫层析试验。胶胶体体金金免免疫疫色色谱谱试试纸纸加样区加样区反应区反应区吸附区吸附区将经由加样区而来的剩余的样品、胶体金将经由加样区而来的剩余的样品、胶体金 吸附在其中。该区提供色谱分析的动力。吸附在其中。该区提供色谱分析的动力。样品垫样品垫加样区加样区胶金垫胶金垫与样品中待测物反应与样品中待测物反应玻璃纤维素玻璃纤维素硝酸纤维素膜硝酸纤维素膜检测线检测线检测此处抗原检测此处抗原/体与胶体金的反应体与胶体
16、金的反应质控线质控线检测胶体上包被蛋白的活性检测胶体上包被蛋白的活性滤纸或类似吸水纸的材料滤纸或类似吸水纸的材料双抗体夹心法双抗体夹心法竞争抗体法竞争抗体法阳性阳性阴性阴性阳性阳性阴性阴性无效无效u样品垫(Samplepad)：玻璃纤维、聚酯膜、纤维素滤纸、无纺布等多种材质，多种规格，批间稳定。u作用：减缓样品渗透速度，有利于样品在结合垫上均匀分布；去除样品中杂质颗粒；调节样品液pH值或粘度等。样本垫可使用化学物质进行浸渍处理，从而减少样本差异，提高试验的灵敏度。通常可以将洗涤剂、粘性增强剂、阻滞剂及盐渗入样本垫然后加以干燥，该工艺可避免使用复杂辨识剂/追迹缓冲液的麻烦，使检测一步完成。u胶金
17、垫(Conjugatepad)：玻璃纤维、聚酯膜、纤维素滤纸、无纺布等多种材质，多种规格，批间稳定。结合垫的作用主要为：-吸附一定量的金标结合物颗粒；-吸附并持续不断的将样品转移到NC膜上；-保持金标结合物颗粒的稳定性；-保证金标结合物颗粒定量完全释放等。u硝酸纤维素膜(Nitrocellulose)：推荐使用Millipore，MDI，S&S，whatman等国外公司的硝酸纤维素膜。NC膜的作用：-在检测线和对照线条带区域固定抗体；-样品在NC膜上流动并与试剂混合发生免疫反应；-反应在NC膜上显色，读检测结果NC膜的重要参数：孔径、对称性、层析速度、表面活性剂、蛋白结合力、强度、表面质量、厚
18、度、批间均一性等。p硝酸纤维素膜与蛋白结合的原理主要有两种假说：1）首先两者靠静电作用力结合，然后靠H键和疏水作用来维持长时间结合。2）首先两者靠疏水作用结合，然后靠静电作用来维持长时间结合。两条假说，都表明其结合过程分为两步，首先结合和后面长时间结合。由于结合原理的不明确性，导致在这方面的工作非常依赖实践经验。硝酸纤维膜的选择u膜的分类标准膜的分类标准(m和和s)m:指的是膜孔径，s:以秒为单位的定义为，每4cm膜，水的层析时间是*s.换算情况大致为：8um=135s；6um=180su不同秒数的膜对反应的影响不同秒数的膜对反应的影响通过速度越快和包被在T线的物质反应时间也就越短，读数快，那
19、么灵敏度也就越低。反之，反应时间长，读数慢，也就灵敏度高。同时还有一个问题是，反应时间越长，发生非特异性结合的可能性就越大，所以过长时间的反应不一定就能够真正的提升灵敏度。135s一般用在双抗体夹心法，一般用在双抗体夹心法，180s一般用在竞争法一般用在竞争法.u如何选择物理性能物理性能 膜的物理性能主要是2个参数，膜厚度和宽度厚度不均匀影响生物原料在膜上的扩散性能，点出来的C/T线宽窄不一，另外也影响爬速；宽度(检测区的长度)和爬速及灵敏度的关系跑水性能跑水性能 注入足够溶液到槽内，将不同批次膜每隔1cm做一次标记（总长大于4cm）并放到倾斜支架，整个支架下端放入溶液槽，膜开始吸液，计时。记
20、录每个标记处的通过时刻，并与对照组比较。跑板时，理论上溶液呈水平线形式上吸，观测是否有波浪倾斜或包围润湿等反常现象。点样测试点样测试 C/T线出线时间和灵敏度u片材：不干胶塑料衬底，片材的质量很大程度上影响了产品的货架期。u吸收垫(AbsorbentPad)：提供高吸收率、高容量以及相对稳定吸收率的吸收纸；吸收纸的作用：主要表现在控制样品的流速，促进虹吸作用以及使试剂跨过膜而不仅仅移到膜上。研究和应用胶体金法检测胶体金法检测HEV-IgMHEV-IgM胶体金法检测胶体金法检测TB-Ab(双抗原夹心法双抗原夹心法)优点：检测方法简单而快速，数分钟即可得出结果；不需仪器设备，操作人员不需特殊训练；
21、试剂稳定，适用于单份测定；无污染。GICA的特点是单一试剂，一步操作。小型实验室即有条件开发生产。干燥包装的试剂可在室温保存一年以上。成为目前成为目前“病人身边检验病人身边检验”（point-of-caretestingpoint-of-caretesting，POCTPOCT）中广为应用的方法。）中广为应用的方法。胶体金技术特点胶体金技术特点最近由于原料的精选和制作工艺的改进，已能制备出可用于定量测定的GICA试剂。Roche公司生产的用于急性心肌梗死诊断的肌钙蛋白和肌红蛋白的GICA试剂和匹配的简便测读器CardiacReader，其精密度和准确性均符合定量测定要求。l不足：金免疫测定中应
22、用的是单份试剂，难于进行质量控制。即使是同一批生产的试剂，也很难保证每个试剂的同一性。因此金免疫测定一般只能用于定性试验。其定量检测和灵敏度的提高还有赖于新原料和新材料的开发与应用。1.标记原理：表面带负电荷的胶体金与蛋白质的正电荷基团因静电吸附而结合。胶体金+Ag/Ab金标Ag/Ab(Ag*/Ab*)2.标记步骤：调节金溶胶至所需pH(用0.2mol/LK2CO3或0.1mol/LHCl)加入蛋白质溶液(100ml:23ml)，搅拌加入5ml1%PEG20000溶液离心分离3060min(胶体颗粒不同则离心条件不同)沉淀悬浮于含0.20.5mg/mlPEG20000的缓冲液中。免疫胶体金的制
23、备免疫胶体金的制备3.免疫金的纯化和鉴定：纯化：A超速离心：速度根据直径和蛋白的不同而不同。5.9nm胶体金-SPA，用50000g，而15.5nm胶体金-SPA，用15000g。B密度梯度离心。C凝胶过滤或层析：对洗脱液、pH、流速均有不同要求。鉴定：A电镜观察测定颗粒大小B测定反应特异性和敏感性。4.免疫金制备注意事项：在pH接近或略高于蛋白质等电点时标记，可使蛋白质在金颗粒表面的吸附量最大。需要提高胶体金的pH值时可用0.1mol/LK2CO3，需要降低胶体金的pH值时可用0.1mol/LHCl。测定金溶液的pH可能损害pH测定计的探头，因此，一般用精密的pH试纸测定其pH即可.蛋白质溶
24、液应避免磷酸根和硼酸根等盐类离子的存在，因为它们可被吸附在金表面而影响对蛋白质的吸附，并可死溶胶沉淀，所以应在标记前对低离子强度的水透析去盐。免疫金的稳定性随溶液pH而变化，pH接近或略高于蛋白质等电点时较稳定。免疫金的保存通常需加入稳定剂，蛋白质、葡聚糖、PEG20000、明胶等均是良好的稳定剂。常用几种蛋白质标记时胶体金所用的常用几种蛋白质标记时胶体金所用的pH值值1.斑点金免疫渗滤试验2.斑点金免疫层析试验3.免疫金银染色法（IGSS)4.凝集试验5.在电镜水平的应用：金颗粒有高等的电子密度。免疫测定免疫测定早期应用组织或细胞成分或受体研究，如植物血凝素受体定位多肽类激素的定位研究，如小
25、鼠海马免疫反应神经元中缩胆囊素、小鼠垂体前叶生长激素酶的研究，如猪肾上腺皮质细胞色素P450肿瘤或疾病相关抗原的定位检测，如小鼠乳腺癌病毒抗原（MMTV）组织细胞形态发生研究Figure7.Lightscatteringimagesofthreedifferentcellsafterincubationwithanti-EGFRantibodyconjugatedgoldnanospheres.Nano Lett.,2005,5(5),829-834Anal.Chem.,2008,80(15),5951-5957 Figure 11.TIR fluorescence images of HeL
26、a cellsincubated(a)inpuremedium,(b)inthemediumwithfree GNPs,(c)in the medium with BSA conjugatedGNPs,and(d)inthemediumwithanti-EGFRantibodyconjugatedGNPs.J.Biomed.Opt.,2007,12(3),034007Nano Lett.,2005,5(4),709-711 J.Am.Chem.Soc.,2001,123(32),7961-7962Science 289,1757(2000)J.Am.Chem.Soc.2001,123,5164
27、5165（二）增强表面等离子体共振检测（二）增强表面等离子体共振检测（SPR）表面等离子体共振(surfaceplasmonresonance,SPR)是一种敏感的表面分析分析技术，它是通过分子吸附在重金属膜上引起介电常数的变化来进行检测。20试剂90年代以来，广泛用于生物分子、药物分子相互作用的研究。然而，常规的SPR测试不能检测到折射系数的微小变化，限制其在超敏感检测中的应用。纳米金由于其易于制备、密度高、介电常数打及良好的生物相容性等特点，已被广泛用于增强SPR响应。（J.Am.Soc.2000,122,9071）SPR 响应的增加是金膜表面质量、纳米金的介电常数、纳响应的增加是金膜表
28、面质量、纳米金的介电常数、纳米金与金膜之间电磁耦合等因素作用的综合结果。米金与金膜之间电磁耦合等因素作用的综合结果。J.Am.Chem.Soc.2000,122(38),9071-9077（三）表面增强拉曼散射检测（三）表面增强拉曼散射检测（SERSSERS）表面增强拉曼散射（SERS），是在普通的拉曼散射的基础上发展起来的一种技术。一些分子被吸附到适合的粗糙金属表面上时，它们的拉曼信号会增加104107倍，极大提高拉曼信号的强度。纳米金就可以增强拉曼散射的信号，利用其可进行DNA的检测。（science2002,297,1563）Science 2002,297,1536（四）增强电化学中压
29、电检测信号（四）增强电化学中压电检测信号（QCM）压电检测法是一种利用石英晶体微天平（压电检测法是一种利用石英晶体微天平（QCM）进行测量的）进行测量的电化学检测法。电化学检测法。QCM是通过测定振子的基频共振频率的变化是通过测定振子的基频共振频率的变化来检测微小质量的变化，检测灵敏度高一般可达纳克级，且重来检测微小质量的变化，检测灵敏度高一般可达纳克级，且重现性较好，在测定现性较好，在测定DNA的固定、杂交等方面有广泛应用。的固定、杂交等方面有广泛应用。（ChemCommun2000,953;ChemCommun2000,1025）与小分子物质相比，纳米金的质量较大，因而得到的振荡频率与小分
30、子物质相比，纳米金的质量较大，因而得到的振荡频率的变化也大，从而提高了检测灵敏度。的变化也大，从而提高了检测灵敏度。Chem.Commun.2000,953954Chem.Commun.2000,10251026Anal.Chem.2001,73(18),4450-4456（一）免疫金标记技术应用的深入免疫金电镜的应用新进展细胞分选标记物免疫印迹技术生物传感器快速诊断技术复合金属纳米探针Cui等以银为核、金为壳，利用晶种生长法合成出AgcoreAushell的核壳型纳米粒子，并将这种复合金属纳米粒子表面通过共价作用修饰上抗体使其成为探针。当样品中的抗原与固定在硅片上的抗体反应后再与Agcore
31、Aushell探针发生特异反应形成三明治结构的复合物。利用表面增强拉曼散射光谱(SERS)检测抗体和抗原之间的特异性作用，为金标试纸的仪器检测开辟了道路,左图是该方法的模拟图。（二）免疫原性应用半抗原载体应用免疫增强佐剂作用免疫治疗剂作用（三）其他微波增强胶体金标记效果电解方法制备纳米金属粉末荧光增强机理在芯片检测中的应用前景展望进一步提高检测灵敏度实现检测多元化临床医学诊断和病理研究分子水平上研究和理解病变的机理实现可定向输送和释放的靶向性药物结论胶体金独特的理化特性及作为标记物的独特优点使其在生物医学研究的各个领域得到广泛应用。第二节磁性纳米粒子一、概述一、概述二、性质二、性质三、制备三、
32、制备四、应用四、应用一、概述一、概述磁性是物质的基本属性之一。磁性的产生是由围绕核外运动的电子绕核旋转和自传产生磁矩的结果。磁场对处于其中的许多物质都有作用，使其磁化。磁化了的物质即磁介质也会产生附加磁场，从而对磁场产生影响。实验表明，不同的磁介质对磁场的影响是不同的。假设没有磁介质某点的磁感应强度为B0,放入磁介质后因磁介质被磁化而产生的附加磁感应强度为B,那么该点的磁感应强度B应为这两个磁感应强度的矢量和，即B=B0+B。根据B相对于B0的方向以及强弱，可将磁介质分为三种：1B与B0方向相同，使得BB0，称为顺磁质2B与B0方向相反，使得BB0，BB0，称为铁磁质顺磁质和抗磁质的B对原磁场
33、影响比较微弱，统称为弱磁物质。磁性纳米粒子是指大小在纳米尺度的磁性材料，如Fe2O3和Fe3O4等的纳米粒子等，具有顺磁性，在外加磁场的作用下产生的磁矩与外加磁场一致，进而受外加磁场的吸引。磁性纳米材料可分为有机磁性纳米材料和无机磁性纳米；前者的代表是有机磁性高分子材料，后者主要是铁、钴、镍、锰、铂及其合金和氧化物等。磁性纳米粒子具有以下优势：磁性纳米粒子具有以下优势：（1 1）粒径小，能够有效进入细胞等生物体系内部；）粒径小，能够有效进入细胞等生物体系内部；（2 2）比表面积大，与生物物质结合效率高；）比表面积大，与生物物质结合效率高；（3 3）磁性强，磁操纵和分离方便；）磁性强，磁操纵和分
34、离方便；（4 4）具有超顺磁性，即在无外加磁场时无剩磁，可）具有超顺磁性，即在无外加磁场时无剩磁，可避免纳米粒子间因磁性吸引相互团聚而带来的避免纳米粒子间因磁性吸引相互团聚而带来的分散困难分散困难二、性质二、性质超顺磁性超顺磁性高矫顽力高矫顽力低居里温度低居里温度高磁化率高磁化率超顺磁性超顺磁性超顺磁性:纳米微粒尺寸小到一定临界值时，各向异性能也减少到与热运动能可相比拟，磁行方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁性的临界尺寸是不同的。例如aFe，Fe3O4和，Fe2O3等粒径分别为5nm，16nm和20nm时变成超顺磁
35、体这时磁化率c不再服从居里一外斯定律 c=C(T-Tc)例如粒径为85nm的纳米Ni微粒，c服从居里一外斯定律，而粒径小于15nm的Ni微粒，矫顽力Hc0，这说明它们进入了超顺磁状态。高矫顽力 矫顽力矫顽力纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的桥顽力高的桥顽力C例如，用惰性气体蒸发冷凝方法制备的Fe纳米微粒。随着颗粒变小饱和磁化强度有所下降，但矫顽力却显著地增加，在.5K时达1.27105A/m。室温下，Fe的矫顽力仍保持104A/m,而常规的Fe块的矫顽力为80A/m。高矫顽力的起源有两种解释：一致转动模式和球链反转磁化模式有两种解释：一致转动模
36、式和球链反转磁化模式v一致转动磁化模式基本内容是：当粒子尺寸小到某一尺一致转动磁化模式基本内容是：当粒子尺寸小到某一尺寸时，每个粒子就是一个单磁畴，例如对于寸时，每个粒子就是一个单磁畴，例如对于Fe和和Fe3O4单磁畴的临界尺寸分别为单磁畴的临界尺寸分别为 12nm和和 40nm。每个单磁畴。每个单磁畴的纳米微粒实际上成为一个永久磁铁，要使这个磁铁去的纳米微粒实际上成为一个永久磁铁，要使这个磁铁去掉磁性，必须使每个粒子整体的磁矩反转，这需要很大掉磁性，必须使每个粒子整体的磁矩反转，这需要很大的反向磁场，即具有较高的矫顽力许多实验表明，纳的反向磁场，即具有较高的矫顽力许多实验表明，纳米微粒的米微
37、粒的Hc测量值与一致转动的理论值不相符合测量值与一致转动的理论值不相符合v也有人认为，纳米颗粒的高矫顽力来源应用球链反转磁也有人认为，纳米颗粒的高矫顽力来源应用球链反转磁化模式来解释，即由于静磁作用球形纳米化模式来解释，即由于静磁作用球形纳米Ni微粒形成链微粒形成链状，计算结果与实验值可比拟，略大于实验值，修正后，状，计算结果与实验值可比拟，略大于实验值，修正后，可定性解析高娇顽力。可定性解析高娇顽力。低居里温度居里温度居里温度是物质磁性的重要参数，通常与交换积分Jc成正比，并与原子构型和间距有关。对于薄膜，理论与实验研究表明，随着铁磁薄膜厚度的减小，居里温度下降。对于纳米微粒，由于小尺寸效应
38、和表面效应而导致纳米粒子的本征和内禀的磁性变化，因此具有较低的居里温度。例如体相Ni的居里温度为631K；85nm粒径的Ni微粒为623K；而18nm粒径的Ni粒子为573K。超顺磁性颗粒的居里温度，随粒径的下降有所下降超顺磁性颗粒的居里温度，随粒径的下降有所下降。居里温度:是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里温度时,该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10-6。超顺磁状态:指当磁性颗粒很小时(处于纳米级),常温下也可以呈现出磁极的随意性,这种状态叫做超顺磁状态.高磁化率
39、纳米微粒的磁性与它所含的总电子数的奇偶性密切纳米微粒的磁性与它所含的总电子数的奇偶性密切相关，每个微粒的电子可以看成一个体系，电子数的宇相关，每个微粒的电子可以看成一个体系，电子数的宇称可为奇或偶。一价金属的微粉，一半粒子的宇称为奇，称可为奇或偶。一价金属的微粉，一半粒子的宇称为奇，另一半为偶，两价金属的粒子的宇称为偶，电子数为奇另一半为偶，两价金属的粒子的宇称为偶，电子数为奇或偶数的粒子磁性有不同温度特点。或偶数的粒子磁性有不同温度特点。电子数为奇数的粒子集合体的磁化率服从居里一外电子数为奇数的粒子集合体的磁化率服从居里一外斯定律，斯定律，c c=C/(T-Tc),量子尺寸效应使磁化率遵从量
40、子尺寸效应使磁化率遵从-3规规律律;电子数为偶数的系统电子数为偶数的系统,c c kBT,并遵从并遵从规律。规律。纳米磁性金属的工值是常规金属的纳米磁性金属的工值是常规金属的20倍。倍。三、制备三、制备l要求:l具有高的比饱和磁化强度,有利于靶向操控.l具有低的剩余磁化强度,避免磁性团聚.l具有较小的粒径和较好的单分散性以使其具有均一的物理化学及生物学性能.l通常与高分子材料结合为核-壳型结构.物理法物理法机械球磨法；耗时长、粒径不均一机械球磨法；耗时长、粒径不均一生物法生物法从各种生物体中提取；可控性差从各种生物体中提取；可控性差化学法化学法均相法：共沉淀法、高温分解法均相法：共沉淀法、高温
41、分解法 非均相法；微乳液法、凝胶非均相法；微乳液法、凝胶-溶胶法、溶胶法、超声化学法、激光分解法超声化学法、激光分解法方法方法（一）共沉淀法（一）共沉淀法原理：在水溶液中同时水解二价和三价的铁离子来实现磁性Fe3O4纳米粒子的制备。1、以Fe2+为水解反应原料，同时采用不同种类的氧化剂在Fe2+水解的同时，将其部分氧化成Fe3+，最后得到相应产物。2、以Fe3+为水解反应原料，同时采用不同种类的还原剂将Fe3+部分还原成Fe2+，最后得到相应产物。3、同时水解按一定比例混合的Fe2+和Fe3+JColloidInterfaceSci1980,74,227JColloidInterfaceSci
42、1999,215,190ChemMater1996,8,2209ChemMater2003,15,1617共沉淀法具有实验操作简便，反应条件温和等特点。然而由共沉淀法具有实验操作简便，反应条件温和等特点。然而由于铁在自然界存在多种氧化物和氢氧化物，而且相互之间很于铁在自然界存在多种氧化物和氢氧化物，而且相互之间很容易转化，因此在水溶液中通过水解的方法来制备磁性纳米容易转化，因此在水溶液中通过水解的方法来制备磁性纳米粒子，其产物组成的控制是该方法面临的重要问题，所得产粒子，其产物组成的控制是该方法面临的重要问题，所得产物往往是铁氧化物和铁氢化物的混合物。物往往是铁氧化物和铁氢化物的混合物。此外在
43、制备过程中粒子的成核和生长过程受复杂水解平衡反此外在制备过程中粒子的成核和生长过程受复杂水解平衡反应的控制，因此得到的粒子普遍存在尺寸分布较宽的缺点。应的控制，因此得到的粒子普遍存在尺寸分布较宽的缺点。（二）高温分解法（二）高温分解法原理：在高沸点溶剂中加热分解有机金属化合物来制备纳米粒子的一种方法。u 将反应原料(一般为易分解的有机金属化合物)快速注入含有表面活性剂的高温溶剂中实现纳米粒子的快速成核，再通过对反应温度的和时间的控制得到不同尺寸的同时又具有较窄粒度分布的纳米粒子。u 将反应原料在低温下预先混合，然后缓慢加热至反应开始，在粒子的生长过程中不断补加反应原料来维持体系中恒定的过饱和浓
44、度，最后可得到窄粒度分布的粒子。粒度范围 10%5%高温分解法制备的磁性纳米粒子具有粒度分布窄、尺寸高温分解法制备的磁性纳米粒子具有粒度分布窄、尺寸和形貌可控、避免水参与反应等特点。但粒子的疏水性和形貌可控、避免水参与反应等特点。但粒子的疏水性却大大限制了它们在生物医学领域的应用却大大限制了它们在生物医学领域的应用。J.Am.Chem.Soc,1999,121,11959J.Am.Chem.Soc,2000,122,8581J.Am.Chem.Soc,2001,123,12798J.Am.Chem.Soc,2002,124,8204J.Am.Chem.Soc,2004,126,273Scien
45、ce,2001,291,2115NatureMaterials,2003,2,88（三）微乳液法和反相胶束法（三）微乳液法和反相胶束法该法是利用水、油和表面活性剂三元体系形成的微乳液和反向胶束作为反应场来制备纳米粒子的方法。将两种互不相溶的液体，在表面活性剂作用下形成的热力学稳定、各向同性、外观透明或半透明、粒径1100nm 的“油包水”分散体系。可将每个水相液滴看作一个微型反应器，通过控制胶束及液滴的形态、结构、极性等性质，可望从分子规模来控制粒子的大小、结构、特异性等。表面活性剂作用：表面活性剂作用：一方面可有效的阻止纳米粒子的聚集和进一步生长；从而实现对粒子尺寸的有效控制，另一方面可以为
46、粒子提供可溶性或可分散性；再次，表面活性剂的形状和极性的大小对胶束的形状有着重要影响，这为制备各种形貌的无机纳米粒子提供了可能。Nature materials,2003,2,1983Langmuir 2003,19,9486Adv.Mater.2003,15,1761J.Phys.Chem.B 2004,108,2200该法在磁性纳米粒子的尺寸分布及其形貌控制方该法在磁性纳米粒子的尺寸分布及其形貌控制方面体现出一定的优势，但所得到的粒子往往在结面体现出一定的优势，但所得到的粒子往往在结晶度和磁响应性能等方面还有待提高。晶度和磁响应性能等方面还有待提高。（四）超声化学法（四）超声化学法该法是利
47、用超声波的空化作用瞬间所产生的高温（500O0）、高压（20MPa）以及极高的冷却速率（1010K/S）等极端条件促使氧化、还原、分解和水解等反应的发生来制备纳米粒子。Suslick 等人采用聚乙烯基吡咯或油酸作为稳定剂防止团聚，将Fe(CO)5在辛醇中用高强度超声分解，制得了38nm 的无定形Fe 与FeO 超顺磁性纳米粒子。进一步的，Ulman 等人用超声方法在超声制得的-Fe2O3 外包裹上十八烷基硅烷（OTHS.CH3(CH2)17SiH3），结果发现由于晶型的改善，纳米粒子的磁性明显增强。J.Am.Chem.Soc,1996,118,11960.Langmuir,1998,14,15
48、12.Langmuir,1999,15,1703.Chem.Mater.,2002,14,1778.Chem.Mater.,2003,15,1378.J Mater Chem.,2004,14,944.可见此种制备方法简便易行，产率高，但产物的粒径和形貌不太均一，此外产物在结晶度方面存在较低的原因。（五）其他方法（五）其他方法激光分解法 J.Appl.Phys.1996,79,5063 J.Appl.Organometal Chem.2001,15,365电化学沉积法 Chem.Mater.1999,11,141g 射线辐射法 Chem.Mater.2002,14,1048细胞筛选细胞筛选细菌
49、病毒细菌、病毒分离检测分离检测 核酸蛋白质核酸蛋白质分离富集分离富集肿瘤治疗肿瘤治疗靶向药靶向药物输送物输送疾病诊断疾病诊断应用应用四、应用四、应用（一）在分离中的应用（一）在分离中的应用原理：利用外磁场从混合物中分离与磁性纳米粒子表面发生识原理：利用外磁场从混合物中分离与磁性纳米粒子表面发生识原理：利用外磁场从混合物中分离与磁性纳米粒子表面发生识原理：利用外磁场从混合物中分离与磁性纳米粒子表面发生识别作用的物质。别作用的物质。别作用的物质。别作用的物质。方式：方式：方式：方式：移去上清液移去上清液移去上清液移去上清液（a）磁场液体流动移去磁场液体流动液体流动（c）（b）NuFeB永磁铁永磁
50、铁1 1、细胞、细胞细胞磁免疫分离方法是细胞生物学和药学研究中的重要方法之一。大量的磁免疫分离都是基于磁性纳米粒子或球表面的抗体与抗原或粒子表面的配体与受体之间的相互作用来实现细胞的快速分离。有直接和间接法：直接法就是直接用偶联有抗体的粒子加入带分离体系，从而分离细胞；间接法是用链霉亲和素或二抗的粒子，来分离细胞。重要应用：重要应用：重要应用：重要应用：u通过出去肿瘤患者骨髓夜中的肿瘤细胞来辅助肿瘤的放射疗法。u实现CD34+细胞（干细胞）的选择性分离细胞磁分离技术优点：细胞磁分离技术优点：u磁性载体与细胞识别的过程基本可以保证不破坏被识别的细胞的形态，同时也不影响非识别细胞。u分离纯度可达9
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