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1、磁性微球的制备及其生物分离应用本讲稿第一页，共二十页1.磁性微球的概述磁性微球的概述 磁性微球是由磁性粒子与各种含活性功能基团的材料复合而磁性微球是由磁性粒子与各种含活性功能基团的材料复合而成的具有一定磁性及特殊表面结构的粒子。磁性微球的研究于成的具有一定磁性及特殊表面结构的粒子。磁性微球的研究于20 世纪世纪70 年代，国内在年代，国内在20 世纪世纪80 年代以来日渐活跃。通过共聚合年代以来日渐活跃。通过共聚合和表面改性，磁性微球表面可被赋予多种活性功能基团，如和表面改性，磁性微球表面可被赋予多种活性功能基团，如-COOH、-COH、-NH2 等，也可共价结合酶、细胞、抗体等生物活性物质。
2、等，也可共价结合酶、细胞、抗体等生物活性物质。本讲稿第二页，共二十页1.磁性微球的概述磁性微球的概述 因为具有磁性，磁性微球可在外加磁场的作用下方便地被定位、因为具有磁性，磁性微球可在外加磁场的作用下方便地被定位、导向和分离，有学者因此将其形象地称为动力粒子导向和分离，有学者因此将其形象地称为动力粒子(Dynabead)。作。作为新型功能材料，磁性微球在生物、医学为新型功能材料，磁性微球在生物、医学(生物大分子分离、靶向生物大分子分离、靶向药物等药物等)、细胞学、细胞学(细胞标记、细胞分离等细胞标记、细胞分离等)和环境工程和环境工程(废水处理废水处理等等)等领域有着广阔的应用前景。等领域有着广
3、阔的应用前景。本讲稿第三页，共二十页2.磁性微球的结构和特性磁性微球的结构和特性2.1 磁性微球的结构磁性微球的结构 根据无机磁性纳米粒子与提供活性功能基团的材料形成的根据无机磁性纳米粒子与提供活性功能基团的材料形成的方式不同，可分为四种不同的结构类型，即核壳型，包括磁性核或方式不同，可分为四种不同的结构类型，即核壳型，包括磁性核或磁性壳型磁性壳型(图图 A，B)，混合型，混合型(图图C)，和多层型，和多层型(图图D)。本讲稿第四页，共二十页2.磁性微球的结构和特性磁性微球的结构和特性2.2 磁性微球的主要特性磁性微球的主要特性 相对于普通磁性颗粒材料，磁性微球具有良好的表面效应相对于普通磁性
4、颗粒材料，磁性微球具有良好的表面效应和体积效应，具体反映在其比表面积激增，微球官能团密度和和体积效应，具体反映在其比表面积激增，微球官能团密度和选择性吸附能力增大，吸附平衡时间大大缩短；选择性吸附能力增大，吸附平衡时间大大缩短；其次，它具有很好的选择性磁响应性，当磁性四氧化三铁其次，它具有很好的选择性磁响应性，当磁性四氧化三铁晶体的粒径小于晶体的粒径小于30nm时，具有超顺磁性，从而可以避免在使用中时，具有超顺磁性，从而可以避免在使用中粒子之间发生磁性团聚；粒子之间发生磁性团聚；本讲稿第五页，共二十页2.磁性微球的结构和特性磁性微球的结构和特性 第三，它的物理化学性质稳定，具备一定的机械强度和
5、化学稳第三，它的物理化学性质稳定，具备一定的机械强度和化学稳定性，能耐受一定浓度的酸碱溶液和微生物的降解，其内含的磁性物定性，能耐受一定浓度的酸碱溶液和微生物的降解，其内含的磁性物质不易被氧化、磁性能不易下降，并且具有一定的生物相容性，不会质不易被氧化、磁性能不易下降，并且具有一定的生物相容性，不会对生物体造成明显的伤害；对生物体造成明显的伤害；第四，磁性微球表面本身具有或通过表面改性带有多种活性第四，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的功能基团(如如-OH，-COOH，-NH2 等等)，可连接生物活性物，可连接生物活性物质质(如核酸、酶等如核酸、酶等)，也可以偶联特异性
6、分子，也可以偶联特异性分子(如特异性配体、抗体、如特异性配体、抗体、抗原等抗原等)来专一性的分离生物大分子。来专一性的分离生物大分子。本讲稿第六页，共二十页3.磁性微球的制备磁性微球的制备3.1 磁性微球制备的材料磁性微球制备的材料 磁性微球由磁性微球由无机磁性材料无机磁性材料与各种与各种提供活性功能基团的材料提供活性功能基团的材料复合复合制备而成。目前无机磁性微粒的种类很多，较常用的有金属合金制备而成。目前无机磁性微粒的种类很多，较常用的有金属合金(Fe，Co，Ni)、氧化铁、氧化铁(-Fe2O3，Fe3O4)、铁氧体、铁氧体(CoFe2O4，BaFe12019)、氧化铬、氧化铬(Cr02)
7、和氮化铁和氮化铁(Fe4N)等，等，其中其中Fe3O4(Magnetite)是应用最多的磁性颗粒，它很容易在水是应用最多的磁性颗粒，它很容易在水溶液中通过共沉淀或氧化共沉淀制备，其粒度、形状和组成可以根溶液中通过共沉淀或氧化共沉淀制备，其粒度、形状和组成可以根据调节反应条件得到控制。常用提供活性功能基团的材料主要可以据调节反应条件得到控制。常用提供活性功能基团的材料主要可以分为三类：天然生物大分子材料、合成高分子材料和无机物材料分为三类：天然生物大分子材料、合成高分子材料和无机物材料(见表见表1)。本讲稿第七页，共二十页3.磁性微球的制备磁性微球的制备天然生物大分子材料天然生物大分子材料合成高
8、分子材料合成高分子材料 无机物材料无机物材料 淀粉，纤维素及其衍生淀粉，纤维素及其衍生物，物，葡聚糖，壳聚糖，琼脂葡聚糖，壳聚糖，琼脂糖，明胶，糖，明胶，血清白蛋白，磷脂类血清白蛋白，磷脂类聚乙二醇（聚乙二醇（PEG），聚乙），聚乙烯醇烯醇(PVA)，聚丙烯酸，聚苯乙烯，聚丙烯酸，聚苯乙烯，硅烷衍生物，聚乙烯亚胺硅烷衍生物，聚乙烯亚胺 SiO2，Au表表1 制备磁性微球常用的提供活性功能基团材料制备磁性微球常用的提供活性功能基团材料Table 1.Material with functional groups is commonly used in preparation of magneti
9、c microsphere本讲稿第八页，共二十页3.磁性微球的制备磁性微球的制备3.2 磁性微球制备方法磁性微球制备方法a.共沉淀法共沉淀法b.共混包埋法共混包埋法c.单体聚合法单体聚合法(悬浮聚合悬浮聚合、分散聚合和乳液聚合、分散聚合和乳液聚合)d.界面沉淀法界面沉淀法 本讲稿第九页，共二十页3.磁性微球的制备磁性微球的制备悬浮聚合法悬浮聚合法 与其他方法相比，悬浮聚合法具有以下优点：操作简与其他方法相比，悬浮聚合法具有以下优点：操作简单安全，成本低；颗粒大小可控制在较小范围；产品后单安全，成本低；颗粒大小可控制在较小范围；产品后处理简单，纯度高，可进行大批量生产等。处理简单，纯度高，可进行
10、大批量生产等。本讲稿第十页，共二十页3.磁性微球的制备磁性微球的制备 例如：悬浮聚合法制备苯乙烯磁性微球例如：悬浮聚合法制备苯乙烯磁性微球 试剂：三氯化铁试剂：三氯化铁(Fe3+)、硫酸亚铁、硫酸亚铁(Fe2+)、氢氧化、氢氧化钠、苯乙烯、过氧化苯甲酰（钠、苯乙烯、过氧化苯甲酰（BPO）(引发剂引发剂)、3-甲基甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（3-MPS）（偶联剂）（偶联剂）、甲苯、甲醇、无水乙醇等等；、甲苯、甲醇、无水乙醇等等；本讲稿第十一页，共二十页3.磁性微球的制备磁性微球的制备聚苯乙烯磁性微球的制备过程如图所示：聚苯乙烯磁性微球的制备过程如图所示：Fe3O4
11、纳米粒子的制备纳米粒子的制备采用共沉淀法，即采用共沉淀法，即Fe2+与与Fe3+按摩尔比按摩尔比1:2的比例的比例混合，氮气保护下，以混合，氮气保护下，以NaOH作碱液滴加入铁盐作碱液滴加入铁盐溶液中，晶化溶液中，晶化2h。Fe2+2Fe3+8OH-=Fe3O4+4H2O本讲稿第十二页，共二十页3.磁性微球的制备磁性微球的制备 硅烷偶联剂硅烷偶联剂3-MPS在醇醋在醇醋酸条件下水解，酸条件下水解，3-MPS的的-OCH3基团水解生成基团水解生成-OH基团，其基团，其-OH基团与基团与Fe3O4表面的表面的-OH基基团反应，使含有双键的硅烷偶团反应，使含有双键的硅烷偶联剂联剂3-MPS健接到磁性
12、粒子表健接到磁性粒子表面，即生成面，即生成3-MPS修饰的修饰的Fe3O4微球。在微球。在BPO引发剂作用下，引发剂作用下，苯乙烯单体在苯乙烯单体在3-MPS修饰的修饰的Fe3O4微球表面发生聚合反应，微球表面发生聚合反应，形成以聚苯乙烯为壳，形成以聚苯乙烯为壳，Fe3O4粒粒子为核的聚苯乙烯磁性微球。子为核的聚苯乙烯磁性微球。本讲稿第十三页，共二十页4.磁性微球作为分离载体在生物分离中的应用磁性微球作为分离载体在生物分离中的应用 由于磁性微球粒径小，比表面积大，故而偶联容由于磁性微球粒径小，比表面积大，故而偶联容量大，悬浮稳定性好，便于高效地与目标产物偶联；量大，悬浮稳定性好，便于高效地与目
13、标产物偶联；又因其具有超顺磁性，在外磁场的作用下固液相的又因其具有超顺磁性，在外磁场的作用下固液相的分离十分简单，可省去离心、过滤等繁杂操作，节分离十分简单，可省去离心、过滤等繁杂操作，节省时间。因此，在细胞分离、分类，蛋白质提纯和省时间。因此，在细胞分离、分类，蛋白质提纯和核酸分离等领域有着广泛的应用前景。核酸分离等领域有着广泛的应用前景。本讲稿第十四页，共二十页4.磁性微球作为分离载体在生物分离中的应用磁性微球作为分离载体在生物分离中的应用1、细胞分离、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
14、等），利用它们与目标细胞的特异性结合，借助外磁场的作用，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、分类。与常用的细胞分离方法相比，可以很方便、快速的对细胞进行分离、分类。与常用的细胞分离方法相比，具有简单、快捷、高效和安全等特点。下图是磁性微球分离细胞原理的示具有简单、快捷、高效和安全等特点。下图是磁性微球分离细胞原理的示意图意图。图2 用磁性微球分离细胞Fig2.Cellular isolation by using magnetic microsphere本讲稿第十五页，共二十页4.磁性微球作为分离载体在生物分离中的应用磁性微球作为分
15、离载体在生物分离中的应用 磁性微球微球分离细胞主要有两种方式：一种是直接从磁性微球微球分离细胞主要有两种方式：一种是直接从细胞混合液中分离出靶细胞的方法，称为正相分离或正相选细胞混合液中分离出靶细胞的方法，称为正相分离或正相选择择(positive selection)；另一种是利用磁性微球除去无关；另一种是利用磁性微球除去无关细胞，使靶细胞富集纯化的方法，称为负相分离或负相选择细胞，使靶细胞富集纯化的方法，称为负相分离或负相选择(negative selection)本讲稿第十六页，共二十页4.磁性微球作为分离载体在生物分离中的应用磁性微球作为分离载体在生物分离中的应用2.蛋白质分离纯化蛋白
16、质分离纯化 磁性微球的粒径小，比表面积大，表面含有活磁性微球的粒径小，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行分离。整个分离过程不需对混合溶液的pH值、温值、温度、离子强度和介电常数进行调整，从而避免了传统分离度、离子强度和介电
17、常数进行调整，从而避免了传统分离过程中蛋白质的损失过程中蛋白质的损失。本讲稿第十七页，共二十页4.磁性微球作为分离载体在生物分离中的应用磁性微球作为分离载体在生物分离中的应用3.核酸分离核酸分离 例：以羧基修饰的磁性纳米粒子作为固相载体，从样品中例：以羧基修饰的磁性纳米粒子作为固相载体，从样品中富集靶细胞和从细胞裂解液中吸附富集靶细胞和从细胞裂解液中吸附DNA。采用这种方法，吸。采用这种方法，吸附在纳米磁珠表面上的附在纳米磁珠表面上的DNA不用洗脱就可以直接作为靶基因用不用洗脱就可以直接作为靶基因用作作PCR扩增的模板，从而大大简化了从靶细胞富集到靶基扩增的模板，从而大大简化了从靶细胞富集到靶
18、基因扩增的全过程。该方法快速简便，不使用有毒试剂和离因扩增的全过程。该方法快速简便，不使用有毒试剂和离心操作，便于用来构建快速、高通量核酸制备的生物芯片。心操作，便于用来构建快速、高通量核酸制备的生物芯片。本讲稿第十八页，共二十页 磁性微球在生物分离中具有极大的应用前景磁性微球在生物分离中具有极大的应用前景,目前国外已经开发出相关产品目前国外已经开发出相关产品,但价格昂贵但价格昂贵,国内国内这方面研究仍处于实验性阶段。因此这方面研究仍处于实验性阶段。因此,开发出粒开发出粒度均匀、磁响应性强、稳定性好和表面富含活性度均匀、磁响应性强、稳定性好和表面富含活性功能基团的磁性微球具有很大的市场前景。对于功能基团的磁性微球具有很大的市场前景。对于如何提高生物大分子在磁性微球表面的结合效率如何提高生物大分子在磁性微球表面的结合效率和专一性和专一性,以及扩展其应用范围等将是今后该领以及扩展其应用范围等将是今后该领域研究的重点。相信不久的将来域研究的重点。相信不久的将来,生物磁性微球生物磁性微球分离技术进一步的完善和发展将有力地促进整个分离技术进一步的完善和发展将有力地促进整个生化分离技术的进步。生化分离技术的进步。5.展望展望本讲稿第十九页，共二十页Thank You制作人：彭艳杰制作人：彭艳杰本讲稿第二十页，共二十页