.聚集和表面分子吸附对磁性纳米粒子交流磁化率的影响

.聚集和表面分子吸附对磁性纳米粒子交流磁化率的影响 四川网 www.tianyanet.com 作者:庄克虎,王春雨,张宇,顾宁 【摘要】 目的:研究聚集和表面分子吸附对磁性纳米粒子交流磁化率的影响,为发展基 于磁性纳米粒子磁化率测量的生物传感方法提供依据。方法:用透射电子显微镜及振动样品 磁强计分别对磁性纳米粒子的磁核粒径、磁性特征进行测量,利用实验室自建的交流磁化率测 量装置,对在不同聚集状态和表面吸附抗原、抗体等生物分子后磁性纳米粒子的交流磁化率谱 进行测量。结果:透射电子显微镜测量表明,实验所用氧化铁纳米粒子平均磁核直径10 nm, 但是由于溶液中粒子之间的磁偶极相互作用而以聚集体的形式存在,表现出较大的水动力尺 寸及其分布。振动样品磁强计测量表明,氧化铁纳米粒子的饱和磁化强度为61.43 emu?g-1。 交流磁化率谱测量表明,随着氧化铁纳米粒子在溶液中水动力尺寸的增加,即聚集体尺寸的增 加,磁化率谱中对应的磁动力学特征频率减小,与理论预示一致。当缓冲溶液中磁性纳米粒子 表面吸附IgG以及进一步结合羊抗人IgG后,磁动力学特征频率逐渐降低,这与表面吸附导致 的水动力尺寸逐渐增加的结果是一致的。结论:溶液中磁性纳米粒子的聚集状态和生物分子 吸附对其交流磁化率谱有较大的影响,主要表现为粒子的水动力尺寸增加所导致的磁动力特 征频率发生移动。基于磁性纳米粒子的磁动力特征频率的变化,可望发展成为一种研究磁性纳 米粒子表面生物分子相互作用的生物传感方法。 【关键词】 磁性纳米粒子; 交流磁化率; 聚集; 表面吸附; 生物传感 ,Abstract, Objective:To investigate the effect of aggregation and surface molecular adsorption on AC susceptibility of magnetic nanoparticles,which will provide a basis for bio sensing based on AC magnetic susceptibility measurement.Methods:Using transmission electron microscopy and vibrating sample magnetometer, the magnetic nanoparticles magnetic core size,magnetic characteristics were measured respectively.Using self built AC susceptibility measuring device,magnetic nanoparticles,with different aggregation states and surface adsorption of antigen,antibody and other bio molecules,susceptibility spectra were measured.Results:TEM study showed that the magnetic nanoparticles have a magnetic core size of about 10 nm.Because the magnetic dipole interaction between nanoparticles,the particles exist in the form of aggregates and show a larger hydrodynamic size distribution.VSM measurement showed that the saturation magnetization(Ms) was about 61.43 emu?g-1.AC magnetic susceptibility spectrum measurement showed that with the hydrodynamic size increases of nanoparticles in the solution,that was, the size increase of the aggregates,the characteristic frequency decreases of the AC magnetic susceptibility spectra,which was consistent with the theory.The study also indicated that when magnetic nanoparticles adsorbed IgG and subsequently conjugated goat anti human IgG,the magnetodynamic characteristic frequency gradually decreased,which was consistent with the result of the increase in hydrodynamic size.Conclusions:The magnetic nanoparticle aggregation and surface 四川网 www.tianyanet.com biological molecule adsorption in solution affect strongly AC magnetic susceptibility spectrum,i.e.,change the magnetodynamic characteristic frequency,resulting from the increase of nanoparticles hydrodynamic size.Based on the magnetic nanoparticles magnetodynamic characteristic frequency changes, so,it is expected to develop into a biological detection method to sense biological molecule interactions on the surface of magnetic nanoparticles. ,Key words, magnetic nanoparticles; AC magnetic susceptibility; aggregation; surface adsorption; bio sensing 磁性纳米粒子在细胞磁分离,1,、磁靶向药物输运,2,、生物传感,3-4,、磁共振成像 (MRI),5-6,及磁感应肿瘤热疗,7-10,等生物医学方面的应用已得到了广泛和深入的研究。 其中,基于磁性纳米粒子丰富的磁学特性进行生物传感方法的设计和应用是一个重要和快速 发展的领域,11,。利用抗体等特异性生物分子探针修饰磁性纳米粒子构建磁标签,并对靶分 子(或细胞)进行识别和标记,然后利用对磁标签敏感的技术进行测量,即可实现对磁标签所标 记的生物结合事件进行检测和传感。这些磁敏感技术包括MRI,12,、超导量子干涉仪(SQUID) ,13,以及基于其他磁学效应或特性(如各向异性磁阻抗等,14,)的磁场传感器。发展这样 的生物检测和传感平台已经成为目前研究的热点,并且它们在灵敏性、特异性、定量性和检测 敏感部位)进行复杂的 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 和结构设速度上已经展示出许多优势,但是它们需要对传感元件( 计,是一种基底上的(substrate based)检测方法。这里我们将探索一种新的无基底 (substrate free)的传感方法,它能够传感溶液中的包含磁标签的生物分子结合事件。磁化 率是描述物质磁化性质的重要物理量。根据物质结构的电子理论可以证明,物质的磁化率与其 微观结构有十分密切的关系。因此,测定物质磁化率,可以获得物质微观结构的许多信息。随 着磁性纳米粒子在生物传感及生物医学方面的应用,基于其磁动力特征的研究也越来越广泛。 1 材料和方法 1.1 材料与试剂 γ Fe2O3纳米粒子及2,3 二巯基丁二酸(DMSA)修饰的γ Fe2O3纳米粒子(DMSA@γ Fe2O3)由江苏省生物材料与器件重点实验室王春雨同学根据我们研究组先前报道,15-16, 的方法制备得到。硼酸盐缓冲溶液由19.07 mg?ml-1四硼酸钠溶液和19.07 mg?ml-1硼酸 溶液按4?1比例混合而成,pH=9.0。IgG及羊抗人(goat anti human,GAH)IgG购自南京凯基 生物科技发展有限公司,使用时浓度稀释为1 mg?ml-1。实验用水为超纯水(艾科普超纯水机 提供)。 1.2 方法 1.2.1 表征测量 四川网 www.tianyanet.com 磁性纳米粒子磁核尺寸测量使用透射电子显微镜(TEM)(南京大学分析测试中心,仪器型号为JEM 200CX);水动力尺寸测量使用光子相关光谱仪(PCS)(东南大学生物电子学国家重点实验室,仪器型号为N4 Plus);磁性测量使用振动样品磁强计(VSM)(东南大学生物电子学国家重点实验室,仪器型号为Lake Shore 7400);磁化率测量采用实验室自建的交流磁化率测量仪,所用锁相放大器为美国斯坦福研究系统的双通道数字锁相放大器SR830(图1)。 图1中所用线圈组合中原线圈的匝数为75匝,副线圈的匝数为48匝。原线圈的规格是Φ20 mm×100 mm,每个副线圈的规格是Φ10 mm×15 mm。样品放置在线圈组合装置的副线圈的正中央。所采用的激发信号是由锁相放大器的正弦(SINE OUT)端提供的,通过锁相放大器上的双通道(CH1、CH2)输出来到检测信号。 1.2.2 基于磁性纳米粒子交流磁化率测量进行生物传感的理论与方法 溶液中磁性纳米粒子的交流磁化率χ包含两部分:实部磁化率χ′和虚部磁化率χ″,17,,χ=χ′+i χ″德拜理论对磁性纳米粒子交流磁化率的频率依赖关系可以描述为:χ(ω)=χ0/(1+iωτ),其中χ0为直流磁化率。实部磁化率χ′和虚部磁化率χ″可以表示为:χ′=χ0/1+(ωτ)2，χ″=χ0ωτ/1+(ωτ)2其中,τ是纳米粒子在溶液中的弛豫时间,ω=2πf为角频率, f为圆频率。当ωτ=1时,磁化率的虚部部分出现一个最大值。χ″,ω谱的峰值频率ωchar=1/τ，为溶液中纳米粒子磁弛豫过程的特征频率。 分散在溶液中的磁性纳米粒子磁化后,一般通过两种机制进行弛豫:Brownian弛豫和Néel弛豫。一般来说,有效弛豫取决于两种弛豫机制的结合。但是,依赖于使用的磁性纳米粒子的尺寸,其中一种机制将起支配作用。 当磁性纳米粒子具有较大尺寸或在溶液中存在聚集体时,Brownian弛豫是支配的机制,18,。这种情况下,Brownian弛豫时间为:τB=4πr3η/κBT这里,r为纳米粒子的水动力半径,η为溶液的粘滞系数,κB为波尔兹曼常数,T为溶液的绝对温度。可见Brownian弛豫时间τB与r3成正比,对应的Brownian弛豫特征频率ωB=1/τB,与r3成反比。这样,一旦靶分子(如抗原)被结合到磁标签(抗体标记的磁性纳米粒子)上,增加的水动力半径将导致Brownian弛豫特征频率以r3关系减小,并且靶分子越大,ωB减小越多。同样溶液中磁性纳米粒子的聚集也会导致ωB减小。 在交流磁化率的测量实验中,常用的方法是认为锁相放大器的两个通道上的输出电压就是磁性液体交流磁化率的实部磁化率和虚部磁化率,19,。即:V=V′+i×V″,χ=χ′+i×χ″ V′=χ′,V″=χ″ 2 结果 2.1 γ Fe2O3纳米粒子的TEM表征 图2显示:氧化铁纳米粒子磁核接近球形,平均尺寸为10 nm;DMSA修饰后的氧化铁纳米 四川网 www.tianyanet.com 粒子表示了同样的结果。这说明表面修饰没有改变磁性纳米粒子的磁核尺寸。我们注意到,有机小分子DMSA由于在电镜下衬度低,因此,观察不到粒子表面修饰层的存在。 2.2 磁性测量 图3显示:表面修饰DMSA后,氧化铁纳米粒子的饱和磁化强度为53.53 emu?g-1(a),与 -1(b)相比略有降低,这是由于样品中非磁性有机分子的存在,使修饰之前的值61.43 emu?g 得单位质量样品的磁化强度有所降低,20,。γ Fe2O3与DMSA@γ Fe2O3磁性纳米粒子的矫顽力分别为0.25O e和0.14O e,表明样品接近超顺磁性。理论上,具有10 nm磁核尺寸的磁性氧化铁纳米粒子已经达到超顺磁尺寸,具有零矫顽力,21,。样品中微小矫顽力的存在可能是由于粒子间聚集体的存在。 2.3 聚集和表面分子吸附对磁性纳米粒子水动力尺寸的影响 见表1、2。表1 γ Fe2O3及解胶前、后DMSA@γ Fe2O3纳米粒子在水溶液中(pH=7)的水动力平均直径(D)(略) 表2 DMSA@γ Fe2O3纳米粒子在pH 9.0硼酸盐缓冲溶液及依次加入IgG和GAH IgG后的水动力平均直径(略) 一般大 溶液中纳米粒子水动力尺寸是指包括表面有机物壳层和水化层在内的总的尺寸,于纳米粒子核尺寸。用光子相关光谱仪(PCS)测量了γ Fe2O3与DMSA@γ Fe2O3磁性纳米粒子在水溶液中的水动力平均直径(D),结果如表1所示。可以看到,表面修饰前γ Fe2O3纳米粒子的水动力平均直径为92 nm,远大于TEM所测得的平均磁核尺寸(10 nm)。解胶前DMSA@γ Fe2O3磁性纳米粒子的水动力直径为110 nm,大于γ Fe2O3纳米粒子的水动力直径(92 nm),这一方面是由于聚集效应,另一方面还归于表面DMSA修饰层的贡献。解胶后,DMSA@γ Fe2O3纳米粒子的水动力平均直径减小为75 nm。 DMSA@γ Fe2O3磁性纳米粒子在硼酸盐缓冲溶液以及依次加入IgG和GAH IgG后,磁性纳米粒子的水动力直径发生了变化。从表2可以看到,DMSA@γ Fe2O3磁性纳米粒子在硼酸盐缓冲溶液中平均水动力直径为78 nm,略大于水溶液中的水动力尺寸(75 nm)。当在含有DMSA@γ Fe2O3磁性纳米粒子的硼酸盐缓冲溶液中加入IgG后,磁性纳米粒子的水动力直径变为88 nm,进一步加入GAH IgG后,磁性纳米粒子的水动力直径继续增加,变为136 nm。 2.4 聚集和表面分子吸附对磁性纳米粒子交流磁化率的影响 见图4。 图4表示了γ Fe2O3及解胶前后DMSA@γ Fe2O3磁性纳米粒子在水溶液中的交流磁化率谱，实线表示对实验数据的理论拟合。由图4可知,3种不同的磁性纳米粒子交流磁化率 四川网 www.tianyanet.com 的虚部依次在142 Hz(a)、119 Hz(b)以及160 Hz(c)处出现一峰值,即Brownian弛豫特征频率先减小再增加。这与表1所示相同条件下水动力尺寸先增加再减小一致,符合理论预示结果。 转贴于 233网校 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 中心 上一页1 2下一页 下一篇:CO2激光外翻式“V”形全层包皮环切术8980例临床分析 解胶后DMSA@γ Fe2O3磁性纳米粒子在pH9.0的硼酸盐缓冲溶液中(纳米粒子浓度为0.6 mg?ml-1)以及依次加入IgG(终浓度为0.1 mg?ml-1)和GAH IgG(终浓度为0.1 mg?ml-1)后的交流磁化率随频率的变化关系见图5。图5表明,对应的Brownian弛豫特征频率依次为150、140和100 Hz左右。这与表2所示相同条件下水动力尺寸逐渐增加一致,符合理论预示结果。 3 讨论 本研究观察了聚集和表面分子吸附对磁性纳米粒子交流磁化率的影响,主要研究了Brownian弛豫特征频率ωB与溶液中磁性纳米粒子聚集和表面吸附的关系,以期通过磁化率测量来传感磁性纳米粒子聚集和表面分子吸附的事件。这里,ωB=κBT/4πr3η特征频率ωB与溶液中磁性纳米粒子的水动力学半径成3次方反比关系。因此,溶液中磁性纳米粒子的聚集和表面生物分子吸附主要通过对水动力尺寸的改变来影响其特征频率。本研究同时采用光子相关光谱仪对溶液中磁性纳米粒子的水动力尺寸进行测量来加以验证。 TEM研究表明,γ Fe2O3及DMSA@γ Fe2O3磁性纳米粒子的平均磁核直径为10 nm,而用PCS测量得到的水动力平均直径远大于纳米粒子的平均磁核尺寸,粒子表面的水化层不可能导致如此大的水动力尺寸,因此,纳米粒子以一定尺寸分布的聚集体的形式存在于溶液中。一般来说,磁偶极相互作用和范德瓦尔兹力是导致这种聚集的原因,22,。通过合适的表面修饰(包括物理吸附和化学吸附),在表面引入更多的电荷和有机分子阻挡层可以改善这种聚集。DMSA分子具有双巯基和双羧基结构,其化学吸附到γ Fe2O3纳米粒子表面,使得在粒子表面上引入较多的羧基基团—COOH。通过解胶,即用碱来解离羧基上的氢,可以使粒子表面带上更多的负电荷,从而通过粒子间的静电排斥使纳米粒子变得更分散,水动力尺寸得到降低。解胶前DMSA@γ Fe2O3磁性纳米粒子的水动力直径为110 nm,大于γ Fe2O3纳米粒子的水动力直径,这一方面是由于聚集效应,另一方面还归于表面DMSA修饰层的贡献。解胶后,DMSA@γ Fe2O3纳米粒子的水动力平均直径减小为75 nm,这与前述分析相一致。解胶后的DMSA@γ Fe2O3纳米粒子由于具有更小的水动力尺寸和更高的表面电荷,使得其在水溶液中更加稳定,即使在离子强度较高的缓冲溶液(如pH=9.0硼酸盐缓冲溶液和pH=6.0柠檬酸缓冲溶液)中也表现出很好的稳定性,这为进一步研究在缓冲溶液中粒子表面吸附抗原、抗体的结合事件提供了保证。 磁性纳米粒子由于聚集以及表面生物分子吸附导致其水动力直径的变化为交流磁化率的 四川网 www.tianyanet.com 测量提供了前提,因为交流磁化率谱峰的特征频率与粒子的水动力尺寸有3次方反比关系。通 过对解胶后DMSA@γ Fe2O3(D=75 nm),γ Fe2O3纳米粒子(D=92 nm)及解胶前DMSA@γ Fe2O3(110 nm)磁性纳米粒子交流磁化率的测量,得到交流磁化率谱峰的特征频率依次出现在 160 Hz、142 Hz及119 Hz处,表现出与理论一致的关系。为了进一步研究表面分子吸附对磁 性纳米粒子交流磁化率的影响,我们还测量了分散在pH 9.0的硼酸盐缓冲溶液中的磁性纳米 粒子以及依次加入IgG和GAH IgG后的交流磁化率,其谱峰特征频率依次出现在150、140及 与对应的水动力直径(78、88和136 nm)相对应,符合理论关系。这里,磁性纳米100 Hz左右, 粒子作为溶液中的磁敏感探针,能够灵敏地反映其表面上生物分子吸附及特异性识别的事件, 为发展新的生物传感方法提供了思路。 这种传感方法优点在于在交流磁化率的测量中不受游离的抗原及抗体等生物分子的影响, 在检测过程中不需要后续的分离和洗涤处理,磁化率测量设备易于搭建,成本低,因此该方法 具有更强的实用性。另外一些可以预见的优势是,该方法可以区分不同大小的生物分子在纳米 粒子表面的吸附,以及生物分子诱导的特异性磁性纳米粒子聚集。 当所测磁性液体的粘滞系数及绝对温度等因素不变时,磁化率谱特征频率的变化只与磁 性纳米粒子的水动力尺寸及尺寸分布有关。窄的粒子尺寸分布能够降低磁化率谱的宽度,从而 可进一步增加检测的灵敏度。因此,选择单分散磁性纳米粒子做为磁敏感探针,将有望大大提 高此生物传感方法的检测精度。 【参考文献】 ,1, WILSON R J,WEI H U,CHERYL WONG PO FU,et al.Formation and properties of magnetic chains for 100 nm nanoparticles used in separations of molecules and cells ,J,.J Magn Magn Mater,2009,321(10):1452 1458. ,2, NEUBERGER T,SCH PF B,HOFMANN H,et al.Superparamagnetic nanoparticles for biomedical applications:possibilities and limitations of a new drug delivery system ,J,.J 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