（无机化学专业论文）纳米生物学用mgfe2o4磁性纳米粒子的合成和表征.pdf

中固i _ 学投术人学坝i j 学位论文 摘要 本论文在大量文献调研的基础七总结了纳米生物技术在各方面的应用并对 纳米生物技术的酶景做了展望。成功地采用溶胶一凝胶燃烧法和水热法合成了被 认为可在纳米生物学和纳米医学领域有应用前景的m g f e 2 0 4 纳米粉体，探讨了 两种方法合成m g f e z o 。的条件，并对其进行了结构和性质的表征，具体归纳如 下： 1 采用溶胶凝胶燃烧合成法在较低的温度下合成了m g f e 2 0 4 纳米晶，并且研 究了柠檬酸与硝酸盐的摩尔比值( c n ) 对相转变、生成产物形貌等的影响。 结果表明，柠檬酸的用量对结果产物有很大的影响。当富燃料( c n = i 0 ) 的 情况下，所得产物的结晶性良好随煅烧温度的升高，颗粒尺寸显著增大， 并且始终是单一相的铁酸镁，从电镜照片可看出，5 0 0o c 下得到的粉体，它 的颗粒分布最均匀，粒径最均一。所以本工作重点研究了c n = i 0 的条件下 前驱物的热分解和相转变过程，以及煅烧前驱物所得到的m g f e 2 0 4 纳米晶的 特性，并用t g d s c ，f t - i r x r d ，t e m 和v s m 进行了表征。通过表征发 现，在空气中，5 0 0o c 下，煅烧两小时得到m g f e 2 0 4 纳米晶结晶性良好的， 产物的平均粒径为1 0 n m 左右，并且粒径分布范围很窄，这比传统的固相反 应法低8 0 0o c 。磁测量表明，所得产物为软磁铁氧体，5 0 0 和9 0 0o c 下煅烧 产物的饱和磁化强度分别为9 9e m u g 和3 0 6e m u g ，满足纳米生物学领域的 应用需要。 2 报道了在单纯的低温水热条件下合成了软磁铁氧体m g f e 2 0 4 ，并通过x r d 、 t e m 和v s m 对所得到的粉体的结构和性质进行了表征。该反应以硝酸铁 ( f e ( n 0 3 ) y 9 h 2 0 ) 、硝酸镁( m g ( n 0 3 ) r 6 h ：l o ) 和氢氧化钠( n a o h ) 为原料， 在聚四氟乙烯内衬釜中，1 5 0o c 下，反应1 2 小时得到了目标产物m g f e 2 0 4 。 研究表明，在本实验所设定的条件下，只有除去反映体系中的n a + 离子，才 能得到m g f e 2 0 4 ，否则只能得到q f e 2 0 3 ；同时，温度对反应结果产物也有很 大的影响，只有在1 5 0o c 才得到了较纯的m g f e 2 0 4 相；另外，水热反应时间 将会影响产物的结晶性，反应时间越长，结晶性越好。磁测量表明，所得产 中周科学救术人学坝i 学位论义 物为软磁铁氧体，其磁化强度及其在空气中4 0 0o c 下退火后样品的磁化强度 分别为1 1 1 4e m u g 和3 0 4 7e m u g ，同样满足纳米生物学领域的应用需要。 中国科学技术人学f i ! i ii 。学位论文 a b s t r a c t t h eo b j e c t i v eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st oe x p l o r er o u t e st op r e p a r em g f e 2 0 4n a n o s i z e d p o w d e r st h a th a v ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n s i n n a n o b i o t e c h n o l g y n a n o s i z e dm g f e 2 0 4 p o w d e r s w e r e p r e p a r e db y b o t h h y d r o t h e r m a i a n ds o l g e l c o m b u s t i o n m e t h o d s ， r e s p e c t i v e l y t h es a m p l e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yx r d ，t e m a n dv s m m o r ed e t a i l s a r es u m m a r i z e db e l o w ： 1 m g f e 2 0 4n a n o c r y s t a l l i t e sw e r ea l s os y n t h e s i z e db yas o l g e l c o m b u s t i o nm e t h o d a tr e l a t i v e l yl o wt e m p e r a t u r e s ，t h ei n f l u e n c e so fm o l a rr a t i oo fc i t r i ca c i dt om e t a l n i t r a t e s ( c nr a t i o ) o nr e s u l t a n tp r o d u c t s u c ha sp h a s et r a n s f o r m a t i o na n d m i c r o g r a p h w e r ei n v e s t i g a t e d t h ec o n t e n to ft h ec i t r i ca c i di n f l u e n c e dt h ey i e l do f m g f e 2 0 4 p h a s eg r e a t l y w h e nt h ec nr a t i oe q u a l e d1 0 ，t h ep a r t i c l es i z eo f t h ea s s y n t h e s i z e d m g f e 2 0 4 i n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yw i t ht h ei n c r e a s eo fc a l c i n a t i o nt e m p e r a t u r e ，a n dn o o t h e rp h a s ea p p e a r e da l lt h et i m ef r o mt h et e m p h o t o g r a p h s ，i ti s f o u n dt h a tt h e p a r t i c l e sc a l c i n e da t5 0 0 0 c i sm o s tu n i f o r mi nb o t hm o r p h o l o g ya n d p a r t i c l es i z e s o w em a i n l y i n v e s t i g a t e d t h et h e r m a lb e h a v i o ro ft h e s y n t h e s i z e dp r e c u r s o r a n d m o r p h o l o g y a sw e l la sm a g n e t i c p r o p e r t i e so f t h er e s u l t a n tm g f e 2 0 4n a n o c r y s t a l l i t e s w h e nt h ec nr a t i ow a s1 0 w e l l c r y s t a l l i z e dm g f e 2 0 4p o w d e r sw e r eo b t a i n e da f t e r a n n e a l i n gi na i ra t5 0 0 。cf o r2 h t h ea v e r a g ep a r t i c l es i z eo f t h e f e r r i t ei sa b o u t1 0 n m ， w i t han a r r o ws i z ed i s t r i b u t i o n t h es a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o n so ft h en a n o c r y s t a l l i n e m g f e 2 0 4 c a l c i n e da t5 0 0a n d9 0 0 。ca r e9 9a n d3 0 6e m u r e s p e c t i v e l y , w h i c hc a n b eu s e di nt h ef i e l do f n a n o b i o t e c h n o l g y 2 m g f e 2 0 4n a n o p a r t i c l e sw e r eh y d r o t h e r m a l l ys y n t h e s i z e da t 15 0 。cu s i n gi r o n n i t r a t e 【f e ( n 0 3 ) 3 9 h 2 0 ，m a g n e s i u mn i t r a t e 【m g ( n 0 3 ) 2 6 h 2 0 】a n ds o d i u mh y d r o x i d e ( n a o h ) a ss t a r t i n gm a t e r i a l sb yc a r e f u l l yc o n t r o l l i n gt h er e a c t i o nc o n d i t i o n s i t i s f o u n dt h a tt h ef o r m a t i o no f m g f e 2 0 4d u r i n gh y d r o t h e r m a l t r e a t m e n t d e p e n d s s e n s i t i v e l yo ns e v e r a lf a c t o r s ，i n c l u d i n gp r e s e n c eo r a b s e n c eo f n a + ，t e m p e r a t u r ea n d r e a c t i o nt i m e m g f e 2 0 4p h a s ec a nn o tb ef o r m a t i o na ss o d i u mi o n sa r ep r e s e n td u r i n g 6 中固科学挫术大学坝 学位论史 h y d r o t h e r m a lt r e a t m e n t ，w h i c hc a no n l y r e s u l ti nt h ef o r m a t i o no f c t f e 2 0 3 i ti sf o u n d t h a tm g f e 2 0 4c o u l do n l yb ef o r m e di na ne x t r e m e l yn a l q o wt e m p e r a t u r er a n g ea r o u n d 15 0o c a n dm t l li n c r e a s i n go fr e a c t i o nt i m e ，t h ed i f f r a c t i o np e a k so fx r dg e t n a r r o w e ra n ds h a r p e r , i n d i c a t i n gt h ei n c r e a s eo fp a r t i c l es i z ea n di m p r o v e m e n to f c r y s t a l l i n i t y t h ep a r t i c l e sd i s p l a ys o f tm a g n e t i cb e h a v i o rw i t ha nm s o f11 1 4e m u g i ft h e s a m p l e w a sa n n e a l e di na i ra t4 0 0o cf o rf o u rh o u r s ，t h es a t u r a t i o n m a g n e t i z a t i o n ( 3 0 4 7e m “g ) i n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y , w h i c ha l s oc a l lb eu s e di nt h e f i e l do f n a n o b i o t e c h n o l g y 7 中罔 学拙术人学坝l 学位论史 第一章序论 1 1 引言 纳米技术是2 0 世纪9 0 年代出现的- - f q 新兴技术，它是在纳米尺度( o i r m a 到i o o n m 之间) 尺度的空唰内研究物质( 包括电子、原子和分子) 的运动规律、特 性和相互作用并加以利用的多学科的崭新的技术【1 3 】。它使人类认识和改造物质 世界的手段和能力延伸到原子和分子。由于该技术将最终使人类能够按照自己的 意愿操纵单个原子和分子，以实现对微观世界的有效控制，所以被认为是对2 1 世纪一系列高新技术的产生和发展有极为重要影响的一门热门学科，并被世界各 国列为2 1 世纪的关键技术之一。纳米科技的最终目标是直接以原予、分子及物 质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能 的产品，实现生产方式的飞跃【4 】。 纳米技术作为一种空间平台技术研究，其范畴涉及了许多学科和技术领域， 如纳米物理学( n a n o p h y s i c s ) 、纳米化学( n a n o c h e m i s t r y ) 、纳米生物学 ( n a n o b i o l o g y ) 、纳米电子学( n a n o e l e c t r o n i c s ) 纳米材料学( n a n o m e t e r m a t e r i a l s c i e n c e ) 、纳米机械学( n a n o m e c h a n i c s ) 、纳米显微学( n a n o s c o p y ) 、纳米医学 ( n a n o m e d i c i n e ) 、纳米测量学( n a n o m e t r o l o g y ) 、纳米信息学( n a n o i n f r o m a t i c s ) 纳米生物技术( n a n o b i o t e c h n o l g y ) 等 2 】。 纳米生物技术是纳米技术和生物技术结合的产物，是一项涵盖生物学、医学、 化学和物理学的综合性跨领域技术，它的出现与发展为人类疾病的诊断与治疗提 供了新的手段f 5 7 1 。随着人们对生命领域的认识的不断深入，可以认为生物世界 是由纳米级单元构成，并且生命系统是由纳米尺度上的分子的行为所控制的。例 如，血液中红血球的大小约为6 0 0 0 9 0 0 0 m u ，一般细菌的长度为2 0 0 0 3 0 0 0 n m ， 病毒尺寸一般为几十纳米，蛋白质的尺寸为l 2 0 n m ，生物体内的r n a 蛋白质 复合体，线度在1 5 2 0 n m 之间，d n a 链的直径为l n m 等。纳米粒子的尺寸比 生物体内的大多数器官小，这为生物学提供了一个新的研究领域即纳米水平上， 对细胞和生命进一步认识。相应的，对生命本身细微结构认识的深入将使人们不 断得到启迪，有助于对细胞行为更好调控，促进新兴研究领域的发展。因此，将 中冈科学技术大学坝f 擘位论立 纳米技术与生物技术相结合的纳米生物技术不仅对探索生命本质具有重大科学 意义，而且具有重要的应用价值f 8 1 1 】。 纳米生物技术在自然界不难找到合适的原型 1 2 ，1 3 1 。例如，酶类作为分子机 器可以连接、断裂或重排分子问的键；肌肉的运动通过分子机器拉动纤维来实现。 作为数据存储系统的d n a 将数据指示传递给生产蛋白质的分子机器核糖 体。应当指出，自然界的分子组装水平远远超出人类现有的加工技术所能够达到 的最高水平。例如，直径约为1 m 的大肠杆菌的一个细胞的存储容量就相当于 一张高密度软盘的存储容量：一个核糖体分子能够以5 0 多种蛋白质为前驱体进 行有序自组装：真核细胞指导核苷酸合成d n a 的出错概率仅有1 0 “1 ；绿色植物 所转化的能量和合成的有机化学品的吨位数比世界上现有的化工厂的总生产能 力还要多。模仿生物系统的能力束转化和传输能量、合成专用有机化学品、生产 生物质、存储信息、识别、感觉、信号发送、运动、自组装和复制代表着未来的 巨大挑战，也构成了现代生物技术纳米生物技术的内涵。 1 2 纳米生物学的研究内容 顾名思义，纳米生物学是以纳米( 1 0 。9 ) 为尺度，研究细胞内部各种细胞器 的结构和功能，研究细胞内部，细胞内外之间以及整个生物体的物质、能量和信 息交换。生物学在其发展过程中，经历了“个体一组织一细胞一生物大分子”不 同层次，逐渐向微观发展。当d u 分子生物学以深入到生物学的各个分支领域，诞 生了结构分子生物学，发育分子生物学和神经分子生物学等新兴学科。就研究尺 度来说，从厘米级到分子水平微米级，进而达到纳米级。研究物质结构的尺度不 同，对物质的认识也随之差异明显。纳米生物正是从一个新的视野研究生命过程， 弄清各种生命现象，达到真正了解生命和了解人类本身。需要强调的是，纳米生 物学的研究依赖于工程学提供各种手段，以及其他学科提供新的理论。纳米生物 学的研究内容如图1 所示。 目前，纳米生物技术的研究热点是疾病诊断和治疗等医学领域。纳米医学技 术也已经被列入美国的优先科研计划，美国国立卫生研究院将在未来几年内把医 用纳米技术列为优先发展项目，该研究院是美国科研经费第一大户。随着纳米技 术在医学领域表现出越来越诱人的应用前景，越来越多的研究经费正涌入这一领 中田辩学技术人学坝| 学位论文 纳米生物学 细胞 内部 的纳 米级 研究 思 维 过 程 理 论 纳米思 维工程 人 类 认 知 能 力 脑 功 能 计 簋 模 拟 微植 物群 的相 互联 系 生 物 分 手 内 部 的 工 程 控 制 纳米生物学 工程应用 基础研究 工 程 设 计 由 特 定 的 生 物 联 系 纳米生 物学研 究的装 备研制 纳 米 基 因 改 造 技 术 纳 米 生 物 传 感 器 纳米生物学的开 发与应用研究 纳 米 生 物 计 算 机 纳 米 生 物 分 子 机 器 人 纳 米 生 物 技 术 新 型 药 物 的 设 计 与 开 发 图1 纳米生物学的研究内容 0 生物纳米结梅中的信号提取与检测 ll上人脑的结构和信息加工一 中国科学技术大学硕 j 学位论文 域。美国纳米技术的应用研究j 下在癌症诊断领域和分子追踪等热点领域快速发 展，其中在癌症诊断领域的应用可望在1 0 年内出现划时代的突破。在癌症研究 领域，利用纳米技术制成的传感器可望使各种癌症的早期诊断成为现实，但这一 技术在实用中尚有一些技术难题需要解决。今后可能会有多种纳米传感器集成在 一起被置于人体，以用来早期检测各种疾病【1 4 】。 在纳米生物工程研究方面，目前有两个方面进展比较快：一是利用纳米技 术跟踪生物体内活动。比如纳米颗粒比人体细胞小的多，而且具有发光功能，科 学家们把这种纳米颗粒送进人的肉体、器官内，然后从人体外部向内照射近红外 线，纳米颗粒在人体内也会发光，这样就可以跟踪了解人体细胞的变化情况，从 而达到追踪病毒等效果。目前科学家们对跟踪查找艾滋病病毒、癌细胞等在人体 内的活动的研究取得了不少新近展。在这项研究中，科学家们还发现癌细胞特别 喜欢吃纳米颗粒，这有助于跟踪癌细胞在人体内的活动。 另一方面是利用纳米颗粒极高的传感灵敏效应对疾病进行早期诊断。目前 科学家们主要是利用纳米技术对癌症的诊断进行研究，并取得成果。 1 3 纳米生物技术的应用 1 3 1 纳米生物技术在生物基础研究中的应用 1 3 1 1 细胞内部染色 细胞内部的染色对用光学显微镜和电子显微镜研究细胞内各种组织是十分 重要的一种技术，它在研究细胞生物学中发挥极为重要的作用。细胞中存在各种 器官和细丝：器官有线粒体、核和小胞腔等；细丝主要有三种，直径约为6 _ _ 2 0 m 。 它们纵横交错在细胞内构成了细胞骨骼体系，而这种组织保持了细胞的形态，控 制细胞的变化、运动、分裂、细胞内器官的移动和原生质流动等。末加染色的细 胞由于衬度很低，很难用光学显微镜和电子显微镜进行观察，细胞内的器官和骨 骼体系很难观察和分辨；为了解决这一问题，物理学家已经发展了几种染色技术， 如荧光抗体法、铁蛋白抗体法和过氧化物酶染色法等，目的是提高用光学显微镜 和电子显微镜观察细胞组织的衬度。随着细胞学研究的发展，要求进一步提高观 中周学技术人学坝j 学位诠史 察细胞内组织的分辨率，这就需要寻找新的染色方法。纳米微粒的出现，为建立 新的染色技术提供了新的途径。用柠檬酸豁还原氯会酸( h a u c l 4 ) 水溶液可制得金 纳米粒子，粒径可控，具有良好的单分散性，能被带负电的柠檬酸盐稳定 1 5 一1 7 l 。 接着制备金纳米粒子一抗体的复合体，具体方法是将纳米金与预先精制的抗体或 单克隆抗体混合。这里选择抗体的类型是制备复合体的重要一环，不同的抗体对 细胞内各种器官和骨骼组织的敏感程度和亲和力有很大的差别，可根据这些差别 制备多种金纳米粒子一抗体的复合体；而这些复合体分别与细胞内各种器官和骨 骼系统相结合，就相当于给各种组织贴上了标签。由于它们在光学显微镜和电子 显微镜下衬度差别很大，就很容易分辨各种组织，这就是利用纳米粒子进行细胞 染色技术。 大量研究表明，纳米微粒与抗体的结合并不是共价键而是弱库仑作用的离子 键，因此制造稳定的复合体工艺比较复杂，但选择适当条件是可以制造多种纳米 微粒一抗体的稳定复合体的。细胞染色的原理与纳米金的光学特性有关。一般来 说，纳米粒子的光吸收和光散射很可能在显微镜下呈现自己的特征颜色，由于纳 米微粒尺寸小，电子能级发生分裂，能级之i n 的阳j 距与粒径大小有关，由于从低 能级的跃迁很可能吸收某种波长的光，纳米微粒的庞大比表面中原子的振动模式 与颗粒内部不同，它的等离子共振也会产生对某种波长的光的吸收，纳米粒子与 抗体之间的界面也会对某种波长光的吸收产生影响。由于上述几种原因，纳米金 一抗体复合体在白光或单色光照射下就会呈现某种特定的颜色。实验已经证实， 对直径】0 n m 以上的金纳米粒子在光学显微镜的明场下可观察到它的颜色为红 刍。 1 3 1 2 胶体金用于免疫分析 胶体金与蛋白质的作用目阿还不十分清楚。有人认为胶体金是一种带负电的 疏水胶体，金颗粒的表面不仅表现为静电作用，还有疏水作用，为了让蛋a 质与 金颗粒结合，必须减小静电作用，使疏水作用起主导作用。通过调节胶体的p h 值使之在蛋白质等电点附近，这时蛋白质的净电荷接近于零，而保持疏水作用以 促进蛋白质与金颗粒的结合。通过表面改性，人们也可以让金颗粒带有正电，从 而与带负电的蛋白质相结合 1 8 - 2 0 。 中因科学技术人学顺i 。学位论文 1 9 7 1 年，f a u l k 等将胶体金与蛋白质结合制成用于电子显微镜的会探针f 2 1 】， 是纳米会颗粒应用于免疫细胞和组织化学的重要里程碑。从此纳米金颗粒逐渐应 用于免疫化学，可在电子显微镜甚至光学显微镜水平上对抗原、抗体进行定位、 定性直至定量研究。胶体金具有许多独特的物理、化学特性，金颗粒可通过弱相 互作用与生物大分子结合，也可通过化学键与生物大分子偶联，而不改变生物大 分子的生物活性；金颗粒具有高电子密度、强续发电子能力，不仅可用于透射电 镜，也可用于扫描电镜和x 射线衍射分析，具有分辨率高、对结构遮盖少、定 位精确等优点。因此，金探针被广泛应用于免疫组织染色的电镜观察。制备会探 针的蛋白质可以是抗体、第二抗体、蛋白a 、蛋白g 、生物素、亲和素等。通过 原位杂交，利用蛋白质一金、生物素一金、酶一金标记的探针可以探测从细胞内 到细胞外的大范围的微结构。免疫金、生物素金染色不仅可应用于光学显微镜， 还可作为透射电镜的标记物研究微结构、冰冻蚀刻等。 艾滋病的检测和防治是人类面临的一个紧迫课题。目前，对于义滋病的检测 主要采用e l i s a 法( e n z y m e l i n k e di m m u n o s o r b e n ta s s a y 酶联免疫吸附试验) ，但 此法复杂，成本较高，适宜于专门的检测结构采用。纳米金膀体与抗人免疫球蛋 白( a n t i h u m a n i g g ) 结合制备的金探针可定性检测艾滋病病毒( h i v ) 抗体 2 2 】。将待 测液( 如血清) 滴在一种预吸附有h i v 抗原的特殊滤纸上，待测液中的抗体将与 滤纸上的抗原进行特异性结合，然后滴入会探针，抗人免疫球蛋白结合抗体一抗 原复合物，金颗粒被附着在滤纸上而显现红色的斑点，即为抗体阳性；反之，若 无抗体，则金颗粒将全部通过滤纸，不显斑点，即为抗体阴性。目前，夹心式抗 体抗原法检测h i v 抗体也已有报道，并已用于临床诊断。h i v 蛋白主要成分是衣 壳蛋白p 2 4 ，基于基因工程技术使p 2 4 基因组在生物载体( 如大肠杆菌) 上表达， 其特异性与敏感性均有提高。通过引入标记h i v 的p 2 4 抗原的金探针，可以明 显提高检测h i v 抗体的灵敏度。 1 3 ，1 3 金颗粒应用于d n a 识别与检测 2 0 0 1 年在人类遗传学领域内的一个里程碑式的突破是人类基因组计划基因 测序的完成。2 1 世纪生物技术与信息技术将成为人类社会的两大支柱产业。有 关d n a 的研究将成为生物技术的重要基础，基因的杂交与检测在基因缺损与异 中困耳 学扯术人学坝t 学位论义 常等疾病的预防、诊断与治疗中具有广泛应用。利用纳米金胶体特殊的颜色以及 独特的生物活性，研究人员在d n a 的识别与检测技术方面取得了极具价值的成 果。c h a da m i r k i n 实验室用寡核酸修饰的会颗粒进行d n a 碱基的识别，在利 用纳米金颗粒来识别d n a 方面进行了丌创性的工作 2 3 2 9 1 。他们根据完全互补 f c o m p l e m e n t a r y ) 的d n a 与错目g ( m i s m a t c h ) 、缺失( d e l e t i o n ) 和碱基插入( i n s e r i o n ) 的d n a 的相转变温度的不同，以及不同聚集状态下金颗粒的吸收不同并由此而 产生的颜色的差异，通过调节温度，观察会溶胶中杂交体系的颜色变化实现对 d n a 错配的简单分析。如果两个单链能够形成互补的序列，即形成双链，则由 于纳米金颗粒的聚集，吸收波长发生蓝移，溶液由红色变为蓝色，实现了对d n a 互补及错配序列的分析 3 0 1 。该研究为应用金纳米颗粒对d n a 检测上识别的简 单化和实用化指出了明确的方向。这种简单的通过颜色变化对d n a 进行检测的 方法灵敏度较低，使其具有一定的局限性。m i r k i n 进一步将浚体系转移到固相后， 可以检测1 0 。1 0m 0 1 u 的寡核酸而采用比色区别法可检测单碱基不互补的 d n a ，有望用于检测单个碱基突变的基因遗传疾病 3 1 】。 金纳米颗粒与石英晶体微天平( q c m ) 技术的结合解决了其在d n a 检测方面 灵敏度低的难题。石英晶体微天平( q c m ) 是一种非常灵敏的质量检测器，它发展 于2 0 世纪6 0 年代初，可进行纳克级的质量测定。江龙等曾在a u q c m 、q c m 上引入纳米金颗粒薄膜，发现纳米会颗粒能改善d n a 探针的固定性能及再生性， 并使q c m 检测的灵敏度有了很大的提高 3 2 3 3 】。i w i l l n e r 实验室也进行了大量 的工作 3 5 4 1 ，设计了一种q c m 的倍增方法。鉴于纳米会颗粒有密度较大、操 作简单、粒径可控等优点，通过在d n a 末端引入质量较大的纳米金颗粒使d n a 杂交导致的质量变化大为增加，从而使q c m 检测到的频率变化大幅提高，可将 单碱基不互补的d n a 的检测灵敏度提高到1 0 。1 5t o o l l 。1 4 2 】。 i 3 1 4 作为载体的金颗粒应用于基因治疗 近1 0 年来，基因疗法也是一个特别引人注目的热点领域，金颗粒在这一领 域也有重要用途。一种称为基因枪( g e n eg u n ) 的特殊设备是免疫学专家们的得力 2 k 具 4 3 5 1 】。例如，b i o r a d 基因枪以一定压力的氦气流将子弹结合有某种 基因( d n a 或r n a ) 的金颗粒打入生物体，如细胞、植物、动物或人体的组织 4 中国科学技术人学倒! i 学位论文 等 5 2 1 。金颗粒与d n a 结合后均匀吸附于柱状尼龙子弹的前端光滑表面，利用 高压气体推动发射栓，使尼龙子弹高速弹出。由于出口处的挡板( 其中有一个单 q s l m m 的微孔) 作用，尼龙子弹被阻滞，而金颗粒仍以大于4 0 0 m s 。的速度射入 置于装置末端1 0 1 5 c m 处的靶组织或细胞。基因在生物体内进行表达复制而达 到预期目的。根据靶目标的不同( 如组织或细胞) ，所需颗粒的大小及发射的能 量也不一样。根据f = m a 的力学原理，改变颗核大小( m ) 及气体压力所造成的加 速度( a ) ，可得到所需要的作用力f 。这种基因导入方法具有瞬时性、表达效率高 的特点。 1 3 2 纳米生物技术在医学领域中的应用 1 3 2 1 细胞分离 生物细胞分离是生物细胞学研究中一种十分重要的技术，它关系到研究所需 要的细胞标本能不能快速获得的关键问题。以往的细胞分离技术主要采用离心 法，利用密度梯度原理进行分离，时间长效果差。8 0 年代初，人们开始利用纳 米微粒进行细胞分离，建立了用纳米s i 0 2 微粒实现细胞分离的新技术。其基本 原理和过程是：先制备s i 0 2 纳米微粒，尺寸控制在1 5 2 0 n m ，结构一般为非晶 态，再将其表面包覆单分子层，包覆层的选择主要依据所要分离的细胞种类而定， 一般选择与所要分离细胞有亲和作用的物质作为附着层。这种s i 0 2 纳米粒子包覆 后所形成复合体的尺寸约为3 0 n m 。第二步是制取含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷 酮胶体溶液，适当控制胶体溶液浓度。第三步是将纳米s i 0 2 包覆粒子均匀分散 到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中，再通过离心技术，利用密度梯度 原理，使所需要的细胞很快分离出来。此方法的优点是：1 易形成密度梯度。 纳米包覆体尺寸约3 0 n m ，因而胶体溶液在离心作用下很容易产生密度梯度。2 易 实现纳米s i 0 2 粒子与细胞的分离。这是因为纳米s i 0 2 微粒是属于无机玻璃的范 畴，性能稳定，一般不与胶体溶液和生物溶液反应，既不会沾污生物细胞，也容 易把它们分开。这种细胞分离技术在医疗临床诊断上有广阔的应用前景。例如， 在妇女怀孕8 星期左右，其血液中就开始出现非常少量的胎儿细胞，用纳米微粒 很容易将血样中极少量胎儿细胞分离出来，方法简便，价钱便宜，并能准确地判 中同科学技术大学顺 学位论义 断胎儿细胞是否有遗传缺陷。美国等先进国家已将这种技术用于临床诊断。美国 科学家利贝蒂指出，利用纳米微粒进行细胞分离很可能在肿瘤早期的血液中检查 出癌细胞，实现癌症的早期诊断和治疗；同时他们还正在研究实现用纳米微粒检 查血液中的心肌蛋白，以帮助治疗心脏病。 1 3 2 2 纳米粒子作为药物和基因载体材料 药物纳米载体和纳米颗粒基因转移技术是目前纳米生物材料研究的热点，已 有较好基础并做出实质性成果，将给恶性肿瘤、糖尿病和老年性痴呆等疾病的治 疗带来变革 s 1 6 4 1 。这种技术是以纳米颗粒作为药物和基因转移载体，将药物、 d n a 和r n a 等基因治疗分子包裹在纳米颗粒之中或吸附在其表面，同时也在颗 粒表面耦联特异性的靶向分子，如特异性配体、单克隆抗体等，通过靶向分子与 细胞表面特异性受体结合，在细胞摄取作用下进入细胞内，实现安全有效的靶向 性药物和基因治疗。 对专利和文献资料的统计分析表明，用于恶性肿瘤诊断和治疗的药物载体主 要由金属纳米颗粒、无机非金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒和生物性 颗粒构成。由于毒副作用小，胶体金和铁是会属材料中作为基因载体、药物载体 的重要材料。胶体金可用于细胞器官染色，对细胞外基质胶原蛋白表现出特异结 合的性质，启发人们考虑用胶体会作为药物和基因的载体用于恶性肿瘤的诊断和 治疗。 在非金属无机材料中，磁性纳米材料最为引人注目，已成为目前新兴生物材 料领域的研究热点。特别是磁性纳米颗粒表现出良好的表面效应，比表面激增， 官能团密度和选择吸附能力变大，携带药物或基因的百分数量增加。在物理和生 物学意义上，顺磁性或超顺磁性的铁氧体纳米颗粒在外加磁场的作用下，温度上 升至4 0 一4 5 ，可达到杀死肿瘤的目的。 生物降解性是药物载体或基因载体的重要特征之一，通过降解，载体与药物 基因片段定向进入靶细胞之后，表层的载体被生物降解，芯部的药物释放出来 发挥疗效，避免了药物在其他组织中释放。可降解性高分子纳米药物和基因载体 已成为目前恶性肿瘤诊断与治疗研究中的主流，研究和发明中超过6 0 的药物或 基因片段采用可降解性高分子生物材料作为载体。这类材料最突出的特点是生物 6 中困科学挫术人学坝 j 学位论文 降解性和生物相容性，通过成分控制和结构设计，生物降解的速率可以控制，部 分共聚物可降解成细胞正常代谢物质水和二氧化碳。 生物性高分子物质，如蛋白质、磷脂、糖蛋白、脂质体、胶原蛋白等，利用 它们的亲和力与基因片段和药物结合形成生物性高分子纳米颗粒，再结合上含有 r g d 定向识别器，靶向性与目标细胞表面的整合子( i n t e g r i n s ) 结合后将药物送进 肿瘤细胞，达到杀死肿瘤细胞或使肿瘤细胞发生基因转染的目的。 1 3 2 3 表面包敷的磁性纳米粒子在药物上的应用 磁性纳米粒子表面涂覆高分子，其外部再与蛋白质相结合可以注入生物体 中，这种技术目前己通过了动物l 临床实验。这种载有高分子和蛋自质的磁性纳米 粒子作为药物的载体，由静脉注射到动物体内( 小鼠、白兔等) ，在外加磁场下通 过纳米微粒的磁性导航使其移向病变部位，达到定向治疗的目的。这就是磁性 超微粒子在药物学应用的基本原理。 这里最重要的是选择一种生物活性剂，根据癌细胞和正常细胞表面糖链的差 异使这种生物活性剂仅仅与癌细胞有亲和力而对f 常细胞不敏感，表面包覆高 分子的磁性纳米微粒载有这种活| 生剂就会达到治疗的目的。动物临床实验证实， 带有磁性的纳米微粒是发展这种技术的最有前途的对象( 纯金属n i 、c o 磁性纳 米粒子由于有致癌作用，不宜使用) ，例如1 0 5 0 n m 的f e 3 0 4 的磁性粒子表面包 覆甲基丙烯酸，尺寸约为2 0 0 n m ，这种亚微米缴的粒子携带蛋白、抗体和药物可 以用于癌症的诊断和治疗。这种局部治疗效果好，副作用少，很可能成为癌症的 治疗方向。但目前还存在不少的问题，影响这种技术在人体的应用，如包覆的高 分子层在生物体中的分解等。 磁性纳米粒子在分离癌细胞和f 常细胞方面经动物临床试验己获成功，显示 出了引人注目的应用前景。我们知道，癌症、肿瘤手术后要进行放射性辐照，以 杀死残存的癌细胞，但与此同时大面积辐照也会使正常细胞受到伤害，尤其会使 对生命极端重要的具有造血功能的细胞和免疫系统的骨髓细胞受损害，所以在辐 照治疗前要将骨髓抽出，辐照后再重新注入但在较多的情况下癌细胞已扩散到 骨髓中，因此把癌细胞从骨髓液中分离出来是至关重要的，否则将含有癌细胞的 骨髓液注回辐照治疗后的骨髓中还会旧病复发。利用磁性超微粒子分离癌细胞的 中圃科学技术人学i 研l 学位论殳 技术主要采取约5 0 r i m 的f e 3 0 4 纳米粒子，包覆聚苯乙烯后直径为3 p m ，用于小 鼠骨髓液中癌细胞分离的实验。首先从羊身上取出抗小鼠f c 抗体( 免疫球蛋白) ， 然后与上述磁性粒子的包覆物相结合；将小鼠带有证常细胞和癌细胞的骨髓液取 出，加入小鼠杂种产生的抗神经母细胞瘤( 尚未彻底分化的癌化神经细胞) 单克隆 抗体，此抗体只与骨髓液中的癌细胞结合；最后将抗体和包覆层的磁性粒子放入 骨髓液中，它只与携带抗体的癌细胞相结合，而利用磁分离装置很容易将癌细胞 从骨髓中分离出来，其分离度达9 9 9 以上。 1 3 2 4 磁性纳米材料在临床磁共振成像中的应用 磁性纳米材料在临床磁共振成像( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ，m r i ) 中的应 用，主要是指纳米尺度的超顺磁性氧化铁( s u p e r p a r a m a g n e t i ci r o no x i d e ，s v l o ) 粒 子在m r i 中的应用6 5 7 1 。由于其特殊的化学结构，s p i o 粒子即使在较弱的磁场 中也可产生较大的磁性，而外磁场撤消后磁性也迅速消失，即具有所谓超顺磁性。 超顺磁性氧化铁在体内的分布具有明显的特异性。这主要是由于人体的网状 内皮系统( r e s ) 具有十分丰富的吞噬细胞这些吞噬细胞是人体细胞免疫系统的 组成部分，当超顺磁性氧化铁纳米颗粒通过静脉注射进入人体后，与血浆蛋白结 合，并在调理素作用下被网状内皮系统识别，吞噬细胞就会把这些颗粒作为异物 而摄取，从而使其集中在网状内皮细胞丰富的组织和器官中。所以s p i o 是一种 网状内皮系统对比剂，可用于肝、脾、淋巴结和骨髓等富含网状内脾细胞的组织 和器官的m r 增强。吞噬细胞吞噬s p i o 颗粒后使相应区域信号减低，而肿瘤组 织因不含正常的吞噬细胞而保持信号不变，因此s p i o 是一种新型的磁共振阴性 对比剂。s p i o 粒子在肝脏m r i 中的临床应用主要是肝癌的检出和诊断、肝硬化 和肝炎等疾病的诊断。它的毒副作用主要来自于铁的含量，当人体内铁的含量太 大时就会有毒性问题。 1 3 2 5 磁流体热疗 癌症是人类生命的顽敌，除了常规的化疗和放疗外，种全新的治疗方法一 一采用磁流体加热的方法正在尝试之中。我们知道，癌细胞比人体正常细胞的耐 热性差，人体的正常细胞在4 5 “c 下还可存活。而癌细胞在4 20 c 以上就会被杀 中固科学技术大学坝1 学位论文 死。这种方法是将磁流体直接注入病灶区，而后在外加高频交变磁场的作用下产 生磁滞热效应，导致病灶区的局部温度升高，当癌变部位温度升至4 2 ”c 以上时， 就可破坏癌细胞，从而抑制癌细胞的生长，达到治疗癌症的目的。癌细胞的热疗 法有将整个身体加热的方法和只加热癌部分的方法，还有只给血液加热的方法。 加热的方法有：热水加温、电磁波加温和超声波加温等。 随着癌症和肿瘤热疗技术研究的不断深入，其在临床上的应用也越来越广 泛。如微波射频技术等，特别是在浅层的肿瘤热疗中，效果更加显著。但是对深 层部位肿瘤热疗，由于人体组织的不均匀性，甚至受到人体外形轮廓的影响，使 得电磁波能量难以集中到人体深层部位肿瘤热分布不均匀，疗效差【7 2 7 7 】。 1 9 9 7 年德国学者j o d a n 等人采用了纳米技术和热疗相结合的新疗法，纳米粒 子在交变磁场作用下较微米粒子能够吸收更高的能量，这种新疗法被称为磁流体 热疗( m f h ) 。j o d a n 等人将含磁件微粒的液体( 磁流体) 注人c 3 h 大鼠乳腺癌移植 肿瘤内，经交变磁场局部照射，磁性微粒吸收能量后升温至4 7o c ，结果肿瘤得 到有效控制。另外j o d a n 还发现肿瘤细胞吸收纳米磁性微粒的能力是正常细胞的 8 倍4 0 0 倍。不仅如此，含纳米微粒的肿瘤细胞在分裂时仍然含有微粒。电镜 定量显示子代细胞接受了平均5 0 纳米磁微粒，此种含纳米铁微粒肿溜细胞极 易受到m f h 的杀伤，这种杀伤热疗称为细胞内热疗。 m f h 具有以下几个特点 7 8 ，7 9 】： ( 1 ) “热旁观者效应”，磁流体应用到肿瘤后，导人的含磁微粒小区在交变磁 场的作用下，磁微粒均匀地弥散丌来结果使被照射区体积逐渐加大，故含磁微 粒小区的周围癌细胞也可被杀死； ( 2 ) 高生物相容性的非活性悬浮体； ( 3 ) 疗效的物理转换( 交变磁场导致产热) ； ( 4 ) 温度能协同提高药效或射线的效能。 b a b i n c o v a 等人将1 0 0m m o l 和2 0 0m m o l 的右旋糖酐纳米磁性微粒注入患者 血流，外加高频交变磁场( 2 5 0 k h z ) 进行全身热疗 8 0 。因磁流体的物理特性可达 到可控升温，温度随磁粒浓度的增加和施与交变磁场的时间延长而升高。2 0 0 m m o l 磁粒在交变磁场作用下6m i n 可升温至4 2 5 。c ，此温度足以杀死恶性肿瘤 细胞。全身热疗尤其对恶性肿瘤伴全身血行转移或淋巴瘤类等疗效更佳。 中田科学技术人学顺 。学位论文 1 3 3 纳米生物技术的应用前景 纵上所述，纳米产品虽然肉眼看不到，但其应用面之广却是触手可及，其 未来的影响更是难以估量。纳米生物技术在生物医学上的应用和潜力，更因为 现代医疗技术和手段仍无法达到分子修复的水平，而备受瞩目。通过纳米技术的 应用，甚至可以利用分子工具和人体的分子知识，改善整个人类的生命系统、修 复畸变的基因、扼杀剐剐萌芽的癌细胞、捕捉侵入人体的病毒。 1 3 3 1 不触动免疫系统直接治病 美国密西根大学的研究人员贝克博士等人研究出一种树状的纳米级合成分 子，称之为树状聚合物。它的表面形成了大量的分子基因，可以像钩子一样携 带有用的分子。这种聚合物不会引起任何免疫反映，成为极好的输送载体。 纳米技术与生物医学的结合，为医学界提供了全新的思路，纳米药物的传 输也成为专家们努力的目标。从目前的情况看，半数以上的的新药存在不易溶 解