磁性纳米材料在分离中的应用

磁性纳米材料在分离中的应用,PART01,PART02,PART03,PART04,PART05,在污水处理中的应用,膜分离中的应用,生物分离,催化剂中的应用,日常生活中的应用,磁性纳米材料的特点,磁性纳米颗粒是一类智能型的纳米材料，既具有纳米材料所特有的性质如表面效应、小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应、偶连容量高，又具有良好的磁导向性、超顺磁性、类酶催化特性和生物相容性等特殊性质，基于这些特性，磁性纳米颗粒广泛应用于分离。,磁导向性,生物相容性,表面效应,超顺磁性,比表面积大，表面原子数增大，表面能大，提供众多的表面活性中心。如吸附能力强、具有不饱和性、化学活性很强。,具有导向的能力,安全无毒，可降解，不与组织器官产生免疫原性。,没有外磁场，则通常它们不会表现出磁性。但是，如果施加外磁场，则会被磁化。,01,PARTONE,磁性纳米材料在污水处理中的应用,01,磁性纳米材料在污水处理中的应用,01,02,03,在染料废水中的应用,染料大多是芳香类化合物，化学性质稳定，生物降解性低，具有潜在的毒性及致癌致畸作用。聚丙烯酸结合的氧化铁磁性纳米颗粒能够高效吸附水溶液中的碱性染料罗丹明6G。,在重金属废水中的应用,重金属离子会对自然界的生态平衡及人类健康造成极大的伤害。利用纤维素和壳聚糖还有Fe3O4制成的一种磁性混合水凝胶来吸附重金属离子。,在有机废水中的应用,水中有机污染物除了具有致癌致畸致突变外，还有可能具有积累性。纳米磁性还原氧化石墨烯用于吸附水体中的双酚A，吸附效果显著。,01,磁性纳米材料在污水处理中的应用,Xu1等成功地将PAA引入到Fe3O4表面，合成了Fe3O4PAANPs磁性纳米颗粒。这种材料能够高效吸附水溶液中的碱性染料罗丹明6G，20min即可达到吸附平衡，具有非常快速的吸附动力学。,XuYY,ZhouM,GengHJ,etal.AsimplifiedmethodforsynthesisofFe3O4PAAnanoparticlesanditsapplicationfortheremovalofbasicdyesJ.AppliedSurfaceScience,2012,258(8):3897-3902.,01,磁性纳米材料在污水处理中的应用,a胺官能化磁铁矿纳米颗粒bFe3O4PAANPs,图a和b分别表示磁分离前后的标准溶液的照片。显然，碱性染料R6G可以通过所制备的磁性吸附剂几乎完全除去。（a和b）吸附前后1.010-5molL-1R6G标准溶液。（c）加入1.010-5molL-1R6G后的黄河水样，只过滤，然后被Fe3O4PAANPs吸附。（d）与（c）相同的样品，其由732种阳离子交换树脂处理，（e）样品，是（d）在吸附和磁分离后。,02,PARTTWO,膜分离中的应用,02,膜分离中的应用,超滤膜分离技术由于其操作简单、分离效率高、无相变、不损害生物活性，已广泛应用于食品、中药多糖分离等方面。目前,在膜的性能改进方面已进行了大量的研究，其中就磁性纳米粒子引入膜的改性中，利用纳米粒子的尺寸效应、表面与界面效应，重新构建和调控膜的无序孔隙结构，提高膜的气体渗透性能，并赋予膜磁性，拓展膜新的应用途径。,赵选英等2采用共混法在聚酰亚胺前驱体中引入Fe3O4磁性纳米粒子，经高温热解炭化制备了杂化功能炭膜。,赵选英,王同华,李琳,等.Fe3O4掺杂制备气体分离功能炭膜J.无机材料学报,2010,25(1):47-52.,制备方法：Fe3O4纳米粒子加入到溶剂N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)中,经超声分散2h后加入到聚酰胺酸溶液中强力搅拌2h，超声脱泡10min后静置待用。由此配置了Fe3O4纳米粒子的涂膜液，采用刮涂法制膜，40恒温干燥24h。然后进行升温热解炭化，将Fe3O4掺杂所制备的炭膜称为功能炭膜,膜厚度约为45m。所制备的功能炭膜由于Fe形态物质的存在均能被磁铁石吸引。,02,膜分离中的应用,透射电镜照片：（）Fe3O4纳米粒子；（）功能炭膜；（）膜中颗粒的包裹层；（）膜中颗粒周围的炭基体,02,膜分离中的应用,掺杂Fe3O4纳米粒子后，功能炭膜的气体渗透系数较之纯炭膜明显增加，同时随着Fe3O4添加量的增加，功能炭膜对各气体的渗透系数进一步增大，可见，Fe3O4纳米粒子的引入提高了功能炭膜的气体渗透性能，这是因为纳米粒子的引入，在炭相母体与纳米粒子间发生了微相分离形成界面，产生了界面孔，增加了炭膜中微孔的数量，因而提高了炭膜的气体渗透性能。特别是小分子气体H2的渗透系数增加最为明显，当Fe3O4纳米粒子添加量为20%时，H2渗透系数较纯炭膜提高了61倍。而分离系数除H2CO2比纯炭膜有较显著的提高外,O2/N2、CO2/N2和CO2/CH4的分离系数均有不同程度的下降。这表明Fe3O4纳米粒子的引入有利于提高功能炭膜对小分子气体的渗透性能。,03,PARTTHREE,生物分离,03,生物分离,生物分离是指利用功能化磁性纳米颗粒的表面配体与受体之间的特异性相互作用（如抗原-抗体和亲和素-生物素等）来实现对靶向性生物目标的快速分离。而磁分离技术具有快速、简便的特点，能够高效、可靠地捕获特定的蛋白质或其它生物大分子。,原理：基于磁性纳米颗粒的超顺磁性，在外加磁场下纳米颗粒被磁化，然而一旦去掉磁场，它们将立即重新分散于溶液中。通常磁分离技术主要包括以下两个步骤：(1)将要研究的生物实体标记于磁性颗粒上；(2)利用磁性液体分离设备将被标记的生物实体分离出来。,03,生物分离,细胞分离：基本原理是，磁性纳米材料作为不容性载体，在其表面上接有生物活性的吸附剂或其他配体等活性物，利用他们与目标细胞的特性结合，在外加磁场作用下将细胞分离。可用于细胞的分类以及对其种类数量进行研究。,核算分离：经典的DNA/RNA分离方法有柱分离法和一些包括沉积、离心步骤的方法，这些方法的缺点是耗时多，难以自动化，不能用于分析小体积样品，分离不完全，使用磁性纳米材料进行核算的分离可避免这些局限。,蛋白质分离：是基于在磁性粒子表面上修饰离子交换基团或亲和配基等与可目标蛋白质产生特异性吸附作用的功能基团，使经过表面修饰的磁性粒子在外加磁场的作用下从生物样品中快速选择性的分离目标蛋白质。,酶分离：目前常用的酶分离方法存在的问题是酶在分离后很容易失活，影响到他的催化活性，用磁性纳米材料分酶可以很好地保持它的活性和稳定性，同时也使得体系中酶的回收更加方便，提高了酶的使用效率。,生物分离,C,D,B,A,03,生物分离,表面接上配体（如抗体、外源凝结素），进而与指定细胞特异性结合。,有人将磁性微球外接抗小鼠Fc抗体，用于小鼠骨髓中正常细胞和癌细胞的分离，分离率达99.9%以上。,细胞分离：免疫磁珠分离细胞已被广泛应用于人类各种细胞的分离，如T、B淋巴细胞、内皮细胞、造血祖细胞、单核/巨噬细胞、胰岛细胞、肿瘤细胞等。,03,生物分离,通过直接或间接法的磁分离细胞,03,生物分离,与传统方法相比：,磁分离法操作缓和，确保生物活性成分结构为完整性,操作简单，所有纯化步骤可在一个试管中完成；无需昂贵的离心机、色谱系统何超滤装置,磁分离技术很容易实现分离分析的自动化,无需复杂的洗脱，去杂等精细步骤，产物浓度大,04,PARTFORE,催化剂中的应用,04,催化剂中的应用,B,C,磁性纳米固体碱催化剂在酮缩合反应中的应用,磁性纳米光催化剂在光催化降解反应中的应用,磁性纳米材料在氧化反应中的应用,磁性纳米贵金属催化剂在Heck反应中的应用,磁性纳米固体酸催化剂在酯化反应中的应用,04,研究数据,磁性纳米固体酸催化剂在酯化反应中的应用,梅长松等3成功地制备出磁性纳米固体酸ZrO2/Fe3O4/SO42-ZrO2/Fe3O4催化剂,梅长松,景晓燕,林茹春,等.磁性固体超强酸的制备及催化酯化反应的研究J.化学试剂,2002,24(1):1-2.,在酯化反应中，传统方法多采用浓硫酸、磷酸等无机酸或金属卤化物，如AlCl3/SnCl4、TiCl4等催化剂。而这些传统催化剂存在易腐蚀设备、污染环境、副反应多、产物选择性低，不易分离等弊端。而磁性纳米固体超强酸催化剂，不仅具有优越的催化性能还有良好的回收率。,实验证实，新型催化剂以磁性材料为核，固体酸催化剂活性组分包覆在其外部形成包覆型的磁性纳米催化剂。该系列催化剂均具有较小的粒子尺寸、较强的磁性及较高的催化活性，并且易于通过磁场进行回收，使用寿命较长。,05,PARTFIVE,日常生活中的应用,05,日常生活中的应用,有机磷杀虫剂的去除和富集Shen等选择C18作为功能基团修饰Fe3O4纳米磁性粒子形成磁性纳米Fe3O4-C18复合材料，希望所得复合材料既具有SPE固定相的吸附作用，又能呈现出Fe3O4的优良磁性。该研究小组制备了粒径约为510nm的磁性纳米Fe3O4-C18复合材料用傅里叶红外光谱(FFIR)、原子吸收光谱、x射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对复合材料的结构及微观特征进行表征，并将该复合材料用于去除和富集水果和蔬菜中残留的l4种OPs(包括甲胺磷、敌敌畏、高灭磷、久效磷、甲拌磷、乐果、甲基对硫磷、杀螟松、马拉硫磷、倍硫磷、对硫磷、杀扑磷、三唑磷和乙硫磷)。,05,日常生活中的应用,化妆品中对羟基苯甲酸酯的富集对羟基苯甲酸酯具有广泛的抗菌能力、低毒、稳定性好并且难溶，被广泛应用于化妆品行业。但近来，Memon等研究指出，在被研究的20个病例的乳房肿块内，对羟基苯甲酸酯的平均含量(20.64.2)ngg,这说明在化妆品、食品、药物中有一定比例的对羟基苯甲酸酯存在,并能被吸收和储存在身体的神经组织中而不被水解。聚合物功能化Fe3O4磁性复合粒子,进行了一系列表征确证其结构,并将这些复合材料应用于去除和富集10种商业化妆品中含有的4种类型的对羟基苯甲酸酯(对羟基苯甲酸甲酯、对羟基苯甲酸乙酯、对羟基苯甲酸丙酯和对羟基苯甲酸丁酯)。聚合物一功能化一Fe3O4磁性复合粒子已被用于10种化妆品中对羟基苯甲酸酯的去除和富集，其中包括护发素、香水、芳香剂、乳膏、洗剂等。,05,日常生活中的应用靶向药物,生物医学领域，磁性纳米粒子经过表面修饰而带有一定电荷或功能基团，可与特异性抗体结合，作为药物载体用于药物运输。提高药效，减少毒副作用。靶向药物对磁性载体粒子要求比较严格，如生物相容性好，可生物降解，无毒性，尺寸小，磁性强。,随着科学技术的迅速发展，磁性纳米粒子的开发及在分离还有其他领域的潜在