诊断技术：磁珠，充满魔力的子弹——磁珠的特性和制造？

现在让我们更详细地了解一下被称为超顺磁性的物理现象。超顺磁性是一种发生在足够小的铁磁或铁磁纳米粒子中的磁性。通常情况下，铁磁或铁磁材料在其居里温度以上会过渡到顺磁状态。

这种形式的磁性描述的行为，当材料被外部磁场吸引，并在材料中诱导出一个内部场，这是沿着应用场的方向定向的。顺磁性材料的特点是相对磁导率大于或等于1，由外加磁场在材料中诱发的磁矩相当弱。

超顺磁性在转变温度方面与顺磁性不同，因为它发生在材料的居里温度以下。

此外，纳米粒子是磁各向异性的基础：磁特性取决于方向。这意味着，磁矩倾向于沿着材料的易轴排列，而在各向同性的材料中，在没有外场的情况下，没有发现其磁矩的偏好方向。

由于纳米粒子的磁各向异性，磁矩通常有两个方向，沿易轴方向彼此反平行排列。这两个方向被一个能量屏障分开。在有限的温度下，磁化有一定的概率翻转并扭转其方向。

磁化方向在这两种状态之间随机翻转，有一个典型的弛豫时间，称为Néel弛豫时间。这个特征时间指数地取决于Néel-Arrhenius方程给出的项     

与材料的特定尝试周期0（通常在1-100ps的数量级）、磁各向异性系数K（J/m3）、样品体积V、玻尔兹曼常数

和绝对温度T。

铁磁或铁磁纳米粒子可以被类似于传统顺磁的外部磁场所磁化。在没有外部磁场的情况下，平均磁化为零。

超顺磁性能是样品操作的理想选择，因为通过外部磁场可以实现固定化和定向传输，而且通过简单地关闭磁场，可以很容易地将绑定在磁珠上的样品从固定化状态中释放出来，从而中断磁力作用。

超顺磁性的另一个优点是，在关闭或移除外部磁场后，超顺磁性珠子不会结块，因为没有永久磁化。

图1勾勒出一个多域结构、一个单域粒子和一个超顺磁性样品的磁性行为。根据Néel-Arrhenius方程，磁性行为指数地取决于磁性体积V（即颗粒大小）、磁性各向异性系数K（这是由材料决定的），以及样品的环境温度T。磁矩自发地翻转，以Néel弛豫N时间为特征周期。

图1. 具有(a)多域结构、(b)单域和(c)超顺磁特性的磁性样品的磁行为

根据它们的大小和磁性含量，通常由磁铁矿（Fe3O4）或磁铁矿（主要是在面心立方晶体改性γ-Fe2O3）组成，磁性纳米粒子具有超顺磁或铁磁行为。

图2比较了超顺磁性或铁磁性行为的特点。图2比较了球形磁性纳米粒子和微粒子的超顺磁和铁磁行为。图2a左图是一个具有磁性核心和非磁性涂层的球形纳米粒子，具有超顺磁特性。

中间相应的磁化环显示了超顺磁性纳米粒子集合的特征磁特性：既没有磁滞，也没有残余磁化，这是由曲线的零交叉点证明的。在图2a的右边，显示了一个在磁场H存在下的纳米粒子上层结构的示意图。

当磁场关闭时，上层结构会分解成单个颗粒。这归因于没有残余的磁化。在没有外部磁场的情况下，单颗粒之间不会发生相互作用。

图2b在左边表示一个球形磁性微粒子的示意图。中间相应的磁化环示意图说明了这种铁磁粒子集合的磁特性，其特点是有磁滞现象。残余磁化Mrem和饱和磁化Msat被指出。

在磁场H的存在下，一个微粒子的上层结构被创造出来，其外观呈链状，如图2b的右图所示。当磁场H被移除时，微粒子保持一个残余的磁矩。因此，超结构不会像图2a中右图所示的超顺磁性粒子那样分解，因为磁相互作用仍然存在。

图2. 超顺磁性和铁磁性粒子的比较，从左到右。

a)带有非磁性涂层的球形磁性纳米粒子的示意图（左），纳米级超顺磁性粒子集合的磁化环（中心），以及暴露于磁场H的纳米粒子上层结构和去除磁场后上层结构的分解（右）。

b) 球形磁性微粒子的示意图（左），铁磁性粒子集合体的磁化环（中心），以及在磁场中保持残余力矩的上层结构和磁场消除后的链状上层结构（右）。

当由磁各向异性系数乘以粒子体积KV所描述的磁能，即公式（1）中已知的磁能小于热能kBT的10倍时，单域磁性粒子就成为超顺磁性的：

在室温下，由铁制成的超顺磁性球形粒子的最大半径为6纳米。

对于其他磁性材料，表现出超顺磁性行为的极限是在3~50纳米的范围内。除了粒子的大小之外，施加的磁场和样品的环境温度也发挥了作用。磁化的大小与施加的磁场

成正比。这种比例关系随着温度的升高而降低。

对于一个恒定的磁场，磁化作用会随着温度的升高而降低。对于一个恒定的磁场，磁化程度大约与温度成反比。这种行为是由居里定律描述的。

磁化M、磁感应强度B、绝对温度T和C是一个特定的材料常数，称为居里常数，专门用于纪念玛丽·居里。温度的增加导至原子的热激荡增加。这破坏了原子沿磁场的排列。因此，磁性材料的磁化程度下降。

暴露在外部磁场中的流体中的磁性粒子会受到各种力量的影响。最重要的是流体力学阻力或粘性力，以及外部磁场对粒子施加的磁力。

为了能够通过磁场来操纵颗粒，磁力必须超过流体的粘性流动所造成的力。在设计各自的微流控系统时，必须考虑这一点。粘性力Fv可以按照基于斯托克定律的公式计算。          

本部分内容介绍了纳米粒子和磁珠的制造方法，然后指出了相关的挑战。随着磁珠的推广应用，作为磁珠前体的磁性纳米粒子的属性调整能力变得更加重要。设计标准，如尺寸、涂层和表面功能化必须得到适当的调整和满足。

Veiseh等人介绍了影响体内磁性纳米粒子性能的设计参数，涵盖了纳米粒子表面改性和物理化学特性，而Park等人展示了制造具有可调控尺寸、磁性能和表面结合能力的磁性纳米粒子的基础知识。

他们展示了具有特定核壳纳米结构的金涂层磁性纳米粒子的制造，用于蛋白质固定化。可以合成尺寸在5~100nm范围内可控的氧化铁（Fe2O3和Fe3O4）纳米颗粒，并表现出高的单分散性。

最后，Park的研究小组通过磁场演示了表面蛋白结合的反应性和分离的典范，用于生物测定。

Zhao等人描述了具有磁性核心的介孔硅壳纳米球的合成，其特点是均匀的颗粒直径约为270纳米。由于其介孔结构，硅壳提供了一个高的表面积，适合于药物输送和分离应用的样品附着。

纳米球结合能力的效率通过布洛芬的捕获和释放得到了示范性的体现。Kim等人制备了含有金涂层的氧化铁（Fe3O4）的二氧化硅纳米球，用于磁共振成像和癌症治疗。通过聚乙二醇（PEG）连接剂，一个特定的抗体被连接到纳米球表面，使其能够特定地捕获癌细胞。

Ito等人提出基于磁力的组织工程，其基本思想是磁铁矿纳米颗粒被相应的目标细胞所吸收，研究了两种类型的组织：泌尿组织和血管组织。并为了证明这一概念，通过磁力创建了管状组织结构。

Thanh[21]介绍了在基质中嵌入磁性纳米粒子以创建顺磁微珠的三种形式。这些变化以其外观命名为“水果蛋糕”（磁性纳米粒子均匀地分布在基体中）、“橘子皮”（粒子靠近珠子表面排列）和“李子蛋糕”（粒子集中在珠子中心）。图3示意性地展示了这三种类型的纳米粒子嵌入非磁性基体的情况。

图3. 在非磁性球形基体中嵌入纳米粒子的变化，产生了超顺磁珠。珠子，从左到右。(a)水果蛋糕，(b)橘子皮（横截面），和(c)李子蛋糕一样的磁性纳米粒子的分布。

磁珠的制造在很大程度上已经被研究和理解。尽管如此，在合成磁性纳米粒子方面仍有一些挑战需要应对。一个重要的任务是实现统一的尺寸和形状。此外，制造的颗粒在磁性和化学性质方面的均匀性不仅是科学结果的可重复性的前提，也是商业化的前提。

此外，在生物医学应用中使用的磁性颗粒应该是水分散性的。这意味着它们应该具有亲水的表面涂层。它们的表面应该适合于特定的样品功能化，在大多数应用中必须具有生物相容性。

Jing等人使用了一种简单的一步反向沉淀法，利用具有生物相容性的柠檬酸钠盐合成水分散性、生物相容性和羧酸盐功能化的超顺磁性磁铁矿（Fe3O4）纳米颗粒。

透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、Zeta电位测量和动态光散射（DLS）被用于表征所制备的磁铁矿纳米颗粒。

通过在25~125mM的范围内改变柠檬酸钠的浓度，磁铁矿纳米颗粒的大小可以从27±3.8到4.8±1.9 nm进行调整。Jing等人发现，柠檬酸钠浓度对制造的磁铁矿纳米颗粒的水分散稳定性有影响。这种影响归因于颗粒之间的静电排斥效应。

Colombo等人对磁性纳米粒子的最佳粒径的讨论一直是一个争议点。必须在大磁矩和生物相容性之间找到一个折中点，前者与较大的颗粒有关，后者在颗粒过小时变得至关重要。

根据作者的观点，铁素体纳米颗粒的最佳尺寸是在10纳米（相当于所考虑的材料在室温下的超顺磁性尺寸极限）和约70纳米（即临界域尺寸）之间。对各种磁性纳米粒子的特性进行了比较，并评估了表面功能化的方法，包括其对生物结合的适用性。

现在，市场上有大量的磁珠，它们具有很大的多样性，可用于不同的应用。这些商业磁珠的主要用途是结合、纯化和磁性分离生物大分子，包括蛋白质、细胞、DNA片段和其他生物大分子，如核酸、酶、抗体或细菌。

在广泛的可购买的珠子中，市面上也存在一种数字条码磁珠,这类磁珠旨在显著提高分子诊断的分离和识别能力。这对于高通量应用或多重检测尤其重要。数字光学条码在磁珠上以光刻方式生成，磁珠的表面涂层能够特异性地结合核酸、蛋白质或其他感兴趣的生物分子。

检测方面的一个长期挑战是要有足够的检测工具和方法，因为磁性检测信号是随着样品中的磁性体积而缩放的，而在磁珠的情况下，磁性体积非常小。

超导量子干涉装置（SQUIDs）通常用于高精度测量磁性纳米粒子产生的极小的磁场变化。除了SQUIDs之外，还使用了磁阻（MR）传感器或霍尔传感器。在Thanh的书中，对这些方法进行了列表式的概述。

然而，检测接近零的场强的能力并不能确保样品中的所有颗粒都被记录下来：例如，在免疫分析中用作标签的超顺磁性珠子就存在这样的问题：大量的珠子通过感应区而没有被检测到。

为了解决这个问题，已经开发了各种采用磁力、超声波驻波、甚至流体力学效应的解决方案。Eickenberg等人对这些方法进行了更详细的描述，并提出了一个新的传感器概念，以规避之前指出的问题。

这个新概念是基于在含有磁性纳米颗粒的凝胶中发现的颗粒状巨磁电阻（GMR）效应。其原理如下：凝胶表面的抗体与流体样品中的珠子表面的抗原结合。磁珠的杂散场通过颗粒状的GMR效应改变了凝胶的电阻，使结合的磁珠得到检测和定量。

在一篇关于磁粒子传感的评论中，Takamura等人报告了一种通过柱状粒子排列检测200纳米以下磁粒子的方法。Llandro等人在磁性生物传感器的应用领域中描述了用于检测磁性标签的各种传感器类型的物理概念。

本文也讨论了磁性基质的生物相容性。这一概述表明，现在有各种方法和工具，但对产生的极弱场的检测，但这种小尺寸的颗粒仍然是一个挑战，刺激了磁性检测的进一步和新的发展。

胶体纳米晶体被应用于各种科学领域。其中包括生物学、医学、新的诊断方法和工具的开发、药物输送、成像，直至物理学和工程学以及能源转换和储存的新设备。它们可能配备了多功能特性，以扩大其适用范围或使其使用更有效率。

这种纳米晶体的特性的控制是通过在化学合成过程中对其尺寸、形状和组成的设定以及对其有机涂层的仔细选择来进行的。Chen等人报告了控制铂金纳米晶体的形状和形态以提高其催化活性和电催化性能的方法。

意大利莱切的纳米科学研究所和意大利热那亚的意大利技术研究所的科学家们用磁性纳米粒子（负责磁性）、量子点（用于珠子的发光功能）和两亲聚合物的混合物合成了三功能聚合物纳米珠。

可以检测到随着量子点浓度的增加，纳米珠的发光也会增加。这对成像应用是很重要的。磁性纳米粒子在珠子内的分布以及因此在磁场中系统的磁性反应速度可以通过调整不稳定剂来调整。

作为不稳定剂，可以使用水或乙腈。除了磁性和发光之外，第三个功能是由特定的表面涂层提供的。通过在珠子上涂抹叶酸，可以将过量表达叶酸受体的癌细胞作为目标。癌细胞对纳米颗粒的摄取量增加被归因于叶酸受体的过度表达。

Bigall等人提出了具有混合功能的胶体纳米晶体，它至少结合了以下两种特性：荧光、磁性和质子。表面质子是在两种材料的界面上发现的脱域电子振荡，由光与某些电介质材料的相互作用产生。它们对材料的光学特性有影响。

如图4所示，提供具有混合功能的纳米晶体的可能性，为生物技术和医学的应用开辟了一个广阔的领域。

图4. 制备双功能和三功能纳米物体的特性及其双边互动。