几种典型纳米材料

1、第二章 几种典型的纳米材料,第一节 纳米金 第二节 磁性纳米粒子 第三节 量子点 第四节 其他,第一节 纳米金,一、概述 二、性质 三、制备 四、应用,一、概述,（一）概念：纳米金是指分散相粒子直径在1150nm之间的金溶胶，是由金盐还原成金后形成的金颗粒悬液。又称金溶胶、胶体金或金纳米粒子。 colloidal gold， nano gold, gold nanoparticle （二）纳米金颗粒结构： 由一个基础金核(原子金)及包围在外的离子层构成，离子层为负离子(AuCl2-)，外层为H+则分散在溶液中。呈球形(小颗粒)或椭圆形(大颗粒)。,二、性质,A 胶体性质，特别是对电解质敏感，对

2、试验有影响。 B 呈色性：胶体金的光散射性与溶胶颗粒的大小密切相关，一旦颗粒大小发生变化，光散射也随之发生变异，产生肉眼可见的显著的颜色变化。小：25nm橙黄色，中：1020nm酒红色，大：3080nm紫红色。 C 光吸收性：胶体金有单一吸收峰，光波在510550nm之间，随颗粒变大而偏向长波长。利用这特性，可进行吸光度检测。 D 电子密度高，最早用于电镜检测 E 密度大，介电常数大(SPR) ，生物相容性好(IA),三、制备,柠檬酸三钠法 柠檬酸三钠-鞣酸法 枸橼酸钠法 鞣酸-枸橼酸钠法 白 磷 法 抗坏血酸法 乙醇-超声波法 硼酸钠法,（一）、制备方法 化学还原法,1）取0、01氯金酸(H

3、AuCl4)水溶液100ml加热至沸，搅动下准确加入柠檬酸三钠(Na3C6H5O7.2H2O)水溶液0.7ml，金黄色的氯金酸水溶液在分钟内变为紫红色， 2）继续煮沸15分钟，冷却后以蒸馏水恢复到原体积， 3）如此制备的金溶胶其可见光区最高吸收峰在535nm，1cm/535=1.12。 金溶胶的光散射性与溶胶颗粒的大小密切相关，一旦颗粒大小发生变化，光散射也随之发生变异，产生肉眼可见的显著的颜色变化，这就是金溶胶用于免疫沉淀或称免疫凝集试验的基础。,1、柠檬酸三钠法,还原剂用量不同，金颗粒大小也不同,97.5 0.45 紫灰 240 147 0.3 蓝灰 220,2、柠檬酸三钠法-鞣酸法,1）

4、取4ml柠檬酸三钠，加入05ml鞣酸，05ml25mmo/LK2CO3（体积与鞣酸加入量相等），以双蒸馏水补至溶液最终体积为20ml，加热至60； 2）取1ml的HAuCl4，加于79ml双蒸馏水中，水浴加热至60； 3）然后迅速将上述柠檬酸鞣酸溶液加入氯金酸溶液中，于此温度下保持一定时间； 4）待溶液颜色变成深红色(约需0.51小时)后，将溶液加热至沸腾，保持沸腾5分钟即可。,改变鞣酸的加入量，制得的胶体颗粒大小不同。,（1）10nm胶体金粒的制备：取0.01HAuCl4水溶液100ml，加入1枸橼酸三钠水溶液3ml，加热煮沸30min，冷却至4，溶液呈红色。 （2）15nm胶体金颗粒的制备

5、：取0.01HAuCl4水溶液100ml，加入1枸橼酸三钠水溶液2ml，加热煮沸15min30min，直至颜色变红。冷却后加入0.1Mol/LK2CO30.5ml，混匀即可。 （3）15nm、18nm20nm、30nm或50nm胶体金颗粒的制备：取0.01HAuCl4水溶液100ml，加热煮沸。根据需要迅速加入1枸橼酸三钠水溶液4ml、2.5ml、1ml或0.75ml，继续煮沸约5min，出现橙红色。这样制成的胶体金颗粒则分别为15nm、1820nm、30nm和50nm.,3、枸橼酸三钠法,1）A液：1HAuCl4水溶液1ml加入79ml双馏水中混匀。 2）B液：1枸橼酸三钠4ml，1鞣酸0.

6、7ml 0.1Mol/LK2CO3液0.2ml，混合，加入双馏水至20ml. 3）将A液、B液分别加热至60 4）在电磁搅拌下迅速将B液加入A液中，溶液变蓝，继续加热搅拌至溶液变成亮红色。 此法制得的金颗粒的直径为5nm.如需要制备其它直径的金颗粒，则按表15-1所列的数字调整鞣酸及K2CO3的用量。,4、枸橼酸三钠-鞣酸法,鞣酸-枸橼酸钠还原法试剂配制表,（二）、注意事项,方 法 金颗粒直径 白 磷 法 512nm 抗坏血酸法 813nm 枸橼酸钠法 1695nm 柠檬酸钠法 16147nm 乙醇-超声波法 610nm 硼酸钠法 25nm 鞣酸-枸橼酸钠法 15nm, 还原剂不同，胶体金颗粒

7、大小及特性不同,还原剂相同但用量不同，金颗粒大小也不同,一般5nm以下适用于组化法Ag、Ab检测 520nm适用于标记体液中Ag、Ab检测， 20nm以上适用于免疫沉淀试验。,：,不同直径的胶体金有不同的适用范围, 制备过程中不能使用金属容器，因氯金酸对金属有强烈的腐蚀性。另外由于氯金酸极易吸潮，应注意试剂保存。 金颗粒容易吸附于电极上使之堵塞，所以不能用pH电极直接测定金溶液的pH值。应选用缓冲容量足够大的缓冲液(例如PEG20000液)稳定胶体金后再测定或保存。 要得到大小更均匀的胶体金颗粒，可采用甘油或蔗糖密度梯度离心。 胶体金具有很高的动力学稳定性，在稳定因素不受破坏时自身凝聚极慢，可

8、放置数年。影响因素有：电解质、溶胶浓度、pH、温度。,1 成核过程 成核过程是液相纳米晶体生长的起始过程。 晶体生长过程主要分为成核控制和扩散控制。 对于很小的晶体，可能不存在位错或其它缺陷，生长是由分子或离子一层一层地沉积进行的。因此，对于成核控制的晶体生长，成核速率可看作是晶体生长速率。 当晶体的某一层长到足够大时，溶液中的离子在完整表面上不能找到有效吸附点而使晶体的生长停止，这时，单个表面晶核和溶液之间形成不稳定状态。,（三）、形成过程,2 生长过程 生长阶段一般是扩散控制机理。 从溶液相中生长出晶体，首要的问题是溶质必须从过饱和溶液中运送到晶核表面，并按照晶体结构排列。 若这种运送受速

9、率控制，则扩散和对流将会起重要作用。 当晶体粒度不大于10m 时，在正常重力场或搅拌速率很低的情况下，晶体的生长机理为扩散控制机理。,在生长过程中反应主要在动力学生长和热力学生长的平衡下进行。 当反应温度较高，单体浓度低时，反应基本受热力学生长控制； 而当反应温度低，单体浓度高时，反应受动力学生长控制。,动力学生长过程中影响晶体生长的主要有五个因素： 晶体内在表面能(和动力学能垒G直接相关)，反应温度，前驱液单体浓度，修饰基分子和反应时间。,四、应用,（一）胶体金标记技术 （二）增强表面等离子体共振检测 （SPR） （三）表面增强拉曼散射检测（SERS） （四）增强电化学中压电检测信号（QCM

10、）,（一）胶体金标记技术,免疫胶体金技术 是以胶体金作为示踪标志物应用于抗原抗体的一种新型的免疫标记技术。 胶体金标记 实质上是蛋白质等高分子被吸附到胶体金颗粒表面的包被过程。,一些概念,1939-雏形 Kausche等把烟草花叶病毒吸附到金颗粒上在电子显微镜下观察金离子呈高电子密度。 1971-作为标记物应用于免疫组织化学研究 Faulk等首先将兔抗沙门菌抗血清与胶体金颗粒结合，用直接免疫细胞化学技术检测沙门菌的表面抗原。 1974-实现间接免疫金染色法 Romano将胶体金标记到马抗人的IgG上，实现了间接免疫金染色法,胶体金技术发展,快速免疫金渗滤法(colloidal gold imm

11、uofiltration assay , GIFA) 即穿流式(flow through)的固相膜免疫测定。 主要由两部分组成：膜渗滤装置和标记结合物。前者为一塑料小盒，其中填满吸水性物质，面上紧贴放置一片吸附有抗体(以双抗体夹心法测抗原为例)的硝酸纤维膜，标记结合物为免疫金。,A：金标记抗体 B：标本中的抗原 C：包被抗体 D：NC膜 E：吸水材料 F：塑料盒,胶体金技术类型,免疫层析法(colloidal gold immunochromatogra-phy，GICA) 是继GIFA之后发展起来的另一种固相膜免疫测定，与GIFA利用微局限性膜的过滤性能不同，免疫层析法中滴加在膜一端的样品溶

12、液受膜的毛细管作用(基于层析作用的横流 （lateral flow） )向另一端移动。移动过程中被分析物 与固定在膜上某一区域的受体(抗原或者抗体)结合而被固相化，无关物质则越过该区域而被分离，然后通过标记物显色来判定试验结果，以胶体金为标记物的实验称为胶体金免疫层析试验。,双抗体夹心法,竞争抗体法,阳性,阴性,阳性,阴性,无效,样品垫(Sample pad)： 玻璃纤维、聚酯膜、纤维素滤纸、无纺布等多种材质，多种规格，批间稳定。 作用： 减缓样品渗透速度，有利于样品在结合垫上均匀分布； 去除样品中杂质颗粒； 调节样品液pH值或粘度等。,样本垫可使用化学物质进行浸渍处理，从而减少样本差异，提高

13、试验的灵敏度。通常可以将洗涤剂、粘性增强剂、阻滞剂及盐渗入样本垫然后加以干燥，该工艺可避免使用复杂辨识剂/追迹缓冲液的麻烦，使检测一步完成。,胶金垫(Conjugate pad)： 玻璃纤维、聚酯膜、纤维素滤纸、无纺布等多种材质，多种规格，批间稳定。 结合垫的作用主要为： -吸附一定量的金标结合物颗粒； -吸附并持续不断的将样品转移到NC膜上； -保持金标结合物颗粒的稳定性； -保证金标结合物颗粒定量完全释放等。,硝酸纤维素膜( Nitrocellulose)： 推荐使用Millipore，MDI，S Chem Commun 2000,1025） 与小分子物质相比，纳米金的质量较大，因而得到的

14、振荡频率的变化也大，从而提高了检测灵敏度。,Chem. Commun. 2000, 953954,Chem. Commun. 2000, 10251026,Anal. Chem. 2001, 73 (18), 4450-4456,（一）免疫金标记技术应用的深入 免疫金电镜的应用新进展 细胞分选标记物 免疫印迹技术 生物传感器 快速诊断技术,复合金属纳米探针,Cui 等以银为核、金为壳，利用晶种生长法合成出AgcoreAushell的核壳型纳米粒子，并将这种复合金属纳米粒子表面通过共价作用修饰上抗体使其成为探针。当样品中的抗原与固定在硅片上的抗体反应后再与 AgcoreAushell探针发生特异

15、反应形成三明治结构的复合物。利用表面增强拉曼散射光谱(SERS)检测抗体和抗原之间的特异性作用，为金标试纸的仪器检测开辟了道路 ,左图是该方法的模拟图。,（二）免疫原性应用 半抗原载体应用 免疫增强佐剂作用 免疫治疗剂作用,（三）其他 微波增强胶体金标记效果 电解方法制备纳米金属粉末 荧光增强机理 在芯片检测中的应用前景,展望,进一步提高检测灵敏度 实现检测多元化 临床医学诊断和病理研究 分子水平上研究和理解病变的机理 实现可定向输送和释放的靶向性药物,结论,胶体金独特的理化特性及作为标记物的独特优点使其在生物医学研究的各个领域得到广泛应用 。,第二节 磁性纳米粒子,一、概述 二、性质 三、制

16、备 四、应用,一、概述,磁性是物质的基本属性之一。磁性的产生是由围绕核外运动的电子绕核旋转和自传产生磁矩的结果。磁场对处于其中的许多物质都有作用，使其磁化。磁化了的物质即磁介质也会产生附加磁场，从而对磁场产生影响。实验表明，不同的磁介质对磁场的影响是不同的。假设没有磁介质某点的磁感应强度为B0,放入磁介质后因磁介质被磁化而产生的附加磁感应强度为B,那么该点的磁感应强度B 应为这两个磁感应强度的矢量和，即 B=B0+B。根据B相对于B0 的方向以及强弱，可将磁介质分为三种：,1B与B0 方向相同，使得B B0，称为顺磁质 2B与B0 方向相反，使得BB0，BB0，称为铁磁质 顺磁质和抗磁质的B对

17、原磁场影响比较微弱，统称为弱磁物质。,磁性纳米粒子是指大小在纳米尺度的磁性材料，如Fe2O3和Fe3O4等的纳米粒子等，具有顺磁性，在外加磁场的作用下产生的磁矩与外加磁场一致，进而受外加磁场的吸引。磁性纳米材料可分为有机磁性纳米材料和无机磁性纳米；前者的代表是有机磁性高分子材料，后者主要是铁、钴、镍、锰、铂及其合金和氧化物等。,磁性纳米粒子具有以下优势： （1）粒径小，能够有效进入细胞等生物体系内部； （2）比表面积大，与生物物质结合效率高； （3）磁性强，磁操纵和分离方便； （4）具有超顺磁性，即在无外加磁场时无剩磁，可避免纳米粒子间因磁性吸引相互团聚而带来的分散困难,二、性质,超顺磁性 高

18、矫顽力 低居里温度 高磁化率,超顺磁性,超顺磁性: 纳米微粒尺寸小到一定临界值时，各向异性能也减少到与热运动能可相比拟，磁行方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁性的临界尺寸是不同的。例如 aFe，Fe3O4和，Fe2O3等粒径分别为 5nm，16nm和20nm 时变成超顺磁体这时磁化率c不再服从居里一外斯定律 c=C(T-Tc) 例如粒径为85nm的纳米Ni微粒， c服从居里一外斯定律，而粒径小于15nm的Ni微粒，矫顽力Hc0，这说明它们进入了超顺磁状态。,高矫顽力,矫顽力纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高

19、的桥顽力C 例如，用惰性气体蒸发冷凝方法制备的Fe纳米微粒。随着颗粒变小饱和磁化强度有所下降，但矫顽力却显著地增加，在.5K时达1.27105A/m。室温下，Fe的矫顽力仍保持104A/m, 而常规的Fe块的矫顽力为80A/m。,高矫顽力的起源,有两种解释：一致转动模式和球链反转磁化模式 一致转动磁化模式基本内容是：当粒子尺寸小到某一尺寸时，每个粒子就是一个单磁畴，例如对于Fe和Fe3O4单磁畴的临界尺寸分别为 12nm和 40nm。每个单磁畴的纳米微粒实际上成为一个永久磁铁，要使这个磁铁去掉磁性，必须使每个粒子整体的磁矩反转，这需要很大的反向磁场，即具有较高的矫顽力许多实验表明，纳米微粒的H

20、c测量值与一致转动的理论值不相符合 也有人认为，纳米颗粒的高矫顽力来源应用球链反转磁化模式来解释，即由于静磁作用球形纳米Ni微粒形成链状，计算结果与实验值可比拟，略大于实验值，修正后，可定性解析高娇顽力。,低居里温度,居里温度是物质磁性的重要参数，通常与交换积分Jc成正比，并与原子构型和间距有关。对于薄膜，理论与实验研究表明，随着铁磁薄膜厚度的减小，居里温度下降。对于纳米微粒，由于小尺寸效应和表面效应而导致纳米粒子的本征和 内禀的磁性变化，因此具有较低的居里温度。 例如体相Ni 的居里温度为631K； 85nm粒径的 Ni 微粒为623K；而18nm 粒径的Ni 粒子为573K。 超顺磁性颗粒

21、的居里温度，随粒径的下降有所下降。,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10-6。 超顺磁状态:指当磁性颗粒很小时(处于纳米级),常温下也可以呈现出磁极的随意性,这种状态叫做超顺磁状态.,高磁化率,纳米微粒的磁性与它所含的总电子数的奇偶性密切相关，每个微粒的电子可以看成一个体系，电子数的宇称可为奇或偶。一价金属的微粉，一半粒子的宇称为奇，另一半为偶，两价金属的粒子的宇称为偶，电子数为奇或偶数的粒子磁性有不同温度特点。

22、电子数为奇数的粒子集合体的磁化率服从居里一外斯定律，c=C/(T-Tc), 量子尺寸效应使磁化率遵从-3规律; 电子数为偶数的系统, ckBT, 并遵从规律。 纳米磁性金属的工值是常规金属的20倍。,三、制备,要求: 具有高的比饱和磁化强度,有利于靶向 操控. 具有低的剩余磁化强度,避免磁性团聚. 具有较小的粒径和较好的单分散性以使其具有均一的物理化学及生物学性能. 通常与高分子材料结合为核-壳型结构.,物理法机械球磨法；耗时长、粒径不均一 生物法从各种生物体中提取；可控性差 化学法均相法：共沉淀法、高温分解法 非均相法；微乳液法、凝胶-溶胶法、 超声化学法、激光分解法,方法,（一）共沉淀法,

23、原理：在水溶液中同时水解二价和三价的铁离子来实现磁性Fe3O4纳米粒子的制备。,1、以Fe2+为水解反应原料，同时采用不同种类的氧化剂在Fe2+水解的同时，将其部分氧化成Fe3+，最后得到相应产物。 2、以Fe3+为水解反应原料，同时采用不同种类的还原剂将Fe3+部分还原成Fe2+，最后得到相应产物。 3、同时水解按一定比例混合的Fe2+和Fe3+,J Colloid Interface Sci 1980, 74, 227 J Colloid Interface Sci 1999,215,190 Chem Mater 1996, 8, 2209 Chem Mater 2003, 15,1617

24、,共沉淀法具有实验操作简便，反应条件温和等特点。然而由于铁在自然界存在多种氧化物和氢氧化物，而且相互之间很容易转化，因此在水溶液中通过水解的方法来制备磁性纳米粒子，其产物组成的控制是该方法面临的重要问题，所得产物往往是铁氧化物和铁氢化物的混合物。 此外在制备过程中粒子的成核和生长过程受复杂水解平衡反应的控制，因此得到的粒子普遍存在尺寸分布较宽的缺点。,（二）高温分解法,原理：在高沸点溶剂中加热分解有机金属化合物来制备纳米粒子的一种方法。 将反应原料(一般为易分解的有机金属化合物) 快速注入含有表面活性剂的高温溶剂中实现纳米粒子的快速成核，再通过对反应温度的和时间的控制得到不同尺寸的同时又具有较

25、窄粒度分布的纳米粒子。 将反应原料在低温下预先混合，然后缓慢加热至反应开始，在粒子的生长过程中不断补加反应原料来维持体系中恒定的过饱和浓度，最后可得到窄粒度分布的粒子。 粒度范围 10%5%,高温分解法制备的磁性纳米粒子具有粒度分布窄、尺寸和形貌可控、避免水参与反应等特点。但粒子的疏水性却大大限制了它们在生物医学领域的应用。,J. Am.Chem. Soc, 1999, 121, 11959 J. Am.Chem. Soc, 2000, 122, 8581 J. Am.Chem. Soc, 2001, 123, 12798 J. Am.Chem. Soc, 2002, 124, 8204 J.

26、 Am.Chem. Soc, 2004, 126, 273 Science, 2001, 291, 2115 Nature Materials, 2003, 2, 88,（三）微乳液法和反相胶束法,该法是利用水、油和表面活性剂三元体系形成的微乳液和反向胶束作为反应场来制备纳米粒子的方法。将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1100nm 的“油包水”分散体系。可将每个水相液滴看作一个微型反应器，通过控制胶束及液滴的形态、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。 表面活性剂作用：一方面可有效的阻止纳米粒子的聚集和进一步

27、生长；从而实现对粒子尺寸的有效控制，另一方面可以为粒子提供可溶性或可分散性；再次，表面活性剂的形状和极性的大小对胶束的形状有着重要影响，这为制备各种形貌的无机纳米粒子提供了可能。,Nature materials, 2003, 2, 1983 Langmuir 2003, 19, 9486 Adv. Mater. 2003, 15, 1761 J. Phys. Chem. B 2004, 108, 2200,该法在磁性纳米粒子的尺寸分布及其形貌控制方面体现出一定的优势，但所得到的粒子往往在结晶度和磁响应性能等方面还有待提高。,（四）超声化学法,该法是利用超声波的空化作用瞬间所产生的高温（500

28、O0）、高压（20MPa）以及极高的冷却速率（1010K/S）等极端条件促使氧化、还原、分解和水解等反应的发生来制备纳米粒子。 Suslick 等人采用聚乙烯基吡咯或油酸作为稳定剂防止团聚，将Fe(CO)5 在辛醇中用高强度超声分解，制得了38nm 的无定形Fe 与FeO 超顺磁性纳米粒子。进一步的，Ulman 等人用超声方法在超声制得的-Fe2O3 外包裹上十八烷基硅烷（OTHS.CH3(CH2)17SiH3），结果发现由于晶型的改善，纳米粒子的磁性明显增强。,J. Am. Chem. Soc, 1996,118,11960. Langmuir, 1998, 14, 1512. Langmu

29、ir, 1999, 15, 1703. Chem. Mater., 2002,14,1778. Chem. Mater., 2003,15,1378. J Mater Chem., 2004, 14, 944.,可见此种制备方法简便易行，产率高，但产物的粒径和形貌不太均一，此外产物在结晶度方面存在较低的原因。,（五）其他方法,激光分解法 J. Appl. Phys. 1996, 79, 5063 J. Appl. Organometal Chem. 2001, 15, 365 电化学沉积法 Chem. Mater. 1999, 11, 141 g 射线辐射法 Chem. Mater. 2002

30、, 14, 1048,四、应用,（一）在分离中的应用,原理：利用外磁场从混合物中分离与磁性纳米粒子表面发生识别作用的物质。,方式：,移去上清液,（a）,液体流动,（c）,（b）,NuFeB永磁铁,1、细胞,细胞磁免疫分离方法是细胞生物学和药学研究中的重要方法之一。 大量的磁免疫分离都是基于磁性纳米粒子或球表面的抗体与抗原或粒子表面的配体与受体之间的相互作用来实现细胞的快速分离。 有直接和间接法：直接法就是直接用偶联有抗体的粒子加入带分离体系，从而分离细胞；间接法是用链霉亲和素或二抗的粒子，来分离细胞。,重要应用： 通过出去肿瘤患者骨髓夜中的肿瘤细胞来辅助肿瘤的放射疗法。 实现CD34+细胞（干

31、细胞）的选择性分离,细胞磁分离技术优点： 磁性载体与细胞识别的过程基本可以保证不破坏被识别的细胞的形态，同时也不影响非识别细胞。 分离纯度可达95%99% 不影响细胞的功能和活性，经分离的细胞存活率可达90%左右 分离操作方便、快捷 与常用的磁性微球相比： 较小的尺寸可以避免与细胞识别时对细胞产生机械应力 可缩短孵育时间，加快分离流程 磁性纳米粒子形成稳定胶体分散体，不发生聚集和沉淀 具有生物相容性,Nature 1977; 268:437-440. Science 1980; 208:364-368. Immunol, 1997, 159: 3247. Anal. Chem. 2006; 7

32、8:2918-2924.,2、细菌和病毒的检测与分离,四大食品中的细菌： 大肠杆菌O157、李斯特、沙门氏、志贺氏,2003 SARS 2004 禽流感 2008 手足口病,常规的检测方法其检测限通常只达到100cfu/mL： 建立高效、快速、灵敏的细菌、病毒检测方法显得尤为紧迫,Anal. Chem. 2004; 76:4806-4810. Chem. Commun. 2003; 15:1966-1967. J. Am. Chem. Soc. 2003; 125:15702-15703. J. Am. Chem. Soc. 2007; 129:13392-13393.,3、蛋白质和核酸的分离

33、与检测,蛋白质和核酸的分离式生物技术中一项艰巨而繁重的任务，然而到目前为止，还没有一种成熟和完善的可以把任一组分从复杂生物混合体系中分离出来的方法。 常用方法：离心、电泳、亲和层析等,磁流体中的磁性纳米粒子在外磁场作用下通常可自发的形成间距从亚微米到100微米的规则排列的磁柱，可用来分离不同分子量的DNA。 表面修饰有次氮基三乙酸的磁性纳米粒子为载体，在Ni2+参与下实现对带有His残基的蛋白质的分离。,Science. 2002; 295:2237. J. Am. Chem. Soc. 2004; 126:3392.,J. Am. Chem. Soc. 2002; 124:4208. Sci

34、ence. 2003; 301:1884. J. Am. Chem. Soc. 2004; 126:5932. Angew. Chem. Int Ed. 2001; 40:17. Angew. Chem. Int Ed. 2003; 42:2372.,（二）靶向药物输送中的应用,所谓靶向药物技术就是利用药物载体的pH敏、热敏、磁性等特点在外部环境的作用下对病变组织实行定向给药。磁性纳米粒子具有粒径小、毒性低、在磁场中有较好响应等特点。这种特性使得载药的磁性微粒在体内不聚集, 不堵塞血管, 能够均匀分布并扩散到靶区, 产生治疗作用，是当前药物载体的研究的热点。通过对磁性粒子表面功能化,在外加磁场

35、的作用下, 将药物载至预定区域, 实现靶向给药技术，从而提高药物的效用, 减少其毒副作用。特别是顺磁性或者超顺性的纳米氧化铁颗粒在外加磁场的作用下，当温度上升值4045 时，可以杀伤肿瘤。,用生物高分子如氨基酸、多肽、蛋白、酶等包裹生物相溶性和散单分性好的无机磁性纳米颗粒,再与药物结合制成载药分子,在外加磁场作用下,通过磁纳米颗粒的磁性导向性使药物准确作用于病变部位,增强对病变组织的靶向行,降低对正常组织细胞的伤害.,Cancer Res. 1996; 56:4686-4693. Cancer Res. 1996; 56:4694-4701 Med. Hypotheses 1979; 5:83

36、-102. Biomagn. Res. Technol. 2004; 2:1. Biotechnol. Appl. Biochem. 1994; 21:125-137.,优点: 相比其他药物载体,磁纳米颗粒粒径比毛细血管还小1-2个数量级 在外加磁场的作用下靶向能力更加优越,定点滞留作用强 载药磁性纳米颗粒对机体无毒害作用,可通过人体肝脾自然排泄 通过控制磁性纳米颗粒形成的细微结构可以达到对药物的控释作用,（三）在临床诊断与疾病治疗中的应用,磁纳米粒子在疾病诊断方面的应用主要是基于磁共振成像(MRI)技术。当磁性纳米粒子的粒径小至一定的尺寸时，它们表现出超顺磁性，即在较弱的磁场中可以产生较大的

37、磁性，而当外磁场撤消后磁性也讯速消失，这种性质使它们可以被用于磁共振成像(MRI)。 磁共振成像(MRI)可用于对生物体内脏器官和软组织进行无损伤的快速检测，是检测肿瘤最为有效的临床诊断方法之一。,热疗法也是治疗肿瘤的一种方法，将温度控制在4246度之间的疗法为过热疗法，47度以上称为热消融疗法。磁流体过热治疗肿瘤。,J. Magn. Reson. Imaging 1994; 4:292-301. 临床放射杂志 1995; 14:24-26. Adv. Drug Deliver Rev, 1995, 16 321. Bioconjugate. Chem. 1999; 101:86-191. N

38、at Biotechnol, 2000, 18, 410 Nat Biotechnol, 2001, 19,1141 Med Hypotheses,1979,5,83,磁性纳米材料通过磁导向作用解决了因靶部位载体浓度不足而引起的转染效率问题 DCIONP(一种外包葡萄糖的磁性四氧化三铁颗粒)可以在一定PH值下,保护目的DNA不被水解 是非生物材料,不会引起免疫反应 可介导外源基因的整和,以长期表达,第三节 量子点,一、概述 二、性质 三、制备 四、应用,量子点(Quantum Dots，QDs)可以解释为半径小于或接近于激子玻尔半径的半导体纳米晶粒，是半导体介于分子和晶体之间的过渡态，具有独特

39、的量子尺寸效应和表面效应.具有优良的纳米荧光效应。一般由II/VI或III/V元素组成，如：CdSe, ZnS, CdS, CdTe, InP等,一、概述,量子点,纳米金,磁性纳米铁,量子点(QDs)：,粒径小于或接近于激子玻尔半径的半导体纳米晶粒。 是半导体界于分子和晶体之间的过渡态。 具有独特的量子尺寸效应和表面效应，表现出优良的荧光纳米效应。,二、性质,宽的吸收峰 窄而对称的发射峰 耐光漂白 一元激发多元发射,J. Phys. Chem. 1996, 100, 13226-13239,宽激发谱；窄发射峰，对称发射; 荧光强度强、光漂白速率慢、稳定性好。,颜色可调，一元激发多元发射 Sci

40、ence 1998; 281: 2013-2016 Nat. biotechnol. 2001; 19: 631,三、制备,II-VI型量子点的制备,水相无机合成路线 a.常规加热沉淀法 J. Am. Chem. Soc. 1950, 72, 4847 J. Am. Chem. Soc. 1947, 69, 1184 J. Chem. Phys. 1984, 80, 4464 b. 微波辅助制备法 J. Phys. Chem. B 2000, 104(31), 7344 Materials Letters 2001, 47(1-2), 25 c. 水热合成和溶剂热合成法 无机化学学报 1999

41、, 15(1), 1 d. 在定域模板里合成 J. Am. Chem. Soc. 2000, 122(1), 12886 J. Phys. Chem. B 1999, 103, 7613,金属化合物/元素有机物 路线 Cd(CH3)2、Zn(CH3)2 -Se 、(TMS)2S /TOPO CdO 、Zn(Ac)2、CdCO3 -Se 、(TMS)2S /TOPO、有机膦酸、有机胺等 J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 5343 Nature 2000, 404, 59 J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 183 J. Am. Chem. Soc.

42、2001, 123, 1389 Nano Letters 2001, 1(6), 333 核/壳结构量子点的制备 稳定性增强，荧光性质更加优越 CdSe/ZnS J. Phys. Chem. 1994, 98, 4109 J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 1327 J. Phys. Chem. B 1997, 9463 J. Am. Chem. Soc. 2000, 12142 J. Am. Soc. Chem. 2003, 126, 12567,金属化合物/元素有机物路线,此路线是基于有机物与无机金属化合物或有机金属化合物之间的反应而进行的。 用有机金属试剂如Cd(C

43、H3)2在热的氧化三正辛基膦(TOPO)溶液中裂解制备高质量、单分散（5%） QDs的方法，如CdSe QDs。 用上述方法可以制备高质量的QDs，但是，由于Cd(CH3)2、Zn(CH3)2等金属有机物剧毒、不稳定、易爆炸。因此用它们作原料极其危险，需要的设备条件苛刻，方法难于推广使用。,合成装置示意图,1 Ar气钢瓶2 起泡器3 温度计4 冷凝管5 反应瓶 6 电热套7 双排管8 干燥器9安全瓶10油泵,四、应用,Science 2005;307: 538-544,QDs 在生物医学研究中的应用,生物检测,DNA检测,J. Am. Chem. Soc. 2001;123: 4103-410

44、4 J. Am. Chem. Soc. 2003;125: 13918-13919 Nat. Mater 2005; 4: 826-831,蛋白高通量检测,Nano. Lett. 2006; 6: 2881-2886,病原体、毒素检测,Analyst 2006; 131: 394-401 Anal. Chem. 2003; 75: 4766-4772,Anal. Chem. 2002; 74: 841-847 Anal. Chem. 2004; 76: 684-688,生物成像,固定细胞成像,Nat. biotechnol. 2003; 21: 41-46,Nano Lett. 2004; 4

45、: 1827-1832,活细胞成像,图A鼠皮肤脉管系统的成像，100 m深处； 图B量子点在鼠静脉和动脉中的循环，时间40.5s； 图C静脉注射量子点标记物后鼠毛细管成像， 250 m深处 Science 2003; 300: 1434-1436 Mol. Imaging 2003; 2: 50-64 Aacad Radiol 2005; 12: 313-323,组织成像,B,C,红色量子点标记活体肿瘤 Science 2003; 300: 80-81 Nat. biotechnol. 2004; 22: 969-976,活体成像,图a，b分别为在鼠的左掌和前哨淋巴结皮内注射NIR-QDs后的

46、 成像；图c为在猪的右腹股沟皮下注射NIR-QDs后随时间的成像 Nat. biotechnol. 2004; 22: 93-97,第四节 其他,一、碳纳米管 二、纳米二氧化钛 三、纳米氧化锌,一、碳纳米管,碳纳米管简介 碳纳米管的性质、制备、功能化 碳纳米管的发展及研究现状 碳纳米管的应用实例 分析化学方面 其他方面 碳纳米管的应用展望,碳纳米管简介（Carbon Nanotubes）,又叫巴基管，碳的同素异形体，最早是1991年由日本电镜学家饭岛教授通过高分辨电镜发现的。 由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管,单壁碳纳米管 直径为1-6 nm,多壁碳纳米管 直径nm

47、 m,碳纳米管结构示意图 (A) 椅形单壁碳纳米管, (B) Z字形单壁碳纳米管, (C) 手性单壁碳纳米管，(D) 螺旋状碳纳米管， (E) 多壁碳纳米管截面图,CNT的性质,优良的导体和半导体特性。量子限域所致 高的比表面积。 强的吸附性能。 优良的光学特性 发光强度随发射电流的增大而增强。 ,高的机械强度和弹性。 强度100倍的钢，密度1/6倍的钢,碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度，它还有其他材料所不具备的性能：非常好的导电性能、导热性能和电性能。,碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但它的导电率是铜的1万倍，它的强度是钢的100

48、倍而重量只有钢的七分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。,制备方法,电弧放电法。（已用于工业化生产） 激光蒸发法。 碳氢化合物催化分解法（CVD法）。 化学气相沉淀法。 .,CNT的功能化,1、共价功能化 A：端口功能化 B：侧壁功能化 2、非共价功能化 C： 表面活化剂功能化 D： 聚合物功能化 E： 内腔功能化 Angew. Chem. Int. Ed., 2002, 41, 1853,目的：提高CNT的溶解度，有助于纯化，并引入新的性能。,碳纳米管的发展及研究现状,碳纳米管论文和专利情况,正是由于碳纳米管自身的独特性能，决定了这种新型材料在高新技术诸

49、多领域有着诱人的应用前景。在电子方面，利用碳纳米管奇异的电学性能，可将其应用于超级电容器、场发射平板显示器、晶体管集成电路等领域。在材料方面，可将其应用于金属、水泥、塑料、纤维等诸多复合材料领域。它是迄今为止最好的贮氢材料，并可作为多类反应的催化剂的优良载体。在军事方面，可利用它对波的吸收、折射率高的特点，作为隐身材料广泛应用于隐形飞机和超音速飞机。在航天领域，利用其良好的热学性能，添加到火箭的固体燃料中，从而使燃烧效率更高。,如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。纳米碳管的细尖极易发射电子。

50、用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。,把碳纳米管用作转 子的纳米马达图像,然而，碳纳米管作为一种新型材料被发现至今已有十年，却尚未得到工业应用。超高的成本使国际市场90高纯度的碳纳米管价格高达10002000美元克，一般纯度的碳纳米管价格也在60美元克，远远高出黄金的价格。,我国清华南风纳米粉体产业化工程中心，一直致力于碳纳米管在工业化生产上的科技攻关，是目前世界上已知生产规模最大的碳纳米管生产基地。,分析化学方面的应用实例：,（1）原子力显微镜针尖 优点：纳米级直径，高的长径比，高的机械柔软性，电子特性确定。 分辨率高，探测深度深，可进行狭缝和深层次探测 H

51、afner J H在室温下能够清晰的观测到G型球蛋白IgG的Y型结构。 J. Am. Chem.soc. 1999，121：9750-9751 Nature， 1996，384（6604）：147-150,由于碳纳米管暴露在NO2 和NH3 时，电导发生明显的增加或减小，奠定了在气体化学传感器应用的基础。 Kong. J 等人测定了SWNT在NO2 和NH3通过时，碳纳米管电导随电压的变化情况。 电导 NO2 3个数量级；电导 NH3 2个数量级 Science， 2000，287：622-625,（2）化学传感器,优点：具有响应速度快，灵敏度高（较常规高1000倍），重现性好，室温操作等。 应用：对于环境中NO2 和NH3的监测具有应用前景。,优点：超灵敏，应用范围广，蛋白的生理活性的测定 应用：医疗方面对糖尿病的检测,（3）生物传感器 Enzyme-Coated Carbon Nanotubes as SingleMo