磁性纳米颗粒及其应用概要22页PPT

二、Fe3O4的结构和性质
纯净的四氧化三铁 是黑色固体(图1.1), 因为其特殊的晶体结 构以及Fe元素作为过 渡金屈元素所具有的 特性,故而具有磁性。
在固定反应温度为80℃,Fe3+/Fe2+摩尔比为1:1,搅拌速 度为1000 r/min,沉淀pH为9~10,分析了总铁盐的浓度 对产物尺寸的影响。
表4 反应温度
溶液中铁盐溶液浓度为0.25mol/L,沉淀pH为9~10,Fe2+ 和Fe3+摩尔比为1:1的条件下,温度为80 ℃，考察了搅 拌速度对产物尺寸的影响。
表5 搅拌速度
2：溶胶凝胶法
表面覆盖了Fe3O4壳的C@Fe3O4芯壳纳米纤维
四、Fe3O4磁性纳米粒子的应用
四氧化 三铁磁 性纳米 粒子
3.1实验原理
Fe2+的外层电子排布为3d64s04p0,Fe3+的外层电子排布为3d54s04p0,在纳 米Fe3O4的内部,存在很多Fe2+和Fe3+,它们的4s和4p都是空轨道。尽管与 槲皮素形成了配位,但多余的空轨道仍可与多巴胺中的具有sp3电子对的N 电子进一步形成配位键。
5.2 制备
取15mL去离子水,加入40mg多巴胺盐酸盐配成溶液, 与10mL浓度为10mM的三羟甲基氨基甲烧溶液充分混 合后,加入20mL乙醇,将20mgFe3O4-槲皮素复合纳米粒 子加入其中,超声分散10min,搅拌20h,产物用强力磁 铁进行分离后,以去离子水冲洗多次直至洗液的pH为 7,再以无水乙醇洗漆,最后真空干燥后研磨。
Fe3O4产生化学键合。另外产物与Fe3O4 相比,590cm-1处的Fe3O4特征吸收减弱 很大,也证明了表面连接了槲皮素而
图14 Fe3O4-槲皮素复合纳米粒子的红外光谱 图

三 医学应用
磁靶向药物 细胞分离和免疫分析 磁性纳米颗粒对蛋白的吸附及固定化 基因治疗

1磁靶向药物

用生物高分子如氨基酸、多肽、蛋白、酶等 包裹生物相溶性和散单分性好的无机磁性纳 米颗粒,再与药物结合制成载药分子,在外加磁 场作用下,通过磁纳米颗粒的磁性导向性使药 物准确作用于病变部位,增强对病变组织的靶 向行,降低对正常组织细胞的 伤害.
3 对蛋白酶的吸附及固定化

酶具有- COOH、- OH、- NH2 等活性官能团, 可通 过物理吸附、交联、共价偶合、包埋、鳌合等方式 和磁性微球结合, 具体实施法有吸附交联法、共价 结合、过渡金属与酶的螯合、包埋法和共价键偶合 法等。磁性纳米颗粒固定化酶能提高酶的生物兼容 性和免疫活性、亲疏水性和稳定性; 易于将酶与底 物或产物分离、操作简单易行; 可利用外部磁场控 制磁性材料固定化酶的运动方式和方向, 提高固定米颗粒粒径比毛细血 管还小1-2个数量级 在外加磁场的作用下靶向能力更加优越,定点 滞留作用强 载药磁性纳米颗粒对机体无毒害作用,可通过 人体肝脾自然排泄 通过控制磁性纳米颗粒形成的细微结构可以 达到对药物的控释作用

2 细胞分离和免疫分析

磁性纳米颗粒性能稳定,较易制备,可与多种分 子复合,使表面功能化.如果磁性表面镶嵌具有 生物活性专一性抗体,在外加磁场的作用下,利 用抗原抗体的特异性结合,就可以得到免疫磁 性颗粒,利用它们可快速有效的将细胞分离或 进行免疫分析,具有特异性高,分离快,重现性 好等特点.

磁性纳米材料通过磁导向作用解决了因靶部 位载体浓度不足而引起的转染效率问题 DCIONP(一种外包葡萄糖的磁性四氧化三铁 颗粒)可以在一定PH值下,保护目的DNA不被 水解 是非生物材料,不会引起免疫反应 可介导外源基因的整和,以长期表达

3. 1988年，法国巴黎大学教授研究组首先在Fe/Cr纳米结构的多 层膜中发现了巨磁电阻效应，引起国际上的反响。此后，美国、 日本和西欧都对发展巨磁电阻材料及其在高技术中的应用投入很 大的力量，兴起纳米磁性材料的开发应用热。1988年，由非晶态 FeSiB退火通过掺杂Cu和Nb控制晶粒，获得了新型的纳米晶软磁材 料； 4. 1988年，人们发现了磁性多层膜的巨磁电阻效应，并由此产生 一门新兴学科：自旋电子学。 5. 1993年，人们通过理论研究发现，纳米级的软磁和硬磁颗粒复 合将综合软磁Ms高，硬磁Hc高的优点获得磁能积比现有最好NdFeB 高一倍的新型纳米硬磁材料。 6. 进人21世纪以来，利用模板生长一维磁性纳米丝的研究很活跃， 材料包括单一金属、合金、化合物、多层材料、复合材料等，应 用目标也从存储介质到细胞分离，多种多样。
（4）生成磁性液体的必要条件 生成磁性液体的必要条件是强磁性颗粒要足够小，
在致可以削弱磁偶极矩之间的静磁作用，能在基液中作无 规则的热运动。基液包括：水基、煤油基、短基、二醋基、 聚苯基、硅油基、氟碳基等。
（5）磁性液体的特点
在磁场作用下可以被磁化，可以在磁场作用下运动， 但同时它又是液体，具有液体的流动性。
二、纳米磁性材料的定义
纳米磁性材料是指材料尺寸限度 Nano Material
在纳米级，通常在1-100nm的准
0D
零维超细微粉，一维超细纤维
（丝）或二维超薄膜或由它们组
成的固态或液态磁性材料。当传
1D
统固体材料经过科技手段被细化
到纳米级时，其表面和量子隧道
等
4、 磁性液体
（1）磁性液体的定义 磁性液体是由纳米磁性微粒包复一层长链的有机表
面活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有 磁性的液体。其中磁性微粒尺寸通常小于10nm，呈超顺 磁性。

一、软磁材料(cáiliào) 1、性能特点
与MS平方成正比；与K1和λS成反比；与
起始(qǐ shǐ)磁导率高 内应力σ和杂质浓度β成反比
矫顽力HC 小
降低HC的方法与提高μi的方法相一致
饱和(bǎohé)磁感应强度MS 高
调节配方作用下，这类材料非常容易磁化，而 取消磁场后又很容易去磁。
第三十页，共34页。
磁液密封(mìfēng)
特点(tèdiǎn)： 不泄漏，可耐高真空； 耐高速旋转； 无机械磨损，寿命长； 发热量小
第三十一页，共34页。
磁液扬声器
磁性液体： 对音圈的运动起一定(yīdìng)的阻尼作用， 并能使音圈自动定位， 同时音圈所产生的热量可以通过磁性液体耗散 。
第三十二页，共34页。
材料(cáiliào)的磁 学性能
第三节 磁性材料(cí xìnɡ cái liào)及其应用
第一页，共34页。
磁性材料(cí xìnɡ cái liào)的分类
其他功能 磁性材料
磁记录 材料
永磁 材料
磁性 材料
磁致伸缩 材料
磁致电阻 材料
软磁 材料
第二页，共34页。
强主 磁要 材 料
应 用 的
(zhǔyào)
• MnZn，NiZn， MgZn等尖晶石型铁 氧体 • Co2Y，Co2Z等平 面六角型铁氧体
第六页，共34页。
• 3d过渡金属（T） －非金属系 • 3d过渡金属（T） －金属系 • 过渡金属（T） －稀土类金属（R） 系
软磁材料(cáiliào)主要用于动力工程、高性能电子学、通信 技术、航空及空间技术等，来制造磁导体，增加磁路的磁通量， 降低磁阻。
涂布型磁带主要(zhǔyào)由带基和附着其上的磁性涂覆层构成。

27
白蛋白纳米球
28
(2)明胶纳米球
将W/ O 型乳状液中的明胶乳滴 冷却至胶凝点以下 用甲醛交联固化 可用于对热敏感的药物
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明胶纳米球
将300 g/ L 的明胶溶液3 ml (含有1. 8mg 丝裂霉素) 在3 ml 芝麻油中乳化。
将形成的乳状液在冰浴中冷却,使明胶乳 滴完全胶凝,再用丙酮稀释,用50 nm 孔 径的滤膜滤过,弃去粒径较大的颗粒。
21
PACA纳米球
22
(2)聚甲基丙烯酸甲酯纳米球(囊)
聚合反应引发：γ射线辐射或化学引发剂(如过 硫酸钾)。 聚合物的平均分子量及纳米囊或纳米球的粒径 均随单体浓度的增大、引发剂浓度的降低及温 度的降低而增大。 制备PMMA纳米球时一般不加乳化剂，但加入 高分子保护胶体，如蛋白质可使粒径分布变窄。
(1)聚氰基丙烯酸烷基酯纳米球(囊)
聚合引发剂：水中OH-离子。 通常制得的聚合物平均分子量较低，纳米球软 且易粘连，需应用稳定剂，如右旋糖酐。 影响粒径的重要因素：溶液的pH值和单体的 浓度。 本法制得的纳米囊或纳米球中药物的收率在 15%~90%范围内，亲脂性药物收率较高。
16
PACA聚合反应
纳米球或纳米囊的粒径取决于溶剂蒸发 之前形成的乳滴的粒径
通过搅拌速率、分散剂的种类和用量、 有机相及水相的比例、粘度、容器及搅 拌器的形状和温度等因素可以调节纳米 球或纳米囊的粒径。
39
曲安奈德聚乳酸(PLA) 纳米粒
曲安奈德（皮肤抗炎用药）20 mg 与PLA 400 mg 溶于2 ml 氯仿中为油相,
30
明胶纳米球
用丙酮洗去纳米球( ≤50 nm) 上的油 加10 %甲醛的丙酮溶液30 ml 使纳米 球交联10 min 丙酮洗涤,干燥,即得单颗粒纳米球

种分子复合,使表面功能化。 如果磁性表面镶嵌具有生物活性专一性抗 体,在外疫磁性颗粒,利 用它们可快速有效的将细胞分离或进行免 疫分析。 具有特异性高,分离快,重现性好等特点。
6、 对蛋白酶的吸附及固定化
酶具有-
COOH、- OH、- NH2 等活性 官能团, 可通过物理吸附、交联、共 价偶合、包埋、鳌合等方式和磁性微 球结合。 具体实施法有吸附交联法、共价结合、 过渡金属与酶的螯合、包埋法和共价 键偶合法等。
二、磁性纳米颗粒的类型
磁性颗粒有三种类型，即 (1) 20世纪60年代出现的第一代铁氧 体颗粒
主要有γ-Fe2O3、MeFe2O4（Me＝ Co，Ni，Mn）和Fe3O4颗粒等。
磁性纳米颗粒的类型
(2)
80年代出现的金属型颗粒 主要有Fe、Co、Ni及其合金颗粒。
(3)
90年代出现的氮化铁颗粒。 Fe-N化合物主要有FeN、Fe2N、ε-Fe3N、 Fe16N2等。
磁性纳米颗粒固定化酶的优点
能提高酶的生物兼容性和免疫活性、亲
疏水性和稳定性; 易于将酶与底物或产物分离、操作简单 易行; 可利用外部磁场控制磁性材料固定化酶 的运动方式和方向, 提高固定化酶的催 化效率
Thank you!
各种形貌的磁性纳米颗粒
三、纳米磁性颗粒的制备
常用的方法：（P107） 辐射聚合法 热固化法 共沉淀法
四、磁性纳米颗粒的应用
在DNA分离纯化中的应用
磁靶向药物 在医学检测、诊断中的应用 基因治疗 细胞分离和免疫分析 磁性纳米颗粒对蛋白酶的吸附及固定化
1、在DNA分离纯化中的应用
特点：
磁性纳米材料通过磁导向作用解决了因

周期有短周期 和长周期两种.
• 短周期约为费米波长的一半，即AF/2,与RKKY交换模型预期
的相同。
• 其基本特点是，4f电子是局 域的，6s电子是游动的，f电子
与s电子发生交换作用，使s电子极化，这个极化了的s电子
的自旋对f电子自旋取向有影响，结果形成以游动的s电子
为媒介，使磁性原子（或离子）中 局域的4f电子自旋与其
• 虽然交换耦合的机制问题目前还没有完全
清楚，交换耦合原理的应用研究方兴未艾
。 比如两种新型的磁记录材料，即交换耦
合复合介质（exchange coupled composite (
• 振荡交换耦合现象: 磁性多层膜的磁性层间可以通 过非磁
性金属层而交换耦合。
• 交换耦合随金层厚度作铁磁和反铁磁的振荡变化，此振荡
磁矩的时间平均值为零，系统表现出超顺磁性。
• 粒子要表现出超顺磁性的临界尺寸V。
• 对于T =100 K时K = 107J/m3的材料，当尺寸
为6. 3 nm时粒子的弛豫时间t=10-1s， 而尺
寸为6. 8 nm时，r=10 s；尺寸到7. 6 nm时r=
105s(即一天！）。由此可见，表现出超顺
• 超顺磁性的特征是矫顽力Hc0，磁化强度
为
• 对于超顺磁性粒子的胶体悬浊液，粒子间只有弱的静磁作
用和范德瓦尔斯力，热运动既可使粒子内磁化矢量克服磁
各向异性能的位垒而旋转，还可使粒子作整体运动，这就
是磁性液体。
• 热运动能kT使体积为V的粒子磁矩Ms越过各向异性常数为K
的势垒的几率为 p=exp(-KV/kBT)，即原来一致磁化的粒子集
• 在一定磁场下电阻急剧减小，为一般磁性物质之十余倍，
这种现象称为R磁电阻现象 (giant magnetoresistance，

磁铁氧体6 万吨、永磁铁氧体8 万吨、钕铁硼磁体2000 吨。
总之, 从市场发展看, 中国长期在全球磁 性材料市场发展前景是乐观的。
六
1.磁材行业经过“七·五”、“八·五”技术改造, 不少厂家引进了 美、日、德、意等国先进生产线或生产线关键设备, 大都取得了
、
较好的经济效益和社会效益, 但个别单位受骗上当, 交了学费, 尤 其是二手设备的引进, 容易失误。
（1） 铁硅合金： 最常用的软磁材料， 常用作低频变压器、 发电机的铁芯；
铁硅合金
低频变压器
（2）铁镍合金：典型代表材料为坡莫合金，具有高 的磁导率（磁导率μ为铁硅合金的10~20倍）、低的损 耗；并且在弱磁场中具有高的磁导率和低的矫顽力， 但力学性能不太好，通常应用于电子材料；

坡莫合金
电压互感器
最大磁能积：最大磁能积是退磁曲线上磁感应强度（B）和磁场强度 乘积（H）的最大值。这个值越大，说明单位体积内存储的磁能越大， 材料的性能越好。
四、磁性材料的应用
1.永磁材料
永磁材料经磁化后，去除外磁场仍保留磁性，其 性能特点是具有高的剩磁、高的矫顽力。永磁材料包 括铁氧体和金属永磁材料两类。
铁氧体的用量大、应用广泛、价格低，但磁性能 一般，用于一般要求的永磁体。金属永磁材料中钕铁 硼（Nb-Fe-B）稀土永磁，钕铁硼磁体不仅性能优， 而且不含稀缺元素钴，作为稀土永磁材料发展的最新 结果，由于其优异的磁性能而被称为“磁王”。
磁化电流，以至于零，那么该材料得磁化过程就是一连串逐渐缩小而最 终趋于原点的环状曲线，如图2所示。当H减小到零时，B亦同时降为零， 达到完全退磁。
3.磁材料常用的性能参数
饱和磁感应强度Bm：其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材 料内部的磁化矢量整齐排列。 剩余磁感应强度Br：是磁滞回线上的特征参数，H回到0时的B值。 矩形比：Br∕Bm。 矫顽力Hc：是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、 应力等）。 磁导率μ：是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，与器件工作状态密 切相关。 居里温度Tc：铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时， 自发磁化消失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。它确定了磁性器 件工作的上限温度。 磁滞损耗 ：铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗 ，降低磁 滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc 。

磁性纳米材料可作为磁共振成像 （MRI）的造影剂，提高图像分辨率， 帮助医生更准确地诊断疾病。
核医学显像
磁性纳米材料可用于正电子发射断层扫 描（PET）等核医学显像技术，提高灵 敏度和特异性。
磁性纳米材料在肿瘤治疗中的应用
磁热疗
利用磁性纳米材料在交变磁场下产生热量，对肿瘤进行热疗，杀死癌细胞或抑制肿瘤生长。
降低成本
研究更加高效、低成本的磁性纳米材 料制备方法，降低生产成本，促进大 规模应用。
提高控制精度
加强磁场控制技术的研究，提高对磁 性纳米材料的定位和治疗效果的控制 精度。
标准化和规范化
推动磁性纳米材料在生物医学领域应 用的标准化和规范化进程，促进其推 广和应用。
04
磁性纳米材料的前景展望
磁性纳米材料在生物医学领域的未来发展方向
磁性纳米材料的制备方法多样，可以根据 实际需求调整成分、尺寸和形貌，以满足 不同应用的需求。
磁性纳米材料面临的挑战
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ体内安全性问题
虽然磁性纳米材料具有良好的生物相容 性，但仍存在一定的安全隐患，如长期
滞留、聚集等。
体内外磁场控制精度问题
体内外磁场对磁性纳米材料的控制精 度有限，可能影响其定位和治疗效果。
肿瘤诊疗一体化
利用磁性纳米材料实现肿瘤的早期诊断与治疗， 提高诊疗效果和患者生存率。
精准靶向治疗
通过磁性纳米材料实现药物的精准投递，降低副 作用，提高治疗效果。
生物成像与检测
利用磁性纳米材料提高生物成像的分辨率和灵敏 度，实现疾病的早期发现与监测。
磁性纳米材料在其他领域的应用前景
环境治理
01
利用磁性纳米材料吸附和去除水体和空气中的有害物质，改善
03

特性
具有较高的磁响应性和稳定性， 可以在外部磁场的作用下快速定 向排列，且不会产生磁畴壁位移 。
制备方法
物理法
利用物理过程（如蒸发、溅射、激光 脉冲等）制备超顺磁性纳米材料。
化学法
通过化学反应（如沉淀法、溶胶-凝胶 法、微乳液法等）制备超顺磁性纳米 材料。
应用领域
01
02
03
04
生物医学
用于磁共振成像、药物传递和 肿瘤治疗等领域。
详细描述
科研人员将不断探索新的材料体系， 通过精确控制材料的成分、结构和性 能，以满足各种应用需求。新型的合 成方法也将不断涌现，以实现高效、 环保的纳米材料制备。
应用领域的拓展
总结词
超顺磁性纳米材料的应用领域将不断扩 大，涉及医疗、能源、环境等领域。
VS
详细描述
随着研究的深入和技术的发展，超顺磁性 纳米材料将在更多领域展现出其特殊的优 势和潜力。例如，在医疗领域，它们可以 用于药物输送、肿瘤诊断和治疗；在能源 领域，它们可以用于高效储能和太阳能转 化；在环境领域，它们可以用于水处理和 空气净化等。
光学性质
光学性质
超顺磁性纳米材料由于其内部原子或分子的排列无序，因此具有特殊的光学性质。在 Hô 公子吸取光谱中，超顺磁性纳米材料表现出明显的宽频吸取峰，这是由于其内部原子或分 子的能级结构所引起的。
光吸取与散射
超顺磁性纳米材料对光的吸取与散射作用较强，可以用于光吸取、光散射以及光催化等领 域InstanceOf技术。
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风险评估与监测
对超顺磁性纳米材料进行全面的风险评估，并对其在环境中的散布 、迁移和转化进行实时监测。
教育培训与意识提升
加强相关人员的培训和教育，提高他们对超顺磁性纳米材料安全性 的认识，确保安全操作规程的执行。

磁制冷材料
磁制冷是一种以磁性材料为工质的制冷技术 ，基本原理 是借助磁制冷材料的磁热效应（magnetocaloric effect） 即磁制冷材料等温磁化时向外界放出热量，而等温退磁 时从外界吸取热量，以达到制冷目的
环境友好：无环境污染和破坏 高效节能: 卡诺循环效率可达到 60~70％ 稳定可靠
r
0
铁磁物质的相对磁导率
材料 钴 镍 软钢
硅钢片 未经退火的铸铁
已经退火的铸铁
相对磁导率 174
1 120 2 180 7000～10000
240
620
材料 镍铁合金 真空中融化的电解铁 坡莫合金 铝硅铁粉芯 锰锌铁氧体 镍铁铁氧体
相对磁导率 60 000 12 950 115 000 7 5000
用于核磁共振成像仪及磁选 机等的烧结NdFeB永磁材料
各种规格的环形烧结 NdFeB永磁材料
外径Ф3mm~Ф160mm；
内径：Ф1mm~Ф140mm
各种规格的圆片形烧结NdFeB 永磁材料
尺寸范围：外径Ф2mm－ Ф160mm；
厚度：0.3mm－60mm
各种规格的圆片形烧结NdFeB
永磁材料
尺寸范围：外径Ф2mm－ Ф160mm；
的单位是：亨利/米(H/m)。 不同的物质磁导率不同。
在相同的条件下， 值越大，磁感应强度 B 越大，
磁场越强； 值越小，磁感应强度 B 越小，磁场越弱。
真空中的磁导率是一个常数，用 0 表示 0 = 4 107 H/m
（2）、 相对磁导率
为便于对各种物质的导磁性能进行比较，以真空
磁导率 0 为基准，将其他物质的磁导率 与 0 比较， 其比值叫相对磁导率，用 r 表示，即

[3]பைடு நூலகம்
3 磁性纳米颗粒的表面改性
由于纳米颗粒比表面积很大，其表面活性极 高，容易发生团聚和氧化，所以在实际研究和应 用中人们经常在其表面包覆生物材料。包覆后的 纳米磁性颗粒，不仅改善了表面性质，降低了表
7
收稿日期：2009-11-01
修回日期：2009-12-28
作者通信（联系人：朱宏） ：Tel: 023-83581716 E-mail: hzhu@
用于磁性纳米颗粒表面改性的聚合物/分子及其优点与应用
应用 特定部位药物输送 特定部位药物输送 优点 提高在血液中的循环时间，增加稳定性 可与多种亲脂性化合物结合 增加生物相容性，减少 RES 吞噬量与蛋白质吸附，改善特殊 细胞吸收其靶向性 文献 [6] [6] [14,15]
纳米颗粒 Fe3O4 8～15nm Fe3O4 8～15nm
Magnetic Nanoparticles and Their Applications in Biomedicine
XU Xing-xing, ZHU Hong College of Material Science and Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China Abstract: Magnetic nanoparticles have draw great attention on biomedical applications for their superparamagnetism and nanometer characteristics. In this paper we review the synthesis, surface modification, and applications in the field of biological separation, hyperthermia, targeted drug delivery and magnetic resonance imaging (MRI). And a brief outlook on the application is presented. Key words: magnetic nanoparticles; biological separation; hyperthermia; targeted drug delivery; MRI