新型纳米磁性复合材料

中国科技网讯 据俄罗斯科技网近日报道，莫斯科国立大学精细化工技术学院、俄罗斯科学院生化物理研究所和化学物理问题研究所的三个顶尖科研小组宣布，他们利用光敏配合基和硒化镉，成功合成了一种光控纳米复合材料。这种复合材料的性能可以通过改变特定波长的光照射而发生变化，可用于“智能”光敏控制设备。相关论文发表在《俄罗斯纳米技术》杂志上。 通过光线照射使光敏配合基的性能发生有针对性的变化，这是当前非常热门的研究领域。通常，这一研究领域的成果将有助于建立一些智能设备的原型，如分子光开关、光控逻辑模块、检测离子的传感器设备等等。研制出的最终产品将应用于生物信息学、纳米医学和其他一些应用科技领域。 科学家们成功地将配合基分子固定在硒化镉纳米粒子的表面，从而形成了复合连接。其中无机纳米硒化镉（科学家称之为量子点）具有荧光控制的特点。所谓荧光控制，是指一些原子和分子具有吸收较高能量的光子，然后释放能量较低光子的特殊能力，例如一些荧光染料，它们能够吸收太阳辐射出的不可见紫外线，然后自身发出可见光。这种光线的颜色很饱和，我们在舞厅里常常会看见这种荧光灯发出的光芒。硒化镉量子点的荧光特性毫不逊于有机荧光分子，后者在生物学和医学上广泛得以使用。例如，量子点发出的波长取决于纳米粒子的大小，通过改变纳米粒子的大小就可以指定它们发出波长的频谱区域，这一特性有助于建立具有良好灵敏度和清晰度的单分子光敏系统，其在纳米级无机量子点的研究中被广泛应用。 在此项研究中，科学家使用一个直径为3.7纳米的硒化镉粒子，这种纳米粒子尤其善于吸收最大波长为585纳米的可见光。光敏配合基根据光的影响而改变其配置能力，进而改变硒化镉量子点的荧光光谱和大小。在原始复合材料中可明显观察到波长598纳米的量子点荧光。用短波照射复合材料后，材料的配置发生变化，开始发出波长为670纳米的荧光。如果把复合材料放置在黑暗中或用可见光照射一段时间，配合基分子会自动恢复到原始状态，而复合材料也趋于最初的荧光特点。基于此原理，他们获得了这种通过改变特定波长的光照射来控制属性的复合材料。此外，这种变化是可逆的，复合材料可以很容易地返回到其原始状态。这一研究结果对构建光敏智能控制系统原型具有良好前景，可用于特殊领域的光敏开关。(记者 曲键） 《科技日报》（2012-05-26 二版）

以磁性粒子为吸附剂的磁固相萃取（MSPE）是一种新的SPE模式，已经在分析领域显示了巨大的优势。由于吸附剂充分分散到样品溶液中，MSPE大大增加了吸附剂与目标分析物的接触面积，便于分析物的传质。而且，在外加磁场的作用下，富集了目标分析物的磁性吸附剂能很快从大体积的样品溶液中分离出来。因而，MSPE远比传统的SPE简便、经济、高效。碳纳米管（CNTs）是1991年发现的一种新型材料，根据纳米管壁碳原子的层数，可分为单壁碳纳米管（SWCNTs）和多壁碳纳米管（MWCNTs）。由于具有纳米级别的中空管状结构和巨大的比表面积，CNTs能强烈吸附某些重金属离子和有机化合物。最近的研究发现，强酸处理能增大CNTs的比表面积，并产生羧基等官能团，因而形成更亲水的表面，有利于吸附极性分子。

磁性纳米粒子/磁性纳米颗粒（Magnetic Nanoparticles, MNPs）是近年来发展迅速且极具应用价值的新型材料，在现代科学的众多领域如生物医药、磁流体、催化作用、核磁共振成像、数据储存和环境保护等得到越来越广泛的应用。 在科学家、工程师、化学家和物理学家的共同努力下，纳米技术使得生命科学和健康医疗领域在分子和细胞水平上取得很大的进展。磁性纳米粒子是纳米级的颗粒，一般由铁、钴、镍等金属氧化物组成的磁性内核及包裹在磁性内核外的高分子聚合物/硅/羟基磷灰石壳层组成。最常见的核层由具有超顺磁或铁磁性质的Fe3O4或γ-Fe2O3制成，具有磁导向性（靶向性），在外加磁场作用下，可实现定向移动，方便定位和与介质分离。最常见的壳层由高分子聚合物组成，壳层上偶联的活性基团可与多种生物分子结合，如蛋白质、酶、抗原、抗体、核酸等，从而实现其功能化。因此磁性纳米粒子兼具磁性粒子和高分子粒子的特性，具备磁导向性、生物兼容性、小尺寸效应、表面效应、活性基团和一定的生物医学功能。 由于其独特的物理、化学特性，磁性纳米粒子可以简化繁琐复杂的传统实验方法，缩短实验时间，是一种新型的高效率的试剂。目前，磁性纳米粒子在生物医药方面主要应用在磁性分离、磁性转染、核酸/蛋白质/病毒/细菌等的检测、免疫分析、磁性药物靶向、肿瘤热疗、核磁共振成像和传感器等。下文将具体介绍磁性纳米粒子的性质及在生物医学领域的主要应用， 并列出对应于不同应用的具体产品。 磁性纳米粒子的性质 磁性纳米粒子有一系列独特而优越的物理和化学性质。随着合成技术的发展，已成功生产出一系列形状可控、稳定性好、单分散的磁性纳米粒子。磁性纳米粒子具有的磁性使其易于进行富集和分离，或进行定向移动定位。磁效应由具有质量和电荷的颗粒运动形成。这些颗粒包括电子、质子、带正电和负电的离子等。带电颗粒旋转产生磁偶极，即磁子。磁畴指一个体积的铁磁材料中所有磁子在交换力的作用下以同一方向排列。这个概念将铁磁与顺磁区别开来。铁磁性材料有自发磁化强度，在无外加磁场时，也具有磁性。铁磁材料的磁畴结构决定磁性行为对尺寸大小的依赖性。当铁磁材料的体积低于某个临界值时，即成为单磁畴。这个临界值与材料的本征属性有关，一般在几十纳米左右。极小颗粒的磁性来源于基于铁磁材料磁畴结构的尺寸效应。这个结论的假设是铁磁颗粒在具有最低自由能的状态对小于某个临界值的颗粒有均匀的磁性，而对较大颗粒的磁性不均匀。前者较小颗粒称为单磁畴颗粒，后者较大的颗粒称为多磁畴颗粒。当单磁畴颗粒的直径比临界值更进一步降低，矫顽力变成零，这样的颗粒即成为超顺磁。超顺磁由热效应造成。超顺磁纳米粒子在外加磁场作用下具有磁性，而在外加磁场移除后不具有磁性。在生物体内，超顺磁颗粒只在有外加磁场时具有磁性，这使得它们在生物体内环境中具有独特优点。铁、钴、镍等晶体材料都有铁磁性，但由于氧化铁磁铁（Fe3O4）是地球上天然矿物中最具磁性的，且生物安全性高（钴和镍等材料具有生物毒性），因而在多种生物医学应用中，超顺磁形式的氧化铁磁性纳米粒子最常见。 铁磁流体(磁流体)是在外加磁场作用下变得具有很强磁性的液体，它是既具有磁性又具有流动性的新型功能材料。铁磁流体是由纳米级的铁磁或亚铁磁构成的胶体溶液，颗粒悬浮于载体溶液中，载体溶液通常为有机溶剂或水。纳米颗粒完全被表面活性剂包裹以防止聚合成团。铁磁流体通常在无外加磁场时不保持磁性，因而被归类为超顺磁。铁磁流体中的纳米粒子在正常条件下由于热运动不发生沉降。 球形颗粒的磁性纳米粒子的比表面积（表面积与体积之比）与直径成反比。对于直径小于0.1um的颗粒，其表面原子的百分数急剧增大，此时表面效应显著。颗粒直径减小，比表面积显著增大，同时表面原子数迅速增加。当粒径为1nm时表面原子数为完整晶粒原子总数的99%，此时构成纳米粒子的几乎所有原子都分布在表面上，在表面原子周围形成很多悬空键，具有不饱和性，易与其他原子结合形成稳定结构，表现出高化学活性。因此，固定目标分子/原子效率高。[font='