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纳米与生物技术论文磁性纳米材料的特性研究及应用前景 班级：地质1001 姓名：李梦萍 学号：10016121磁性纳米材料的特性研究及应用前景 李梦萍（中国石油大学地球科学与技术学院地质1001）摘要：随着纳米技术的发展，磁性纳米材料作为一种新兴的纳米材料逐渐受到人们的重视。磁性纳米材料不仅具有纳米材料特有的四种特性，即：表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，而且结合了磁性材料的特点，使其具有一些更为特殊的性质，如单磁畴，高矫顽力，低居里温度，超顺磁效应等。磁性纳米颗粒因有良好的生物相容性和活性功能团,以及超顺磁性、比表面积大的特点，在生物、医药、材料、工业等方面具有很好的应用前景。关键词：磁性纳米粒子 特性 应用前景The characters and outlook of application of Magnetic Nano-material Li Mengping(Earth Science and Technology institute of China University of Petroleum ，geology 1001) Abstract：With the development of nanotechnology, magnetic nano-materials as a new kind of nano-materials gradually get attention of people. Magnetic Nano-material not only has four unique characteristics of nano-materials, namely: surface effect, small size effect, and macroscopic quantum tunneling effect of quantum size effects, and combines the characteristics of magnetic materials, give it some more special characters, such as a single magnetic domain, high-coercivity, low Curie temperature, Super ParaMagnetic effect and so on. Magnetic Nanoparticles are good biocompatibility and reactive functional groups, as well as characteristics of Super paramagnetism, large specific surface area.So it will widely develop in the areas of biotechnology, medicine materials and industry. Key word: Magnetic Nano-material characters the outlook of application 广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（0.1nm-100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。其有四个特性： （1）表面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。（2）小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。（3）量子尺寸效应 当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。 （4）宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。磁性纳米材料在材料科学中是一种新型的科技，其实，它已广泛存在与生物体中，1975年发现的向磁性细菌-体内有一排磁性纳米粒子；蜜蜂腹部也存在磁性纳米颗粒；人类大脑中平均含有20微克（约500万粒）的磁性纳米粒子；石鳖齿舌中含有大量一维纳米磁性丝等。而磁性纳米材料有与普通纳米材料不同之处，关键在于其磁性的变化。1、 磁性纳米材料的特性（1） 单磁畴尺寸：块状磁性材料因交换作用能,磁各向异性能而导致磁矩平行排列在其易轴方向,但这将导致很强的退磁能。尺寸R越大,退磁能越高,为降低能量,材料必然分裂成磁畴,但在两个畴之间的畴壁过渡区,磁矩必然偏离易轴,相邻磁矩也不再平行,由此产生的畴壁能将介入总能量的平衡。当粒子尺寸R很小时,畴壁能相对于退磁能更严重,没有必要再分磁畴,就形成了单畴粒子。 纳米磁性材料拥有易磁化轴，外有磁场的介入，就有可能使粒子沿着易磁化轴的方向聚集、融合、生长 （如图2）。 图1 磁畴示意图 图2纳米磁性材料的易磁化轴（2） 超顺磁性和高矫顽力：磁性材料的磁性随温度的变化而变化，当温度低于居里点时，材料的磁性很难被改变；而当温度高于居里点时，材料将变成“顺磁体”（paramagnetic），其磁性很容易随周围的磁场改变而改变。如果温度进一步提高，或者磁性颗粒的粒度很小时，即便在常温下，磁体的极性也呈现出随意 （a）铁磁性 （b）顺磁性性，难以保持稳定的磁性能，这种现 图3 铁磁性和顺磁性示意图象被就是所谓超顺磁效应（SuperparaMagnetic Effect） 高矫顽力：矫顽力是使铁磁质完全退磁所需要的反向磁场的大小，叫铁磁质的矫顽力。如1993年理论表明纳米级的软磁和硬磁颗粒复合将综合软磁Ms高，硬磁Hc高的优点获得磁能级比现有最好NdFeB高一倍的新 型 纳 米 硬 磁 材 料（如图4）。图4 新型纳米硬磁材料高矫顽力示意图（3） 低居里点：居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里温度时,该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10的负6次方。而磁性纳米材料的居里点很低，因此易磁化，而且磁场不随周围磁场的改变而改变。2、 磁性纳米材料的应用前景 （1）做高效催化剂纳米载体粒径小、比表面积大、更易于在反应中与反应物充分接触，分散性好、易于分离，在液相反应催化方面具有明显优势。将昂贵催化剂或功能配体修饰在磁性粒子表面, 利用磁分离技术可方便地把催化剂从半均相体系中分离, 保持催化的高活性并实现循环使用。如通过磷酸根基团被修饰到磁性粒子表面的钌( II) 配合物 Ru( binap-PO3H2 ) -( dpen) Cl 2 就是可循环使用的多相手性催化剂（Hu, G. T. Yee, W. Lin，2005）。用碳包裹钴纳米粒子, 表面碳层孔洞内可以进一步修饰上钯( Pt) 等催化剂, 对辛烷加氢反应有高催化活性。磁性粒子外部未封闭介孔类载体很容易进一步功能化。（2） 在生物传感器中的应用 1）应用于磁控生物传感器 磁控生物传感器主要是直接利用磁性纳米粒子的磁性或顺磁性物理特性，通过粒子产生的磁信号来进行检测或者控制的传感器。这类传感器也进一步反映出了磁性纳米粒子在生物检测和药物分析上的重要应用价值。例如磁性纳米粒子在聚集时通过改变水相表现出一种独特的磁驰豫开关（magnetic relaxation switches,MRS）现象，结果使驰豫时间T2 增强。 2）应用于蛋白质和DNA检测的生物传感器 这种传感器往往利用了磁性纳米粒子最为适合磁性富集和磁性分离的特点，实现对低浓度蛋白质和脱氧核糖核酸（DNA）的快速检测与分离。Nam等报道了一种基于磁性纳米粒子的生物条码（Bio-Bar-Code）方法来检验DNA。他们首先将磁性纳米粒子表面修饰上单克隆抗体并杂交上目标DNA，将金纳米粒子修饰上DNA和多克隆抗体，其中金纳米粒子表面修饰的DNA标记物含量要远高于多克隆抗体含量，将两种粒子混合，利用抗体和前列腺特异性抗原（prostate-specific antigen，PSA）的特异性识别作用，将金纳米粒子富集到磁性纳米粒子表面，通过磁分离并用二硫苏糖醇（Dithiothreitol, DTT）去杂交化分离得到DNA标记物，进一步利用金标银染技术对信号量的放大，最后对DNA标记物进行定量检测，也可实现对目标蛋白PSA的检测。这一方法可以直接应用到生物传感器中，其最大的特点是克服了PCR过程中污染物对检测结果的影响（如图5示）。在这一基础上，Nam等又将磁性纳米粒子扩展应用并实现了对蛋白质的检测。 图5 基于磁性纳米粒子的DNA 检测原理示意图 3）应用于酶传感器 酶传感器中主要将磁性纳米粒子作为固定酶的载体。亲水性磁性纳米粒子能够比较稳定地悬浮在水溶液中，并可在外加磁场作用下定位于某一部位，其表面可固定各种功能分子如酶、抗体、DNA，甚至细胞等，因此在分子生物学、免疫测定、细胞分离与分类、基础医学、临床诊断、临床治疗等方面具有良好的应用前景；作为酶的固定化载体，磁性高分子微球有利于固定化酶从反应体系中分离和回收，还可以利用外部磁场控制磁性材料固定化酶的运动和方向，从而代替传统的机械搅拌方式，提高固定化酶的催化效率；磁性高分子微球作为酶的固定化载体还具有以下优点：固定化酶可重复使用，降低成本；可以提高酶的稳定性，改善酶的生物相容性、免疫活性、亲疏水性、分离效果及酶的回收操作，适合大规模连续化操作。 （3）在医药治疗中的应用 把药物负载到磁性粒子上, 通过外磁场输送到特定部位, 完成治疗后再把粒子输出, 可使胶囊带有大剂量的药物而不必担心会对生命体内其它正常部位产生副作用。但该类研究真正进行临床实验还存在很多问题, 比如复合磁性粒子粒径控制、生物环境中的稳定性、壳层( 聚合物和二氧化硅) 材料的生物相容性、与所负载药物间的键合作用以及各项生理参数等仍是要深入探讨的问题。有机无机包裹的10 nm 超顺磁性的纳米C-Fe2O3 or Fe3O4 粒子可以被外磁场操控, 包覆层为生物相容性材料则可以被药物、蛋白质或生物质粒功能化。因此可做靶向药物载体。磁性纳米材料也可用于癌症治疗。置于外交变磁场中的磁性粒子, 磁滞损失、Neel 弛豫、Brown 松弛、磁场交互等效应会导致金属粒子发热 , 是一种很强的( 医用) 热源。癌细胞一般比正常细胞对41C 以上的温度敏感, 磁热效应引起粒子的局部强热, 可以在化疗、辐照疗法和外科摘除手术中辅助性杀死癌细胞,。 （4）记忆与导航的磁性纳米材料 利用磁性纳米粒子与高分子复合材料的结合，可以使纳米材料具有高分子材料的部分特性。如2010年姜继森和郑兵发明了一种新型的磁性纳米复合形状记忆材料，其特点是该记忆材料以四氧化三铁或伽马四氧化三铁为磁性纳米粒子、PLA基聚氨酯为聚合物高分子材料，经原位聚合反应将擦性纳米粒子均匀分散在聚合物高分子材料中，合成在加热或交变磁场的诱导下具有优良性状记忆功能的磁性纳米粒子/PLAU复合材料，其磁性纳米粒子与PLA基聚氨酯的质量百分比为10%-50%。该技术与现有技术相比具有良好的生物相容性，形状记忆性能参数易于调控，因此，在生物医学领域有着很好的应用前景。磁性纳米粒子与复合高分子材料结合不仅可以制造出形状记忆材料，也可制造其他相关的记忆性材料，但目前仍以形状记忆材料研究为主。 磁性纳米粒子利用其磁性与地磁场的相互作用，可用于导航。因为磁性纳米粒子微小，便于安装和携带，可将其加入到日常用具中，帮助人们导航。如可试图将磁性纳米粒子装入手表中，在野外或航海时便于辨别方向，类似于GPS的功能；也可将磁性纳米粒子加入一个多功能的拐棍中，可以帮助老人或盲人正确的识辨方向，福利于社会弱势群体；或者可以将其加入到流体中，利用磁性将其引导成相应形状，可做观赏资源利用等。结束语 磁性纳米材料作为一种新型的纳米材料，因其独特的性质，即单磁畴尺寸、超顺磁性、高矫顽力、低居里点等特性，使其在不同的应用领域都有广阔的应用前景。在生物领域可做多种生物传感器，在医药领域可做靶向生物载体载得药物到达指定的治疗区域，既准确又对人体无伤害，在工业及生活领域可广泛应用于导航功能，而在材料领域与其他材料的结合可做记忆性或其他功能的材料。目前国内外已有很多学者对基于磁性纳米粒子的进行了大量的理论和实践研究，并取得了突破性的进展。尽管磁性纳米粒子已经能产业化生产，但是其相关理论还尚不完善，给科研工作带来了一定的困难，但我们相信，随着制备和纯化工艺的改进，磁性纳米粒子必定将为人类的发展开创更广阔的前景。参考文献1郝凌云，张宏.纳米磁性粒子的合成及应用J.金陵科技学院学报，2011,27（2）：11-22