磁性納米材料的制備及其應用研究進展

鄭 磊 李忠海 黎繼烈

（中南林業科技大學，湖南 長沙 410004）

磁性納米材料是納米材料中的一種。當粒子的大小為納米級時，由于特殊的物理化學性質如量子尺寸效應、表面效應、體積效應、宏觀量子隧道效應等，賦予了其力學、磁學、熱學、光學、電學及催化和生物學性能。納米技術使古老的磁學變得年輕活躍，磁性材料使納米材料的發展進入新紀元，在信息科技、生物醫學以及分離檢測技術等領域具有廣闊的應用前景。如磁流體［1］、高密度信息存儲［2］、固定化酶［3］、靶向藥物［4］、核磁共振［5］、DNA［6］、細胞分離技術［7］、食品檢測［8］等。通過表面修飾，將磁性粒子功能化，在催化、分離、識別等領域也有重要應用。

1 磁性納米材料的合成

目前磁性納米材料的主要合成方法有溶膠－凝膠法、水熱合成法、共沉淀法、微乳液法等。

1.1 溶膠－凝膠法

溶膠－凝膠法反應條件溫和，操作簡單，化學均勻性好，所制備的納米顆粒細，易于摻雜，產物活性高，工藝設備簡單，工藝過程溫度低，用料少，成本較低，特別適合具有多種組分氧化物的制備等優點，是制備納米復合材料（ONIC）的有效方法。該方法使用烷氧金屬或金屬鹽等前驅物和有機溶劑配合形成溶液，在共溶劑的體系中經水解反應形成納米級粒子并形成溶膠，經蒸發干燥轉變為凝膠。在適當的條件下，凝膠形成與干燥過程中聚合物不發生相分離，即可獲得ONIC。

車如心等［9］采用添加分散劑溶膠－凝膠法制備軟磁納米材料Fe2O3，采取添加分散劑和改變焙燒方法保證晶粒尺寸。軟磁納米晶制備中添加分散劑尿素，在高溫（600℃）焙燒前增加一個低溫（400℃）退火階段，兩項措施能保證Fe2O3原始晶粒尺寸在30～40nm。

方學玲等［10］以正硅酸乙酯和Fe（NO3）3·9H2O作為SiO2和Fe2O3的前體物，無水乙醇和鹽酸作為有機溶劑和催化劑，以十六烷基三甲基溴化銨為表面活性劑，采用溶膠－凝膠法制備了具有超順磁性的納米C2Fe2O3／SiO2復合材料。C2Fe2O3樣品表面均有殘余的表面活性劑存在，表面活性劑與樣品顆粒之間的相互作用以及表面活性劑的較大的空間位阻作用，導致樣品顆粒之間不易團聚［11］，顆粒之間存在著較強的耦合相互作用，使得C2Fe2O3／SiO2復合材料表現出超順磁性，同時可以改變復合材料的磁性能。

1.2 水熱合成法

水熱法是指在一定溫度和壓力下，使物質在溶液中進行反應的一種制備方法，所得產物純度高，分散性好，粒度易于控制，近年來發展迅速。Cheng等［12］以乙二醇為還原劑，乙酸鈉為靜電穩定劑，用水熱法還原FeCl3可得到Fe3O4微球。Qi等［13］用十二烷基硫酸鎳作為前體物和表面活性劑，與FeCl3和NaOH溶液在120℃水熱合成NiFe2O4納米微粒，其δs（比飽和磁化強度）達到30.4emu／g。然而在研究水熱法制備納米粒子的過程中發現，通常的加熱方式由于使反應溶液中存在嚴重的溫度不均勻，使液體不同區域產物 “成核”時間不同，從而使先前成核微晶聚集長大，難以保證反應產物顆粒的集中分布［14］。

1.3 共沉淀法

共沉淀法是把沉淀劑加入混合后的金屬溶液中，然后加熱分解獲得超微粒。由于其具有制備工藝簡單、成本低、條件易控制、合成周期短等優點，是制備磁性Fe3O4納米粒子的常用方法。韓志萍等［15］使用高純度N2的保護，制備的Fe3O4納米粒子的δs在60emu／g左右。高道江等［16］選用NH3·H2O做為沉淀劑，在晶化溫度達到80℃時，得到δs為73.5emu／g的Fe3O4納米粒子。鄒濤等［17］研究發現，通過改變n（Fe2＋）∶n（Fe3＋）、晶化溫度、晶化時間、NaOH 濃度和總鐵濃度等條件，可以得到δs為75.9emu／g，強磁性晶粒可控的Fe3O4納米粒子。姚素薇等［18］通過超聲共沉淀法制備單相Fe3O4磁納米顆粒，粒徑隨超聲功率增大而減小，測得δs為86.19emu／g。由于反應中的成核、核生長和核成熟的過程幾乎同時發生，難以區分，所以共沉淀反應的機理目前尚不明確。

1.4 微乳液法

微乳液是將兩種或兩種以上互不相溶的溶劑混合乳化后形成的均勻、穩定、各向同性的透明液體。分散水相粒徑尺度控制在納米級范圍內，極性水相液滴可以看做微型反應器，通過化學反應而獲得納米粒子。微乳法中所使用的表面活性劑和助表面活性劑決定了納米粒子的粒徑和結構，因此表面活性劑的選擇是采用微乳法制備納米粒子的重要步驟。Feltin等［19］用FeCl2與表面活性劑十二烷基磺酸鈉（SDS）反應生成的Fe（DS）2作為反應前體，通過控制反應溫度和SDS的濃度制備合成了粒徑為3.7～11.6nm的Fe3O4納米粒子。Liu等［20］以雙十二烷基磺酸鈉為表面活性劑在水－丙酮反相膠束中制備合成了4～15nm的尖晶石結構MFe2O4粒子。微乳法優點是當納米粒子合成后，體系能提供表面活性劑用來鈍化粒子表面，保障了其分散性。而產量低，粒子提取過程復雜也是微乳法本身存在的不足。

2 磁性納米材料的應用

2.1 核酸分離提取

利用磁性納米粒子的表面配受體間的相互特異性作用可以對靶向性的目標進行快速的分離提取。相比于傳統技術，運用磁納米粒子具有快速、簡便、高效的特點。Bromberg等［21］發現磁性納米復合粒子經由聚乙烯亞胺和聚六亞甲基雙胍鹽酸鹽表面修飾后能夠在pH值≤10的水中保持穩定，并能捕獲各種細菌的DNA分子。Chan［22］發現一種基于表面改性磁性納米粒子的特異性DNA提取的新方法。將生物酰化的低聚糖探針與DNA通過生物素－鏈親和素作用雜交到磁納米表面。這樣DNA分子更易被捕獲，在外部磁場的作用下也可以實現快速分離。

2.2 生物檢測

磁納米粒子在活性、磁導性以及可調控性方面表現顯著，對蛋白質、核酸等的生物分子檢測應用技術也逐漸成熟。Song等［23］成功地使用連接有單克隆抗體的熒光－磁性－細胞靶向多功能的納米粒子富集檢測白血病細胞和前列腺癌細胞。這種多功能納米粒子對兩種癌細胞的捕獲效率分別達到96%和97%，對微量癌細胞也有較高的靈敏度，可達到0.01%，而且不需要任何前處理。

2.3 核磁共振成像磁性納米粒子

由于其超順磁性可以被用于核磁共振成像（MRI）。生物的弱磁性使得磁性納米粒子在微創處理中具有更高靈敏度。核磁共振利用磁納米粒子作為近距離傳感器調節納米淋巴靶向周圍水質子馳豫時間，使其位置的磁共振信號強度發生改變。隨著診斷磁共振生物傳感器、接合方法和高靈敏度微型磁納米系統的發展，診斷磁共振的檢測能力已經大大提高［24］。Zhang等［25］通過尾靜脈注射的方式將功能化修飾的Fe3O4納米粒子注入小鼠體內，在外加磁場作用30min后檢測其MRI，結果表明，與對照組相比，磁納米粒子集中在靶向區域，小鼠的重要器官的陰性對比度明顯增強。試驗表明該功能化的Fe3O4納米粒子可在外加磁場作用下定位特定靶向組織，并作為MRI的造影劑使用。

2.4 主動靶向磁性納米載體

納米醫藥研究始于20世紀70年代，近年來發展迅速。納米藥物載體的研究推動了醫學的發展，減少了藥物不良反應，解決了很多以往只能通過手術治療的疾病。

Hillger等［26］在交變磁場的作用下，培養修飾了抗Her－2基因的磁性納米粒子與乳腺癌細胞，發現結合修飾過的磁性納米粒子的細胞溫度上升8℃。Ito等［27］將磁性納米粒子通過聚乙烯乙二醇與腫瘤靶向特異的單抗結合，與BM314細胞共同孵育，結果發現每個癌細胞可吸收90pg的磁鐵，是對照組的4倍，在磁場作用下加熱30s可使1cm3的腫瘤溫度升高到42℃。這種方法可以形成疫苗，產生抗腫瘤免疫效應。

Cristina等［28］將磁性Fe3O4納米粒子作為神經指導磁驅動器，運用光學和電子顯微鏡觀測細胞內的納米粒子通過細胞膜進入細胞質，在磁場的作用下進行操控，比商業納米更有效的誘導定向遷移。通過這種方法可以促進神經細胞再生，并且對細胞沒有明顯的毒性作用。

腫瘤細胞的耐藥性是影響化療效果的主要障礙。Jian等［29］研究了包裹在納米粒子中的漢黃芩素和紅比霉素共聚物的可逆影響，用 MTT法（噻唑藍比色法）研究K562／A02細胞的生長抑制率，通過流式細胞儀檢測細胞凋亡和細胞內紅比霉素含量。用普魯士藍染色法在電子顯微鏡下觀察K562／A02細胞內的納米粒子，P－糖蛋白的 MDR 1mRNA轉錄和表達分別由聚合酶鏈式反應和蛋白質免疫印跡控制。結果顯示，紅比霉素－漢黃芩素磁性納米粒子在克服K562／A02白血病細胞耐藥性方面具有顯著效果。

2.5 水處理離子分離

隨著工業和經濟的快速發展，污水的大量排放，使得水域中的重金屬污染問題日益嚴峻，嚴重威脅著水生物和人類的生存健康［30］。傳統離子處理方法主要為物理方法，將重金屬轉化為沉淀或者還原為低毒物質，而成本高、容易引起二次污染等弊端無法滿足人們對環境質量監控日益嚴格的要求。磁分離技術因為其諸多優點而成為新型的污水處理技術之一［31］。Chandra等［32］制備了一種具有超順磁性的石墨烯Fe3O4雜化磁性納米粒子，該粒子粒徑約為10nm。與未經修飾的純磁性納米粒子對照相比，該雜化粒子對于離子As（III）和 As（V）的吸附率可以達到99.9%。同時，該雜化粒子不易團聚。

2.6 食品安全快速檢測

快速檢測技術的發展，為食品安全提供了重要保障。隨著科技的發展，食品快速檢測方法也逐漸多樣化。免疫磁分離技術（MS）是新興的通過納米技術檢測食品的方法，該方法具有快速富集分離目標、操作簡單、特異性強等特點。

Wright等［33］將E.coli O157從牛肉樣本中分離出，其檢測的靈敏度可以達到2CFU／g，明顯優于傳統的選擇性培養基檢測技術。

普通酶聯免疫技術（ELISA）具有反應接觸面積小、反應速度慢等缺點。磁分離－酶聯免疫技術（MS－ELISA）利用納米材料比表面積高等特點，增大了分子接觸面積，使反應更為徹底，也提高了靈敏度。Gessler等［34］利用 MS－ELISA檢測肉毒桿菌神經毒素，其靈敏度可達到0.3MLD／mL。

3 結語

隨著納米科技的迅速發展，合成技術的不斷完善，對納米粒子的形狀、大小、組分的控制也日趨成熟。但如何精確控制合成條件，實現大規模的高品質磁納米粒子生產仍是研究者面臨的挑戰性工作。存在的問題包括前體物價格昂貴，有毒性，產物形成的分散體系不穩定，如何構建多功能磁性納米體系等。只有確保合成出的磁性納米材料性能穩定，才能更好的實現在各個領域的應用。在不久的將來，磁性納米科學對經濟社會的發展，特別是高新技術的發展，必將起到重要的作用。

1 張金升，尹衍升，呂憶農，等.磁性流體中Fe3O4粒子包裹結構的研究［J］，中國科學，2003，33（7）：609～613.

2 蘇武，黃英，閆梨.磁性納米線陣列的制備與應用［J］.化工進展，2008，27（4）：478～482.

3 辛寶娟，邢國文.氧化鐵磁性納米粒子固定化酶［J］.化學進展，2010，22（4）：593～602.

4 Wuang S C，Neoh K G，Kang E T，et al.Her－2－mediated endocytosis of magnetic nanospheres and the implications in cell targeting and particle magnetization［J］.Biomaterials，2008，29（14）：2 270～2 279.

5 張晶晶.部分超順磁性納米材料的合成及基于MRI的生物應用［D］.上海：上海師范大學，2010.

6 吳偉，賀全國，陳洪.磁性納米粒子在生物傳感器中的應用［J］.化學通報，2007（4）：277～284.

7 張春明.生物兼容的磁性納米粒子的制備及其在細胞分離方面的研究［D］.上海：上海師范大學，2008.

8 王林，王晶，周景洋.食品安全快速檢測技術手冊［M］.北京：化學工業出版社，2008：3～4.

9 車如心，高宏.溶膠－凝膠法制備軟磁納米材料Fe2O3［J］.大連鐵道學院學報，2004，25（3）：91～93.

10 方學玲，姚蘭芳，關飛飛，等.超順磁納米C2Fe2O3／SiO2復合材料的制備和磁性能研究［J］.低溫物理學報，2010，32（1）：16～21.

11 王松威，徐盛明，陳崧哲，等.SiO2／（γ－Fe2O3－SiO2）磁性催化劑載體的制備［J］.中國有色金屬學報，2005，15（11）：1 761～1 765.

12 Cheng Y，Tan R，Wang W，et al.Controllable synthesis and magnetic properties of Fe3O4and Fe3O4／SiO2microspheres［J］.Mater Sci.，2010，45（19）：5 347～5 352.

13 Qi Liu，Hexiang Huang，Lifang Lai，et al.Hydrothermal synthesis and magnetic properties of NiFe2O4nanoparticles and nanorods［J］.Journal of Materials Science，2009，44（5）：1 187～1 191.

14 張陽德，納米生物材料學［M］.北京：化學工業出版社，2005.

15 韓志萍，王立，謝濤，等.納米級Fe3O4磁性超微粒的制備和飽和磁化強度研究［J］.磁性材料及器件，1995，26（2）：52～54.

16 高道江，王建華.超微磁性Fe3O4粒子的制備［J］.四川師范大學學報（自然科學版），1997，20（6）：94～97.

17 鄒濤，郭燦雄，段雪，等.強磁性Fe3O4納米粒子的制備及其性能表征［J］.精細化工，2002，19（12）：707～710.

18 姚素薇，趙朝輝，張衛國.超聲共沉淀法制備強磁性納米Fe3O4顆粒［C］／／郁祖湛.2005年上海市電鍍與表面精飾學術年會論文集.上海：電子電鍍出版辦事處，2005：277～280.

19 Feltin N，Pileni M P.New technique for synthesizing Iron ferrite magnetic nanosized particles［J］.Langmuir，1997，13（15）：3 927～3 933.

20 Liu C，Zou B，Rondinone A J，et al.Reverse micelle synthesis and characterization of super paramagnetic M nFe2O4spinel ferrite nanocr ystallites［J］.J.Phys.Chem.B，2000，104（6）：1 141～1 145.

21 Bromberg Lev，Raduyk Svetlana，Hatton T Alan.Functional magnetic nanoparticles for biodefense and biological threat monitoring and surveillance［J］.Analytical Chemistry，2009，81（14）：5 637～5 645.

22 Chan Sen Ki.Development and characterization of functionalized magnetic nanoparticle－based method for species－specific genomic DNA extraction［D］.Hong Kong：The Hong Kong University of Science and Technology，2008.

23 Song Er－Qun，Hu Jun，Wen Cong－Ying，et al.Fluorescentmagnetic－biotargeting multifunctional nanobioprobes for detecting and isolating multiple types of tumor cells［J］.ACS Nano，2011，5（2）：761～770.

24 Huilin Shao，Changwook Min，David Issadore，et al.Magnetic nanoparticles and microNMR for diagnostic applications［J］.Theranostics，2012，2（1）：55～65.

25 Zhang Ying，Liu Jing－Ying，Ma Song，et al.Synthesis of PVP－coated ultra－small Fe3O4nanoparticles as a MPI contrast agent［J］.Journal of Materials Science：Materials in Medicine，2010，21（4）：1 205～1 210.

26 Hillger I，Dietmar E，Linb W，et al.Developments for the minimally invasive treatment of tumours by targeted magnetic heating［J］.J.Phys：Condens Matter，2006，18（Suppl）：2 951～2 958.

27 Ito A，Shinkai M，HondaH，et al.Heat shock protein 70expression induces antitumor immunity during intracellular hyperthermia using－magnetite nanoparticles［J］.Cancer Immunol Immunother，2003，52（2）：80～88.

28 Cristina Riggio，Maria Pilar Calatayud，Clare Hoskins，et al.Poly－l－lysine－coated magnetic nanoparticles as intracellular actuators for neural guidance［J］.International Journal of Nanomedicine，2012（7）：3 155～3 166.

29 Jian Cheng，Lin Cheng，Baoan Chen，et al.Effect of magnetic nanoparticles of Fe3O4and wogonin on the reversal of multidrug resistance in K562／A02cell line［J］.International Journal of Nanomedicine，2012（7）：2 843～2 852.

30 今中佳彥.多層低溫共燒陶瓷技術［M］.北京：科學出版社，2010.

31 孫巍，李真，吳松海，等.磁分離技術在污水處理中的應用［J］.磁性材料及器件，2006，37（4）：6～10.

32 Chandra V，Park J，Chun Y，et al.Water－dispersible magnetitereduced graphene oxide composites for arsenic removal［J］.ACS Nano，2010，4（7）：3 979～3 986.

33 Wright D J，Chapmanp A，Siddonsc A.Immunomagnetic separation as a sensitive method for isolating Escherichia coli O157 from food samples［J］.Epidemiology and Infection，1994，113（1）：31～39.

34 Gessler F，Hampe K，Schmidt M，et al.Immunomagnetic beads assay for the detection of botulinum neurotox in types C and D［J］.Diagnostic Microbiology and Infectious Disease，2006，56（3）：225～232.