磁性纳米材料的制备及其应用研究进展

郑 磊 李忠海 黎继烈

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

磁性纳米材料是纳米材料中的一种。当粒子的大小为纳米级时，由于特殊的物理化学性质如量子尺寸效应、表面效应、体积效应、宏观量子隧道效应等，赋予了其力学、磁学、热学、光学、电学及催化和生物学性能。纳米技术使古老的磁学变得年轻活跃，磁性材料使纳米材料的发展进入新纪元，在信息科技、生物医学以及分离检测技术等领域具有广阔的应用前景。如磁流体［1］、高密度信息存储［2］、固定化酶［3］、靶向药物［4］、核磁共振［5］、DNA［6］、细胞分离技术［7］、食品检测［8］等。通过表面修饰，将磁性粒子功能化，在催化、分离、识别等领域也有重要应用。

1 磁性纳米材料的合成

目前磁性纳米材料的主要合成方法有溶胶－凝胶法、水热合成法、共沉淀法、微乳液法等。

1.1 溶胶－凝胶法

溶胶－凝胶法反应条件温和，操作简单，化学均匀性好，所制备的纳米颗粒细，易于掺杂，产物活性高，工艺设备简单，工艺过程温度低，用料少，成本较低，特别适合具有多种组分氧化物的制备等优点，是制备纳米复合材料（ONIC）的有效方法。该方法使用烷氧金属或金属盐等前驱物和有机溶剂配合形成溶液，在共溶剂的体系中经水解反应形成纳米级粒子并形成溶胶，经蒸发干燥转变为凝胶。在适当的条件下，凝胶形成与干燥过程中聚合物不发生相分离，即可获得ONIC。

车如心等［9］采用添加分散剂溶胶－凝胶法制备软磁纳米材料Fe2O3，采取添加分散剂和改变焙烧方法保证晶粒尺寸。软磁纳米晶制备中添加分散剂尿素，在高温（600℃）焙烧前增加一个低温（400℃）退火阶段，两项措施能保证Fe2O3原始晶粒尺寸在30～40nm。

方学玲等［10］以正硅酸乙酯和Fe（NO3）3·9H2O作为SiO2和Fe2O3的前体物，无水乙醇和盐酸作为有机溶剂和催化剂，以十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂，采用溶胶－凝胶法制备了具有超顺磁性的纳米C2Fe2O3／SiO2复合材料。C2Fe2O3样品表面均有残余的表面活性剂存在，表面活性剂与样品颗粒之间的相互作用以及表面活性剂的较大的空间位阻作用，导致样品颗粒之间不易团聚［11］，颗粒之间存在着较强的耦合相互作用，使得C2Fe2O3／SiO2复合材料表现出超顺磁性，同时可以改变复合材料的磁性能。

1.2 水热合成法

水热法是指在一定温度和压力下，使物质在溶液中进行反应的一种制备方法，所得产物纯度高，分散性好，粒度易于控制，近年来发展迅速。Cheng等［12］以乙二醇为还原剂，乙酸钠为静电稳定剂，用水热法还原FeCl3可得到Fe3O4微球。Qi等［13］用十二烷基硫酸镍作为前体物和表面活性剂，与FeCl3和NaOH溶液在120℃水热合成NiFe2O4纳米微粒，其δs（比饱和磁化强度）达到30.4emu／g。然而在研究水热法制备纳米粒子的过程中发现，通常的加热方式由于使反应溶液中存在严重的温度不均匀，使液体不同区域产物 “成核”时间不同，从而使先前成核微晶聚集长大，难以保证反应产物颗粒的集中分布［14］。

1.3 共沉淀法

共沉淀法是把沉淀剂加入混合后的金属溶液中，然后加热分解获得超微粒。由于其具有制备工艺简单、成本低、条件易控制、合成周期短等优点，是制备磁性Fe3O4纳米粒子的常用方法。韩志萍等［15］使用高纯度N2的保护，制备的Fe3O4纳米粒子的δs在60emu／g左右。高道江等［16］选用NH3·H2O做为沉淀剂，在晶化温度达到80℃时，得到δs为73.5emu／g的Fe3O4纳米粒子。邹涛等［17］研究发现，通过改变n（Fe2＋）∶n（Fe3＋）、晶化温度、晶化时间、NaOH 浓度和总铁浓度等条件，可以得到δs为75.9emu／g，强磁性晶粒可控的Fe3O4纳米粒子。姚素薇等［18］通过超声共沉淀法制备单相Fe3O4磁纳米颗粒，粒径随超声功率增大而减小，测得δs为86.19emu／g。由于反应中的成核、核生长和核成熟的过程几乎同时发生，难以区分，所以共沉淀反应的机理目前尚不明确。

1.4 微乳液法

微乳液是将两种或两种以上互不相溶的溶剂混合乳化后形成的均匀、稳定、各向同性的透明液体。分散水相粒径尺度控制在纳米级范围内，极性水相液滴可以看做微型反应器，通过化学反应而获得纳米粒子。微乳法中所使用的表面活性剂和助表面活性剂决定了纳米粒子的粒径和结构，因此表面活性剂的选择是采用微乳法制备纳米粒子的重要步骤。Feltin等［19］用FeCl2与表面活性剂十二烷基磺酸钠（SDS）反应生成的Fe（DS）2作为反应前体，通过控制反应温度和SDS的浓度制备合成了粒径为3.7～11.6nm的Fe3O4纳米粒子。Liu等［20］以双十二烷基磺酸钠为表面活性剂在水－丙酮反相胶束中制备合成了4～15nm的尖晶石结构MFe2O4粒子。微乳法优点是当纳米粒子合成后，体系能提供表面活性剂用来钝化粒子表面，保障了其分散性。而产量低，粒子提取过程复杂也是微乳法本身存在的不足。

2 磁性纳米材料的应用

2.1 核酸分离提取

利用磁性纳米粒子的表面配受体间的相互特异性作用可以对靶向性的目标进行快速的分离提取。相比于传统技术，运用磁纳米粒子具有快速、简便、高效的特点。Bromberg等［21］发现磁性纳米复合粒子经由聚乙烯亚胺和聚六亚甲基双胍盐酸盐表面修饰后能够在pH值≤10的水中保持稳定，并能捕获各种细菌的DNA分子。Chan［22］发现一种基于表面改性磁性纳米粒子的特异性DNA提取的新方法。将生物酰化的低聚糖探针与DNA通过生物素－链亲和素作用杂交到磁纳米表面。这样DNA分子更易被捕获，在外部磁场的作用下也可以实现快速分离。

2.2 生物检测

磁纳米粒子在活性、磁导性以及可调控性方面表现显著，对蛋白质、核酸等的生物分子检测应用技术也逐渐成熟。Song等［23］成功地使用连接有单克隆抗体的荧光－磁性－细胞靶向多功能的纳米粒子富集检测白血病细胞和前列腺癌细胞。这种多功能纳米粒子对两种癌细胞的捕获效率分别达到96%和97%，对微量癌细胞也有较高的灵敏度，可达到0.01%，而且不需要任何前处理。

2.3 核磁共振成像磁性纳米粒子

由于其超顺磁性可以被用于核磁共振成像（MRI）。生物的弱磁性使得磁性纳米粒子在微创处理中具有更高灵敏度。核磁共振利用磁纳米粒子作为近距离传感器调节纳米淋巴靶向周围水质子驰豫时间，使其位置的磁共振信号强度发生改变。随着诊断磁共振生物传感器、接合方法和高灵敏度微型磁纳米系统的发展，诊断磁共振的检测能力已经大大提高［24］。Zhang等［25］通过尾静脉注射的方式将功能化修饰的Fe3O4纳米粒子注入小鼠体内，在外加磁场作用30min后检测其MRI，结果表明，与对照组相比，磁纳米粒子集中在靶向区域，小鼠的重要器官的阴性对比度明显增强。试验表明该功能化的Fe3O4纳米粒子可在外加磁场作用下定位特定靶向组织，并作为MRI的造影剂使用。

2.4 主动靶向磁性纳米载体

纳米医药研究始于20世纪70年代，近年来发展迅速。纳米药物载体的研究推动了医学的发展，减少了药物不良反应，解决了很多以往只能通过手术治疗的疾病。

Hillger等［26］在交变磁场的作用下，培养修饰了抗Her－2基因的磁性纳米粒子与乳腺癌细胞，发现结合修饰过的磁性纳米粒子的细胞温度上升8℃。Ito等［27］将磁性纳米粒子通过聚乙烯乙二醇与肿瘤靶向特异的单抗结合，与BM314细胞共同孵育，结果发现每个癌细胞可吸收90pg的磁铁，是对照组的4倍，在磁场作用下加热30s可使1cm3的肿瘤温度升高到42℃。这种方法可以形成疫苗，产生抗肿瘤免疫效应。

Cristina等［28］将磁性Fe3O4纳米粒子作为神经指导磁驱动器，运用光学和电子显微镜观测细胞内的纳米粒子通过细胞膜进入细胞质，在磁场的作用下进行操控，比商业纳米更有效的诱导定向迁移。通过这种方法可以促进神经细胞再生，并且对细胞没有明显的毒性作用。

肿瘤细胞的耐药性是影响化疗效果的主要障碍。Jian等［29］研究了包裹在纳米粒子中的汉黄芩素和红比霉素共聚物的可逆影响，用 MTT法（噻唑蓝比色法）研究K562／A02细胞的生长抑制率，通过流式细胞仪检测细胞凋亡和细胞内红比霉素含量。用普鲁士蓝染色法在电子显微镜下观察K562／A02细胞内的纳米粒子，P－糖蛋白的 MDR 1mRNA转录和表达分别由聚合酶链式反应和蛋白质免疫印迹控制。结果显示，红比霉素－汉黄芩素磁性纳米粒子在克服K562／A02白血病细胞耐药性方面具有显著效果。

2.5 水处理离子分离

随着工业和经济的快速发展，污水的大量排放，使得水域中的重金属污染问题日益严峻，严重威胁着水生物和人类的生存健康［30］。传统离子处理方法主要为物理方法，将重金属转化为沉淀或者还原为低毒物质，而成本高、容易引起二次污染等弊端无法满足人们对环境质量监控日益严格的要求。磁分离技术因为其诸多优点而成为新型的污水处理技术之一［31］。Chandra等［32］制备了一种具有超顺磁性的石墨烯Fe3O4杂化磁性纳米粒子，该粒子粒径约为10nm。与未经修饰的纯磁性纳米粒子对照相比，该杂化粒子对于离子As（III）和 As（V）的吸附率可以达到99.9%。同时，该杂化粒子不易团聚。

2.6 食品安全快速检测

快速检测技术的发展，为食品安全提供了重要保障。随着科技的发展，食品快速检测方法也逐渐多样化。免疫磁分离技术（MS）是新兴的通过纳米技术检测食品的方法，该方法具有快速富集分离目标、操作简单、特异性强等特点。

Wright等［33］将E.coli O157从牛肉样本中分离出，其检测的灵敏度可以达到2CFU／g，明显优于传统的选择性培养基检测技术。

普通酶联免疫技术（ELISA）具有反应接触面积小、反应速度慢等缺点。磁分离－酶联免疫技术（MS－ELISA）利用纳米材料比表面积高等特点，增大了分子接触面积，使反应更为彻底，也提高了灵敏度。Gessler等［34］利用 MS－ELISA检测肉毒杆菌神经毒素，其灵敏度可达到0.3MLD／mL。

3 结语

随着纳米科技的迅速发展，合成技术的不断完善，对纳米粒子的形状、大小、组分的控制也日趋成熟。但如何精确控制合成条件，实现大规模的高品质磁纳米粒子生产仍是研究者面临的挑战性工作。存在的问题包括前体物价格昂贵，有毒性，产物形成的分散体系不稳定，如何构建多功能磁性纳米体系等。只有确保合成出的磁性纳米材料性能稳定，才能更好的实现在各个领域的应用。在不久的将来，磁性纳米科学对经济社会的发展，特别是高新技术的发展，必将起到重要的作用。

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