聚集和表面分子吸附對磁性納米粒子交流磁化率的影響

1、聚集和表面分子吸附對磁性納米粒子交流磁化率的影響 11-03-25 11:31:00 編輯：studa20 作者：莊克虎,王春雨,張宇,顧寧 【摘要】 目的：研究聚集和表面分子吸附對磁性納米粒子交流磁化率的影響,為發(fā)展基于磁性納米粒子磁化率測量的生物傳感方法提供依據(jù)。方法：用透射電子顯微鏡及振動樣品磁強計分別對磁性納米粒子的磁核粒徑、磁性特征進行測量,利用實驗室自建的交流磁化率測量裝置,對在不同聚集狀態(tài)和表面吸附抗原、抗體等生物分子后磁性納米粒子的交流磁化率譜進行測量。結(jié)果：透射電子顯微鏡測量表明,實驗所用氧化鐵納米粒子平均磁核直徑10 nm,但是由于溶液中粒子之間的磁偶極相互作用而以聚集體的

2、形式存在,表現(xiàn)出較大的水動力尺寸及其分布。振動樣品磁強計測量表明,氧化鐵納米粒子的飽和磁化強度為61.43 emug-1。交流磁化率譜測量表明,隨著氧化鐵納米粒子在溶液中水動力尺寸的增加,即聚集體尺寸的增加,磁化率譜中對應(yīng)的磁動力學(xué)特征頻率減小,與理論預(yù)示一致。當(dāng)緩沖溶液中磁性納米粒子表面吸附IgG以及進一步結(jié)合羊抗人IgG后,磁動力學(xué)特征頻率逐漸降低,這與表面吸附導(dǎo)致的水動力尺寸逐漸增加的結(jié)果是一致的。結(jié)論：溶液中磁性納米粒子的聚集狀態(tài)和生物分子吸附對其交流磁化率譜有較大的影響,主要表現(xiàn)為粒子的水動力尺寸增加所導(dǎo)致的磁動力特征頻率發(fā)生移動?；诖判约{米粒子的磁動力特征頻率的變化,可望發(fā)展成為

3、一種研究磁性納米粒子表面生物分子相互作用的生物傳感方法。 【關(guān)鍵詞】 磁性納米粒子； 交流磁化率； 聚集； 表面吸附； 生物傳感Abstract Objective:To investigate the effect of aggregation and surface molecular adsorption on AC susceptibility of magnetic nanoparticles,which will provide a basis for biosensing based on AC magnetic susceptibility measurement.Method

4、s:Using transmission electron microscopy and vibrating sample magnetometer, the magnetic nanoparticles magnetic core size,magnetic characteristics were measured respectively.Using selfbuilt AC susceptibility measuring device,magnetic nanoparticles,with different aggregation states and surface adsorp

5、tion of antigen,antibody and other biomolecules,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

6、a larger hydrodynamic size distribution.VSM measurement showed that the saturation magnetization(Ms) was about 61.43 emug-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,

7、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

8、,which was consistent with the result of the increase in hydrodynamic size.Conclusions:The magnetic nanoparticle aggregation and surface biological molecule adsorption in solution affect strongly AC magnetic susceptibility spectrum,i.e.,change the magnetodynamic characteristic frequency,resulting fr

9、om 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 magneti

10、c nanoparticles; AC magnetic susceptibility; aggregation; surface adsorption; biosensing磁性納米粒子在細(xì)胞磁分離1、磁靶向藥物輸運2、生物傳感3-4、磁共振成像(MRI)5-6及磁感應(yīng)腫瘤熱療7-10等生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用已得到了廣泛和深入的研究。其中,基于磁性納米粒子豐富的磁學(xué)特性進行生物傳感方法的設(shè)計和應(yīng)用是一個重要和快速發(fā)展的領(lǐng)域11。利用抗體等特異性生物分子探針修飾磁性納米粒子構(gòu)建磁標(biāo)簽,并對靶分子(或細(xì)胞)進行識別和標(biāo)記,然后利用對磁標(biāo)簽敏感的技術(shù)進行測量,即可實現(xiàn)對磁標(biāo)簽所標(biāo)記的生物結(jié)合事件進行檢

11、測和傳感。這些磁敏感技術(shù)包括MRI12、超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)13以及基于其他磁學(xué)效應(yīng)或特性(如各向異性磁阻抗等14)的磁場傳感器。發(fā)展這樣的生物檢測和傳感平臺已經(jīng)成為目前研究的熱點,并且它們在靈敏性、特異性、定量性和檢測速度上已經(jīng)展示出許多優(yōu)勢,但是它們需要對傳感元件(敏感部位)進行復(fù)雜的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計,是一種基底上的(substratebased)檢測方法。這里我們將探索一種新的無基底(substratefree)的傳感方法,它能夠傳感溶液中的包含磁標(biāo)簽的生物分子結(jié)合事件。磁化率是描述物質(zhì)磁化性質(zhì)的重要物理量。根據(jù)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子理論可以證明,物質(zhì)的磁化率與其微觀結(jié)構(gòu)有十分密切的關(guān)系。

12、因此,測定物質(zhì)磁化率,可以獲得物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的許多信息。隨著磁性納米粒子在生物傳感及生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用,基于其磁動力特征的研究也越來越廣泛。 1 材料和方法 1.1 材料與試劑 Fe2O3納米粒子及2,3二巰基丁二酸(DMSA)修飾的Fe2O3納米粒子(DMSAFe2O3)由江蘇省生物材料與器件重點實驗室王春雨同學(xué)根據(jù)我們研究組先前報道15-16的方法制備得到。硼酸鹽緩沖溶液由19.07 mgml-1四硼酸鈉溶液和19.07 mgml-1硼酸溶液按41比例混合而成,pH=9.0。IgG及羊抗人(goat anti human,GAH)IgG購自南京凱基生物科技發(fā)展有限公司,使用時濃度稀釋為1 m

13、gml-1。實驗用水為超純水(艾科普超純水機提供)。 1.2 方法1.2.1 表征測量磁性納米粒子磁核尺寸測量使用透射電子顯微鏡(TEM)(南京大學(xué)分析測試中心,儀器型號為JEM200CX)；水動力尺寸測量使用光子相關(guān)光譜儀(PCS)(東南大學(xué)生物電子學(xué)國家重點實驗室,儀器型號為N4 Plus)；磁性測量使用振動樣品磁強計(VSM)(東南大學(xué)生物電子學(xué)國家重點實驗室,儀器型號為Lake Shore 7400)；磁化率測量采用實驗室自建的交流磁化率測量儀,所用鎖相放大器為美國斯坦福研究系統(tǒng)的雙通道數(shù)字鎖相放大器SR830（圖1）。 圖1中所用線圈組合中原線圈的匝數(shù)為75匝,副線圈的匝數(shù)為48匝。

14、原線圈的規(guī)格是20 mm100 mm,每個副線圈的規(guī)格是10 mm15 mm。樣品放置在線圈組合裝置的副線圈的正中央。所采用的激發(fā)信號是由鎖相放大器的正弦(SINE OUT)端提供的,通過鎖相放大器上的雙通道(CH1、CH2)輸出來到檢測信號。1.2.2 基于磁性納米粒子交流磁化率測量進行生物傳感的理論與方法溶液中磁性納米粒子的交流磁化率包含兩部分：實部磁化率和虛部磁化率17,=+i 德拜理論對磁性納米粒子交流磁化率的頻率依賴關(guān)系可以描述為：()=0/(1+i),其中0為直流磁化率。實部磁化率和虛部磁化率可以表示為：=0/1+()2，=0/1+()2其中,是納米粒子在溶液中的弛豫時間,=2f為

15、角頻率, f為圓頻率。當(dāng)=1時,磁化率的虛部部分出現(xiàn)一個最大值。譜的峰值頻率char=1/，為溶液中納米粒子磁弛豫過程的特征頻率。 分散在溶液中的磁性納米粒子磁化后,一般通過兩種機制進行弛豫：Brownian弛豫和Nel弛豫。一般來說,有效弛豫取決于兩種弛豫機制的結(jié)合。但是,依賴于使用的磁性納米粒子的尺寸,其中一種機制將起支配作用。 當(dāng)磁性納米粒子具有較大尺寸或在溶液中存在聚集體時,Brownian弛豫是支配的機制18。這種情況下,Brownian弛豫時間為：B=4r3/BT這里,r為納米粒子的水動力半徑,為溶液的粘滯系數(shù),B為波爾茲曼常數(shù),T為溶液的絕對溫度?？梢夿rownian弛豫時間B與

16、r3成正比,對應(yīng)的Brownian弛豫特征頻率B=1/B,與r3成反比。這樣,一旦靶分子(如抗原)被結(jié)合到磁標(biāo)簽(抗體標(biāo)記的磁性納米粒子)上,增加的水動力半徑將導(dǎo)致Brownian弛豫特征頻率以r3關(guān)系減小,并且靶分子越大,B減小越多。同樣溶液中磁性納米粒子的聚集也會導(dǎo)致B減小。 在交流磁化率的測量實驗中,常用的方法是認(rèn)為鎖相放大器的兩個通道上的輸出電壓就是磁性液體交流磁化率的實部磁化率和虛部磁化率19。即：V=V+iV,=+i V=,V= 2 結(jié)果 2.1 Fe2O3納米粒子的TEM表征 圖2顯示：氧化鐵納米粒子磁核接近球形,平均尺寸為10 nm；DMSA修飾后的氧化鐵納米粒子表示了同樣的結(jié)

17、果。這說明表面修飾沒有改變磁性納米粒子的磁核尺寸。我們注意到,有機小分子DMSA由于在電鏡下襯度低,因此,觀察不到粒子表面修飾層的存在。 2.2 磁性測量 圖3顯示：表面修飾DMSA后,氧化鐵納米粒子的飽和磁化強度為53.53 emug-1(a),與修飾之前的值61.43 emug-1(b)相比略有降低,這是由于樣品中非磁性有機分子的存在,使得單位質(zhì)量樣品的磁化強度有所降低20。Fe2O3與DMSAFe2O3磁性納米粒子的矯頑力分別為0.25O e和0.14O e,表明樣品接近超順磁性。理論上,具有10 nm磁核尺寸的磁性氧化鐵納米粒子已經(jīng)達到超順磁尺寸,具有零矯頑力21。樣品中微小矯頑力的存

18、在可能是由于粒子間聚集體的存在。 2.3 聚集和表面分子吸附對磁性納米粒子水動力尺寸的影響見表1、2。表1 Fe2O3及解膠前、后DMSAFe2O3納米粒子在水溶液中(pH=7)的水動力平均直徑（D）（略）表2 DMSAFe2O3納米粒子在pH 9.0硼酸鹽緩沖溶液及依次加入IgG和GAH IgG后的水動力平均直徑（略）溶液中納米粒子水動力尺寸是指包括表面有機物殼層和水化層在內(nèi)的總的尺寸,一般大于納米粒子核尺寸。用光子相關(guān)光譜儀(PCS)測量了Fe2O3與DMSAFe2O3磁性納米粒子在水溶液中的水動力平均直徑（D）,結(jié)果如表1所示?？梢钥吹?表面修飾前Fe2O3納米粒子的水動力平均直徑為92 nm,遠(yuǎn)大于TEM所測得的平均磁核尺寸(10 nm)。解膠前DMSAFe2O3磁性納米粒子的水動力直徑為110 nm,大于Fe2O3納米粒子的水動力直徑(92 nm),這一方面是由于聚集效應(yīng),另一方面還歸于表面DMSA修飾層的貢獻。解膠后,DMSAFe2O3納米粒子的水動力平均直徑減小為75 nm。 DMSAFe2O3磁性納米粒子在硼酸鹽緩沖溶液以及依次加入IgG和GAH IgG后,磁性納米粒子的水動力直徑發(fā)生了變化。從表2可以看到,DMSAFe2O3磁性納米粒子在硼酸鹽緩沖溶液中平均水動力直徑為78 nm,略大于水溶液中的水動力尺寸(75 nm)。當(dāng)在含有DMSAF