（分析化学专业论文）基于fe3o4磁性纳米粒子新型免疫传感器的研制.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 利用化学共沉淀方法合成了尺寸小于3 0n m 的f e 3 0 4 磁性纳米粒子，并在此基础上合成 土i f e 3 0 d a u 无机磁性复合粒子。通过各种手段使这些磁性粒子功能化，利用共价键合、吸 附等方法在其表面固定上抗体，把这些固定有抗体的磁性粒子在外加磁场的作用下吸在自 制石蜡碳糊电极表面，制成灵敏度高，方便使用，易更新的新型电化学免疫传感器。 1 。利用半胱氨酸在f e 3 0 4 表面的不可逆吸附，把半胱氨酸牢固地吸附在f e 3 0 4 表面，然后 用戊二醛作交联剂将羊抗人免疫球蛋白g 抗体( a n t i i g g ) 固定在磁性粒子上，利用磁铁将磁 性粒子吸在石蜡碳糊电极上。并选用人免疫球蛋白g ( i g g ) 与其识别结合，用直接电位法检 测人i g g 的浓度。该免疫传感器测定人i g g 的线性范围为0 1 1 2n g m l ，检出限为0 。0 2 3 n g m l 。该免疫传感器制作简单、价格低廉、易于更新、灵敏度高，在临床检测、生物医 学、环境检测等方面有很好的应用前景。 2 利用3 一氨基丙基三乙氧基硅烷与纳米f e 3 0 4 表面的羟基反应，形成表面带有氨基的磁 性f e 3 0 4 纳米复合粒子，再用戊二醛将羊抗人免疫球蛋白g 抗体( a n t i i g g ) 固定在该磁性粒 子表面，通过磁力将其修饰于固体石蜡碳糊电极表面制作成电流型免疫传感器。采用双抗 体夹心法实现对人i g g 的定量测定。i g g 测定线性范围为2 5 4 0 0n g m l ，检出限为0 7 5 n g m l 。该免疫传感器在f c 3 0 4 表面共价键合免疫分子不仅可以保持免疫试剂的活性，提高 固载量，而且可以进行方便、快捷的更新其表面。 3 合成f e 3 0 4 a u 磁性复合纳米粒子，自组装硫脲分子使粒子表面氨基化，通过戊二醛 共价交联固定癌胚抗原抗体( a n t i c e a ) 在磁性粒子的表面。在外加磁场的作用下，a n t i - c e a 复合磁性粒子吸附在固体石蜡碳糊电极表面，制成了新型电流型免疫传感器。采用免疫竞 争法实现对癌胚抗原( c e a ) 的定量测定。响应电流与c e a 浓度的对数在2 - 1 6 0n g m l 的范 围内成线性关系，检出限为o 5 7n g m l 。利用h r p 对h 2 0 2 的电催化放大作用，使测定的 灵敏度大大提高。 4 f e ，o 水u 核壳型磁性粒子在外加磁场的作用下固定在石蜡碳糊电极表面，然后在硫脲 分子的作用下组装一层纳米金来固定a n t i c e a ，制作了种用来测定c e a 的新型电流型免 疫传感器。该免疫传感器对c e a 检测的线性范围为0 2 5 0 0n g m l ，信噪比为3 时测定的检 出限为0 0 7n g m l 。该免疫传感器基于纳米金的大的比表面积和良好的生物相容性固定抗 体，不仅很好保持抗体的活性，而且去掉外加磁场可以进行方便的反复更新电极表面，免 疫传感器的灵敏度高，使用性强。 关键词：f e 3 0 4 磁性纳米粒子、f e 3 0 d a u 磁性复合粒子、免疫传感器、i g g 、c e a 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t f e 3 0 4m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sw e r ep r e p a r e du s i n gc o - p r e c i p i t a t i o nt e c h n o l o g yb yt h e r e a c t i o nb e t w e e nf e s 0 4a n df e c l 3 。a n df e 3 0 0a um a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sw e r ep r e p a r e do nt h e b a s i so ff e 3 0 4 ，t h e nt h es u r f a c eo ft h em a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sw e r ef u n c t i o n a l i z e db yt h e d i f f e r e n tm e a n s t h ea n t i b o d yw e r ei m m o b i l i z e do nt h es u r f a c eo ft h em a g n e t i cp a r t i c l e sw i t h a b s o r p t i o no rc o v a l e n tb o n d 。t h er e s u l t i n gm a g n e t i cb i o - n a n o p a r t i c l e sw i t ha n t i b o d yw e r e a t t a c h e do n t ot h es u r f a c eo fs o l i dp a r a f f i nc a r b o np a s t ee l e c t r o d e ( s p c e ) w i t ht h eh e l po fa p e r m a n e n tm a g n e t t oc o n s t r u c tn e wi m m u n o s e n s o r s t h e s ei m m u n o s e n s o r sp o s s e s st h e a d v a n t a g e so f h i g hs e n s i t i v i t y , e a s yt ou s e , e a s yr e g e n e r a t i o ne t c t h i sp a p e rh a sd o n es o m es t u d i e sa c c o r d i n gt ot h ef o c u sp r o b l e m so fe l e c t r o c h e m i c a l b i o s e n s o r sa tp r e s e n t ，n a m e l y , h o wt o d e v e l o ps i m p l e ，r e l i a b l em e t h o d st oi m m o b i l i z e b i o m a t e r i a l so nt h es u r f a c eo fs u b s t r a t ee l e c t r o d e ，a n dk e e ph i 曲s t a b i l i t ya n da c t i v i t yo fe n z y m e , a n t i g e n ，a n da n t i b o d y 1 c y s t e i n e ( c y s ) m o l e c u l e sw e r ei r r e v e r s i b l ea d s o r b e do nt h en a n o f e 3 0 4s u r f a c e t h e n ，t h e m o d i f i c a t i o no fs o l i dp a r a f f i nc a r b o np a s t ee l e c t r o d ew i t hn a n o f e 3 0 4b yc h e m i c a la d s o r p t i o no f g l u t a r a l d e h y d e ( g a ) w a sa c h i e v e d f i n a l l y , g o a ta n t ih u m a ni m m u n o g l o b l i ng ( a n t i - i g g ) w e r e c o v a l e n t l yi m m o b i l i z e d o nt h ee l e c t r o d eb yg l u t a r a l d e h y d e ( g a ) t om a k ear e n e w a b l e p o t e n t i o m e t r i ei m m u n o s e n s o r t h ei m m u n o s e n s o rs h o w e das p e c i f i cr e s p o n s et oh u m a n i m m u n o g l o b l i ng ( i g g ) i nt h er a n g eo f0 1 - 1 2n e d m lw i t had e t e c t i o nl i m i to f0 0 2 3n g m l t h ei m m u n o s e n s o rw a sm a d ew i t i lf a c i l i t y , l o w c o s ta n du s e de x p e d i e n t l y t h ei m m u n o s e n s o r b a s e do nm a g n e t i cp o w d e rw a sr e n e w a b l ec o n v e n i e n t l y 。t h ei m m u n o s e n s o rw i t hb e t t e rs t a b i l i t y a n dh i g h e rs e n s i t i v i t yc a nb eu s e de x t e n s i v e l yi nb i o m e d i c a la n dc l i n i c a ld e t e c t i o n 2 t h es u r f a c eo ft h em a g n e t i cf e 3 0 4n a n o p a r t i c l e sw a sf u n c t i o n a l i z e dw i t h3 一a m i n o p r o p y l t r i e t h o x y s i l a n e ( a p s ) t of o r ma m i n o - m o d i f i e df e 3 0 4 t h ea n t i i g gw a sc o v a l e n t e dt oa m i n o m o d if i e dp a r t i c l e sb yu s i n gg l u t a r a l d e h y d et of o r mm a g n e t i cb i o n a n o p a r t i c l e s t h er e s u l t i n g m a g n e t i cb i o n a n o p a r t i c l e sw e r ea t t a c h e do n t o t h es u r f a c eo fs o l i d p a r a f f i n c a r b o np a s t e e l e c t r o d e ( s p c e ) w i t ht h eh e l p o fap e r m a n e n tm a g n e tt oc o n s t r u c tan e wa m p e r o m e t i c i m m u n o s e n s o r t h i si m m u n o s e n s o rw a su s e dt oa n a l y z eh u m a ni m m u n o g l o b u l i ngb yd o u b l e a n t i b o d ys a n d w i c hm e t h o d t h el i n e a rr a n g ew a sf r o m2 5t o4 0 0n g n ! l l t h ed e t e c t i o nl i m i tw a s 0 7 5n g m l 。t h em a g n e t i cn a n o p a r t i c l e so f f e r e dag o o dm i c r o e n v i r o n m e n tf o rr e t a i n i n gt h e b i o a c t i v i t yo fa n t i b o d ya n di n c r e a s et h ea m o u n to fl o a d e d t h ei m m u n o s e n s o rc a nr e g e n e r a t et h e s u r f a c ew i t hc o n v e n i e n c ea n dr a p i dm e t h o d s 3 f e 3 0 , v a um a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s - w e r ep r e p a r e df i r s t l y , a n dt h e nt h es u r f a c e so ft h e i l 桂林工学院硕士学位论文 m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sw e r ea m i n of u n c t i o n a l i z e dw i t ht h i o u r e a t h ec a r e i n o e m b r y o n i ca n t i g e n a n t i b o d y ( a n t i c e a ) w a sc o v a l e n t e dt oa m i n o - m o d i f i e dp a r t i c l e sb yu s i n gg l u t a r a l d e h y d e t h e r e s u l t i n gm a g n e t i cb i o n a n o p a r t i c t e sw e r ea t t a c h e do n t ot h es u r f a c eo fs o l i dp a r a f f i nc a r b o n p a s t ee l e c t r o d ew i t ht h eh e l po fap e r m a n e n tm a g n e tt o c o n s t r u c tan e wa m p e r o m e t i c i m m u n o s e n s o r t h i si m m u n o s e n s o rw a su s e dt od e t e r m i n a t ec a r c i n o e m b r y o n i ca n t i g e n ( c e a ) w i t hc o m p e t i t i v ei m m u n o a s s a y t h es e n s i t i v i t yw a si m p r o v e dg r e a t l yb yt h eh o r s e r a d i s h p e r o x i d ee n z y m ec a t a l y t i ca n dh y d r o g e np e r o x i d er e a c t i o n t h el i n e a rr a n g ew a sf r o m2t o16 0 n g m l t h ed e t e c t i o nl i m i tw a s0 5 7n g n ：l l t h es i m p l em a n i p u l a t i o n so fc o n s t r u c t i o n ，l o wc o s t ， h i g hs e n s i t i v i t y ，f a s tr e s p o n s e ，s h a r ps p e c i f i c i t ya n de a s yr e g e n e r a t i o no ft h es e n s i n gp l a t f o r m w e r e m a i na d v a n t a g e so ft h ei m m u n o s e n s o r 4 f e 3 0 d a um a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sw e r ea t t a c h e do nt h es u r f a c eo fs o l i dp a r a f f i nc a r b o n p a s t ee l e c t r o d ew i t ht h eh e l po fap e r m a n e n tm a g n e t n a n o a uw e r ea s s e m b l yo n t ot h em a g n e t i c n a n o p a r t i c l e su s i n gt h i o u r e a t h ea n t i c e aw e r ea d s o r p t i v ei m m o b i l i z e do nt h en a n o a ut o m a k eaa m p e r o m e t i ci m m u n o s e n s o r t h er e s u l t i n gi m m u n o s e n s o ro f f e r sah i g hs e n s i t i v i t yf o rt h e d e t e c t i o no fc e aa n dh a sg o o dc o r r e l a t i o nf o rd e t e c t i o no fc e ai nt h er a n g eo f0 2t o5 0 0 n g m lw i t had e t e c t i o nl i m i to fo 0 7n g m le s t i m a t e da tas i g n a l t o - n o i s er a t i oo f3 g o l d n a n o p a r t i c l e sb i l a y e rc a ni n c r e a s et h ea m o u n to ft h ea n t i b o d yl o a d e da n dk e e pt h eh i 曲a c t i v i t y o ft h ea n t i c e a i tc a l lr e g e n e r a t ec o n v e n i e n t l yb yt a k eo f ft h em a g n e t e t h ei m m t m o s e n s o r h a v eh i g hs e n s i t i v i t ya n dw i d el i n e a rr a n g e t h ep r a c t i c a le f f e c to ft h ei m m u n o s e n s o ri sg o o d k e y w o r d s ：f e 3 0 4m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s ；f e 3 0 d a u ；i m m u n o s e n s o r ；i g g ；c e a i l l 桂林工学院硕士学位论文 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) ：盘全丝 签字日期：型! 型：i 竺 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求 提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目 录检索与阅览服务：学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以 赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ：高全丝 指导教师签字：奎丝扛 签字日期：! ：重：! 三 桂林工学院硕士学位论文 ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! 苎r o l l | | ! ! ! ! ! ! ! ! ! 第1 章引言 1 1 磁性纳米粒子的介绍及研究概况 纳米技术是在2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初才逐步发展起来的前沿、交叉的新兴学科。 在纳米技术发展过程中，纳米材料的开发和应用处于核心地位。一般来说，纳米材料的尺 寸在1 1 0 0n i n 范围内，而大多数重要的生物分子( 如蛋白质、核酸等) 的尺寸都在这一尺度 内，因此可以利用纳米材料进入生物组织内部探测生物分子的生理功能，进而在分子水平 上结识生命过程。纳米粒子的这种特殊结构使其表现出普通材料所不具备的四大效应：( 1 ) 小尺寸效应【1 】：指当纳米粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波波长以及超导体的相干波长 等物理尺寸相当或更小时，其周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层 附近原子密度减小，导致光吸收、电磁、化学活性、催化等物性会随着粒径的减小而显著 变化，这种因尺寸的减小而导致的变化称为小尺寸效应；( 2 ) 表面效应【2 _ 】：可用纳米微粒 表面原子与总原子数之比来量度。随着粒径减小，表面原子数迅速增加。由于表面原子数 增加，原子配位不足及高的表面能，使得这些表面原子具有高的活性，极不稳定，使其在 催化、吸附等方面具有常规材料无法比拟的优越性。( 3 ) 量子尺寸效应【4 l ：当粒子的尺寸小 到某一值时，金属的费米能级附近的电子能级由准连续变为离散，纳米半导体微粒存在不 连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，从而使得能隙变宽，这种现 象称为量子尺寸效应。( 4 ) 宏观量子隧道效应【5 】：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效 应。近年来研究发现，某些宏观量如微粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量以及电荷 等也具有穿越宏观系统的势垒而产生变化的隧道效应，即宏观量子隧道效应。宏观量子隧 道效应的研究对基础研究及实际应用都有重要意义。宏观量子隧道效应限定了磁带、磁盘 进行信息贮存的时间。纳米材料具有以上的四大效应，并由此产生出许多特殊性质：奇异 力学、电学、磁学、热学、光学和化学活性掣6 1 。由于纳米微粒具有上述特殊效应，使它 在光学、催化、化学活性等方面具有不同于普通材料的优良性能，使得纳米粒子与生物材 料有着特殊的相互作用，因而具有广阔的应用前景f ”】，人们已经将金属纳米粒子、金属氧 化物纳米粒子应用到生物分析及传感器的构制当中【n 悖l 。 自然界的任何宏观物体都具有某种程度的磁性，磁性能是研究较早的物质性能之一， 纳米科学技术的快速发展，给磁学这一古老的学科注入了新的生机与活力。随着纳米技术 与磁学的结合，磁性材料出现了很多新的性质与现象，纳米磁性材料是2 0 世纪6 0 年代出现 的一种新型材料，纳米磁性材料的发现使材料性能发生了质的飞跃，已成为当前科学研究 的热点。 磁性纳米材料的特性不同于常规的磁性材料，简单的说，其原因是与磁性相关的特征 物理长度恰好处于纳米数量级。例如，磁单畴尺寸，超顺磁临界尺寸，交换作用长度以及 电子平均自由路径等大致处于1 1 0 0n m 数量级，当磁性物体的尺寸与这些特征物理长度 l 桂林工学院硕士学位论文 相当时，就会呈现出反常的磁性质。纳米磁性材料一般可分为以下几种： ( 1 ) 纳米微晶软磁材料：纳米微晶软磁材料具有高的起始磁化率、高的磁化强度和低的矫 顽力，可用于磁记录材料，磁屏蔽材料。 ( 2 ) 纳米微晶永磁材料：对于永磁材料，研究较多的是稀土材料。对于永磁材料要求具有 高的最大磁能积，高的剩余磁通密度和高的矫顽力，同时，这三个量具有较高的温度稳定 性。纳米级的永磁材料性能优异，其永磁性能可随着合金的组分、含量和制造工艺等不同 而有显著的变化。 ( 3 ) 磁流体材料：磁流体是由纳米级的强磁性微粒借助表面活性剂高度弥散于某种液体之 中所形成的稳定胶体。磁性液体可以用作润滑剂、增大扬声器的功率、用作阻尼器件以及 应用比重的不同进行矿物分离等。 ( 4 ) 磁性生物高分子微球：磁性高分子微球是将经过表面处理的，具有超顺磁性的磁性物 质包覆在高分子中。磁性高分子微球的粒径一般为微米级，其比表面积大，微球官能团密 度及选择吸附能力变大，达到吸附平衡的时间大大缩短，颗粒的稳定性也大大提高。它在 生物医学工程中有着重要的应用。 ( 5 ) 纳米磁性吸波材料：纳米磁性材料，特别是类似于铁氧体的纳米磁性材料放入涂料中， 既具有优良的吸波特性，又有良好的吸收和耗散红外线的性能，加之密度小，在隐身方面 的应用有明显的优越性。 ( 6 ) 生物医药：纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红血球小得多，这就为生物学研 究提供了一个新的研究途径。在磁性纳米微粒表面包覆无机材料或有机高分子后，在生物 医药方面有广泛的应用前景。具有磁性的生物高分子微球在外磁场作用下能进行分离和磁 场导向，并且它具有多种反应活性功能基团如o h 、c o o h 、- n h 2 等，因而可连接生物活 性物质，这种生物相容性使其在生物医学工程中有重要应用，如固定化酶、靶向药物、细 胞分离、免疫分析等，这些都是当前生物医学的热门课题，有的已步入临床试验。 虽然磁性纳米材料种类很多，但由于纳米f e 3 0 4 颗粒较之其它磁性纳米材料不仅具有制 备工艺简单，价格低廉，饱和磁化强度高等特点，而且，由于对人体不产生毒副作用，无 免疫原性，可随人体代谢排除体外，并易穿过各种生理屏障到达指定部位，因此，在生命 工程和临床诊断方面体现出其它材料无可比拟的优势，已成为国际上的热门研究课题。下 面简单介绍纳米f e ，0 4 颗粒的制备及生物学应用。 1 1 。1f e 3 0 4 纳米颗粒的制备 纳米氧化铁的制备方法相对比较成熟，总体上可分为湿法和干法。干法常以羰基铁为 原料，采用火焰热分解、气相沉积、低温等离子化学气相沉积法( p c v d ) 或激光热分解法制 备。湿法多以工业绿矾、工业氯化( 亚) 铁或硝酸铁为原料，采用空气氧化法、共沉淀法、 热分解法、水热法等制备。 一、干法1 2 0 】：干法常以铁的配合物如五羰基合铁 f e ( c o ) 5 】或二茂铁为原料，在比较剧烈的 2 桂林工学院硕士学位论文 条件下，使原料分解制得产物。干法具有工艺流程短，产品质量高，粒子超细、均匀、分 散性好等特点，但其技术难度大，对设备的结构及材质要求高，一次牲投资也大。 二、湿法：湿法具有原料低廉易得、操作简便、粒径可控等特点，因而普遍受到重视。根 据原理和工艺的不同又被具体分为空气氧化法、共沉淀法、微乳液法、热分解法和水热法 等等。 ( i ) 空气氧化法【2 1 2 3 】：这种方法可以制备超细氧化铁纳米粒子，具体又可分为酸法和碱法， 区别是所用碱的量和具体工艺流程的不同。酸法大致可分为两个阶段：用低于理论量的碱 将亚铁离子沉淀为f e ( o h ) 2 ，通空气氧化制得晶种，然后引入亚铁盐，继续通气氧化。碱 法是用高于理论量的碱将亚铁离子全部沉淀为f e ( o h ) 2 ，然后通入空气至反应结束。产品 质量与沉淀粒子f e ( o h ) 2 的质量及氧化转化情况密切相关。粒子大小取决于加料速度、搅 拌状况、溶液初始浓度、反应温度等。在碱法制各情况下，f e s 0 4 浓度通常为5 - 2 5 ，碱 量多高于理论量的5 0 ，温度以2 0 - 4 0 为宜。所得f e ( o h ) 2 在2 0 - 4 0 下氧化，使之转变 成7 - f e o o h 微晶。悬浮液在较高温度( 如s o c ) 下进一步氧化、熟化。 ( 2 ) 共沉淀法1 2 4 - 2 6 】：根据反应f e 2 + + 2 f e 3 + + 8 0 h = f e 3 0 4 卜卜4 h 2 0 ，在沉淀过程中，控制溶 液中的沉淀剂浓度，使沉淀处于平衡状态，且沉淀在整个溶液中均匀地出现，构晶离子的 过饱和度在整个溶液中比较均匀，因此，均匀沉淀法得到的粒子较细、均匀，该法是目前 使用最普遍的方法。 ( 3 ) 微乳液法f 2 7 2 8 】：又称反相胶束法。利用微乳液( m i c r o e m u l s i o n ) 或称反相胶束( r e v e r s e d m i c e l l e ) 所提供的微小反应空间( 场所) 来制备纳米粒子。微乳液是由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1 1 0 0n m 的分 散体系。用该方法制备纳米粒子，产物均匀、单分散，可长期保持稳定，通过控制胶束及 “水池”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。 ( 4 ) 热分解法f 2 吼3 0 】：热分解法主要使用高沸点有机溶剂，使铁的配合物! t f l f e c u p 3 ，f e ( c o ) 5 ， f e ( a c a c ) ，等在高温下分解，然后经过氧化或部分还原得到相应的产物。该方法制备的纳米 f e 3 0 4 颗粒产物具有好的单分散性，粒径可以小至4r i m ，大至1 2n l n ，而且呈疏水性，可以 长期稳定分散于非极性有机溶剂中。 综上所述，湿法对设备及材质要求不苛刻，且生产规模大，易于工业化，但往往需要 进行细致的p h 调节。目前在有机相中用的最多也是热分解法，在水相中则以共沉淀法使用 的较多。共沉淀法条件相当温和，工艺简捷，成本低，可大量制备高分散的f e 3 0 4 颗粒，且 颗粒尺寸分布范围窄，颗粒直径小于1 0n m 且易于控制，该法是目前使用最普遍的方法。 1 1 2 磁性f e 3 0 4 纳米复合材料的研究 不断发展的纳米技术对纳米材料的制备及性能提出了更高要求，为了满足自然科学探 索的需要复合纳米颗粒引起了人们更为广大的兴趣。由于磁性四氧化三铁在空气中易氧化 并且在储存中易发生团聚，因此表面包覆的磁性纳米复合微粒是当前材料科学领域研究的 3 桂林工学院硕士学位论文 苎i 。- ，i - - 一l i = i ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 热点。合适的包覆材料能克服磁性纳米微粒易团聚、表面功能基团少等缺点，从而有效地 改善磁性微粒的物理化学性能，扩大微粒的应用范围。目前，通常采用表面包覆的方式来 克服磁性纳米微粒自身的缺点，同时改进、提高和增加磁性纳米微粒的性能，磁性纳米微 粒许多方面的应用都是在表面包覆合适的材料后得以实现的。常见包覆材料包括表面活性 剂、合成高分子、生物大分子和无机材料等。 1 包覆表面活性剂：在磁性纳米材料表面包覆表面活性剂，使表面活性剂吸附在微粒表面， 形成微胞状态，由于表面活性剂的存在而产生了微粒间的排斥力，使得微粒间不能接触。 纳米微粒表面包覆表面活性剂后，可以改善微粒的分散性、提高微粒表面活性并可改善微 粒与其它物质之间的相容性【3 1 。4 1 。如陶晋【3 5 1 等在磁性纳米f e 3 0 4 表面包覆油酸钠进行改性， 使在水相中团聚的微粒在苯乙烯中分散得非常好，获得了有机相磁流体。 2 包覆合成高分子：通过适当的方法使有机合成高分子与磁性纳米微粒结合起来可以形成 有一定磁性的核壳结构的微球。该微球不但能通过共聚与表面改性等方法赋予微球表面功 能基团( o h ，c o o h ，一c h o ，- n h 2 ，s h 等) 还能在外加磁场作用下方便迅速地分离。n 异丙基丙烯酰胺酞胺3 6 1 、聚乙烯醇( 3 7 】，聚乙烯f 3 8 。9 】等都已成功地作为包覆材料被应用。 目前，磁性高分子微球的研究多限于实验室阶段和初步的应用，但其中仍有一些成功应用 的例子。如挪威的d y n a l 公司开发了一系列的商品化磁性高分子微球d y n a b e a d s 。该公司的 系列产品已经成功地应用于微生物学、免疫学、分子生物学、癌症研究等领域，同时还在 美、英、德、日、澳等国建立了分支机构。另据报道，澳大利亚联邦科学与工业研究组织 ( c s m o ) 成功研制了磁性离子交换树脂珠粒，用于除去饮用水中的有机物，该产品即将实 现商业化。但由于这些磁性微球是用专利技术制造，价格昂贵，使用成本非常高，很难得 到广泛应用。国内科研工作者有关磁性微球的制备技术还处于探索阶段，尽管已有较多文 献报道f 4 2 1 ，但其制备技术还不成熟，比如微球的单分散性还不够理想，粒径大小不够令 人满意，微球的生化活性以及微球的品种都有一定的问题，与国际水平存在一定的差距。 3 包覆生物高分子：磁性纳米微粒表面包覆的生物高分子材料主要有蛋白质、生物多糖、 脂类【4 3 4 4 j 等。多数生物高分子如多聚糖、蛋白质类都具有良好的生物相容性，无毒副作用， 而且生物高分子有多种反应活性功能基团，如o h ，c o o h 、n i l 2 ，可连接具有生物活性 的物质，因此磁性生物高分子微粒可用于固定化酶、靶向药物、细胞分离与免疫分析等领 域【4 0 4 5 1 。 4 包覆无机材料：在磁性纳米微粒表面包覆无机材料是近年来材料科学新兴的研究方向。 因为无机材料包覆的微粒比高分子包覆的微粒粒径小得多( 高分子包覆的磁性微粒一般在 微米级，而无机材料包覆的为纳米级) ，而且粒径分布更均匀。因而在磁记录、细胞分离、 d n a 、免疫检测等方面有更为有利的应用。目前无机材料包覆f c 3 0 4 研究较多的是 f e 3 0 4 a u 、f e 3 0 , d a g 、f e 3 0 4 t 1 0 2 、f e 3 0 d s j 0 2 等核壳型复合粒子。由于纳米t i 0 2 无毒、 性能稳定，具有抗化学和光腐蚀、光催化活性高、对水污染中有机物降解无选择性、矿化 4 桂林工学院硕士学位论文 彻底、无二次污染等优点，把t i 0 2 包覆在f e 3 0 4 表面，可以用外加永久磁铁将其从废水中 吸附出来，使之与母液分离。同时，制备过程中渗入微量的f e ”能降低t i 0 2 的禁带宽度， 使吸收波长范围扩展至可见光区域，提高光催化效率【4 6 4 7 。所以近年来关于f e 3 0 d t i 0 2 核壳型材料的研究报道也不少【妊5 2 1 。s i 0 2 是用于修饰磁性纳米粒子表面的理想材料之一， 这是由于s i 0 2 具有下列优点：( 1 ) n - - j 以减小磁性纳米粒孔之间的磁偶极相互作用，防止粒子 发生团聚【5 3 1 ：( 2 ) 具有优良的生物相容性、亲水性以及非常好的化学稳定性和胶体稳定性【“1 。 国内外学者对f e 3 0 d s i 0 2 的制备及光催化性质做了研究i 5 0 5 3 嘲】，如陈令允等i 5 6 】制备了强磁 性的f e 3 0 d s i 0 2 复合粒子并对它的性能进行了研究，r v e s t a l 等人【57 】用反相微乳液法在磁 性纳米微粒c o f e 2 0 4 和m n f e 2 0 4 表面包覆了一层s i 0 2 ，获得了粒径小于1 0 0n l l l 的磁性复 合纳米微粒。贵金属a u 、a g 具有很好的电子传导能力和很好的生物相容性，因此把它们 包覆在磁性f e 3 0 4 的表面，在生物医学上有广泛的用途，银纳米粒子以其良好的生物相容 性，高比表面积和容易制备等优点在生物研究领域引起广泛关注，制备f e 3 0 4 a g 复合粒子 以及它们的应用研究已有广泛报道 5 9 舵】。金纳米粒子是所有纳米粒子中最稳定的一种。到 现在，金纳米粒子己被使用了几个世纪，金纳米粒子被广泛的应用在化学催化、非线性光 学、超分子化学、分子识别和生物科学等方面，金纳米微粒在生物化学上的应用是近十几 年来的一个热点问题。它无毒、化学性质稳定、制备过程简单，不仅能在水溶液中以胶体 金的形态存在，亦可在非极性溶剂中形成。纳米金具有许多独特的物理、化学特性：金颗 粒可以通过弱的相互作用与生物大分子结合，也可以通过化学键与生物大分子偶联，而不 改变生物大分子的活性。长期以来，人们已知纳米金可以与蛋白质、酶、生物素等相结合 6 3 击9 】。纳米金与蛋白质结合可制备金探针用于免疫细胞和组织化学；纳米金颗粒具有生物 效应，可以提高生物传感器的灵敏度；用单链d n a 修饰金纳米颗粒，利用纳米金胶体特 殊的颜色以及独特的生物活性，可进行d n a 的检测和识别，当单链d n a 与目标d n a 杂 交后，金微粒团聚导致胶体变色从而达到检测和识别目的。科学家们预测金胶体还将在基 因治疗、d n a 计算机和生物芯片等研究方面发挥重要的作用。用金包覆磁性纳米粒子，不 仅可以很好地保护磁性粒子免受外界环境的干扰，防止其聚集，同时，还能提供一个活性 表面，利于日后的功能化及与生物试剂的偶联，为磁性纳米粒子应用于生物、医学等领域 创造了更加有利的条件。国内外对它的研究也最为活跃【7 们5 1 。国内对其研究较深有崔亚丽 7 6 - 8 0 等人，她对纳米级f e 3 0 以札复合粒子的合成及其光学性质进行了一系列详尽的研究， 并证实了该纳米粒子的核壳结构。在浓度小于0 0 5m o l l 的磷酸盐缓冲液中粒子具有较为 稳定的光学吸收特点，这为该新型纳米复合粒子在生物医学领域中的应用奠定了基础。日 本的的t k i n o s h i t a t s t 等人用反相微乳液法制备了平均粒径为5n m 左右的f e 3 0 以铀微粒， 但微粒的分散性、形貌、粒径大小、磁性等性能还需要进一步改进和提高。j o 。c o n n o t a “j 等人制备了表面包金的合金f e p t 。和c o p t x ，粒径仅5 0 n m 左右。吴伟掣8 3 】在超声条件下， 在乙醇分散的3 氨丙基- - l 氧基硅烷( a p t e s ) 功能化的磁性f e 3 0 4 纳米粒子和四氯合金酸 s 桂林工学院硕士学位论文 的混合溶液中滴加柠檬酸钠，成功地制备了磁性f e 3 0 以u 复合纳米粒子，并采用x 射线 粉末衍射仪( x r d ) 、紫外吸收可见光谱( u v v i s ) 、带有电子能谱仪( e d s ) 的扫描电子显微镜 ( s e m ) 、透射电子显微镜( t e m ) 、光电子能谱( x p s ) 、超导量子干涉仪( s q u i d ) 等方法，对 复合粒子的形态、结构、组成以及磁学性质进行了表征。j e n n i f e rl l y o ni s 4 】等在9n l n 的 t - f e 2 0 3 纳米粒子或部分氧化的f e 3 0 4 纳米粒子表面，利用羟胺多次还原a u ”的方法，合成 了t - f e 2 0 3 a u 及f e 3 0 d a u 的磁性纳米复合结构。此方法可以调节金壳的厚度，实验表明， 复合物的表面形貌及其光学性质与a u 的沉积量有关，而磁性质则不受a u 的影响。x u z h i c h u a n 【b 5 】等研究了在f e 3 0 4 表面包覆a u 、a g ，形成f e 3 0 4 a u a g 复合纳米粒子。 1 2 免疫传感器的研究概况 生物传感器是以生物活性单元( 如酶、抗体、核酸、细胞等) 作为生物敏感基元，对被 测目标物具有高度选择性的检测器。它通过各种物理、化学型信号转换器捕捉目标物与敏 感基元之间的反应，然后将反应的程度以一种可检测的信号表达出来，从而得出被测物的 浓度【s 6 11 9 6 2 年，c l a r k s a l l y o n s t 8 7 l 提出将酶与电极结合的设想，他们将酶溶液夹在两层透析 膜之间形成一层薄的液层，再紧贴在p h 电极、氧电极和电导电极上，用于监测液层中的反 应。1 9 6 7 年，u p d i k e a g l h i c k s t 锚】采用当时最新方法，将葡萄糖氧化酶固定在氧电极表面，研 制出世界上第一支葡萄糖传感器，开创了生物传感器的历史。此后，随着生物、化学、物 理学、医学、电子技术等相关学科的迅速发展，各种类型的生物传感器相继出现，特别是 进入2 0 世纪8 0 年代以来，生物技术与传感技术的提高与应用，带动了生物传感器的发展， 成为国际上广泛研究的重要课题【眇。9 1 】。生物传感器根据生物分子识别物质可以分为以下几 类：酶传感器【9 2 】、微生物传感裂9 3 1 、组织传感器【州、细胞传感器【9 5 j 、免疫传感器【蚓、d n a 传感器【9 7 j ，如图1 1 。生物传感器的基本工作原理如图1 2 微生物传感器 基因传感器 固定化微生物 固定化抗原( 抗体) 切 匦圊 图1 1 生物传感嚣的类型 f i g 1 1t h ec l a s s i f yt y p e so fb i o s c m o r s 6 组织传感器 桂林工学院硕。士学位论文 d d 蓊裂d d d 酶 微生物 细胞或 组织 抗原或 输体 敏感膜 电极 压电石 英晶体 光学检 溯原件 热敏电阻 场效应 晶体管 换能器 餐 测 目 里 或 控 制 装 置 信号处理器 图1 2 生物传感器的工作原理 f i g i 2o p e r a t i o np r i n c i p l e so fb i o s