磁性納米粒子是近年來發展起來的壹種新型材料。由於其獨特的磁性，如超順磁性和高矯頑力，在生物分離和檢測領域顯示出廣闊的應用前景。磁性氧化鐵納米粒子不僅具有納米粒子的表面效應、小尺寸效應、量子效應和宏觀量子隧道效應等基本特性，還具有超順磁性、類酶催化和生物相容性等特殊性質，因此其在醫學和生物技術領域的應用引起了廣泛的興趣。
磁性氧化鐵納米材料在生物分離和生物檢測中的應用
3.1磁性氧化鐵納米材料在生物分離中的應用
磁性氧化鐵納米粒子可以通過外加磁場控制納米粒子的磁性，從而達到分離的目的，如細胞分離。例如，磁性氧化鐵納米顆粒附著有生物活性吸附劑或配體(如抗體、熒光物質、外源性促凝劑等。)在它們的表面上，並且細胞在外部磁場的作用下被分離和分類，並且它們的種類和數量分布被研究。張春明等[40]將單克隆抗體CD133附著在SiO2/Fe3O4復合顆粒表面，得到免疫磁性Fe3O4納米顆粒，用於分離單核細胞和CD133細胞。培養後可以看出，分離的CD133細胞與單核細胞壹樣，具有良好的活性，能夠正常增殖形成集落，在整個分離過程中對細胞的形態和活性沒有明顯的毒副作用， 與Kuhara等報道的磁分離技術分離CD19+和CD20+細胞的結果壹致，Chatterjee等[39]用外源性凝血素修飾磁性Fe3O4微球和聚苯乙烯包裹白蛋白磁性微球，利用凝血素與紅細胞良好的結合能力，快速高效地分離紅細胞。 此外，磁性粒子分離癌細胞和正常細胞的動物實驗也取得了成功。
3.1.2磁性氧化鐵納米材料在蛋白質和核酸分離中的應用
利用傳統的生物技術(如溶劑萃取)分離蛋白質和核酸非常復雜，而磁分離技術是分離蛋白質、核酸等生物分子的壹種方便有效的方法。目前，超順磁性氧化鐵納米粒子在外磁場的作用下，已經廣泛應用於蛋白質和核酸的分離。
劉等[41]在聚乙烯醇等表面活性劑存在下制備* * *磁性高分子微球，表面用乙二胺修飾，用於分離小鼠腹水抗體，獲得了良好的分離效果。Xu等人[42]將多巴胺分子偶聯在磁性氧化鐵納米顆粒表面，用於分離和純化各種蛋白質。多巴胺分子有雙齒二醇配體，可以與氧化鐵納米顆粒表面的不飽和Fe原子配位形成納米顆粒？多巴胺復合物可進壹步與氨三乙酸(NTA)偶聯，能特異性螯合Ni+，對6×His標簽的蛋白質的分離純化表現出高度的特異性。劉等[43]用矽烷偶聯劑(AEAPS)對核殼結構的SiO _ 2/fe2o _ 3復合粒子進行表面處理，研究了復合磁性粒子對牛血清白蛋白(BSA)的吸附作用。結果表明，BSA與磁性復合粒子通過化學鍵發生吸附，復合粒子對BSA的最大吸附量達到86 mg/g，在白蛋白的分離和固定化方面顯示出巨大的應用潛力。Herdt等人[44]利用吸附/解離速度快的羧基修飾核殼(Fe3O4/PAA)磁性納米粒子與Cu2+反應？亞氨基二乙酸(IDA)以* * *價交聯，通過Cu2+與組氨酸的強親和力實現組氨酸標記蛋白的選擇性分離。分離過程如圖2所示。
磁性納米粒子也是核酸分子分離的理想載體[45]。DNA/mRNA含有單堿基錯位，它們的富集和分離在人類疾病診斷和基因表達研究中起著至關重要的作用。趙等[46]合成了壹種磁性納米基因阱，用於痕量DNA/mRNA分子的富集、分離和檢測。這種材料以磁性納米顆粒為核心，包裹有生物相容性的二氧化矽保護層，表面偶聯有抗菌蛋白。維生素H分子作為DNA分子的探針，能有效富集10-15 mol/L DNA/mRNA，並能實時監控產物。Tayor等人[47]通過矽酸鈉水解和正矽酸乙酯水解制備了SiO _ 2/fe2o _ 3磁性納米粒子，並分離了DNA。結果表明，SiO2功能化的Fe2O3磁性納米粒子對DNA的吸附分離效果明顯優於單獨的Fe2O3磁性納米粒子，但其吸附機理有待進壹步研究。
3.2磁性氧化鐵納米材料在生物檢測中的應用
3.2.1基於磁性的生物探測
磁性氧化鐵納米粒子因其獨特的磁性取向、小尺寸效應和偶聯基團的活性，以及其分離和富集作用，被廣泛應用於生物檢測領域。當檢測目標是低含量的蛋白質分子時，聚合酶鏈式反應(PCR)無法放大信號，而磁性微球與有機染料或量子點熒光微球的結合，可以多元化地檢測某些特定的蛋白質、細胞因子、抗原和核酸，從而實現信號放大功能。楊等[48]用壹對分子探針分別連接熒光光學條形碼(彩色)和磁珠(棕色)，對DNA(上圖)和蛋白質(下圖)生物分子進行靶向分析(圖3)。如果目標DNA序列或蛋白質存在，它將與兩個磁珠結合形成三明治結構。經過磁分離後，光學條形碼可以在單個磁珠識別的水平上被分光光度計或流式細胞儀讀取。該方法檢測的目標分子是基於由數百萬個熒光基團組成的微米級光學條形碼信號的放大，其基因和蛋白質的檢測極限可以達到amol/L的量級，甚至更低。
Nam等人[49]利用多孔顆粒法(每個顆粒可以填充大量條形碼DNA)和基於金納米顆粒的比色生物條形碼檢測技術檢測人白細胞介素-2(IL？2)、檢出限可達30 mol/L，比普通酶聯免疫分析的靈敏度高3個數量級。Oh等[50]采用基於熒光的生物條形碼擴增法檢測前列腺特異性抗原(PSA)的水平，其檢測限也低於300 mol/L，實現了快速檢測。
在免疫分析中，磁性納米顆粒被用作抗體的固體載體，顆粒上的抗體與特定抗原結合形成抗原抗體復合物。在磁力作用下，特異性抗原與其他物質分離，克服了放射免疫分析和酶聯免疫分析的缺點。這種分離方法具有靈敏度高、檢測速度快、特異性高、重復性好的優點。Yang等[51]采用反相微乳液法制備了粒徑很小的二氧化矽Fe3O4磁性納米粒子，這些高度單分散的磁性納米粒子可以通過誘導生物分子用於酶的固定化和免疫分析。Lange等人[52]利用直接或夾心固相免疫分析(由生物素化的抗IgG抗體和通過軛連接鏈黴素的磁性納米顆粒組成的夾心結構)和超導量子幹涉法(SQUID)研究了它們在確定抗原和抗體相互作用中的應用。結果表明，結合的磁性納米顆粒的弛豫信號特異性地依賴於抗原(人免疫球蛋白G，IgG)的量。通過這種磁弛豫免疫測定方法獲得的結果與通過廣泛使用的ELISA方法獲得的結果相當。
由於磁性納米粒子的獨特性質，它們在生物傳感器方面也有潛在的應用前景。範等[53]將檢測對象的壹抗偶聯在磁珠上，二抗連接在金納米顆粒上。反應後，HCl？NaCl？Br2將金氧化成Au3+,並催化魯米諾化學發光。人免疫球蛋白G(IgG)的檢測限可達2× 10-10 mol/L，實現了磁性納米粒子。化學發光？免疫結合法用於IgG的生物傳感器分析(圖4)。
3.2.2酶的催化特性在生物檢測中的應用
Cao等[54]發現Fe3O4磁性納米粒子可以催化H2O2氧化3，3 '，5，5 '？四甲基聯苯胺(TMB)，3，3 '？二氨基聯苯胺四鹽酸鹽(DAB)和鄰苯二胺(OPD)使其發生顯色反應，具有辣根過氧化物酶樣(HRP)活性(圖5)，催化活性比同濃度的辣根過氧化物酶高40倍。而且Fe3O4磁性納米粒子可以通過磁分離重復使用，顯著降低了生物檢測的實驗成本，可用於檢測多種生物分子。
葡萄糖氧化酶(GOx)和Fe3O4磁性納米粒子用於催化葡萄糖的反應(見式(1)和(2))。用比色法檢測葡萄糖，其檢測靈敏度達到5×10-5 ~ 1×10-3mol/l。fe3o 4磁性納米粒子制備簡單、穩定性好、活性高、成本低，比普通酶更具競爭力，也為葡萄糖的檢測提供了壹種高靈敏度、高選擇性的分析方法，在生物傳感器的應用中顯示出巨大的潛力，為糖尿病疾病的診斷提供了壹種快速、靈敏的檢測方法。然而，為了提高檢測靈敏度，合成催化效率高的Fe3O4磁性納米粒子和多功能磁性納米粒子是關鍵。彭等[56]用電化學方法比較了不同尺寸Fe3O4納米顆粒的催化活性，發現尺寸越小，磁性納米顆粒的催化活性越高。王等[57]制備的單分散啞鈴狀Pt？Fe3O4納米粒子由於其自身的尺寸和結構特點，可以更大程度地提高催化活性。我們的研究小組合成並表征了具有良好分散性和高磁性的氧化鐵納米粒子。利用其磁性和催化特性，已經實現了對諸如葡萄糖的生物分子的檢測。該方法的檢出限達到1 μmol/L，具有靈敏度高、操作簡單、成本低等優點[58]。
總之，Fe3O4磁性氧化鐵納米粒子不僅具有顯著的超順磁性，而且具有類似辣根過氧化物酶的催化特性。利用過氧化物敏感染料可以設計壹系列免疫分析模型(如乙肝病毒表面抗原[59]，因此超順磁性納米粒子在生物分離和免疫分析領域具有廣闊的應用前景。
4結論
隨著納米技術的快速發展，磁性氧化鐵納米粒子的發展及其在生物醫學、生物分析、生物檢測等領域的潛在應用越來越受到重視，但同時也面臨著許多挑戰和問題。(1)構建和制備尺寸小、粒徑均勻、分散性和生物相容性好、催化性能高的多功能磁性納米粒子；(2)根據被檢測生物分子的特性設計多功能磁性氧化鐵納米顆粒，實現高靈敏度和高特異性檢測；(3)利用納米氧化鐵顆粒作為分子探針，進行實時、在線、原位、體內和細胞內生物分子檢測。這些問題既是納米材料在生物分子檢測領域應用需要解決的難點，也是目前生物分子檢測研究的熱點和重點。
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