纳米磁珠及其应用

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纳米磁珠及其应用

刘俊波

纳米世界或者纳米科技之所以如此吸引大家的眼球，就是因为物质在处于纳米级大小的时候，呈现出许多既与宏观物质又与分子水平都不相同的物理化学性质，比如，银块是可以导电的，但是当它的大小小到只有纳米级的时候，却不能导电。铜做成纳米级大小的时候，变成不能导热。由于纳米材料的这些新的特点，为人们在科学研究与改造世界中提供了许多新的机遇，因此迅速成为科技界普遍重视的焦点。纳米磁珠就是纳米技术在生物领域众多运用中的一项。

一、什么是纳米磁珠

所谓纳米磁珠是指大小适合用纳米来衡量的小磁性微粒，一般是指1—100纳米，这类磁珠具有一种很特别的磁性叫超顺磁，即在外加磁场中有较强的磁响应性, 而撤去磁场后, 磁性微粒的磁性马上消失，也就是没有剩磁，重新均匀分散于溶液中。科学家所青睐的便是这一特性，可以用来吸附液体中的某种成分，然后通过磁性分离磁珠来达到分离成份的目的。当然为了能够吸附所要的物质，在颗粒的外面必须包裹有特异性的基团，如氨基、 羟基、 羧基、 巯基等功能基团，通过这些集团和目的分子进行特异性的结合，然

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后通过磁力收集磁珠，就可以把所需要的物质分离出来。

磁珠本身多数是无机材料，最常见的材料是四氧化三铁，外面包被的基本是有机材料。根据磁珠本身和包被材料的位置关系来区分磁珠的结构有四种，即核壳型、镶嵌型、壳核型、壳核壳型。

其中第一种核壳型被研究和运用最多，其磁性材料作为核心, 高分子物质作为壳层包裹在磁性微粒的外面，处于核心的无机磁性材料赋予了整个微粒的超顺磁性，也即可分离性, 处于壳层的高分子物质赋予了整个微粒的高效吸附性，也即特异性。在充分混合均匀的液体环境中，高分子壳层通过其官能集团与目标物质结合，通过外加磁场控制整个颗粒的移动和收集，最终达到目的物质分离的目的。小小磁珠如此厉害除了与它的超顺磁性有关之外，还与以下特性有关：

1、具有良好的表面效应，比表面积激增,微球官能基团密度和选择性吸附能力增大,吸附平衡时间大大缩短，提高了吸附能力。

2、物理化学性质稳定,具有一定的生物相容性,不会对

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生物体造成明显的伤害。

3、表面的可修饰性。磁性微球表面本身具有或通过表面改性带有多种活性的功能基团(如-OH,-COOH,-NH2等),可连接生物活性物质(如核酸、酶等),也可以偶联特异性分子(如特异性配体、抗体、抗原等)来专一性的分离生物大分子。

纳米磁珠也叫磁性高分子微球，磁性微粒。 二、纳米磁珠的应用 1、细胞分离

在磁性微球表面接上具有生物活性的吸附剂或其它配基，如抗体、外源凝结素等,利用它们与目标细胞的特异性结合,借助外磁场的作用,可以很方便、快速的对细胞进行分离。磁性微球还在微生物的中细菌的分离、纯化和检测中也有重要的应用,利用免疫磁性微球结合其他免疫检测方法,可以快速、准确和高效的分离样品中的微生物,大大提高检测方法的专一性,对食品卫生和预防疾病的传播具有重要的意义。

例如对金黄色葡萄球菌，沙门菌进行分离 它不损伤细菌可以进行后续的培养。 2、蛋白质分离

蛋白质分离纯化 传统的蛋白质分离方法如盐析、有机溶剂沉淀法、膜分离技术和层析技术等,一般是通过改变溶液的pH值、介电常数、温度或者是离子强度等因素来达到

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分离蛋白质的目的,操作过程繁琐、耗能、对目的蛋白质的损失很大。 磁性微球的粒径小,比表面积大,表面含有活性基团,故偶联容量大,它能够共价结合能被目标蛋白质识别和可逆结合的配基,然后,将磁性微球直接放入含有目标蛋白质的混合溶液中,待目标蛋白质与磁性微球紧密结合后,利用外部磁场对其进行分离。整个分离过程不需对混合溶液的pH值、温度、离子强度和介电常数进行调整,从而避免了传统分离过程中蛋白质的损失。与传统分离方法相比较,蛋白质磁分离技术具有快速、高纯、 高收率等优点。

3、DNA提取

磁珠用于DNA提取是其生物学价值最大化的领域之一，因为任何与DNA有关的科学研究都离不开DNA提取，DNA提取是所有后续研究的第一步，因此DNA提取的效率和效果直接影响后续的研究。磁珠法提取DNA有如下的优点：

①、操作简单，整个过程只有四步，即裂解、结合、分离和洗脱，无需繁琐的离心，大多40分钟即可完成；

②、效率高，磁珠巨大的表面积和与核酸的特异性结合使得提取的核酸纯度高、浓度大；

③、安全无毒，不使用任何有毒试剂，如酚等，符合现代环保理念；

④、能够实现自动化、大批量操作。目前国内已经有96通量自动提取仪问世，大大提高了效率。

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传统的DNA分离技术包含沉淀,离心等过程,这些纯化方法的步骤繁杂、费时长、收率低,接触有毒试剂,很难实现自动化操作;而采用磁性载体微球分离技术就能很好地克服这些缺点,实现样品地快速、高效制备,是未来DNA纯化方法发展的一个重要方向。

磁珠还可以运用在基因芯片和疾病治疗，显示出无比广阔的运用前景。

三、在中学生命科学教育中的尝试

为了让学生尽快了解纳米技术在生物领域中的应用，并且作为一种基础性的技术平台开拓DNA层面上的学生探究性实验，我们和洛阳惠尔纳米科技优先公司共同在我们中心申报“纳米DNA 技术在教学中的应用“研究课题，经过了一年多的努力，目前我们已经开发了“真假羊肉鉴别”和“转基因植物的鉴定”两个实验方案，受到了学校教师和学生的欢迎。为了拓展该技术在教学中的应用，我们已经在浙江、河南洛阳举办了培训班，今年6月高考之后在北京市举办了全市范围的生物教师培训班，之后朝阳区专门举办了两期针对该区教师的培训班。同时，为了更好利用该技术，我们准备吸纳有条件和兴趣的学校作为课题学校，开展课题研究，共同促进新技术应用，提升生物实验水平，为培养高素质人才奠定基础。

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1微米=1000纳米 细胞：10-100微米

DNA：直径2纳米，碱基距离是3.4，一个螺距是34纳米。

比表面积

比表面积是单位质量物料所具有的总面积，是衡量催化剂、吸附剂的重要指标。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dx8o.html